电炉-精炼炉流程冶炼试制ZG0Cr13钢的工艺实践

2018-04-18黄飞

上海电气技术 2018年1期

黄飞

上海电气上重铸锻有限公司冶铸分厂上海 200245

1 项目背景

ZG0Cr13不锈钢被广泛应用于各个工业领域，其合金成分主要是铬，含量为12%～14%，此钢种含碳量一般要求在0.10%以下。国内外冶炼不锈钢一般采用两步法，即电炉加氩氧脱碳法或电炉加真空吹氧脱碳法[1]。笔者单位没有氩氧脱碳法、真空吹氧脱碳法相关生产设备，只能采用传统的电炉-精炼炉工艺进行生产，并于2017年6月进行了一炉该钢种试制。根据此钢种的成分规范，制订了相关脱碳、还原和铬合金化等冶炼工艺，铸钢产品成分均符合内控规范要求，产品性能测试全部符合标准，试制取得了成功。

2 ZG0Cr13简介

Cr13不锈钢是目前机械制造行业中应用最为广泛的不锈钢，此钢种包含铁素体不锈钢和马氏体不锈钢，其中ZG0Cr13属于铁素体不锈钢[2]，是铁素体不锈钢中含铬量最低的钢种[3]。ZG0Cr13由于含碳量低，因此具有良好的塑性、韧性和冷成形性[4]，同时又具有良好的耐腐蚀性。其耐蚀性能优于铬含量相同的马氏体不锈钢，抗应力腐蚀性能优于奥氏体不锈钢，能在不超过540℃的环境下长期工作，因此被广泛用于制造含硫介质环境中的工作构件，如焦化分馏塔石油化工部件[5]、汽轮机叶片和静叶持环等电站部件[6]。

3 冶炼难点

冶炼ZG0Cr13的难点在于碳的控制。该钢种是低碳高合金不锈钢，产品对碳的含量要求严格，成品规范要求碳含量为0.06%～0.10%，电炉扒渣前要求钢水中的碳含量不大于0.020%，如何快速脱碳至工艺规范是一个难点。该钢种含有11%～13%的铬，加入的合金量大，会使钢液增碳。钢水的浇铸温度较高，达1570～1580℃，真空后钢水在稀薄渣的情况下加热，极易增碳，因此要控制好真空前的成分和温度，尽可能缩短钢水真空后至出钢浇铸的时间。同时，产品对残余铝的含量有要求，而精炼炉不能加铝进行快速沉淀脱氧，以免产品中的铝含量超标。如果加硅和铁，那么其脱氧产物为偏酸性的二氧化硅，会侵蚀钢包渣线处耐火材料，使钢包的使用寿命缩短，而且为了保证炉渣碱度，需加大石灰用量。此外，由于含铬量高，炉渣较黏稠，这样会增大跳碳的风险，因此工艺要求精炼炉还原采取扩散脱氧工艺。扩散脱氧会延长冶炼时间，如何在冶炼过程中在电炉中快速深脱碳，同时控制后续操作使钢水不跳碳，这是ZG0Cr13冶炼过程中的关键。

4 成分规范

ZG0Cr13钢种成分主要是铬、锰和镍等，其成分规范和内控要求见表1。

表1 ZG0Cr13成分规范

5 工艺流程

采用一座40t电炉冶炼，经还原和合金化，产出 38t 钢水，转移至60t精炼炉。在精炼炉进行还原和补加合金等处理后，经真空脱气，并调整温度及钢水成分至工艺规范，然后出钢浇铸产品。工艺流程如图1所示。

图1 ZG0Cr13工艺流程

6 电炉冶炼

ZG0Cr13电炉冶炼的主要任务是脱碳、脱磷、去气、去夹杂及合金化，需要控制大批量铬铁加入时碳的增量。为了达到去气、去夹杂和净化钢水的目的，按收得率60%随料配加小块电极块，配碳量为0.50%，使钢水的脱碳量不小于0.40%。利用碳氧反应在氧化期产生的气泡，促进钢水中的夹杂物上浮并随渣流出，减轻精炼炉的负担[7]。该钢种对磷的控制要求不高，所制订的脱磷工艺目标为要求扒渣前钢水中磷含量不大于0.015%，采用常规脱磷操作即可。

