核电用特大型钢锭浇注过程夹杂物的控制

2021-09-14闫抒宇朱伟伟杨海石

大型铸锻件 2021年5期

闫抒宇朱伟伟杨海石

(上海电气上重铸锻有限公司，上海200245)

随着第三代核电技术的发展，要求核电大锻件向大型化、一体化发展[1]，对冶炼、锻造、热处理等关键工序提出了更高的要求，锻造用钢锭吨位越来越大。特大型钢锭需要多包钢水拼浇，吨位在300 t以上，制造难度极大，并且国内外主要锻件供应商对技术严格保密。国内外主要锻件供应商的最大钢锭制造能力见表1[2]，其中以日本JSW技术最为先进，在20世纪70年代即可制造出600 t级钢锭，依靠先进的夹杂物控制技术，省去粗加工后的UT检测，直接进行精加工，锻件的最终UT检测即可满足要求。

表1 国内外主要供应商钢锭制造能力对比Table 1 Comparison of ingot manufacturing capacityof main suppliers at home and abroad

1 原因分析

针对我公司某项目460 t特大型钢锭因UT检测发现大量当量大于∅1.6 mm的单个缺陷及密集缺陷，最大单个缺陷当量达到∅8.4 mm，造成锻件粗加工UT检测不合格，并且超标缺陷分布在锻件内外圆面内，无法通过加工借调，导致锻件最终报废，造成了重大经济损失和工期延误。因此，钢锭中夹杂物尺寸超标是导致UT检测不合的直接原因，一旦锻件加工余量不足，即造成锻件报废。

我公司现有一台100 t电炉，配套120 t精炼加热工位2个，脱气工位一个，两台40 t电炉，配套80 t精炼加热工位1个，脱气工位一个，具备最大500 t特大型钢锭的冶炼能力，其中460 t钢锭的工艺路线见图1。

图1 460 t特大型钢锭工艺路线Figure 1 Process route of 460 t super large ingot

我公司通过优选废钢、生铁等原材料，对P、S、Sn、As、Sb等有害元素含量控制极低，钢水精炼时间长，脱氧产物能充分上浮，钢水纯净度达到较高水平[3]，因此，内生夹杂物不是超标缺陷的主要来源。

460 t的特大型钢锭需要5包钢水拼浇，通过80 t中间包浇注，浇注温度控制在1570～1590℃，中间包水口采用纯锆水口，直径∅55 mm，速度在6.5～7.0 t/min，钢水在中间包内停留时间大于60 min。浇注过程中钢水与中间包、限流器、冒口等耐火材料接触时间长，容易发生侵蚀反应、损坏剥落[4]，形成大尺寸的外来夹杂物。

综上所述，本文认为特大型钢锭的超标缺陷主要来源是浇注过程中中间包、限流器、冒口等部位的侵蚀反应、剥落卷入钢锭中的耐火材料，形成大尺寸的超标夹杂物。

2 夹杂物的控制措施

2.1 中间包包龄控制

中间包是浇注特大型钢锭必不可少的环节，主要起到调节钢流浇注速度，防止真空浇注断流，调节浇注温度的作用。对于特大型钢锭，钢水在中间包内停留时间一般在60 min以上，钢水温度在1570～1590℃之间，对中间包耐火材料的侵蚀、冲刷比较严重，是钢锭外来夹杂物的主要来源之一，中间包耐火材料的性能对钢锭纯净度影响最大。

我公司中间包砖材质选用锆莫来石，成分要求Al2O3≥44%，SiO2≤43%，ZrO2≥12%，对一个包龄为8炉次的中间包拆包后，选取包壁中部的耐火砖进行成分检测，含量前10种的化学成分检测结果见表2。

表2 中间包砖使用前后的主要成分对比(质量分数，%)Table 2 Comparison of main components of tundish brick before and after use(mass fraction, %)

由表2中成分可见，使用前的成分符合采购技术规范，在中间包使用后，Al2O3的成分降低8.98%，SiO2含量基本不变，但ZrO2含量增加1.76%，由于钢水、钢渣中均不含有ZrO2成分，可知ZrO2升高是由于耐火砖表面侵蚀导致Al2O3骨料大量流失造成，耐火砖表面呈密集蜂窝状(见图2)，与实际情况类似。耐火砖使用后增加的MgO、CaO、CaF2是精炼渣卷入中间包的残留物，MnO、Fe2O3是钢水二次氧化产物，P2O5、Cr2O3为耐火砖本身残余成分，变化不大。

