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耐熱鋼253MA冶煉試驗研究
來源：2019煉鋼生產(chǎn)新工藝新技術(shù)新產(chǎn)品研討會論文集|瀏覽：次|評論：0條 [收藏] [評論]
耐熱鋼253MA冶煉試驗研究陳帥超申澎洋任書旺趙軼鵬（洛陽雙瑞特種裝備有限公司，河南 洛陽，471000）摘 要：耐熱鋼253MA含有0 03%~0 08%的稀土Ce，但稀土元素極為活潑，冶煉燒損不易控制…
耐熱鋼253MA冶煉試驗研究
陳帥超 申澎洋 任書旺 趙軼鵬
（洛陽雙瑞特種裝備有限公司，河南 洛陽，471000）
陳帥超 申澎洋 任書旺 趙軼鵬
（洛陽雙瑞特種裝備有限公司，河南 洛陽，471000）
摘 要：耐熱鋼253MA含有0.03%~0.08%的稀土Ce，但稀土元素極為活潑，冶煉燒損不易控制。結(jié)合熱力學計算，制定253MA冶煉工藝方案。通過253MA冶煉試驗，將鋼中氧含量控制在30ppm以下，稀土Ce收得率達到60%，遠高于國內(nèi)30%~40%的收得率控制水平。
關(guān)鍵詞：耐熱鋼；稀土；冶煉；熱力學計算；收得率
Experimental Study onSmelting of 253MA Heat Resistant Steel
Chen shuaichao，Shen pengyang，Ren shuwang，Zhao yipeng
（Luoyang Shuangrui Special Equipment Co Ltd, Luoyang 471000）
Abstract：253MA heat resistant steel contains 0.03%~0.08% rare earth Ce, but rare earth elements are very active, the burning loss is difficult to control. Combined thermodynamic calculation, designated smelting process plan.Through the smelting experiment of 253MA, the oxygen content in steel wascontrolled below 30ppm,the yield of rare earth Ce reached 60%, whichwas far above the control level of domestic.
Key words：heat resistant steel; rare earth; smelting;thermodynamic calculation; yield
1 前言
253MA耐熱鋼具有良好的綜合性能，且價格低廉，可作為309S、310S等傳統(tǒng)耐熱不銹鋼和800、610等鎳基高溫合金的替代產(chǎn)品，大幅降低生產(chǎn)成本。目前，國內(nèi)253MA的研究較少，從市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，253MA熱軋板主要從國外進口（OutoKumpu公司生產(chǎn)），開發(fā)253MA耐熱鋼板材具有廣闊的市場前景。
耐熱鋼253MA含有0.03%～0.08%的稀土Ce，稀土元素在鋼中具有凈化鋼液、夾雜物變性、細化晶粒、微合金化等多種有益
作用，可以明顯改善鋼的抗氧化能力，高溫強度和塑性、疲勞壽命、耐腐蝕性能及抗裂性等[1-2]。但稀土元素極為活潑，冶煉時成分很難精確控制，尤其是253MA對稀土Ce有范圍要求，使其制造難度大幅上升，廢品率較高。
2 試驗方案
2.1 化學成分要求
ASTM A240標準中253MA的成分要求及進口253MA熱軋板的化學成分如下表1所示�？梢钥闯�，進口熱軋板的氧含量極低，僅有11ppm。
表1 253MA化學成分/%
Table1 The chemical composition of 253MA /%
Table1 The chemical composition of 253MA /%
|
元素
|
C
|
Si
|
Mn
|
S
|
P
|
Cr
|
Ni
|
Ce
|
Al
|
N
|
O
|
|
標準
|
0.05~
0.10 |
1.4~
2.0 |
≤0.80
|
≤0.03
|
≤0.045
|
20.0~
22.0 |
10.0~
12.0 |
