超純凈30Cr2Ni4MoV鋼的冶煉試制實踐

□黃 飛

上海電氣上重鑄鍛有限公司 冶鑄分廠 上海 200245

1 冶煉試制背景

超純凈30Cr2Ni4MoV鋼主要用于制造超超臨界汽輪機組的低壓轉子，是一種含合金元素種類較多，對磷、硫、砷、氮等雜質元素要求嚴格的中合金結構鋼[1]。與普通的30Cr2Ni4MoV鋼相比，超純凈30Cr2Ni4MoV成品要求錳含量不大于0.05%，磷含量不大于0.005%，硫含量不大于0.002%，冶煉難度極大。冶鑄分廠在2017年9月進行了一爐次此鋼種105 t鋼錠的生產試制，根據鋼種的成分規范，制訂了相關的脫錳、脫磷、脫硫等冶煉工藝，鋼水成品化學成分均符合內控規范要求，試制取得了良好效果。

2 鋼種簡介與冶煉難點分析

普通30Cr2Ni4MoV鋼在350℃以上使用時，會由于磷、錫、砷、銻等微量元素在晶界的偏聚而產生較強回火脆性的傾向，這限制了其在超超臨界機組上的應用[2-4]。為了避免這個缺陷，國內外相關學者進行了深入研究。溫宇慶等[5]研究發現，錳元素在Ni-Cr-Mo-V鋼中會強化磷在晶界的偏聚作用，放大磷的脆化作用，從而加速脆化。Watanabe等[6]研究發現，當鋼中錳、硅、磷、錫的含量滿足某種關系時，能使材料的高溫持久強度明顯提高，克服350℃以上長期時效后的脆化傾向。基于此理論，相關企業開發出超純凈30Cr2Ni4MoV鋼，用于制造超超臨界發電機組的低壓轉子。與普通30Cr2Ni4MoV鋼相比，超純凈30Cr2Ni4MoV鋼對鋼水中錳含量有嚴格要求，成品要求錳含量不大于0.05%，同時對磷、硫、砷等雜質元素含量標準也更高。

超純凈30Cr2Ni4MoV鋼的冶煉難點主要有兩點。一是要在電爐中解決脫磷與脫錳問題，脫磷需要較高的堿度，脫錳則需要較低的堿度，需要在實際生產中解決這對矛盾。該鋼種為中碳鋼，在溫度較高時，碳會將爐渣中的氧化錳還原重新進入鋼水，從而引起錳的出格。如何控制精煉爐中鋼水的回錳，也是需要在生產中解決的問題。二是需要解決鋼水的脫氧還原問題，由于鋼種成品規范要求硫含量不大于0.001%，而鋼中對硅、錳、鋁含量又有嚴格要求，因此需要采用純擴散脫氧，并選擇合適的脫氧劑，制訂相關的脫氧工藝。

3 鋼種成分與生產工藝流程

超純凈30Cr2Ni4MoV鋼的成分規范見表1。

表1 超純凈30Cr2Ni4MoV鋼化學成分規范

冶鑄分廠現有100 t電爐和120 t精煉爐各一座，試制采用電滬-精煉爐-真空脫碳脫氧[7-8]流程。鋼水在電爐內進行粗煉、脫錳、脫磷，然后出鋼至精煉爐，進行造渣、還原和合金化等處理，再經真空處理，調整鋼水成分和溫度至符合工藝，出鋼澆鑄成鋼錠。生產工藝流程如圖1所示。

圖1 超純凈30Cr2Ni4MoV鋼生產工藝流程

4 冶煉試制情況

4.1 配料

鋼種對殘余元素含量要求非常高，經過科學計算，確定配料為50%的轉子鋼返回料重料、25%的轉子鋼返回料鋼屑、25%的一級生鐵，使用前經過成分復驗，確認砷、銻、錫等未超標。

4.2 電爐冶煉

電爐冶煉的主要任務是脫錳、脫磷和去夾雜物，為了達到凈化鋼水、去除鋼水中夾雜物的目的，需要鋼水中有一定的含碳量。冶煉分廠的配碳量為0.70%，保證脫碳量在0.50%以上，利用氧化期激烈的碳氧反應產生細小氣泡，促使夾雜物上浮，并隨渣流出，以減輕精煉爐的負擔[9]。

