高中压转子钢冶炼全流程夹杂物分析

高中压转子钢冶炼全流程夹杂物分析

杨海石  王志刚  朱伟伟

（上海电气上重铸锻有限公司  上海  200245）

摘  要：通过对高中压转子钢在精炼及浇注过程中的取样，分析，全面了解整个生产过程中各工序钢水成分和夹杂物的变化，从而改善工艺及操作方式。

高中压转子是火电机组的关键零部件，工作时承受着高应力、高温度的双重作用，此外，还要承受交替变化的热应力，使高中压转子发生蠕变损伤和热疲劳损伤或者二者的叠加。因此，要求其材料必须具有很高的高温蠕变断裂强度和疲劳强度。钢水含有的C、P、S、N、H和T[O]等元素的单一或综合作用的结果，将大大地影响钢的抗拉强度、成型性、韧性、可焊性、抗裂纹、抗腐蚀性、各向异性、耐疲劳性等各种性能。因此，为了改善钢的性能，必须要首先提高钢水纯净度。我公司生产高中压转子有较长的历史，但其质量稳定性一直不高，尤其是探伤合格率忽高忽低，为改变这一现状，进行了一系列的工艺及操作优化，其中，第一步就是对冶炼浇注过程的全流程夹杂物分析。

1 生产试验方案

1.1 研究内容

在现行工艺条件下对全流程进行了系统取样，进行以下研究：

（1）全流程微观夹杂物成分变化规律研究

（2）全流程微观夹杂物类型变化规律研究

（3）全流程微观夹杂物数量密度变化研究

（4）全流程总氧含量变化规律研究

1.2 生产工艺

EAF→LF→VD→中间包→MSD+Ar浇注

1.3 试验方法

1.3.1 取样方案

高中压转子钢取样方案如下：

（1）LF精炼过程取样

LF炉进站，取钢样1个，测量钢液化学成分、钢液温度。

LF还原20min后，取钢样1个，测量钢液化学成分、钢液温度。

LF第一次加合金15min后，取钢样1个，测量钢液化学成分、钢液温度。

LF第二次加合金15min后，取钢样1个，测量钢液化学成分、钢液温度。

（2）VD过程取样

真空结束取钢样1个，测量钢液化学成分、钢液温度。

精炼结束钢样、渣样各一个，测量钢液化学成分、钢液温度。

（3）中间包取样

大包开浇时取钢样1个，测量钢液化学成分、钢液温度。

大包浇注30t（3/10）时取钢样1个，测量钢液化学成分、钢液温度。

大包浇注结束时取钢样、渣样各一个，测量钢液化学成分、钢液温度。

表11高中压转子钢取样结果

1.3.2 分析方法

对所取的试样主要采用化学成分常规分析、光学显微镜分析、扫描电镜分析等。

2 高中压转子钢夹杂物检测分析

2.1 全流程的钢水成分变化

表21全流程钢液成分变化，％

注：进站前使用的取样器含Al，故[Al]含量偏高。

2.2 全流程的T[O]的变化

全流程气体样共取9个进行气体分析。

表2-2全流程T[O]分析结果

从图21可以看出，L1(进站前)T[O]最高57ppm,L3（第一次加合金）最低23ppm。

2.3 全流程微观夹杂物成分变化

表23全流程夹杂物成分分析

从表2-3可知：MgO含量从1.96%变化到14.39%，Al2O3从88.93%变化到74.67%，SiO2的含量从7.05%变化到了1.50%，CaO由2.06%变化到9.44%，MnS、MnO、CaS、Ti2O3含量较少。

