CN101450376B

CN101450376B - 水轮机导叶双精炼铸造方法

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Publication number: CN101450376B
Application number: CN 200810230216
Authority: CN
Inventors: 娄延春; 李宝东; 蒋国森; 姜云飞; 陈瑞; 王大威; 孙铁军; 王安国; 张家东
Original assignee: Shenyang Research Institute of Foundry Co Ltd
Current assignee: Shenyang Research Institute of Foundry Co Ltd
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2028-12-26
Also published as: CN101450376A

Abstract

水轮机导叶双精炼铸造工艺，是采用AOD或VOD精炼方法制备原料自耗电极，制备成的原料自耗电极的化学成份控制在以wt％为：C≤0.05％、Si≤0.6％、Mn≤0.58％、P≤0.03％、S≤0.03％、Cr为11.5-13.5％、Ni为3.5-5.0％、Mo为0.4-1.0％、Cu≤0.50％、W≤0.5％、O≤0.004％、N≤0.008％、H≤0.00035％，余量为Fe。再用制备成的自耗电极通过电渣熔铸方法制成水轮机不锈钢导叶部件；这种双精炼铸造工艺可以充分有效地精炼提纯钢液，使钢中所含气体、非金属夹杂物被大量去除。铸件结晶组织均匀致密、硫和磷含量低、非金属夹杂物少、具有较高的韧性、抗疲劳性能及良好的焊接性能。

Description

水轮机导叶双精炼铸造方法

技术领域

本发明涉及到水轮机导叶的双精炼铸造方法，特别是高性能水轮机活动导叶的制造工艺。

背景技术

随着水轮机正在向高效率、大型化方向发展，我国一些大、中型水电站相继开发建设，对水轮机重要零部件活动导叶的质量要求愈来愈高。同时，由于我国河流泥沙含量大，对大型机组过流部件导叶的质量性能要求更高。除具有较高力学性能之外，还需具备抗疲劳、抗空蚀性能和一定的耐蚀性能。而具有较高强韧性的低碳马氏体不锈钢材料有更好的抗空蚀磨损和抗水下疲劳性能。

目前，水轮机过流部件导叶生产方法有砂型铸造和组焊成形。钢液质量与铸件的质量密切相关。虽然通过炉外精炼技术(AOD或VOD)为铸造生产提供优质的钢液，但“三分冶炼，七分铸造”，砂型铸件不可避免产生疏松、缩孔、夹杂等铸造缺陷，使得产品内部质量不稳定，难于满足高性能指标的要求，直接影响水轮机的运行寿命和经济效益。而组焊件易于产生焊接缺陷，并且涉及的工艺工装复杂，成本较高。

电渣熔铸是一项新技术，它把钢水精炼与铸造成型两道工序一起完成的特种铸造技术，所生产的铸件结晶组织均匀致密、纯度高、硫与磷含量低、非金属夹杂物少、具有较高的韧性、抗疲劳性能及良好的焊接性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种水轮机活动导叶双精炼铸造方法，即将AOD(VOD)精炼与电渣熔铸(ESRC)技术优势于一身，生产的水轮机过流部件导叶内部质量可以提高一个等级(见表1)，性能指标得到大幅度提高。

采用的技术方案是：

1、采用AOD(VOD)精炼方法制备原料自耗电极。

AOD(VOD)精炼操作过程

采用电弧炉(中频炉)+AOD(VOD)精炼的双联冶炼工艺，主要完成不锈钢钢液去气、去夹杂、脱氧、升温、微合金化等任务，具体步骤如下：

原料：纯铁、硅铁、钼铁、低碳铬铁、锰铁、镍板、废钢、废不锈钢。

将上述原料按制备的铸件成分要求的配料比例送入电弧炉(中频炉)内熔化后，在AOD(VOD)精炼炉内吹炼。

1)AOD(VOD)精炼炉吹炼过程温度及氩氧比的控制。

a、脱碳期

在脱碳过程中，O₂和惰性气体(Ar)的比例根据钢液的实际含碳量和温度不断调整，以降低CO分压确保在脱碳过程中避免铬的氧化。根据不同温度及碳含量控制吹炼氩氧比，按顺序依次把不同比例的O₂和Ar的混合气体由喷枪吹入钢液内部氧化脱碳。

O₂∶Ar＝3∶1，C下降为0.1％～0.2％、T＝1660℃～1700℃；

O₂∶Ar＝2∶1，C下降为0.05％～0.1％、T＝1660℃～1700℃；

O₂∶Ar＝1∶2，C下降为0.01％～0.02％、T＝1700℃～1750℃；

O₂∶Ar＝1∶3，C下降为0.01％、T＝1750℃～1780℃；

经多次测温和取样分析，当温度和碳含量达到工艺要求后，进入还原期。

b、还原期

脱碳之后，进入还原阶段，用FeSi做还原剂还原钢中铬、锰和铁；加入造渣剂石灰、CaF₂造渣脱硫，进行出钢成份和温度的调整。另外，对于超低碳不锈钢钢种，AOD作为中间处理环节将碳脱到一定程度送VOD进行最终处理，制备成原料自耗电极。