0.03~
0.08 |
/
|
0.14~
0.20 |
/
|
|
進口
|
0.082
|
1.43
|
0.51
|
0.001
|
0.027
|
21.39
|
11.08
|
0.037
|
0.038
|
0.177
|
0.0011
|
2.2 技術(shù)難點及解決措施
2.2.1 技術(shù)難點與分析
根據(jù)253MA的冶金成分特點及參照國內(nèi)外文獻資料，253MA通常采用“電爐+AOD精煉+模鑄/連鑄”方式冶煉，為收集工藝數(shù)據(jù)，我公司首批試制253MA小鋼錠采用“中頻感應(yīng)爐+模鑄”方式冶煉。
由于稀土元素極為活潑，在大氣條件就會發(fā)生氧化，而稀土耐熱鋼253MA對稀土Ce含量有范圍要求（0.03%～0.08%），稀土Ce含量更難控制。因此，稀土Ce收得率的控制是冶煉稀土耐熱鋼253MA的主要技術(shù)難點。
首先，引入熱力學計算方法對稀土Ce脫氧反應(yīng)進行理論計算，求解稀土Ce脫氧反應(yīng)平衡時鋼中[O]，為控制稀土收得率提供參考，熱力學計算思路如下：
（1）設(shè)定253MA典型成分，并給出Ce、Al含量；
（2）查閱鋼中元素相互作用系數(shù)，列出Ce、O活度系數(shù)計算式；
（3）將Ce、O活度系數(shù)代入稀土Ce脫氧反應(yīng)熱力學方程，求解熱力學反應(yīng)達到平衡時鋼中[O]。
表2 253MA典型化學成分/%
Table2 Typical chemical content of 253MA /%
Table2 Typical chemical content of 253MA /%
|
C
|
Si
|
Mn
|
S
|
P
|
Cr
|
Ni
|
Ce
|
N
|
Al
|
|
0.08
|
1.6
|
0.5
|
0.010
|
0.025
|
21.0
|
11.0
|
0.05
|
0.17
|
0.04
|
表3 鋼液中活度相互作用系數(shù)（T=1600℃）
Table3 The activity interaction coefficients in the steel（T=1600℃）
|
j
i |
C
|
Si
|
Mn
|
S
|
P
|
Cr
|
Ni
|
Ce
|
N
|
Al
|
O
|
|
Ce
|
-0.077
|
/
|
/
|
-39.8
|
/
|
/
|
/
|
-0.003
|
/
|
/
|
-5.03
|
|
O
|
-0.45
|
-0.131
|
-0.021
|
-0.133
|
0.07
|
-0.04
|
0.006
|
-0.57
|
0.057
|
-3.9
|
-0.20
|
經(jīng)熱力學反應(yīng)理論計算，求解得出稀土Ce與鋼中O反應(yīng)達到平衡時，鋼中[O]=0.0004，說明稀土Ce含量控制需在深脫氧條件下進行，但目前國內(nèi)外的冶金水平，將稀土耐熱鋼253MA鋼中[O]控制在4ppm以下很難實現(xiàn)，但這為253MA脫氧工藝制定提供了依據(jù)。
2.2.2解決措施與工藝方案
通過查閱相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)[3]，太鋼在冶煉253MA時，將鋼中氧含量控制在35ppm以下，并且殘Al控制在0.02%時，采用鋼包喂稀土線法能將稀土Ce的收得率控制在30%～40%，為稀土Ce含量收得率控制提供了很好的借鑒。
但目前我公司無喂線機，由于鋼包太小也不具有配套條件，只能用鋼包投入方式加入稀土合金，稀土收得率要充分考慮鋼液脫氧程度、出鋼溫度、加入時機等諸多因素，在試驗基礎(chǔ)上得出控制指標。
為將253MA鋼中氧含量控制在35ppm以下，可采用以下技術(shù)措施。
（1）鋼液熔清后，加結(jié)晶硅，將Si調(diào)整至1.0左右進行預(yù)脫氧，分析鋼中[O]；
（2）加Al線和SiAlBaCa合金脫氧，將[O]控制在50ppm以下準備出鋼；
（3）出鋼前加適量結(jié)晶硅，將Si含量調(diào)整至1.5左右準備出鋼，出鋼時先向鋼流中加入約1Kg/t的SiAlBaCa合金，然后分批加入稀土鑭鈰合金（含Ce65%），Ce含量目標值按0.05%控制，收得率按35%。
3 小鋼錠冶煉試驗
253MA小鋼錠采用1t中頻感應(yīng)爐進行冶煉試驗，鋼水量為500Kg。鋼錠規(guī)格為300×300×680mm。
