高中壓轉子鋼冶煉全流程夾雜物分析

楊海石  王志剛  朱偉偉

（上海電氣上重鑄鍛有限公司  上海  200245）

摘  要：通過對高中壓轉子鋼在精煉及澆注過程中的取樣，分析，全面了解整個生產過程中各工序鋼水成分和夾雜物的變化，從而改善工藝及操作方式。

高中壓轉子是火電機組的關鍵零部件，工作時承受著高應力、高溫度的雙重作用，此外，還要承受交替變化的熱應力，使高中壓轉子發(fā)生蠕變損傷和熱疲勞損傷或者二者的疊加。因此，要求其材料必須具有很高的高溫蠕變斷裂強度和疲勞強度。鋼水含有的C、P、S、N、H和T[O]等元素的單一或綜合作用的結果，將大大地影響鋼的抗拉強度、成型性、韌性、可焊性、抗裂紋、抗腐蝕性、各向異性、耐疲勞性等各種性能。因此，為了改善鋼的性能，必須要首先提高鋼水純凈度。我公司生產高中壓轉子有較長的歷史，但其質量穩(wěn)定性一直不高，尤其是探傷合格率忽高忽低，為改變這一現狀，進行了一系列的工藝及操作優(yōu)化，其中，第一步就是對冶煉澆注過程的全流程夾雜物分析。

1 生產試驗方案

1.1 研究內容

在現行工藝條件下對全流程進行了系統(tǒng)取樣，進行以下研究：

（1）全流程微觀夾雜物成分變化規(guī)律研究

（2）全流程微觀夾雜物類型變化規(guī)律研究

（3）全流程微觀夾雜物數量密度變化研究

（4）全流程總氧含量變化規(guī)律研究

1.2 生產工藝

EAF→LF→VD→中間包→MSD+Ar澆注

1.3 試驗方法

1.3.1 取樣方案

高中壓轉子鋼取樣方案如下：

（1）LF精煉過程取樣

LF爐進站，取鋼樣1個，測量鋼液化學成分、鋼液溫度。

LF還原20min后，取鋼樣1個，測量鋼液化學成分、鋼液溫度。

LF第一次加合金15min后，取鋼樣1個，測量鋼液化學成分、鋼液溫度。

LF第二次加合金15min后，取鋼樣1個，測量鋼液化學成分、鋼液溫度。

（2）VD過程取樣

真空結束取鋼樣1個，測量鋼液化學成分、鋼液溫度。

精煉結束鋼樣、渣樣各一個，測量鋼液化學成分、鋼液溫度。

（3）中間包取樣

大包開澆時取鋼樣1個，測量鋼液化學成分、鋼液溫度。

大包澆注30t（3/10）時取鋼樣1個，測量鋼液化學成分、鋼液溫度。

大包澆注結束時取鋼樣、渣樣各一個，測量鋼液化學成分、鋼液溫度。

表11高中壓轉子鋼取樣結果

1.3.2 分析方法

對所取的試樣主要采用化學成分常規(guī)分析、光學顯微鏡分析、掃描電鏡分析等。

2 高中壓轉子鋼夾雜物檢測分析

2.1 全流程的鋼水成分變化

表21全流程鋼液成分變化，％

注：進站前使用的取樣器含Al，故[Al]含量偏高。

2.2 全流程的T[O]的變化

全流程氣體樣共取9個進行氣體分析。

表2-2全流程T[O]分析結果

從圖21可以看出，L1(進站前)T[O]最高57ppm,L3（第一次加合金）最低23ppm。

2.3 全流程微觀夾雜物成分變化

表23全流程夾雜物成分分析

從表2-3可知：MgO含量從1.96%變化到14.39%，Al2O3從88.93%變化到74.67%，SiO2的含量從7.05%變化到了1.50%，CaO由2.06%變化到9.44%，MnS、MnO、CaS、Ti2O3含量較少。

