超临界汽轮机高压内缸用ZG13Cr9Mo1VNbN 不锈钢铸件冶炼浇注工艺研究

常龙军

(中国第一重型机械股份公司铸锻钢事业部工艺技术部，黑龙江161042)

超临界机组汽轮机缸体铸钢件是火力发电机组的重要零件之一，高压内缸是在高温下工作且承压的铸钢件，材质与亚临界机组缸体有着本质的不同。现行的亚临界汽轮机组缸体铸钢材料，如ZG15Cr2Mo1、ZG15Cr1Mo1V等，在566℃或更高温度的蒸汽条件下，强度尤其是高温蠕变断裂强调是不够的，因此采用了一种抗蠕变断裂强度高、韧性、焊接性能优良，又有良好铸造性能的材料，即ZG13Cr9Mo1VNbN铸钢材料，以适应超临界汽轮机高压内缸的需要。

根据生产核电、加氢、转子、支承辊、超低碳不锈钢等高合金特种钢的经验，研究超临界汽轮机高压内缸用不锈钢铸件的超纯净钢水冶炼与浇注工艺。

1 技术要求

本次生产的超临界汽轮机高压内缸用不锈钢ZG13Cr9Mo1VNbN熔炼化学成分要求如表1所示。残余元素及氢、氧含量要求见表2。

2 冶炼工艺方案制定

该材质化学成分对Cu、As、Sn等残余元素要求较严格，配料过程需挑选优质返回废钢及含残余元素较低的铁合金。由于化学成分中Cr元素含量较高，精炼期间调整Cr元素加入大量铬铁合金会增加钢水冶炼时间，但是该材质C元素要求含量较低，在LF炉长时间的冶炼会导致钢水增碳。为了减少钢水冶炼时间，提高生产效率，选用电弧炉与中频感应炉相结合的方式，由电弧炉和中频感应炉分别提供40 t粗炼钢水，在中频感应炉配入优质废钢及低碳铬铁合金，提前熔化为钢水。

针对H、O元素控制苛刻，对钢水采用真空处理去除气体H，并采用硅铁、锰铁沉淀脱氧与硅铁粉、碳粉扩散脱氧相结合方式进行脱氧。材质对N元素有一定的含量要求，而N元素的调整只能在真空结束后采用含氮铁合金或者氮气进行调整，若采用前者，铁合金加入时会将精炼渣卷入到钢水中而不易分离，污染钢水。为了获得高纯净钢水，采用氮气调整N含量。最终制定冶炼工艺方案为：EBT粗炼+中频炉熔炼→LF炉外精炼→真空脱气处理→氮气处理→浇注。

表1 化学成分要求(质量分数，%)Table 1 Chemical composition requirements (mass fraction,%)

表2 残余元素及气体含量(质量分数，%)Table 2 Residual element and gas content (mass fraction, %)

表3 部分元素内控表(质量分数，%)Table 3 Partial element internal control table (mass fraction, %)

表4 实测熔炼化学成分(质量分数，%)Table 4 Measured melting chemical composition (mass fraction, %)

表5 实测残余元素及气体含量(质量分数，%)Table 5 Measured residual element and gas content (mass fraction,%)

3 冶炼过程实施

3.1 粗炼环节控制

根据产品熔炼化学成分及钢水量要求，中频炉熔炼配入35.5 t优质低碳高铬废钢和5.5 t低碳铬铁合金，要求熔清C、Nb元素及残余元素P、S、Cu、As、Sn满足表3要求。电弧炉配入9 t生铁，35 t废钢，在炉内配入石灰、萤石等造渣材料，送电后待大料见红采用氧枪吹氧助熔，喷碳造泡沫渣，熔化后期温度合适通过放渣造新渣等手段去除P元素，使粗炼钢水部分元素满足表3要求。待两个炉台均完成钢水粗炼，在精炼包包底加入一定量硅铁、锰铁合金，将中频炉内所有钢水翻入精炼包内，并将电弧炉内钢水采用倒包卡渣方式与之合兑，合兑后钢水部分元素成分见表3。

3.2 炉外精炼要点控制

在LF炉内按4∶1的比例加入活性石灰和萤石造渣，并加入粉状脱氧剂硅铁粉和碳粉进行扩散脱氧，由于粉状脱氧剂的脱氧反应只在渣钢界面进行，钢液中氧向反应界面扩散较慢，精炼时间较长，不利于脱氧脱硫，因此在包底通入氩气，采用氩气搅拌钢液，加速脱氧脱硫的同时有利于均匀钢液温度和成分。当脱氧完成渣色变白后进行合金化操作，除N元素之外的所有元素调入内控值后，钢液温度提升至1650～1660℃范围内，进行VD真空脱气处理。在高真空条件下保持20 min，并在此期间加大氩气搅拌力度，使H、O、N等气体随同氩气气泡一同上浮，另外气体上浮过程中还会有吸附夹杂物的作用，达到净化钢液的目的。真空结束后，取气体样分析钢液中H、O、N含量，并将氩气改为氮气，由氮气替代氩气对钢液进行弱搅拌，通过气体样N元素含量分析结果控制氮气搅拌时间，直至N元素调入内控值。钢液成分熔炼分析见表4、表5，给电提升钢液温度出钢浇注。

4 浇注过程控制

钢水浇注前1 h撤去热风炉，在钢水过跨时，向型腔内充满氩气，并在每个浇口上方使用氩气保护罩并通入氩气进行保护，在氩气保护罩上方放铝帽和纸帽，防止烧氧产物进入型腔对钢水造成二次污染，浇注前对每个钢包水口进行外引流。

5 结论

本次冶炼超临界汽轮机高压内缸用ZG13Cr9Mo1VNbN不锈钢钢水，采用优质的废钢、铁合金和生铁进行配料，通过合理的炉台搭配，不仅提高了粗炼钢水冶炼效率，而且保证残余元素Cu、As、Sn等均满足熔炼化学成分的要求。在炉外精炼过程对钢水采用真空脱气处理，降低了钢液中有害气体H、O含量，真空处理之后采用氮气搅拌，调整N元素含量的同时，促使钢液中夹杂物上浮脱离钢液被精炼渣吸附，进一步提高钢水纯净度，为提升产品内部质量奠定了坚实的基础。