2.4 全流程夹杂物类型

统计全流程中每个试样电镜观测结果，并且将每个试样的夹杂物类型计算出来列于下列表格中。

表2-4 L11主要夹杂物类型

表2-5 L12主要夹杂物类型

表2-6 L13主要夹杂物类型

表2-7 L14主要夹杂物类型

表2-8 V11主要夹杂物类型

表2-9 E11主要夹杂物类型

表2-10 T1主要夹杂物类型

表2-11 T2主要夹杂物类型

表2-12 T3主要夹杂物类型

从上述表格可以看出，进站前的主要夹杂物是Al2O3，占72.73%，还原期夹杂物主要为MgO-Al2O3-CaO，占76.67%，第二次加合金主要夹杂物是

Al2O3-SiO2-CaO，占50%，精炼结束后主要夹杂物为Al2O3-SiO2-CaO，占50%，浇注结束后主要夹杂物为MgO-Al2O3-CaO，占66.67%。

2.5全流程微观夹杂物数量密度变化研究

全流程取高中压转子钢共9个金相样，每个金相样在光镜下拍摄45个视场，统计全流程微观夹杂物数量密度变化，如下列图表所示。

表2-13全流程夹杂物数量密度

3 试验结果讨论

3.1夹杂物成分演变规律

由表2-3所示

（1）进站前的微观夹杂物绝大多数都为Al2O3，高达88.93％，这主要源自进站前加入的预脱氧铝锭。

（2）随着LF的进行，夹杂物中MgO的含量稍有增加，Al2O3的含量逐渐减少，CaO的含量急剧上升，最高到53.42％，说明夹杂物上浮并被渣吸附，但渣中的CaO也进入了钢液当中，耐火材料中的少许Mg也进入了钢液。

（3）VD阶段，夹杂物中Al2O3含量减少26.71％，CaO含量增加21.21％。

（4）在浇注过程中，夹杂物中Al2O3含量急剧升高，而钢水中Al含量仅为0.008%，又中间包耐材使用的是高Al质的莫来石，故认为此时的Al2O3的主要来源为中间包耐材的侵蚀，或上一炉次中间包上未完全清理干净的钢渣，而Al2O3的增加也是聚集成大颗粒夹杂的原因之一。

3.2 夹杂物类型演变规律

对各炉次各个工艺环节的氧化物夹杂物类型进行统计分析，情况如表3-1、表3-1列出了该炉次冶炼过程不同阶段钢中主要氧化物的类型，从中可以看出：

（1）进站前加入铝锭进行预脱氧，故进站前的夹杂物几乎都为Al2O3；

（2）精炼开始后，在电镜下没有发现Al2O3单独存在，而是与其他氧化物结合形成复合夹杂物如MgO-Al2O3-CaO、Al2O3-SiO2-CaO以及MgO-Al2O3-SiO2-CaO等；

（3）精炼过程的夹杂物主要分为两类，一类含MgO，为MgO-Al2O3、MgO-Al2O3-CaO、MgO-Al2O3-SiO2-CaO；一类不含MgO，为Al2O3-SiO2（-CaO）等。MgO的主要来源是炉渣和炉衬。从上图中以及夹杂物成分变化中不难发现，在精炼过程中MgO的含量偏低，而浇注过程中MgO含量明显增加，这说明浇注过程中精炼渣在中间包中发生卷渣行为，进入钢水中。

表31各工艺主要氧化物夹杂物类型对比

3.3 夹杂物数量密度演变规律

将全流程各个阶段的试样夹杂物数量密度取平均值，得到全流程夹杂物数量密度的变化如图31所示。

由图31可知，整个流程钢液中的微观夹杂物数量密度由进站前的12.74个/mm2降到浇注结束的3.89个/mm2，从夹杂物密度变化上来看，精炼效果较好；第一次加合金后，较还原20min的夹杂物数量密度上升2.82个/mm2，结合此时的夹杂物成分变化可以知道，加合金时使得渣中的CaO卷入钢液，使夹杂物的数量密度增加。在浇注过程中，夹杂物数量密度也呈上升趋势，这是因为在浇注过程中发生了二次氧化，包括空气二次氧化和炉衬等耐火材料的二次氧化。

