利用加氫筒節性能余料重熔電渣錠工藝研究

樊應劍 康永斌

(中國一重鑄鍛鋼事業部工藝技術部，黑龍江161042)

為了提高加氫小件材料收得率，降低生產成本，使我公司能夠在此類產品中盈利，將加氫筒節性能余料氣割成矩形坯，根據坯料規格尺寸兩兩配對焊接成矩形坯電極。我公司擁有120 t三相雙極串聯電渣爐和10 t雙臂交替電渣爐。根據10 t電渣爐的爐型參數、生產能力及矩形電極坯規格與化學成分，將電極進行分組重熔。用合理的電渣重熔工藝來保證重熔過程的穩定性，以保證產品質量為前提，最終取得良好的技術經濟指標。

由于受加氫筒節性能余料本身規格尺寸的限制，兩兩拼焊后的矩形電極坯橫截面非常小，電極長度比較短。填充比過小會改變熔池的形狀，熔池過深易造成低倍偏析等缺陷[1]，并且渣池表面與大氣接觸面積變大，渣池吸氣，電極表面氧化嚴重，對鋼錠質量產生影響。針對此問題，通過優化電渣重熔工藝參數、調整脫氧制度、采用氣體保護及合理的冷卻制度來保證電渣錠的質量。

1 技術要求

1.1 化學成分

加氫反應器12Cr2Mo1V主體材料的化學成分按GB/T 223規定的方法進行熔煉分析和成品分析。化學成分要求如表1所示。

1.2 超聲檢測

鍛件超聲檢測按NB/T 47013.3—2015中質量Ⅰ級執行。

(1)單個缺陷當量直徑≤?4 mm。

(2)密集區缺陷當量直徑≤?2 mm。

1.3 金相組織

按GB/T 10561規定，主體材料中A類(硫化物類)、B類(氧化鋁類)、C類(硅酸鹽類)、D類(球狀氧化物類)、DS類(單顆粒球狀類)等非金屬夾雜物(包括粗系和細系)均不得大于1.5級，且應滿足A+C≤2.0，B+D≤2.0，總和A+B+C+D+DS≤4.5。

表1 12Cr2Mo1V鍛件化學成分要求(質量分數，%)Table 1 Chemical compositions of 12Cr2Mo1V forgings(mass fraction, %)

圖1 電制度曲線Figure 1 Curve of electrical system

2 優化前電渣重熔工藝

2.1 自耗電極制備及要求

(1)將加氫筒節性能余料氣割后用45 MN油壓機展成矩形坯。

(2)用半自動線性切割機平矩形坯兩端頭，將表面的鐵銹、氧化鐵皮、結疤及重皮等打磨干凈。根據坯料的規格尺寸進行兩兩配對組焊在假電極端頭，焊接時兩組坯料四周必須對齊，與假電極務必保證對中，焊肉充足，焊口牢固。

2.2 工藝參數

2.2.1 主要參數

重熔鋼種材質為12Cr2Mo1V，鋼種代號為06673，錠型為11 t，鋼錠尺寸為?905/945 mm×2087 mm，產品名稱為頂部人孔大法蘭。采用鋁粒脫氧，渣子精煉期預脫氧用量為400 g，正常重熔期鋁粒用量為70～80 g/5 min。平均熔速控制在600～700 kg/h，化渣期時間為40 min，精煉期時間為30 min，正常重熔期時間為16～18 h，補縮期時間為1.5 h，補縮重量按400 kg控制。

2.2.2 結晶器及自耗電極規格

10 t結晶器規格為?940/980 mm×2600 mm，自耗電極坯共有5組，其中3組規格為310 mm×420 mm×2600 mm，另外2組規格分別為310 mm×420 mm×2200 mm與310 mm×420 mm×1800 mm，填充比(截面面積比)為0.18。

2.2.3 渣系配比及重量

采用三元渣系，渣系組元CaF2∶Al2O3∶MgO分別為65∶30∶5。渣料總重量為450 kg，其中CaF2為293 kg，Al2O3為135 kg，MgO為22 kg。

2.3 電制度曲線

(1)冶煉期間的電制度曲線原則采用圖1所示的工藝曲線規定參數執行，但可根據實際爐況、熔化速度及電壓波動情況略微調整。

(2)正常重熔期間以恒熔速控制為原則，采取遞減功率控制。

2.4 冷卻制度

補縮結束后鋼錠模冷180 min，脫模后罩冷144 h，罩冷完畢后出罩空冷至室溫。

2.5 工藝要點

(1)采用石墨電極化渣，焦炭引弧劑引弧。

(2)渣料化清后，換入自耗電極前10 min加鋁粒400 g。

(3)補縮重量按400 kg控制，補縮時間按圖1工藝曲線執行，可采取手動補縮。

(4)重熔過程中電壓若有異常波動，工藝人員根據實際爐況調整工藝參數。

(5)電渣錠脫模后罩冷，在距鋼錠水口端面50 mm處、冒口端面30 mm處套取?20 mm×100 mm試料棒各1個，做化學成分及氣體含量分析。

3 重熔后存在的問題與原因分析

3.1 電渣錠裂紋及原因分析

3.1.1 裂紋

電渣錠罩冷結束10天后錠身中部環裂一圈，裂紋單向延伸至冒口端面，裂紋寬度小于1 mm，如圖2所示。將鋼錠裂紋處冷壓開后邀請金相專業人員查找裂紋源，經仔細觀察后無法確定裂紋源。鋼錠斷面照片如圖3所示。