图2 中间包包壁照片Figure 2 Photos of tundish wall

由中间包耐火砖使用前后的成分变化对比可以看出，中间包在使用过程中会被不断的侵蚀，作为主要骨料成分的Al2O3侵蚀严重，导致中间包包壁表面出现蜂窝状的侵蚀小坑，造成表面容易剥落，污染钢水。在浇注过程中精炼渣会被卷入中间包内，钢水二次氧化产物附着在耐火砖表面，形成一层黑色氧化物，在浇注过程中极易被卷入钢锭内。中间包包况随使用炉次增加，耐火砖骨料成分流失越严重，包内残渣越难控制、清理。

在改进前未进行中间包包龄控制，特大钢锭的中间包包龄平均在5～8炉次，此时的中间包内部挂渣较大，且难以清理，中间包耐火材料冲刷带入钢锭内部，未能完全上浮，在钢锭内部形成超标缺陷，导致钢锭合格率偏低。

因此，控制中间包的包龄是降低耐火材料夹杂物进入钢锭内的有效措施，对特大型钢锭，要求中间包的包龄控制在2～3炉内，保证中间包的包况处于最佳状态，无冷钢、挂渣，不易被侵蚀、剥落，降低外来夹杂物总数量。

我公司中间包水口采用一体压铸成型的纯锆水口，ZrO2含量不低于94%，具有高强度、抗冲刷性能，在使用后基本不会发生侵蚀扩径和结瘤。

2.2 限流器材质改进

我公司使用的限流器是由七节高铝砖拼接而成，总高度为1100 mm，内径460 mm，可以把钢液散流限制在冒口内，起到束缚散流液滴的作用。钢水浇注过程中会冲刷到限流器内壁，遇冷易凝结，易形成内部结瘤，冷凝的钢液沿内壁不断结瘤延长，在限流器底部形成胡须状的结瘤，随结瘤不断长大，极易掉入钢锭模中。限流器结瘤对钢锭纯净度影响极大，由于结瘤成分与钢水成分不同，造成异形金属夹杂物，此类夹杂物上浮困难，一旦发生结瘤掉落，钢锭即存在报废风险。

针对限流器结瘤问题，公司开发了一种石墨材质的限流器砖，内壁表面光滑，钢水不易凝结在石墨材质上[5]，可以有效减少限流器内部、底部的结瘤情况。

在试验过程中，发现石墨材质的受热膨胀较高铝砖大，使用6、7节石墨材质砖，在烘烤后限流器顶部的两节之间容易形成较大的缝隙，因此在试验中采用上半部分高铝材质，下半部分石墨材质，并安排4组对比试验，石墨材质分别安装2、3、4、5块，使用后结瘤情况见表3。

由表3可知，由2节高铝和5节石墨组成的限流器在不发生膨胀缝隙下，结瘤最少，内部少量结瘤在每节之间的缝隙处，底部结瘤小于50 mm，内部结瘤、底部结瘤情况明显改善，减少夹杂物凝结内核数量。

表3 限流器使用后结瘤情况Table 3 Nodulation situations of current limiterafter use

2.3 冒口砌筑方式改进

由于公司炼钢车间内只有一台250 t行车和一台350 t行车，对于特大型钢锭来说，单台行车起重能力不够，必须在冒口位置设置两个吊耳，脱模时用500 t抬吊通过钢丝绳起吊。

特大型冒口是钢水最后一处接触耐火材料的位置，冒口在起到保温补缩的同时，冒口两侧的吊耳是特大钢锭脱模起吊的位置，由于两个吊耳空腔，造成冒口内部耐火材料砌筑困难。原有设计时，由刚玉浇注料对两个吊耳整体浇注，在钢锭浇注结束后，钢水翻腾、冲刷导致浇注料剥落、侵蚀较多，冒口内钢液面浮渣较多，卷入钢锭内部的夹杂物未能充分上浮，随温度下降，凝固在钢锭内部，聚集而形成单个或密集夹杂缺陷。

对冒口的砌筑方式进行改进，由整体浇注改为用高铝砖砌筑，缝隙部位用切割的高铝砖薄片填充。新旧冒口砌筑方式对比见图3，浇注结束后冒口表面浮渣对比见图4。由此可知，改进后的冒口浮渣大大减少，减少浇注过程中钢水卷入钢锭内部浮渣的总量，提高钢锭内部质量。