一种超超临界汽轮机叶片钢电渣重熔钢锭的制造方法

摘要

本发明公开一种超超临界汽轮机叶片钢电渣重熔钢锭的制造方法，具体采用电弧炉+LF+VOD/VHD+双支臂电渣炉重熔的冶炼方法；严格控制自耗电极Si、Al、B成分；在电渣化渣过程中严格控制加入Al粉或Fe-Si粉混合物量，并在自耗电极电渣重熔过程中，均匀的向渣池中严格控制加入Al粉、Fe-Si粉量来减少电渣重熔过程中元素氧化烧损量，保证电渣锭整体的化学成分、气体氧含量、纯净度均匀一致；本发明适合在普通电渣炉冶炼，减少设备投入，降低冶炼成本；采用本工艺生产获得的低Si、低Al超超临界汽轮机叶片钢气体氧含量≤30×106，非金属夹杂物符合ASTM E45标准A法评定规定，从而使其符合超超临界汽轮机用叶片钢纯洁度要求。

权利要求

1.一种超超临界汽轮机叶片钢电渣重熔钢锭的制造方法，其特征在于：所述制造方法具体工艺步骤如下：第一步，采用电弧炉+LF+VOD/VHD炉方式冶炼自耗极⑴：

1）电弧炉：炉料由废钢和生铁及本钢返回组成，出钢条件：T≥1630℃，P≤0.005%；钢水经脱磷后倒入钢包内；

2）LF炉：钢包转入LF炉，LF炉到位后加入CaC2脱氧，用量2kg/t ～3kg/t，加入Al粉1kg/t～2kg/t，给电烧渣大于10min，加入合金料，调整成分，出钢条件；T≥1650℃，S ≤0.010%；

3）VOD/VHD炉：钢水扒净初炼渣后入VOD罐，随渣料白灰和萤石加入脱氧剂Al粉1.0kg/t～4.0kg/t，Ca-Si块0.5kg/t～4.0kg/t，真空脱气P≤100Pa，保持时间≥15min；

4）出钢条件：温度1560℃～1580℃，自耗电极⑴的成分应符合表1规定；

表1           %

5）自耗电极⑴浇注：下注法浇铸成自耗电极的电极钢锭，电极钢锭尺寸规格为ф200 mm×1750±10mm；

6）自耗电极⑴经化学成分检验和表面清理后进行装配，每3支自耗电极⑴搭配冶炼1支ф360mm×1050mm电渣锭；

第二步，电渣熔铸

1）电渣重熔准备

①采用双支臂电渣重熔炉；

②采用水冷结晶器⑵，结晶器⑵规格为ф360/350×1050mm，即上底直径为ф360mm，下底直径为ф350mm，高度为1050mm；结晶器(2)底部设有水冷底板⑸；

2）配制渣料⑶，渣系CaF2:Al2O3:MgO=65:30:5，渣量36kg；

3）造渣：将本钢种底垫放入结晶器⑵底部，用石墨电极在结晶器⑵内通电起弧，加入

0.5kg配比好的渣料⑶；

4）化渣，逐渐把2/3总量的渣料⑶全部加入结晶器⑵内，待加入的渣料⑶全部熔化后，将Al粉、Fe-Si粉与剩余1/3总量的渣料⑶混合均匀后加入结晶器⑵内，直至渣料全部熔化；

5）重熔，待渣料⑶全部熔化后吊出石墨电极，调整电力参数，换上自耗电极⑴重熔；待熔化到距自耗电极⑴顶端100±10mm时吊出，换另一支自耗电极⑴继续重熔，当第三支自耗电极⑴到达重熔末期后，调整电力参数转入充填补缩操作，充填时间25min～30min；

6）添加附加剂⑺，附加剂⑺由Al粉和Fe-Si粉组成，在每只自耗电极⑴换上后，将计算好用量的附加剂⑺混合均匀后平铺在附加剂喂料机⑹内，通过附加剂喂料机⑹将附加剂⑺伴随着电极重熔均匀的从结晶器⑵上端加入渣池表面；

