ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢的洁净化冶炼过程研究

熊云龙，杨宁，张跃

沈阳铸造研究所有限公司 辽宁沈阳 110022

1 序言

水轮发电机转轮是整个发电机组重要零件之一，对内部质量和尺寸精度均要求较高。转轮的质量好坏直接影响着转轮的效率、抗空蚀性能和运行稳定性，因此它的制造质量对水轮机发电机组的整机运行至关重要[1-3]，尤其是制造转轮所用的材料。多年来，我公司制造转轮采用ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢，主要因为其具有良好的抗热冲击性、耐蚀性、抗氧化性、低温冲击韧度等性能[4]。ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢不仅广泛用于制造水轮机转轮，而且也应用在海水泵、阀、增压器壳体等重要零部件上[5-7]。

由于ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢的广泛应用，对它的研究很多。一些学者研究了热处理过程、化学成分等因素对ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢力学性能的影响[8]。很少有人研究冶炼工艺对ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢力学性能的影响。合理的冶炼过程能够降低材料中有害元素磷、硫、夹杂物，以及氢、氧、氮有害元素含量，从而提高ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢的各方面性能。本文分析冶炼过程对ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢力学性能的影响，严格控制工艺参数，对稳定化生产ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢具有重要意义。ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢的化学成分与力学性能见表1、表2。

表1 ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢化学成分（质量分数）（%）

表2 ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢铸件的力学性能

2 试验材料与方法

所需原材料有废钢（A3）、铬铁（60%Cr）、纯镍、钼铁、石灰。C按1.2%配入，Si按吨钢5kg加入，Cr按11.8%配入，Ni按3.7%配入。

冶炼方式采用电弧炉+AOD炉生产。电弧炉主要熔化炉料，AOD炉完成最终冶炼。

冶炼工艺优化主要是改变AOD炉冶炼造渣制度和供气制度。合理的造渣制度能够有效脱磷、脱硫、去除夹杂物。合理的供气制度也能够增加去碳效率，降低冶炼时间和生产成本。

冶炼优化方案：

1）将AOD炉由单渣操作优化为双渣操作，碱度由1.5调整为2.0。

2）供气制度原来为三阶段供气，第一阶段：O2:Ar＝4:1，脱碳到0.3%～0.6%，温度1630～1670℃；第二阶段：O2:Ar＝1:1，脱碳到0.08%～0.2%，温度1680～1720℃；第三阶段：O2:Ar＝1:3，脱碳到0.020%～0.035%。

优化后为四阶段供气，第一阶段：O2:Ar＝5:1，温度1680～1720℃；脱碳到0.6%～0.8%；第二阶段：O2:Ar＝3:1，脱碳到0.3%～0.5%，温度1630～1670℃；第三阶段：O2:Ar＝1:1，脱碳到0.08%～0.2%，温度1680～1720℃；第四阶段：O2:Ar＝1:3，脱碳到0.020%～0.035%。

3 冶炼工艺过程介绍

3.1 生产准备过程

（1）钢包准备 保证钢包内壁清洁、干净，无浮渣，无残钢；浇注系统无异常；修包过程中保证细致认真，将漏包等事故的概率降低到最小。

（2）设备要求 电弧炉与AOD炉衬无污染金属残余，设备正常运转。

（3）原料要求 要保证原料无油、无密封容器的清洁废钢，合金材料要干燥，保证原料的清洁度，才能保证钢液质量。

（4）配料要求 根据计划所需钢液量和钢种成分，确定原料加入量，原料烧损8%左右。加合金前氧化脱P处理。配入碳量基本为料重的1.5%～2.0%，Cr、Ni按下限。清楚各种材料的化学成分。为更好地去除夹杂物，提前造渣，装料时加入料重1.5%的石灰。