2.4 全流程夾雜物類型

統(tǒng)計全流程中每個試樣電鏡觀測結果，并且將每個試樣的夾雜物類型計算出來列于下列表格中。

表2-4 L11主要夾雜物類型

表2-5 L12主要夾雜物類型

表2-6 L13主要夾雜物類型

表2-7 L14主要夾雜物類型

表2-8 V11主要夾雜物類型

表2-9 E11主要夾雜物類型

表2-10 T1主要夾雜物類型

表2-11 T2主要夾雜物類型

表2-12 T3主要夾雜物類型

從上述表格可以看出，進站前的主要夾雜物是Al2O3，占72.73%，還原期夾雜物主要為MgO-Al2O3-CaO，占76.67%，第二次加合金主要夾雜物是

Al2O3-SiO2-CaO，占50%，精煉結束后主要夾雜物為Al2O3-SiO2-CaO，占50%，澆注結束后主要夾雜物為MgO-Al2O3-CaO，占66.67%。

2.5全流程微觀夾雜物數量密度變化研究

全流程取高中壓轉子鋼共9個金相樣，每個金相樣在光鏡下拍攝45個視場，統(tǒng)計全流程微觀夾雜物數量密度變化，如下列圖表所示。

表2-13全流程夾雜物數量密度

3 試驗結果討論

3.1夾雜物成分演變規(guī)律

由表2-3所示

（1）進站前的微觀夾雜物絕大多數都為Al2O3，高達88.93％，這主要源自進站前加入的預脫氧鋁錠。

（2）隨著LF的進行，夾雜物中MgO的含量稍有增加，Al2O3的含量逐漸減少，CaO的含量急劇上升，最高到53.42％，說明夾雜物上浮并被渣吸附，但渣中的CaO也進入了鋼液當中，耐火材料中的少許Mg也進入了鋼液。

（3）VD階段，夾雜物中Al2O3含量減少26.71％，CaO含量增加21.21％。

（4）在澆注過程中，夾雜物中Al2O3含量急劇升高，而鋼水中Al含量僅為0.008%，又中間包耐材使用的是高Al質的莫來石，故認為此時的Al2O3的主要來源為中間包耐材的侵蝕，或上一爐次中間包上未完全清理干凈的鋼渣，而Al2O3的增加也是聚集成大顆粒夾雜的原因之一。

3.2 夾雜物類型演變規(guī)律

對各爐次各個工藝環(huán)節(jié)的氧化物夾雜物類型進行統(tǒng)計分析，情況如表3-1、表3-1列出了該爐次冶煉過程不同階段鋼中主要氧化物的類型，從中可以看出：

（1）進站前加入鋁錠進行預脫氧，故進站前的夾雜物幾乎都為Al2O3；

（2）精煉開始后，在電鏡下沒有發(fā)現Al2O3單獨存在，而是與其他氧化物結合形成復合夾雜物如MgO-Al2O3-CaO、Al2O3-SiO2-CaO以及MgO-Al2O3-SiO2-CaO等；

（3）精煉過程的夾雜物主要分為兩類，一類含MgO，為MgO-Al2O3、MgO-Al2O3-CaO、MgO-Al2O3-SiO2-CaO；一類不含MgO，為Al2O3-SiO2（-CaO）等。MgO的主要來源是爐渣和爐襯。從上圖中以及夾雜物成分變化中不難發(fā)現，在精煉過程中MgO的含量偏低，而澆注過程中MgO含量明顯增加，這說明澆注過程中精煉渣在中間包中發(fā)生卷渣行為，進入鋼水中。

表31各工藝主要氧化物夾雜物類型對比

3.3 夾雜物數量密度演變規(guī)律

將全流程各個階段的試樣夾雜物數量密度取平均值，得到全流程夾雜物數量密度的變化如圖31所示。

由圖31可知，整個流程鋼液中的微觀夾雜物數量密度由進站前的12.74個/mm2降到澆注結束的3.89個/mm2，從夾雜物密度變化上來看，精煉效果較好；第一次加合金后，較還原20min的夾雜物數量密度上升2.82個/mm2，結合此時的夾雜物成分變化可以知道，加合金時使得渣中的CaO卷入鋼液，使夾雜物的數量密度增加。在澆注過程中，夾雜物數量密度也呈上升趨勢，這是因為在澆注過程中發(fā)生了二次氧化，包括空氣二次氧化和爐襯等耐火材料的二次氧化。