7）电渣重熔冶炼过程严格控制工艺参数；

8）电渣锭脱锭：电渣重熔结束30min后脱电渣铸锭，罩冷48h，不退火。

2.根据权利要求1所述一种超超临界汽轮机叶片钢电渣重熔钢锭的制造方法，其特征在于：所述电渣重熔冶炼过程参数控制如下：

1）造渣工序：电流0 V～2000A、电压53V～62V、水温≤45℃、水压0.12 MPa～0.18MPa；

2）化渣工序：电流2000A～4000A、电压53V～62V、水温≤45℃、水压0.12 MPa～0.18 MPa；

3）重熔工序：电流6000A～7000A、电压53V～62V、水温≤45℃、水压0.12MPa～0.18MPa；

4)补缩工序：电流5000A～2000A、电压53V～62V、水温≤45℃、 水压0.12MPa～

0.18Mpa；

5)电渣重熔期间通过调节水阀水流量，控制结晶器⑵的冷却水出口Ⅰ⑽和水冷底板⑸的冷却水出口Ⅱ⑾出水温度不大于45℃。

说明书

一种超超临界汽轮机叶片钢电渣重熔钢锭的制造方法

技术领域

[0001] 本发明属于金属材料精炼技术领域，涉及一种高纯低Si、低Al钢锭的制造方法，具体涉及一种超超临界汽轮机叶片钢电渣重熔钢锭的制造方法。

背景技术

[0002] 不锈钢中硅含量≤0.10%，铝含量≤0.015%即称作低硅低铝不锈钢，当前超超临界发电机组叶片材料的化学成分控制要求需采用此类低硅低铝不锈钢。随着汽轮机制造技术的发展，单机容量越来越大，汽轮机向超临界、超超临界机组发展，其蒸汽温度和工作压力分别由原来的538℃、17MPa提高到600℃、24MPa～28MPa，只有高纯净度的汽轮机叶片钢才能保证汽轮机叶片具有符合要求的力学性能及高温持久性能。采用电渣重熔法制造电渣重熔钢锭具有化学成分均匀、材质致密、纯净度高的优点，因此，目前国内生产的低硅、低铝不锈钢通常也采用电渣重熔法。因硅和铝的含量很低，在电渣重熔过程中钢中元素烧损量大、气体氧含量增加，从而导致氧化夹杂物增加，更会出现电渣锭底垫端与充填端的氧含量和纯净度很大差异，难以保证电渣锭整体化学成分、氧含量、纯净度的均匀一致。为了解决这一难题，国内很多厂家采用在普通电渣炉结晶器安装氩气或氮气装置、或采用保护气氛电渣炉、真空电渣炉等设备来冶炼该种低硅低铝不锈钢，仍然没有实现电渣锭整体化学成分、氧含量、纯净度均匀一致;国外采用恒熔速保护气氛电渣炉、真空电渣炉设备来冶炼该种低硅低铝不锈钢，能够实现电渣锭整体化学成分、氧含量、纯净度均匀一致，但冶炼设备投资非常大。

发明内容

[0003] 本发明公开一种超超临界汽轮机叶片钢电渣重熔钢锭的制造方法，以低成本投入达到电渣锭整体具有化学成分、氧含量、纯净度均匀一致目的。

[0004] 本发明利用普通双支臂电渣炉、采用新技术工艺方案实现上述目的。

[0005] 一、新技术工艺方案具体工艺步骤如下：

[0006] 第一步，采用电弧炉+LF+VOD/VHD炉方式冶炼自耗极⑴：

[0007] 1．电弧炉：炉料由废钢、生铁、本钢返回等组成，出钢条件：T≥1630℃，P≤0.005%；钢水经脱磷后倒入钢包内。

[0008] 2．LF炉：钢包转入LF炉，LF到位后加入CaC2脱氧，用量2kg/t ～3kg/t，加入Al粉1kg/t～2kg/t，给电烧渣大于10min，加入合金料，调整成分，出钢条件；T≥1650℃，S ≤
0.010%。

[0009] 3.VOD/VHD炉：钢水扒净初炼渣后入VOD罐，随渣料（白灰、萤石）加入脱氧剂Al粉1.0kg/t～4.0kg/t，Ca-Si块0.5kg/t～4.0kg/t，真空脱气P≤100Pa，保持时间≥15min。

[0010] 4．出钢条件：温度1560℃～1580℃，自耗电极⑴的成分应符合表1规定。

[0011] 表1         %

[0012]