由于無爐外精煉手段，鋼水脫氧、脫硫等精煉任務(wù)只能在中頻爐內(nèi)完成�；撉�，在爐內(nèi)加石灰和螢石造渣，冶煉過程脫氧工藝及結(jié)果分析如下表5所示。
表4 253MA冶煉脫氧工藝
Table4 The smelting deoxidization process of 253MA
Table4 The smelting deoxidization process of 253MA
|
階段
|
脫氧劑加入情況
|
[Si]
|
[O]
|
|
預(yù)脫氧
|
結(jié)晶硅
|
0.72
|
0.020
|
|
一次深脫氧
|
結(jié)晶硅、Al線
|
1.16
|
0.010
|
|
二次深脫氧
|
補加石灰、螢石、結(jié)晶硅、Al線
|
1.40
|
0.0065
|
|
出鋼前
|
Al線、SiAlBaCa1合金
|
1.52
|
0.0030
|
|
出鋼階段
|
SiAlBaCa合金、稀土鑭鈰合金
|
1.60
|
0.0024
|
4 試驗結(jié)果與分析
4.1 化學成分
253MA小鋼錠的化學成分如下表6所示，各元素成分均符合內(nèi)控范圍要求，自制與進口253MA的化學成分基本相當。
相比進口253MA，由于我公司缺乏爐
外精煉手段，自制253MA氧含量要略高，但殘鋁更低，這與熔渣組成有關(guān)，熔渣中的SiO2對Al2O3夾雜具有較強的吸附作用，能形成低熔點的復(fù)合夾雜物，容易從鋼中去除。
稀土Ce實際收得率60%，遠高于國內(nèi)30%～40%的收得率控制水平。
表5 253MA鋼錠化學成分/%
Table5 The chemical content of 253MA ingot
Table5 The chemical content of 253MA ingot
|
|
C
|
Si
|
Mn
|
S
|
P
|
Cr
|
Ni
|
Ce
|
N
|
Al
|
O
|
|
進口
|
0.082
|
1.43
|
0.51
|
0.001
|
0.027
|
21.39
|
11.08
|
0.037
|
0.177
|
0.038
|
0.0011
|
|
自制
|
0.090
|
1.60
|
0.59
|
＜0.0050
|
0.015
|
20.68
|
10.96
|
0.072
|
0.169
|
0.018
|
0.0024
|
4.2 鍛造試驗驗證
為進一步驗證253MA小鋼錠的冶金質(zhì)量，進行了鍛造試驗驗證。先將253MA小鋼錠在3T鍛錘上鍛至180×250×60mm規(guī)格，然后在500mm型號軋機上，熱軋制成180×750×20mm規(guī)格的試板。開軋溫度1090℃，終軋溫度870 ℃。
如圖1所示，253MA試板表面質(zhì)量良好，無折疊、裂紋等缺陷，經(jīng)超聲波探傷I級合格。
4.3 夾雜物
在253MA熱軋板上取樣進行掃描電鏡檢測，取樣位置為1/4厚度處。經(jīng)掃描電鏡檢測分析，253MA鋼中的夾雜物類型主要為稀土Ce的氧化物和少量氧化鋁，如圖2和圖3所示。
其中，稀土Ce的氧化物具有良好的熱加工塑性，沿鋼板軋制變形方向，呈鏈條狀分布。
5 結(jié)論
5 結(jié)論
(1) 鋼液的脫氧程度對稀土收得率影響最大，運用熱力學計算方法能得出稀土Ce氧化反應(yīng)平衡時鋼中[O]，為制定脫氧工藝、提高稀土收得率提供參考。
(2) 中頻爐內(nèi)造CaF2-CaO-SiO2三元酸性爐渣，利用酸性渣對Al2O3夾雜較強的吸附作用，能明顯降低鋼中殘Al含量。
(3) 采用結(jié)晶硅預(yù)脫氧，然后加Al、SiAlBaCa深脫氧，能將253MA鋼中[O]控制在30ppm以下，稀土Ce收得率達到60%。
(4) 鋼中的夾雜物類型主要為稀土氧化物和少量氧化鋁，熱加工性能良好。
參考文獻
[1] 張曉坤. Ce對耐熱鋼253MA中夾雜物和性能的影響[J]. 特種鋼, 2008, 29(2):56-57.
[2] Chen L, Ma X, Wang L, et al, Effect of Rare Earth Element Yttrium Addition on Microstructures and Properties of a 21C-Ni Austenitic Heat-Resistant Stainless Steel[J], Materials and Desian, 2011, 32(4): 2206-2212.
