加入收藏
客服热线：0311-85395669
首页
耐热钢253MA冶炼试验研究
来源：2019炼钢生产新工艺新技术新产品研讨会论文集|浏览：次|评论：0条 [收藏] [评论]
耐热钢253MA冶炼试验研究陈帅超申澎洋任书旺赵轶鹏（洛阳双瑞特种装备有限公司，河南 洛阳，471000）摘 要：耐热钢253MA含有0 03%~0 08%的稀土Ce，但稀土元素极为活泼，冶炼烧损不易控制…
耐热钢253MA冶炼试验研究
陈帅超 申澎洋 任书旺 赵轶鹏
（洛阳双瑞特种装备有限公司，河南 洛阳，471000）
陈帅超 申澎洋 任书旺 赵轶鹏
（洛阳双瑞特种装备有限公司，河南 洛阳，471000）
摘 要：耐热钢253MA含有0.03%~0.08%的稀土Ce，但稀土元素极为活泼，冶炼烧损不易控制。结合热力学计算，制定253MA冶炼工艺方案。通过253MA冶炼试验，将钢中氧含量控制在30ppm以下，稀土Ce收得率达到60%，远高于国内30%~40%的收得率控制水平。
关键词：耐热钢；稀土；冶炼；热力学计算；收得率
Experimental Study onSmelting of 253MA Heat Resistant Steel
Chen shuaichao，Shen pengyang，Ren shuwang，Zhao yipeng
（Luoyang Shuangrui Special Equipment Co Ltd, Luoyang 471000）
Abstract：253MA heat resistant steel contains 0.03%~0.08% rare earth Ce, but rare earth elements are very active, the burning loss is difficult to control. Combined thermodynamic calculation, designated smelting process plan.Through the smelting experiment of 253MA, the oxygen content in steel wascontrolled below 30ppm,the yield of rare earth Ce reached 60%, whichwas far above the control level of domestic.
Key words：heat resistant steel; rare earth; smelting;thermodynamic calculation; yield
1 前言
253MA耐热钢具有良好的综合性能，且价格低廉，可作为309S、310S等传统耐热不锈钢和800、610等镍基高温合金的替代产品，大幅降低生产成本。目前，国内253MA的研究较少，从市场调研发现，253MA热轧板主要从国外进口（OutoKumpu公司生产），开发253MA耐热钢板材具有广阔的市场前景。
耐热钢253MA含有0.03%～0.08%的稀土Ce，稀土元素在钢中具有净化钢液、夹杂物变性、细化晶粒、微合金化等多种有益
作用，可以明显改善钢的抗氧化能力，高温强度和塑性、疲劳寿命、耐腐蚀性能及抗裂性等[1-2]。但稀土元素极为活泼，冶炼时成分很难精确控制，尤其是253MA对稀土Ce有范围要求，使其制造难度大幅上升，废品率较高。
2 试验方案
2.1 化学成分要求
ASTM A240标准中253MA的成分要求及进口253MA热轧板的化学成分如下表1所示。可以看出，进口热轧板的氧含量极低，仅有11ppm。
表1 253MA化学成分/%
Table1 The chemical composition of 253MA /%
Table1 The chemical composition of 253MA /%
|
元素
|
C
|
Si
|
Mn
|
S
|
P
|
Cr
|
Ni
|
Ce
|
Al
|
N
|
O
|
|
标准
|
0.05~
0.10 |
1.4~
2.0 |
≤0.80
|
≤0.03
|
≤0.045
|
20.0~