2)制备成的原料自耗电极的化学成份控制在(wt％)

C≤0.05％、Si≤0.6％、Mn≤0.58％、P≤0.03％、S≤0.03％、Cr为11.5-13.5％、Ni为3.5-5.0％、Mo为0.4-1.0％、Cu≤0.50％、W≤0.5％、O≤0.004％、N≤0.008％、H≤0.00035％，余量为Fe。

2、电渣熔铸工艺过程

主要完成AOD(VOD)不锈钢自耗电极基体的第二次精炼提纯、铸件近净成型等任务，具体步骤如下：

1)渣系与渣量控制

考虑铸件不锈钢凝固特性与化学元素成分变化，合理选择所需渣系，所述渣系的主要成分为CaF₂(30％～75％)、Al₂O₃(15％～35％)、MgO(5％～15％)、CaO(5％～15％)；渣量一般为铸件重量的(1.5％～3％)。

2)引燃方式

采用固态渣引燃，所述固态渣的化学成分为TiO₂35％～50％，CaF₂40％～50％，CaO10％～15％。

3)供电参数的选择

根据铸件电极与结晶器的几何参数来确定熔铸功率、电压、电流的相应电参数，熔铸过程中注意保持电流和电压的稳定性。

U＝(0.5～0.7)D_结晶器+(25～35) (V) (1)

I＝(580～680)+(30～36)d_电极 (A) (2)

上式中D_结晶器、d_电极分别为结晶器和电极截面积的等效直径。

3、铸件防裂纹热处理工艺过程

电渣熔铸水冷结晶器强制冷却，铸件需及时进行退火处理，然后进行正火处理，最后进行二次回火处理；采用二次回火处理的工艺过程是第一次回火后，必须冷却至马氏体相变终止温度后进行第二次回火；退火和回火温度范围为580-650℃，正火温度范围是950-1050℃；及时进行退火处理能减少铸件内应力，防止铸件产生裂纹，进行正火和回火处理更能发挥出电渣熔铸材料的韧、塑性潜能，适当提高正火温度，能使铸件综合性能优化。

金属基体的纯度与结晶，是铸件冶金质量的两个关键问题。采用AOD(VOD)精炼工艺制备原料自耗电极，然后通过电渣熔铸工艺进行二次精炼与铸造成型，可以确保铸件金属基体的纯度与结晶过程的顺序进行，从而实现双精炼铸造生产。这种双精炼铸造工艺可以充分有效地精炼提纯钢液，使钢中所含气体、非金属夹杂物被大量去除。铸件结晶组织均匀致密、硫和磷含量低、非金属夹杂物少、具有较高的韧性、抗疲劳性能及良好的焊接性能。

表1水轮机导叶内在质量情况(欧共体标准CCH70-3)

本发明与现有技术相比所具有的优点

1、AOD(VOD)精炼设备和工艺提供纯净的金属液，从生产源头上控制了不锈钢铸件的质量。

纯净电极中非金属夹杂物主要指氧化物、硫化物数量要少、尺寸要小、分布要均匀。采用AOD(VOD)法冶炼的不锈钢，质量稳定：①气体含量：[H]≤3.5ppm，[O]≤40ppm，[N]≤80ppm；②杂质含量：[P]≤0.030％，[S]≤0.03％，Si、Mn可控制在0.02％内，Ni、Mo、Cu可控制在0.01％内。

2、电渣熔铸是在AOD(VOD)基础上的第二次精炼提纯、铸造成型工艺，通过熔渣配比的调整，可以进一步去除AOD(VOD)自耗电极中的夹杂物并改变其分布形态，降低铸件中S、P等有害元素和N、H、O等气体含量，[H]≤3.0ppm，[O]≤30ppm，[N]≤60ppm，[P]≤0.025％，[S]≤0.020％，铸件基体纯净。

3、铸件在水冷铜钢复合结晶器中凝固，冷却速度快、固液前沿结晶温度梯度大，由于铸件快速凝固，铸件组织致密。

4、金属型结晶器尺寸精度高、变形小，因而铸件表面光洁、加工余量小。同时，由于采用边重熔边凝固的顺序凝固工艺，铸件没有浇注系统和冒口，因此金属利用率高，铸件近净成型；同时也不易产生大型铸件常见的气孔、缩孔和缩松等铸造缺陷。

5、金属型结晶器替代了型砂、粘结剂和涂料等大量的非金属造型材料，使得固体废弃物排放很少，对环境废物排放少。

6、双精炼(AOD-ESRC)导叶性能可达到普通锻件标准，化学成分均匀、金属致密、枝晶细化、显微偏析小、无疏松、无夹渣缩孔等缺陷，夹杂物呈弥散分布，疲劳寿命比炉外精炼钢制作的高2倍以上，又有锻件所不具备的各向同性优点。与JB/T-10384-2002水轮机通用过流部件标准相比，双精炼导叶产品性能大幅度提高。抗拉强度增加15％以上，屈服强度增加25％以上，冲击韧度增加30％以上，断面收缩率、伸长率增加20％以上。