3.4 全流程的T[O]的变化

钢中的氧以两种形式存在：溶解于钢中的溶解氧[O]溶和存在于氧化物中的氧[O]夹。总氧含量可表示为：

T[O]=[O]溶+[O]夹

脱氧合金化后，与脱氧元素（Si、Al）相平衡的[O]溶很低，如铝镇静钢，加铝脱氧后，在1600℃与钢中酸溶铝含量[Al]s(0.02%~0.05%)处于热力学平衡的[O]溶很低（0.0004%~0.0008%），所以可以用钢中总氧含量T[O]来表示钢中氧化物夹杂物的水平，用T[O]作为洁净度的量度。钢中总氧含量越低，说明钢中氧化物夹杂越少，钢就越干净。因此，通过取样分析钢中T[O]含量对钢的洁净度进行评价至关重要。本试验通过在全流程取样来分析钢中总氧含量T[O]。全流程钢中总氧变化如图320所示。

从上图可以看出，进站前的T[O]含量最高，达57ppm，到第一次加合金后降至23ppm，说明前期的精炼效果良好。第二次加合金后T[O]升高至41ppm，说明此时发生了二次氧化。精炼结束时，T[O]降低到了26ppm，但是随着浇注的进行，钢中T[O]逐渐上升到43个ppm，由此可以得出钢包操作对钢的洁净度影响较大，通过二次氧化、耐火材料侵蚀等方式使钢液遭到污染，从而使钢中总氧升高，因此在实际操作过程中，应该合理规范浇注操作，否则将会使钢包精炼操作提高钢液洁净度的努力前功尽弃。

4 初步结论与建议

过对高中压转子钢全流程生产跟踪数据分析统计试验数据，得出以下认识：

（1）钢的洁净度水平：T.O平均值/ppm：电炉出钢57；LF初次出站41；VD出站31；LF二次出站26；中间包43。从钢的洁净度水平来评价，从LF二次出站到中间包，钢液中T.O含量上升到43ppm，较LF出站时增加17ppm，说明在中间包的浇注过程中，中间包操作对钢的洁净度影响极大，通过卷渣、二次氧化、耐火材料侵蚀等方式使钢液遭到污染，从而使钢中总氧升高，因此在实际操作过程中，应该合理规范中间包的操作，否则将会使钢包精炼操作提高钢液洁净度的努力前功尽弃。

（2）钢中微观夹杂物数量平均值（个/mm2）：进站前 12.74；LF 出站6.9；VD出站4.6；LF二次出站3.54；中间包7.2；进站前微观夹杂物类型主要是Al2O3，LF期间主要是Al2O3-MgO、Al2O3-MgO-CaO、Al2O3-MgO-CaO-SiO2-MnO，VD期间主要是Al2O3-CaO-SiO2，浇注期间主要是Al2O3-MnS、MgO-Al2O3-SiO2-CaO、MgO-Al2O3-CaO。

（3）LF进站氧含量为57ppm，LF出站氧含量为26ppm，精炼过程总氧降低31ppm，总体来看LF的脱氧效果较好，但加合金期间操作控制欠佳（合金加入方式较粗放），使得总氧由最低时候的23ppm升高到了41ppm。

（4）中间包操作存在较严重的二次氧化，中间包浇注过程中，T.O含量上升到43ppm，较LF出站时增加17ppm。

为进一步提高产品质量特提出以下改进措施

（1）规范操作，LF操作过程中特别是加合金过程，吸氧严重，使得精炼效果打了折扣。

（2）中间包浇注过程二次氧化比较严重，并伴有卷渣，耐火材料侵蚀行为，是大型夹杂物的主要来源。建议加强中间包保护浇注，强化中间包的清理及浇注过程中的卡渣操作，尽可能的避免精炼渣进入中间包。

参考文献

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[2] 邱斌，马平，李林，等．30Cr2Ni4MoV超纯净钢冶炼技术研究[J]．大型铸锻件，2017(01):45-47．

[3] 蔡开科．连铸坯质量控制[J]．北京: 冶金工业出版社，2010，205．

[4] 李阳. 炼钢过程中的夹杂物[M].北京：科学出版社，2017