[0013] 5．自耗电极⑴浇注：下注法浇铸成自耗电极的电极钢锭，电极钢锭尺寸规格为ф200 mm×1750±10mm。

[0014] 6．自耗电极⑴经化学成分检验和表面清理后进行装配，每3支自耗电极⑴搭配冶炼1支ф360mm×1050mm电渣锭。

[0015] 第二步，电渣熔铸

[0016] 1．电渣重熔准备

[0017] ①采用双支臂电渣重熔炉；

[0018] ②采用水冷结晶器⑵，结晶器⑵规格为ф360/350×1050mm，即上底直径为ф360mm，下底直径为ф350mm，高度为1050mm；结晶器2底部设有水冷底板⑸。

[0019] 2.配制渣料⑶，渣系CaF2:Al2O3:MgO=65:30:5，渣量36kg。

[0020] 3.造渣：将本钢种底垫放入结晶器⑵底部，用石墨电极在结晶器⑵内通电起弧，加入0.5kg配比好的渣料⑶。

[0021] 4.化渣，逐渐把2/3总量的渣料⑶全部加入结晶器⑵内，待加入的渣料⑶全部熔化后，将Al粉、Fe-Si粉与剩余1/3总量的渣料⑶混合均匀后加入结晶器⑵内，直至渣料全部熔化。

[0022] 5.重熔，待渣料⑶全部熔化后吊出石墨电极，调整电力参数，换上自耗电极⑴重熔；待熔化到距自耗电极⑴顶端100±10mm时吊出，换另一支自耗电极⑴继续重熔，当第三支自耗电极⑴到达重熔末期后，调整电力参数转入充填补缩操作，充填时间25min～30min。

[0023] 6. 添加附加剂⑺，附加剂⑺由Al粉、Fe-Si粉组成，在每只自耗电极⑴换上后，将计算好用量的附加剂⑺混合均匀后平铺在附加剂喂料机⑹内，通过附加剂喂料机⑹将附加剂⑺伴随着电极重熔均匀的从结晶器⑵上端加入渣池表面。

[0024] 7.电渣重熔冶炼过程参数控制如下：

[0025] ①造渣工序：电流0 V～2000A、电压53V～62V、水温≤45℃、水压0.12 MPa～0.18MPa；

[0026] ②化渣工序：电流2000A～4000A、电压53V～62V、水温≤45℃、水压0.12 MPa～0.18 MPa；

[0027] ③重熔工序：电流6000A～7000A、电压53V～62V、水温≤45℃、水压0.12MPa～0.18MPa；

[0028] ④补缩工序：电流5000A～2000A、电压53V～62V、水温≤45℃、 水压0.12MPa～0.18MPa。

[0029] 电渣重熔期间通过调节水阀水流量，控制结晶器⑵的冷却水出口Ⅰ⑽和水冷底板⑸的冷却水出口Ⅱ⑾出水温度不大于45℃。

[0030] 8.电渣锭脱锭：电渣重熔结束30min后脱电渣铸锭，罩冷48h，不退火。电渣锭的化学成分应符合表2规定。

[0031] 表2           %

[0032]

[0033] 二、非金属夹杂物

[0034] 非金属夹杂物按照ASTM E45标准A法评定应符合：A类≤0.5级，B类≤1.5级，C类 ≤0.5级，D类≤1.0级。

[0035] 本发明的创新点在于：

[0036] ⑴炼钢工艺的创新点：

[0037] 为保证低Si、低Al超超临界汽轮机叶片钢洁净度，在炼钢期间需严格控制化学成分，并尽可能减少夹杂。

[0038] ①电弧炉：出钢条件：T≥1630℃，P≤0.005%；钢水经脱磷后倒入钢包内；

[0039] ②LF炉：钢包转入LF炉，LF到位后加入CaC2脱氧，用量2kg/t ～3kg/t，加入Al粉1kg/t，给电烧渣大于10min，加入合金料，调整成分，出钢条件；T≥1650℃，S ≤0.010%；

[0040] ③VOD/VHD炉：钢水扒净初炼渣后入VOD罐，随渣料（白灰、萤石）加入脱氧剂Al粉1.5kg/t～4.0kg/t，真空脱气P≤100Pa，保持时间≥15min；