3.4 全流程的T[O]的變化

鋼中的氧以兩種形式存在：溶解于鋼中的溶解氧[O]溶和存在于氧化物中的氧[O]夾�？傃鹾�量可表示為：

T[O]=[O]溶+[O]夾

脫氧合金化后，與脫氧元素（Si、Al）相平衡的[O]溶很低，如鋁鎮(zhèn)靜鋼，加鋁脫氧后，在1600℃與鋼中酸溶鋁含量[Al]s(0.02%~0.05%)處于熱力學平衡的[O]溶很低（0.0004%~0.0008%），所以可以用鋼中總氧含量T[O]來表示鋼中氧化物夾雜物的水平，用T[O]作為潔凈度的量度。鋼中總氧含量越低，說明鋼中氧化物夾雜越少，鋼就越干凈。因此，通過取樣分析鋼中T[O]含量對鋼的潔凈度進行評價至關重要。本試驗通過在全流程取樣來分析鋼中總氧含量T[O]。全流程鋼中總氧變化如圖320所示。

從上圖可以看出，進站前的T[O]含量最高，達57ppm，到第一次加合金后降至23ppm，說明前期的精煉效果良好。第二次加合金后T[O]升高至41ppm，說明此時發(fā)生了二次氧化。精煉結束時，T[O]降低到了26ppm，但是隨著澆注的進行，鋼中T[O]逐漸上升到43個ppm，由此可以得出鋼包操作對鋼的潔凈度影響較大，通過二次氧化、耐火材料侵蝕等方式使鋼液遭到污染，從而使鋼中總氧升高，因此在實際操作過程中，應該合理規(guī)范澆注操作，否則將會使鋼包精煉操作提高鋼液潔凈度的努力前功盡棄。

4 初步結論與建議

過對高中壓轉子鋼全流程生產跟蹤數據分析統(tǒng)計試驗數據，得出以下認識：

（1）鋼的潔凈度水平：T.O平均值/ppm：電爐出鋼57；LF初次出站41；VD出站31；LF二次出站26；中間包43。從鋼的潔凈度水平來評價，從LF二次出站到中間包，鋼液中T.O含量上升到43ppm，較LF出站時增加17ppm，說明在中間包的澆注過程中，中間包操作對鋼的潔凈度影響極大，通過卷渣、二次氧化、耐火材料侵蝕等方式使鋼液遭到污染，從而使鋼中總氧升高，因此在實際操作過程中，應該合理規(guī)范中間包的操作，否則將會使鋼包精煉操作提高鋼液潔凈度的努力前功盡棄。

（2）鋼中微觀夾雜物數量平均值（個/mm2）：進站前 12.74；LF 出站6.9；VD出站4.6；LF二次出站3.54；中間包7.2；進站前微觀夾雜物類型主要是Al2O3，LF期間主要是Al2O3-MgO、Al2O3-MgO-CaO、Al2O3-MgO-CaO-SiO2-MnO，VD期間主要是Al2O3-CaO-SiO2，澆注期間主要是Al2O3-MnS、MgO-Al2O3-SiO2-CaO、MgO-Al2O3-CaO。

（3）LF進站氧含量為57ppm，LF出站氧含量為26ppm，精煉過程總氧降低31ppm，總體來看LF的脫氧效果較好，但加合金期間操作控制欠佳（合金加入方式較粗放），使得總氧由最低時候的23ppm升高到了41ppm。

（4）中間包操作存在較嚴重的二次氧化，中間包澆注過程中，T.O含量上升到43ppm，較LF出站時增加17ppm。

為進一步提高產品質量特提出以下改進措施

（1）規(guī)范操作，LF操作過程中特別是加合金過程，吸氧嚴重，使得精煉效果打了折扣。

（2）中間包澆注過程二次氧化比較嚴重，并伴有卷渣，耐火材料侵蝕行為，是大型夾雜物的主要來源。建議加強中間包保護澆注，強化中間包的清理及澆注過程中的卡渣操作，盡可能的避免精煉渣進入中間包。

參考文獻

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