13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢电渣重熔工艺中试研究

2018-05-21巴钧涛高建军王少波杨清海

大型铸锻件 2018年3期

巴钧涛高建军王少波杨清海

(1.中国一重天津重型装备工程研究有限公司，天津300457；2.中国第一重型机械股份公司铸锻钢事业部炼钢厂，黑龙江161042)

电渣重熔钢锭具有组织致密、化学成分均匀等一系列优点，因此高附加值锻件产品国内外都采用电渣钢锭作为毛坯。13Cr9Mo2Co1NiVNbNB(简称FB2)材料作为火电新一代超超临界机组的关键部件，可使蒸汽温度从超临界的600℃提高到625℃，发电效率提高5%左右，CO2排放减少10%左右。制造FB2转子锻件所用的毛坯——电渣重熔钢锭是制约中国第一重型机械股份公司(简称中国一重)FB2材料开发产品的限制性环节，该材料电渣重熔难度极大，严重制约了我国FB2产品国产化的进程，只能依赖于进口。目前，国外建有大型电渣炉的企业如日本JSW、JCFC，韩国斗山重工，意大利FOMAS等企业均能生产高附加值的FB2电渣钢锭，其中意大利FOMAS和日本JSW实力最强，但制造技术也并不完全成熟，存在一定的废品率。国内建有大型电渣炉的企业对于FB2大型电渣钢锭，由于技术难度太大，且试验成本昂贵，均未对此进行尝试。中国一重目前正在全力开发FB2材质的电渣重熔冶炼技术，力争在短时间内达到FB2产品国产化的目标。针对FB2电渣钢锭重熔技术难题，本文主要从FB2材料简介及技术要求、母材冶炼研究和电渣重熔技术研究等关键技术进行论述。

1 材料简介及技术要求

1.1 材料简介

9%Cr系耐热合金的高温蠕变持久性能是根本要求，同时要保持较好的韧性。FB2材料中加入较多的Nb、V与C、N形成MX碳化物，加B(固溶硼)可提高持久性能。热力学计算结果表明：对性能有害的BN在1284℃已经开始析出，NbN、NbCN分别在1240℃、1296℃开始析出，这3种析出相几乎在同一高温段析出，但B、N的扩散系数远高于Nb、V等，故BN易析出并长大。图1为在不同热处理制度下BN的析出行为。图2为在9%Cr系钢中全硼和溶解硼之间的关系。对于BN析出尺寸的大小，冷速至关重要。大型模铸钢锭，由于凝固冷却速度慢，BN可充分析出并可能长大到20～30μm，而采用电渣重熔方式，冷速快，可获得尺寸较小的BN。

图1 不同热处理制度对BN析出行为的影响Figure 1 Influence of different heat treatment systems on the precipitation behavior of BN

图2 9%Cr钢中全硼和溶解硼之间的关系Figure 2 The relationship between total boron and dissovlved boron in 9%Cr steel

图3 FB2产品不同检测区域划分Figure 3 Division of different test zones for FB2 products

表1 FB2材料化学成分要求(质量分数，%)Table 1 Chemical composition requirement of material FB2 (mass fraction, %)

表2 FB2汽轮机转子锻件力学性能要求Table 2 Mechanical properties requirement of FB2 rotor forgings of steam turbine

表3 FB2锻件检测要求Table 3 Test requirement of FB2 forgings

1.2 FB2技术要求

FB2钢汽轮机转子体锻件化学成分要求如表1所示，力学性能要求如表2所示，检测要求如表3所示。FB2产品不同检测区域划分见图3。

2 母材冶炼技术研究

对于含B的钢种，为获得足够的自由B和防止BN的大量析出，通常冶炼时加易与N结合的Al、Ti元素来固氮，但FB2产品化学成分明确要求不允许Al、Ti加入。为获得足够的固溶硼，需要加入大量的B来提高获得自由硼的可能。由于B与O容易结合，冶炼时需在充分脱氧的基础上加入B，防止炼钢过程中B的氧化烧损，最好在加硼铁之前使钢水O含量<15×10-6，越低越好。可将B控制在上限，N含量控制在中限，以尽量获得较多的自由硼，且不形成粗大的BN相，同时也能满足MX碳化析出所需的N含量。将V、Nb控制在上限，使NbCN、NbN的析出温度高于BN的析出温度，从而消耗一定的N含量，使BN的析出温度降低，为后续热处理奠定基础。中国一重在2014年采用双真空方式投料1支FB2产品，钢锭化学成分完全满足产品技术要求，但该产品由于粗大BN和复合夹杂物的大量析出，造成检测缺陷，缺陷扫描电镜照片及能谱如图4所示。将该锻件改制成电极棒料进行电渣重熔试验。表4为改制的电极棒的组织、晶粒度及夹杂物评级情况。

图4 缺陷处扫描电镜及能谱照片Figure 4 Scanning electron microscopy and energy spectrum photos of defects

表4 改锻电极组织、晶粒度及夹杂物评级Table 4 Microstructure, grain size and inclusion rating of modified electrode

表5 电极及电渣锭水、冒口化学成分(质量分数，%)Table 5 Chemical composition of electrode and electroslag ingot water and riser (mass fraction, %)

3 电渣重熔技术研究

FB2产品属低Si、低Al、含B钢，B含量要求范围的最大值与最小值仅差30×10-6，且B很容易偏析，凝固末期残余液相中B浓度是初始液相的20倍。图5为中碳铝镇定钢(B=0.01%， N=0.03%)凝固液相区内N、B的偏析曲线[1]。

另外，材质中Si≤0.10%，Al≤0.01%，但O含量要求小于35×10-6，造成了重熔过程中脱氧剂的选择和加入量难度非常大，可以说FB2材质代表了电渣重熔最顶尖的高难度产品。中国一重于2016年5月中试了1支5.5 t FB2电渣钢锭，自耗电极采用双真空废品改制的锻造电极。渣系采用CaF2-Al2O3-CaO-MgO-SiO2-B2O3六元渣系，全过程进行氩气保护，电制度使用恒熔速递减功率控制，脱氧采用铝粒和硅钙粉复合脱氧方式。钢锭脱模后热送退火，退火冷却后在钢锭水、冒口套料进行化学成分分析和金相组织检验。