4.2.1 脫錳

錳在鋼水中，會發生如下反應[10]：

式中：[]代表鋼水中組元；（）代表爐渣中組元；ΔGo為標準狀態時反應的吉布斯自由能變化，J/mol；T為溫度，K。

由式（1）可以得到渣與鋼間錳的反應標準熱力學平衡常數[11]Kθ[Mn]為：

式中：a（MnO）=x（MnO）r（MnO）；a（Fe）=1；a[Mn]=f[Mn]w[Mn]；a（FeO）=x（FeO）r（FeO）；a（MnO）、a（FeO）為爐渣中氧化錳和氧化亞鐵的活度；a[Mn]、a[Fe]為鋼水中錳和鐵的活度；x（MnO）、x（FeO）為爐渣中氧化錳和氧化亞鐵的摩爾分數；w[Mn]為鋼水中錳的質量分數；r（MnO）、r（FeO）、f[Mn]依次為爐渣中氧化錳、氧化亞鐵，以及鋼水中錳的活度因子，當反應達到平衡時，由于鋼水中錳的含量很低，可以認為f[Mn]=1。

由式（2）可得：

式中：L[Mn]為渣與鋼間的分配因數。

根據范特霍夫等溫變換[12]，可得：

式中：R為氣體常數，R=8.314 J/（mol·K）。

由以上反應式可知，鋼水中錳氧化與溫度、爐渣的氧化性和爐渣中r（MnO）有關，需要熔池有較低的溫度，爐渣有較高的氧化性，及時排除爐渣中的氧化錳。同時，錳氧化的動力學研究表明鋼水與爐渣的接觸面積越大時，錳的氧化速度越快。為了加快錳的氧化，必須使爐渣具有良好的流動性和發泡性。爐渣堿度過高時，會降低爐渣中二氧化硅在氣泡表面的吸附，降低爐渣的發泡性能。當爐渣堿度為1.6時，爐渣具有最好的發泡性和流動性[13]，所以脫錳還需要有較低的爐渣堿度。

4.2.2 脫磷

由于鋼種內控成分規范要求成品磷含量不大于0.005%，治鑄分廠要求扒渣前鋼液中的磷含量不大于0.002%，鋼液脫磷的熱力學反應式[14]為：

反應產物五氧化五磷會與渣中的氧化鈣進一步發生反應：

反應過程中的化學熱ΔH為-16 500 kJ/mol。

脫磷反應與溫度、爐渣氧化性及渣量有關，需要較低的反應溫度、較高的爐渣堿度、較大的渣量，此外還需要爐渣具有良好的氧化性。

4.2.3 工藝實踐

由前述分析可知，脫錳和脫磷對爐渣堿度的要求不同，脫錳需要較低的堿度。而脫磷則需要較高的爐渣堿度，為了解決這對矛盾，冶鑄分廠采用四渣法進行脫錳和脫磷操作，具體的做法為：前兩次渣量為1%鋼水量，堿度控制為1.8～2.0，主要用于鋼水脫錳；后兩次渣量為1.5%鋼水量，堿度控制為2.5～3.0，用于鋼水脫磷。

脫錳和脫磷的熱力學條件均需要較低的溫度和較高的氧化性，但過低的溫度會對反應發生的動力學條件不利。脫錳和脫磷溫度控制在1 560℃～1 590℃。從反應式來看，脫錳和脫磷需要足量的氧化亞鐵，但單純的吹氧不能產生足夠的氧化亞鐵，且容易使熔池升溫過快，惡化脫錳和脫磷的熱力學條件，因此冶鑄分廠采用隨料配入氧化鐵皮和吹氧結合的方式進行脫錳、脫磷。具體的做法為裝料時配入相對料重0.5%的氧化鐵皮，保證在爐渣在氧化期有足夠的氧化亞鐵。