[0041] ④出钢条件：温度1560℃～1580℃；

[0042] ⑤自耗电极浇注：下注法浇铸成自耗电极的电极钢锭，电极钢锭尺寸规格为ф200mm×（1750±10）mm；

[0043] ⑥自耗电极经化学成分检验和表面清理后进行装配，每3支自耗电极搭配冶炼1支ф360mm×1050mm电渣锭。

[0044] ⑵电渣工艺的创新点

[0045] 根据各元素在电渣过程中的烧损规律，在电渣过程中向渣池计算加入附加剂，电极、附加剂和熔渣相互作用后在它们之间发生置换反应，使系统接近平衡；置换反应生成的氧化物被熔渣吸收，减少元素烧损，达到提高钢材纯净度的目的。

[0046] ①采用双支臂电渣重熔炉；

[0047] ②采用水冷结晶器，结晶器规格为ф360/350×1050mm，即上底直径为ф360mm，下底直径为ф350mm，高度为1050mm；结晶器底部设有水冷底板。

[0048] ③配制渣料，渣系CaF2:Al2O3:MgO=65:30:5，渣量36kg。

[0049] ④造渣：将本钢种底垫放入结晶器底部，用石墨电极在结晶器内通电起弧，加入0.5kg配比好的渣料。

[0050] ⑤化渣，逐渐把2/3总量的渣料全部加入结晶器内，待加入的渣料全部熔化后，将Al粉、Fe-Si粉与剩余1/3总量的渣料混合均匀后加入结晶器内，直至渣料全部熔化。

[0051] ⑥重熔，待渣料全部熔化后吊出石墨电极，调整电力参数，换上自耗电极重熔；待熔化到距自耗电极顶端100±10mm时吊出，换另一支自耗电极继续重熔，当第三支自耗电极到达重熔末期后，调整电力参数转入充填补缩操作，充填时间25 min～30min。

[0052] ⑦添加附加剂，附加剂由Al粉、Fe-Si粉组成，在每只自耗电极换上后，将计算好用量的附加剂混合均匀后平铺在附加剂喂料机内，通过附加剂喂料机将附加剂伴随着电极重熔均匀的从结晶器上端加入渣池表面。

[0053] ⑧电渣重熔冶炼过程参数控制如下：

[0054] 造渣工序：电流0 V～2000A、电压53V～62V、水温≤45℃、水压0.12 MPa～0.18MPa；

[0055] 化渣工序：电流2000A～4000A、电压53V～62V、水温≤45℃、水压0.12 MPa～0.18 MPa；

[0056] 重熔工序：电流6000A～7000A、电压53V～62V、水温≤45℃、水压0.12MPa～0.18MPa；

[0057] 补缩工序：电流5000A～2000A、电压53V～62V、水温≤45℃、 水压0.12MPa～0.18MPa。

[0058] ⑨电渣重熔期间通过调节水阀水流量，控制结晶器的冷却水出口和水冷底板的冷却水出口出水温度不大于45℃。

[0059] 本发明有益效果是：采用普通电渣炉和新工艺制造的电渣锭的化学成分符合技术规定，非金属夹杂物评定结果符合技术规定；电渣锭整体具有化学成分、氧含量、纯净度均匀一致性。

附图说明

[0060] 图1是本发明装置示意图。

[0061] 图中：自耗电极1、结晶器2、渣料3、电渣铸锭4、水冷底板5、附加剂喂料机6、附加剂7、冷却水入口Ⅰ8、冷却水入口Ⅱ9、冷却水出口Ⅰ10、冷却水出口Ⅱ11。

具体实施方式

[0062] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明。

[0063] 实施例1～实施例5采用同一工艺流程：炼钢（电弧炉+LF+VOD/VHD）→模铸（自耗电极ф200mm）→电渣重熔（电渣锭ф360mm）。

[0064] 在该工艺流程中，实施例1～实施例5具有的相同工艺步骤如下：

[0065] 2．模铸：采用下注法浇铸成自耗电极的电极钢锭，电极钢锭尺寸规格为ф200 mm×1750±10mm。

[0066] 3．电渣重熔：自耗电极经化学成分检验和表面清理后进行装配，每3支自耗电极⑴搭配冶炼1支ф360mm×1050mm电渣锭。

[0067] ⑴电渣重熔工艺

[0068] ①采用双支臂电渣重熔炉；

[0069] ②采用水冷结晶器，结晶器规格为ф360mm/350mm×1050mm，即上底直径为ф360mm，下底直径为ф350mm，高度为1050mm；结晶器底部设有水冷底板。