（5）装炉要求 首先把硅铁、石灰、增碳剂铺放在炉底，然后加入镍板需远离电极周围，防止高温烧损，由于钼铁不易熔化和保证金属铬的回收，因此采用在AOD炉中加入。

3.2 电弧炉冶炼过程

1）装料要密实，炉底加石灰15kg/t钢液，合金元素远离电弧区域。

2）起弧时小功率，穿井期大功率，炉料熔化80%开始吹氧助熔，氧压为0.5MPa。

3）炉料全部熔化后取样分析成分，吹氧脱碳至1.2%～1.8%。

4）还原期调整炉渣碱度，把碱度从原来的1.2调整为2，调整熔渣流动性，加入铝1kg/t钢液，脱氧剂4～8kg/t钢液进行脱氧还原，分析成分。

5）调整出钢条件：①成分合格，wC＝1.2%～1.8%、wSi≤0.5%，Cr、Ni为成分要求下限，wP≤0.030%。②钢液脱氧良好，达到白渣效果。③钢液温度1650～1680℃。④中转包烘烤温度700℃以上。

3.3 AOD炉冶炼过程

（1）AOD开炉前准备 AOD在开炉前炉体预热达到（700±50）℃，预先准备好充分干燥的脱氧剂（硅铁和铝）、造渣剂（石灰和萤石）、发热剂（铝），同时要准备好各种少量的镍、铬铁、钼铁及锰铁等合金（应尽量选取小块，以利快速熔化）。

（2）技术要求调整 AOD精炼对电炉提供粗钢液技术要求调整如下：wC＝1.2%～1.8%、wSi≤0.5%、wNi为成分要求下限、wP≤ 0.030%，入炉后温度1560℃以上开始吹炼。

（3）氧化过程调整 修改了AOD冶炼的供气制度，钢液入炉后测温，根据C、Si等元素含量及钢液量与温度，估算出氧化所需氧量。

（4）还原期调整 根据入炉化学成分对钢液成分进行初调整，Si按中上限配入，采用硅、铝复合还原，准确计算还原剂加入量。翻炉至吹炼位置还原，纯Ar搅拌7min，还原温度控制在1680～1710℃。还原期碱度由原先1.5提高至2.0，降低硫和气体含量。

（5）出炉前最终微调 根据化验结果，对钢液进行微调，使钢液达到要求的化学成分。如果补加合金或升温必须进行纯Ar搅拌2min以上。

4 分析与讨论

4.1 冶炼工艺对钢磷和硫含量的影响

分析了优化前后各10炉ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢的P和S含量。优化前后ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢P、S含量如图1所示。

优化前材料中wP、wS分别为0.025%和0.02%，通过冶炼工艺优化，wP、wS降到0.015%和0.013%。主要是冶炼过程温度和碱度的调整。合理的温度和碱度为脱磷、脱硫创造了有利条件。脱磷过程主要在电弧炉内完成，脱硫在AOD炉中完成。

电弧炉在氧化过程中，通过调整碱度和温度，可以有效地降低P含量。提前在电弧炉内添加石灰，因为适当地增加石灰加入量，可提高炉渣碱度，在保证炉渣流动性良好的情况下，能促进脱磷反应的进行。但当炉渣碱度过高时，则会造成炉渣黏度增大，导致炉渣流动性变差，反而对脱磷不利，同时也会造成石灰有效利用率偏低，冶炼成本增加。