3.1.2 原因分析

由于電渣錠的重熔特性是邊熔化邊靠水冷凝固，且11t錠型直徑較大，脫模后水、冒口溫差為400℃左右，心部與表面溫差大，在罩冷過程中，熱應力可能去除不夠；冷卻過程組織轉變時，產生較大的組織應力，容易出現體積膨脹而導致開裂。

表2 12Cr2Mo1V電渣錠化學成分(質量分數，%)Table 2 Chemical compositions of 12Cr2Mo1V electroslag ingot(mass fraction, %)

圖2 裂紋照片Figure 2 Picture of cracks

圖3 斷面照片Figure 3 Picture of the cross-section

3.2 成分不合格及原因分析

化學成分及氣體含量分析結果如表2所示。可以看出，水、冒口H含量超標，冒口O超標，個別元素出現燒損，但沒有超出規格要求。

3.2.1 H含量超標原因分析

針對H的來源，主要有以下三個方面：

(1)電極坯料H含量高。

(2)渣料烘烤時間及溫度不夠，渣料吊出后到化渣引弧之前時間過長，容易增氫。

(3)正逢雨季，空氣濕度大，并且填充比太小，渣池表面與空氣接觸面積大，容易增氫。

3.2.2 O含量超標原因分析

渣冒顏色為深灰色，從化學成分分析結果看出O含量超標、元素出現輕度燒損，說明重熔中后期脫氧效果不好，脫氧劑加入量不足。

3.3 填充比太小

填充比過小會使渣池發熱面積小，爐溫低，此時必須依靠提高電壓、電流來保證爐溫及熔速，輸入功率變大，使得熔池變成深“V”字型[2]，鋼錠局部冷卻變慢，結晶方向接近于徑向，從而易造成低倍偏析等缺陷；并且渣池表面與大氣接觸面積變大，渣池吸氣，電極表面氧化嚴重，對鋼錠質量產生影響[3]。

4 優化后電渣重熔工藝與結果分析

4.1 優化后電渣重熔工藝

針對電渣錠成分不合格及裂紋產生的原因，將電渣重熔工藝參數及脫氧制度進行了優化，并且在氣體保護及電渣錠冷卻制度方面采取了相應的措施。

4.1.1 工藝參數及脫氧制度

(1)渣料烘烤爐溫不低于700℃，烘烤時間不少于12 h，保溫溫度不低于500℃；渣料吊出后立即引弧化渣。

(2)熔速控制在500～600 kg/h，使熔池變淺，改善電渣錠質量。

(3)未達到平均熔速之前鋁粒按0.14%計算加入，正常重熔期每隔兩小時取1個渣樣，及時調整脫氧制度。

4.1.2 氣體保護

采用氬氣保護裝置，防止元素燒損及吸氣。

4.1.3 冷卻制度

電渣錠脫模后按新制定的加氫電渣錠熱處理方案執行，如圖4所示。

圖4 爐冷工藝Figure 4 Process of furnace cooling

(1)H含量為中間值時，保持時間用內差法求出。

(2)電渣錠脫模后應及時入爐；爐冷工藝降溫到400℃以下可轉罩冷。

表3 12Cr2Mo1V電渣錠化學成分(質量分數，%)Table 3 Chemical compositions of 12Cr2Mo1V electroslag ingot(mass fraction, %)

表4 高低倍分析結果Table 4 Results of microstructure and macrostructure analysis

(3)根據生產實際情況，鋼錠可配入其它產品的鍛后熱處理工藝(退火或正火+回火)代替爐冷工藝，高溫段和回火段不受溫度限制，但須考慮鋼錠的截面，使鋼錠保溫時間充分。如僅在回火段配入，需滿足上述爐冷工藝。

4.2 結果分析

4.2.1 化學成分

優化工藝后電渣錠化學成分及氣體含量均滿足技術要求，如表3所示。

4.2.2 超聲檢測

鍛件按NB/T 47013.3—2015中質量Ⅰ級檢測后，未發現缺陷記錄，檢測合格。

4.2.3 高低倍分析

高低倍分析結果均滿足技術條件要求，如表4所示。

5 結論

(1)通過電渣重熔工藝的優化，有效的解決了加氫電渣錠成分不合格及裂紋方面存在的問題，目前已重熔30爐次，全部檢測合格，沒有出現質量問題。

(2)利用加氫筒節性能余料重熔電渣錠，提高了加氫小件材料收得率，降低了生產成本，使我公司在此類產品中實現盈利。

參考文獻

[1] 李正邦.電渣冶金的理論與實踐[M].北京：冶金工業出版社，2010.

[2] 姜周華，董艷伍，耿鑫，等.電渣冶金學[M].北京：科學出版社，2015.

[3] 周德光，徐君浩.軸承鋼電渣重熔過程中氧的控制及作用研究[J].鋼鐵，1998，33(3):13-17.