[0070] ③配制渣料，渣系CaF2:Al2O3:MgO=65:30:5，渣量36kg。

[0071] ④造渣：将本钢种底垫放入结晶器底部，用石墨电极在结晶器内通电起弧，加入0.5kg配比好的渣料。

[0072] ⑤化渣:逐渐把2/3总量的渣料全部加入结晶器内，待加入的渣料全部熔化后，将Al粉、Fe-Si粉与剩余1/3总量的渣料混合均匀后加入结晶器内，直至渣料全部熔化。

[0073] ⑥重熔:待渣料全部熔化后吊出石墨电极，调整电力参数，换上自耗电极重熔；待熔化到距自耗电极顶端100mm±10mm时吊出，换另一支自耗电极继续重熔，当第三支自耗电极到达重熔末期后，调整电力参数转入充填补缩操作，充填时间25min～30min。

[0074] ⑵电渣重熔冶炼过程参数控制如下：

[0075] ①造渣工序：电流0 V～2000A、电压53V～62V、水温≤45℃、水压0.12 MPa～0.18MPa；

[0076] ②化渣工序：电流2000A～4000A、电压53V～62V、水温≤45℃、水压0.12 MPa～0.18 MPa；

[0077] ③重熔工序：电流6000A～7000A、电压53V～62V、水温≤45℃、水压0.12MPa～0.18MPa；

[0078] ④补缩工序：电流5000A～2000A、电压53V～62V、水温≤45℃、 水压0.12MPa～0.18MPa。

[0079] 4.电渣重熔期间通过调节水阀的水流量，控制结晶器和水冷底板的出水温度不大于45℃。

[0080] 5.电渣锭脱锭：电渣重熔结束30min后脱电渣铸锭，罩冷48h，不退火。

[0081] 实施例1

[0082] 1、炼钢工艺

[0083] ①电炉工艺

[0084] 总装炉量31.83t，配料选用优质废钢、生铁；合金料选用低铬、金属铬、镍板、钨铁、钴板、钼铁、钒铁、铌铁、硼铁及本钢返回料。出钢控制：C：0.06%、P：0.004%，出钢温度1684℃；

[0085] ②LF工艺

[0086] 使用铝粒和碳粉进行扩散脱氧和保持气氛，铝粉用量为35kg，CaC2粉用量为75kg，分两批加入，保证白渣时间40min，出钢温度1660℃，S：0.007%。

[0087] ③VOD/VHD炉

[0088] 钢水扒净初炼渣后入VOD罐，随渣料（白灰、萤石）加入脱氧剂Al粉49kg，Ca-Si块15 kg，真空脱气P≤100Pa，保持时间15min。

[0089] ④出钢条件：温度1578℃。自耗电极成分见表4。

[0090] 3、电渣熔铸

[0091] ①附加剂使用量

[0092] 电渣重熔附加剂使用量见表3。

[0093] ②电渣锭化学成分

[0094] 电渣锭化学成分见表4。

[0095] 4、检验结果

[0096] ①非金属及杂物检验结果见表5。

[0097] 实施例2

[0098] 1、炼钢工艺

[0099] ①电炉工艺

[0100] 总装炉量31.90t，配料选用优质废钢、生铁；合金料选用低铬、金属 铬、镍板、钨铁、钴板、钼铁、钒铁、铌铁、硼铁及本钢返回料。出钢控制：C：0.07%、P：0.005%，出钢温度1655℃；

[0101] ②LF工艺

[0102] 使用铝粒和碳粉进行扩散脱氧和保持气氛，铝粉用量为41kg，CaC2粉用量为80kg，分两批加入，保证白渣时间40min，出钢温度1670℃，S：0.006%。