22.0 |
10.0~
12.0 |
0.03~
0.08 |
/
|
0.14~
0.20 |
/
|
|
进口
|
0.082
|
1.43
|
0.51
|
0.001
|
0.027
|
21.39
|
11.08
|
0.037
|
0.038
|
0.177
|
0.0011
|
2.2 技术难点及解决措施
2.2.1 技术难点与分析
根据253MA的冶金成分特点及参照国内外文献资料，253MA通常采用“电炉+AOD精炼+模铸/连铸”方式冶炼，为收集工艺数据，我公司首批试制253MA小钢锭采用“中频感应炉+模铸”方式冶炼。
由于稀土元素极为活泼，在大气条件就会发生氧化，而稀土耐热钢253MA对稀土Ce含量有范围要求（0.03%～0.08%），稀土Ce含量更难控制。因此，稀土Ce收得率的控制是冶炼稀土耐热钢253MA的主要技术难点。
首先，引入热力学计算方法对稀土Ce脱氧反应进行理论计算，求解稀土Ce脱氧反应平衡时钢中[O]，为控制稀土收得率提供参考，热力学计算思路如下：
（1）设定253MA典型成分，并给出Ce、Al含量；
（2）查阅钢中元素相互作用系数，列出Ce、O活度系数计算式；
（3）将Ce、O活度系数代入稀土Ce脱氧反应热力学方程，求解热力学反应达到平衡时钢中[O]。
表2 253MA典型化学成分/%
Table2 Typical chemical content of 253MA /%
Table2 Typical chemical content of 253MA /%
|
C
|
Si
|
Mn
|
S
|
P
|
Cr
|
Ni
|
Ce
|
N
|
Al
|
|
0.08
|
1.6
|
0.5
|
0.010
|
0.025
|
21.0
|
11.0
|
0.05
|
0.17
|
0.04
|
表3 钢液中活度相互作用系数（T=1600℃）
Table3 The activity interaction coefficients in the steel（T=1600℃）
|
j
i |
C
|
Si
|
Mn
|
S
|
P
|
Cr
|
Ni
|
Ce
|
N
|
Al
|
O
|
|
Ce
|
-0.077
|
/
|
/
|
-39.8
|
/
|
/
|
/
|
-0.003
|
/
|
/
|
-5.03
|
|
O
|
-0.45
|
-0.131
|
-0.021
|
-0.133
|
0.07
|
-0.04
|
0.006
|
-0.57
|
0.057
|
-3.9
|
-0.20
|
经热力学反应理论计算，求解得出稀土Ce与钢中O反应达到平衡时，钢中[O]=0.0004，说明稀土Ce含量控制需在深脱氧条件下进行，但目前国内外的冶金水平，将稀土耐热钢253MA钢中[O]控制在4ppm以下很难实现，但这为253MA脱氧工艺制定提供了依据。
2.2.2解决措施与工艺方案
通过查阅相关文献发现[3]，太钢在冶炼253MA时，将钢中氧含量控制在35ppm以下，并且残Al控制在0.02%时，采用钢包喂稀土线法能将稀土Ce的收得率控制在30%～40%，为稀土Ce含量收得率控制提供了很好的借鉴。
但目前我公司无喂线机，由于钢包太小也不具有配套条件，只能用钢包投入方式加入稀土合金，稀土收得率要充分考虑钢液脱氧程度、出钢温度、加入时机等诸多因素，在试验基础上得出控制指标。
为将253MA钢中氧含量控制在35ppm以下，可采用以下技术措施。
（1）钢液熔清后，加结晶硅，将Si调整至1.0左右进行预脱氧，分析钢中[O]；
（2）加Al线和SiAlBaCa合金脱氧，将[O]控制在50ppm以下准备出钢；
（3）出钢前加适量结晶硅，将Si含量调整至1.5左右准备出钢，出钢时先向钢流中加入约1Kg/t的SiAlBaCa合金，然后分批加入稀土镧铈合金（含Ce65%），Ce含量目标值按0.05%控制，收得率按35%。
3 小钢锭冶炼试验
253MA小钢锭采用1t中频感应炉进行冶炼试验，钢水量为500Kg。钢锭规格为300×300×680mm。
由于无炉外精炼手段，钢水脱氧、脱硫等精炼任务只能在中频炉内完成。化钢前，在炉内加石灰和萤石造渣，冶炼过程脱氧工艺及结果分析如下表5所示。