图1 优化前后ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢中P、S含量对比

AOD炉冶炼过程，脱硫能力受渣量、碱度和温度影响较大，通过调整炉渣量、碱度和温度可有效改善脱硫能力。单渣操作，导致渣量大，冶金动力学效果变差，脱碳效率低，通过双渣操作，能够达到更好的冶金效果，从而有效地去除钢中的硫和夹杂物等。碱度由1.5增大至2.0，升高炉温，炉渣脱硫能力明显增强，温度提高能够使渣中复杂离子团的键断裂并释放部分氧离子，炉渣黏度降低，炉渣与金属液之间的传质过程增强，促使更多的硫向渣中转移，从而提高了炉渣脱硫能力。碱度增大，渣中碱性氧化物以及自由阳离子增多，渣中复杂硅氧离子体解聚为简单的四面体结构，炉渣流动性增强，从而提高了炉渣脱硫能力[9]。但碱度超过2.0后，脱硫趋势变得缓慢，由于高熔点化合物生成量增多，这些化合物以固态质点存在于液态渣中，导致脱硫的动力学条件变差。供气制度的改变，也能够达到更好的冶金动力学效果和脱碳速率，有助于磷、硫和夹杂物的去除。

4.2 冶炼工艺对力学性能的影响

分析了优化前后各10炉ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢的力学性能。在热处理工艺相同的条件下1050℃正火+580℃回火，力学性能如图2、图3所示。从图中可以看出：材料的屈服强度从590MPa提高到650MPa，提高了10%；抗拉强度从780MPa提高到840MPa，提高了8%；材料塑韧性提高30%；材料的冲击吸收能量从60J提高到80J，提高了30%左右。

图2 优化前后ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢力学性能对比

图3 优化前后ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢冲击性能对比

通过优化冶炼工艺，调整造渣制度即由单渣操作改为双渣操作，碱度由1.5调整为2。优化供气制度，改善冶金效果动力学和热力学效果，很好地降低了钢中磷、硫及夹杂物含量，改善了材料的力学性能。磷和硫为有害元素，应严格控制。磷在奥氏体中溶解度很低，主要影响ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢的力学性能，降低材料的塑韧性。wP为0.03%时，出现磷共晶组织，ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢塑性和冲击性能明显下降，因此生产ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢时磷含量越低越好。硫元素对ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢的危害是硫与铁化合生成FeS，且与Fe形成共晶。共晶产物熔点985℃，存在晶粒边界，破坏了基体的连续性，降低了ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢的力学性能。非金属夹杂物是影响高强度钢疲劳性能的原因之一。夹杂物的尺寸对钢的疲劳性能有直接影响，可以对临界夹杂物尺寸进行预测。严格控制夹杂物含量，有利于提高材料的韧性和抗疲劳能力。

4.3 冶炼工艺对生产效率的影响

分析了优化前后各10炉ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢的冶炼时间，如图4所示。优化前平均每炉钢冶炼时间为3h，优化后缩短为2.5h。

图4 优化前后ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢冶炼时间对比

AOD炉氩氧精炼的技术核心就是供气制度，通过氧气和惰性气体的混合比例，调整炉内CO分压，促进脱碳反应，从而达到去碳保铬的效果，同时保持熔池内有最充分的热力学和动力学脱碳和精炼条件。通过把原来的三阶段供气，调整为四阶段供气，能够更好地适应炉内气氛，提高反应速率。第一阶段提高了氧气比率，主要是因为第一阶段钢液中含有大量的碳，有利于脱碳反应。随后根据碳含量调整氩氧比率，从而为脱碳创造有利气氛，防止过多的氧用来氧化铬。再加上调整造渣制度，即由单渣操作改为双渣操作，碱度由1.5调整至2，创造了良好的冶金条件，缩短了冶炼时间，减少了钢液在炉内的停留时间，降低了耐火材料的消耗，同时因为时间缩短也提高了生产效率。

5 结束语

1）冶炼是影响材料性能的重要过程，合理的冶炼工艺过程能够有效降低材料中有害元素和夹杂物含量，从而提高ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢材料的力学性能。

2）将AOD炉单渣操作，优化为双渣操作，碱度由1.5调整为2.0。降低了磷、硫及夹杂物含量，实现洁净化冶炼。通过冶炼工艺优化，ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢材料的力学性能提高了30%。

3）优化供气制度，把原来的三阶段供气，调整为四阶段供气，冶炼时间明显缩短，提高了生产效率，降低了生产成本。