[0103] ③VOD/VHD炉

[0104] 钢水扒净初炼渣后入VOD罐，随渣料（白灰、萤石）加入脱氧剂Al粉35kg，Ca-Si块20kg，真空脱气P≤100Pa，保持时间15min。

[0105] ④出钢条件：温度1575℃。自耗电极成分见表4。

[0106] 3、电渣熔铸

[0107] ①附加剂使用量

[0108] 电渣重熔附加剂使用量见表3。

[0109] ②电渣锭化学成分

[0110] 电渣锭化学成分见表4。

[0111] 4、检验结果

[0112] ①非金属及杂物检验结果见表5。

[0113] 实施例3

[0114] 1、炼钢工艺

[0115] ①电炉工艺

[0116] 总装炉量31.88t，配料选用优质废钢、生铁；合金料选用低铬、金属铬、镍板、钨铁、钴板、钼铁、钒铁、铌铁、硼铁及本钢返回料。出钢控制：C：0.06%、P：0.005%，出钢温度1680℃；

[0117] ②LF工艺

[0118] 使用铝粒和碳粉进行扩散脱氧和保持气氛，铝粉用量为40kg，CaC2粉用量为70kg，分两批加入，保证白渣时间35min，出钢温度1680℃，S：0.005%。

[0119] ③VOD/VHD炉

[0120] 钢水扒净初炼渣后入VOD罐，随渣料（白灰、萤石）加入脱氧剂Al粉35kg，Ca-Si块30kg，真空脱气P≤100Pa，保持时间15min。

[0121] ④出钢条件：温度1570℃。自耗电极成分见表4。

[0122] 3、电渣熔铸

[0123] ①附加剂使用量

[0124] 电渣重熔附加剂使用量见表3。

[0125] ②电渣锭化学成分

[0126] 电渣锭化学成分见表4。

[0127] 4、检验结果

[0128] ①非金属及杂物检验结果见表5。

[0129] 实施例4

[0130] 1、炼钢工艺

[0131] ①电炉工艺

[0132] 总装炉量31.50t，配料选用优质废钢、生铁；合金料选用低铬、金属铬、镍板、钨铁、钴板、钼铁、钒铁、铌铁、硼铁及本钢返回料。出钢控制：C：0.05%、P：0.004%，出钢温度1678℃；

[0133] ②LF工艺

[0134] 使用铝粒和碳粉进行扩散脱氧和保持气氛，铝粉用量为50kg，CaC2粉用量为70kg，分两批加入，保证白渣时间40min，出钢温度1670℃，S：0.005%。

[0135] ③VOD/VHD炉

[0136] 钢水扒净初炼渣后入VOD罐，随渣料（白灰、萤石）加入脱氧剂Al粉40kg，Ca-Si块30kg，真空脱气P≤100Pa，保持时间15min。

[0137] ④出钢条件：温度1566℃。自耗电极成分见表4。

[0138] 3、电渣熔铸

[0139] ①附加剂使用量

[0140] 电渣重熔附加剂使用量见表3。

[0141] ②电渣锭化学成分

[0142] 电渣锭化学成分见表4。

[0143] 4、检验结果

[0144] ①非金属及杂物检验结果见表5。

[0145] 实施例5

[0146] 1、炼钢工艺

[0147] ①电炉工艺

[0148] 总装炉量31.48t，配料选用优质废钢、生铁；合金料选用低铬、金属铬、镍板、钨铁、钴板、钼铁、钒铁、铌铁、硼铁及本钢返回料。出钢控制：C：0.04%、P：0.004%，出钢温度1690℃；

[0149] ②LF工艺

[0150] 使用铝粒和碳粉进行扩散脱氧和保持气氛，铝粉用量为45kg，CaC2粉用量为80kg，分两批加入，保证白渣时间35min，出钢温度1665℃，S：0.007%。

[0151] ③VOD/VHD炉

[0152] 钢水扒净初炼渣后入VOD罐，随渣料（白灰、萤石）加入脱氧剂Al粉50kg，Ca-Si块25kg，真空脱气P≤100Pa，保持时间15min。

[0153] ④出钢条件：温度1580℃。自耗电极成分见表4。

[0154] 3、电渣熔铸

[0155] ①附加剂使用量

[0156] 电渣重熔附加剂使用量见表3。

[0157] ②电渣锭化学成分

[0158] 电渣锭化学成分见表4。

[0159] 4、检验结果

[0160] ①非金属及杂物检验结果见表5。

[0161] 表3 电渣重熔附加剂使用量

[0162]

[0163] 表4 化学成分检验结果       %

[0164]

[0165] 表5 非金属夹杂物检验结果

[0166]