表4 253MA冶炼脱氧工艺
Table4 The smelting deoxidization process of 253MA
Table4 The smelting deoxidization process of 253MA
|
阶段
|
脱氧剂加入情况
|
[Si]
|
[O]
|
|
预脱氧
|
结晶硅
|
0.72
|
0.020
|
|
一次深脱氧
|
结晶硅、Al线
|
1.16
|
0.010
|
|
二次深脱氧
|
补加石灰、萤石、结晶硅、Al线
|
1.40
|
0.0065
|
|
出钢前
|
Al线、SiAlBaCa1合金
|
1.52
|
0.0030
|
|
出钢阶段
|
SiAlBaCa合金、稀土镧铈合金
|
1.60
|
0.0024
|
4 试验结果与分析
4.1 化学成分
253MA小钢锭的化学成分如下表6所示，各元素成分均符合内控范围要求，自制与进口253MA的化学成分基本相当。
相比进口253MA，由于我公司缺乏炉
外精炼手段，自制253MA氧含量要略高，但残铝更低，这与熔渣组成有关，熔渣中的SiO2对Al2O3夹杂具有较强的吸附作用，能形成低熔点的复合夹杂物，容易从钢中去除。
稀土Ce实际收得率60%，远高于国内30%～40%的收得率控制水平。
表5 253MA钢锭化学成分/%
Table5 The chemical content of 253MA ingot
Table5 The chemical content of 253MA ingot
|
|
C
|
Si
|
Mn
|
S
|
P
|
Cr
|
Ni
|
Ce
|
N
|
Al
|
O
|
|
进口
|
0.082
|
1.43
|
0.51
|
0.001
|
0.027
|
21.39
|
11.08
|
0.037
|
0.177
|
0.038
|
0.0011
|
|
自制
|
0.090
|
1.60
|
0.59
|
＜0.0050
|
0.015
|
20.68
|
10.96
|
0.072
|
0.169
|
0.018
|
0.0024
|
4.2 锻造试验验证
为进一步验证253MA小钢锭的冶金质量，进行了锻造试验验证。先将253MA小钢锭在3T锻锤上锻至180×250×60mm规格，然后在500mm型号轧机上，热轧制成180×750×20mm规格的试板。开轧温度1090℃，终轧温度870 ℃。
如图1所示，253MA试板表面质量良好，无折叠、裂纹等缺陷，经超声波探伤I级合格。
4.3 夹杂物
在253MA热轧板上取样进行扫描电镜检测，取样位置为1/4厚度处。经扫描电镜检测分析，253MA钢中的夹杂物类型主要为稀土Ce的氧化物和少量氧化铝，如图2和图3所示。
其中，稀土Ce的氧化物具有良好的热加工塑性，沿钢板轧制变形方向，呈链条状分布。
5 结论
5 结论
(1) 钢液的脱氧程度对稀土收得率影响最大，运用热力学计算方法能得出稀土Ce氧化反应平衡时钢中[O]，为制定脱氧工艺、提高稀土收得率提供参考。
(2) 中频炉内造CaF2-CaO-SiO2三元酸性炉渣，利用酸性渣对Al2O3夹杂较强的吸附作用，能明显降低钢中残Al含量。
(3) 采用结晶硅预脱氧，然后加Al、SiAlBaCa深脱氧，能将253MA钢中[O]控制在30ppm以下，稀土Ce收得率达到60%。
(4) 钢中的夹杂物类型主要为稀土氧化物和少量氧化铝，热加工性能良好。
参考文献
[1] 张晓坤. Ce对耐热钢253MA中夹杂物和性能的影响[J]. 特种钢, 2008, 29(2):56-57.
[2] Chen L, Ma X, Wang L, et al, Effect of Rare Earth Element Yttrium Addition on Microstructures and Properties of a 21C-Ni Austenitic Heat-Resistant Stainless Steel[J], Materials and Desian, 2011, 32(4): 2206-2212.