4.2.4 脫錳過程需要注意的問題

在鋼水形成熔池的吹煉初期，鋼水中的錳元素被氧化進入爐渣，使渣中的氧化錳含量升高，反應式為[15]：

繼續吹氧，隨著熔池溫度的升高，鋼水的脫碳反應速度加快。如果不及時換渣，爐渣中的氧化錳會重新還原進入鋼水，反應式為：

在氧化末期，隨著脫碳反應的完成，鋼水和爐渣中的氧含量大大增多，鋼水中的錳發生氧化反應進入爐渣，反應式為[16]：

因此，在脫錳過程中除了要控制好溫度，及時換渣外，還需要終點鋼水具有一定的氧化性，防止氧化后期出鋼時的回錳。冶鑄分廠在試制過程中控制電爐的終點碳在0.10%左右，使鋼水具有較強的氧化性，防止在高溫下碳將爐渣中氧化錳還原成為錳重新進入鋼水，引起鋼水中的錳含量超標。

4.3 精煉爐冶煉

精煉爐的主要任務是防止回錳、脫氧、脫硫、對鋼液進行合金化及真空脫氣。鋼包進精煉爐后，先進行不還原升溫。當溫度不低于1 630℃時，進行卡渣兌包處理，杜絕精煉爐的回錳。兌包后進行造渣還原、脫氧脫硫，當還原時間不短于40 min后，保持白渣時間不短于10 min，鋼液溫度不低于1 600℃，進行合金化操作。成分達到內控成分規范要求后，進行真空處理，然后調整溫度至工藝規范，即可出鋼進行鋼錠澆鑄。

4.3.1 脫氧和脫硫

超純凈30Cr2Ni4MoV鋼對硅、鋁的含量有嚴格控制要求，冶鑄分廠采用純擴散脫氧的方式。當鋼水進入精煉工位后，加入2.0%鋼水量的渣料，堿度控制在2.0～2.5，在還原過程中每1 t鋼加入碳粉2.0 kg，此時氬氣應開至最大流量，強化氬氣攪拌作用，促進脫氧和脫硫反應的進行。鋼液的脫硫反應式[17]為：

[FeS]+（CaO）=（CaS）+（FeO）

生成的脫硫產物氧化亞鐵會與碳繼續發生反應：

（C）+[FeO]=（CO）（g）+3[Fe]

這是一個不可逆反應，可以看到脫硫的前提是脫氧。在實際還原操作中，要每10 min觀察渣況和氬氣的翻動情況，及時補加碳粉，確保鋼液的脫氧。當氧含量降低時，硫含量會隨之下降。

4.3.2 鋼液真空處理

鋼液的真空處理主要是為了脫除鋼液中的氫、氧和夾雜物。根據西韋特定律，氫、氧的溶解度與它們各自分壓力的平方根成正比，在高真空度下，會降低它們在鋼液中的溶解度，從而使它們在鋼液中的含量降低。隨著真空度的降低，原先鋼液的碳氧平衡會被打破。在真空狀態下，碳和氧會發生反應，生成一氧化碳氣泡并逸出，而夾雜物會隨著一氧化碳氣泡的上浮而上浮，被爐渣吸附[18]。

對超純凈30Cr2Ni4MoV鋼而言，由于鋼種不含硅、鋁等元素，真空條件下碳與氧的反應會比較激烈，產生的一氧化碳氣泡如同一個個小的真空室，促進鋼水的脫氫、脫氧。所以，冶煉超純凈30Cr2Ni4MoV鋼不需要很高的真空度，冶鑄分廠的實際操作為控制真空度不高于4 000 Pa，真空度到位后保持真空處理時間為25 min。

4.4 冶煉效果

真空處理后，對鋼水進行取樣分析，得到其化學成分，見表2。

由表2可知，所有成分均達到成分規范要求，冶煉試制取得了良好效果。

表2 超純凈30Cr2Ni4MoV鋼成品化學成分

5 結語

分析了超純凈30Cr2Ni4MoV鋼的冶煉試制，在電爐配料時，隨料配入相對料重0.5%的氧化鐵皮，氧化期采用四渣法進行脫磷、脫錳，氧化末期控制電爐終點碳含量為0.10%，在進入精煉爐后先進行卡渣兌包處理，能使成品鋼水中的錳含量小于0.05%，磷含量小于0.005%。

加入2.0%鋼水量的渣料，控制堿度在2.0～2.5，在還原過程中每1 t鋼加入2.0 kg碳粉，強化氬氣的攪拌作用，能使成品鋼水中的硫含量小于0.002%。