6.1 脱碳

ZG0Cr13碳成分内控规范含量低，铬铁的加入量大，因此脱碳是此钢种冶炼的重点，工艺目标为扒渣前钢水中的碳含量不大于0.020%。钢液脱碳的热力学反应式[8]为：

[C]+(FeO)=[Fe]+CO(g)

(1)

ΔGo=98799-90.76T

(2)

式中：为表示钢水中物质；()表示炉渣中物质；ΔGo为标准状态时反应的吉布斯自由能变化，J/mol；T为热力学温度，K。

随着钢水中碳含量的降低，熔池中与碳平衡所需的氧含量和温度会急剧上升，反应产物是一氧化碳。为了利于气体逸出，促进反应进行，脱碳需要在薄渣高温条件下进行[9]。同时，碳氧反应是零级反应，脱碳速度与碳含量无关，而是取决于供氧强度[10]，因此笔者单位实际的脱碳操作为在脱磷至工艺规范后，使熔池升温至1630℃以上，将氧气流量开至最大，保持1.0MPa压力，此时渣量控制在1.0%钢水量左右，碱度控制在2.0，进行吹氧脱碳。本次试制采用此操作进行，在扒渣前钢水中的碳含量为0.019%，达到工艺要求。

6.2 铬的合金化

当钢水中的碳和磷达到内控规范要求后，进行扒渣操作。扒渣后，加入锰和铝锭，继而加入钢水量0.8%的渣料，渣料中石灰与萤石的比例控制为5∶1，然后加入铝粉和钙硅粉进行复合脱氧。当熔池温度上升至1680℃后，分批次加入微碳铬铁，含碳量为0.06%。当铬铁加入后，吹氩气搅拌，通电升温，并视合金熔化情况进行人工搅拌，促进铬铁的熔化，均匀熔池中钢水的成分和温度。

合金熔化后，确认钢水化学成分、温度符合工艺要求，出钢至60t精炼炉。在出钢过程中，随钢流加入铝和钙硅块。出钢完毕，加入150kg石灰、40kg萤石，进行预造渣。

7 精炼炉冶炼

7.1 脱硫和脱氧

精炼炉的主要冶炼任务为脱氧、脱硫、微调化学成分及钢水真空脱气，钢水脱硫的反应式[11]为：

[FeS]+(CaO)=(CaS)+(FeO)

(2)

由于ZG0Cr13钢种对铝含量有要求，因此精炼炉钢水还原采用扩散脱氧，具体步骤为进入精炼工位后，每吨钢加入1.0kg碳粉，每吨钢加入1.5kg钙硅粉，会与脱硫产物氧化亚铁发生反应[12]：

(C)+[FeO]=(CO)(g)+[Fe]

(3)

(Si)+2[FeO]=(SiO2)+2[Fe]

(4)

实际工作中，精炼炉钢水脱氧实际上是脱硫的重要基础，做好钢水的脱氧工作，就能将钢水中的硫含量降至规范要求。

7.2 钢水真空处理

钢水成分符合规范要求后，控制钢水中的碳含量为0.065%～0.075%，由于ZG0Cr13的浇铸温度较高，为1570～1580℃，精炼炉的出钢温度为 1580～1590℃，因此控制真空前钢水温度为 1640～1645℃，然后至真空工位进行真空处理。真空度要求为不大于133Pa，真空时间为25min。

真空结束后，返回精炼工位，测得钢水温度为 1580℃。进行小电压小电流通电升温，特别需要注意的是，此时氩气量要调小，流量以不冲破渣面为宜，防止造成钢水二次吸气[13]。