具体实施方式

实施例一

采用AOD(VOD)精炼工艺制备ZG06Cr13Ni4Mo自耗电极，然后通过电渣熔铸工艺进行二次精炼，铸造出水轮机双精炼导叶铸件I。

1、制备ZG06Cr13Ni4Mo自耗电极。

原料为：纯铁、硅铁、钼铁、低碳铬铁、锰铁、镍板、废钢、废不锈钢。

首先采用AOD精炼工艺制备原料自耗，将上述原料送入中频感应电弧炉中熔化，再经AOD精炼炉吹炼，进行脱碳、还原反应。在脱碳期，吹炼氩氧比为1∶4，将氩氧比为1∶4的混合气体由喷枪吹入钢液内部氧化脱碳，钢液温度达到1700℃～1780℃，碳含量0.02％～0.07％，进入还原期。在还原阶段，用FeSi还原钢液中铬、锰和铁，其中FeSi重量占钢液重量的0.5％～1.5％。再加入石灰、CaF₂造渣剂脱硫，用量分别为钢液重量的5％～8％、0.6％～1.0％。测定并作温度调节，出钢成份为：含有C为0.05％、Si为0.6％、Mn为0.58％、P为0.03％、S为0.03％、Cr为11.8％、Ni为3.6％、Mo为0.4％、Cu为0.32％、W为0.26％、O为0.0036％、N为0.008％、H为0.00035％，余量为Fe。

2、电渣熔铸：

1)电渣熔铸工艺是对上述不锈钢电极基体的第二次精炼提纯，并制成铸件。渣系主要成份为CaF₂、Al₂O₃、MgO、CaO，其配料比为：CaF₂为60％、Al₂O₃为25％、MgO为5％、CaO为10％。

2)引燃方式

自耗电极在结晶器内采用固态渣引燃，其化学成份为TiO₂ 50％、CaF 40％、CaO 10％。

3)用电参数：

根据铸件电极与结晶器的几何参数来确定熔铸功率、电压、电流等各相应电参数，熔铸过程中注意保持电流和电压的稳定性。

U＝(0.5～0.7)D_结晶器+(25～35) (V) (3)

I＝(580～680)+(30～36)d_电极 (A) (4)

通过电渣熔铸工艺，由设定形状的结晶器成型，制成ZG06Cr13Ni4Mo水流机导叶。经检测，化学成分为：C为0.05％、Si为0.55％、Mn为0.55％、P为0.028％、S为0.024％、Cr为11.8％、Ni为3.6％、Mo为0.4％、Cu为0.32％、W为0.25％、O为0.0030％、N为0.0080％、H为0.00035％，余量为Fe。

热处理后铸件力学性能为：σ_b/865Mpa，σ_s/688Mpa，δ/18％，ψ/42％，A_kv/65J，HBS/250。

实施例二

采用AOD(VOD)精炼工艺制备ZG06Cr13Ni4Mo自耗电极，然后通过电渣熔铸工艺进行二次精炼，铸造出水轮机双精炼不锈钢活动导叶铸件II。

1、制备ZG06Cr13Ni4Mo自耗电极

首先采用AOD精炼工艺制备原料自耗，将上述原料送入中频感应电弧炉中熔化，再经AOD精炼炉吹炼，进行脱碳、还原反应。在脱碳期，吹炼氩氧比为1∶4，将氩氧比为1∶4的混合气体由喷枪吹入钢液内部氧化脱碳，钢液温度达到1700℃～1780℃，碳含量0.02％～0.07％，进入还原期。在还原阶段，用FeSi还原钢液中铬、锰和铁，其中FeSi重量占钢液重量的0.5％～1.5％。再加入石灰、CaF₂造渣剂脱硫，用量分别为钢液重量的5％～8％、0.6％～1.0％。测定并作温度调节，出钢成份为：含有C为0.05％、Si为0.6％、Mn为0.59％、P为0.03％、S为0.03％、Cr为12.1％、Ni为3.7％、Mo为0.4％、Cu为0.30％、W为0.26％、O为0.033％、N为0.008％、H为0.00035％，余量为Fe。

2、电渣熔铸：

1)电渣熔铸工艺是对上述不锈钢电极基体的第二次精炼提纯，并制成铸件。渣系主要成份为CaF₂、Al₂O₃、MgO、CaO，其配料比为：CaF₂为60％、Al₂O₃为25％、MgO为3％、CaO为12％。

2)引燃方式

自耗电极在结晶器内采用固态渣引燃，其化学成份为TiO₂ 50％、CaF₂ 40％、CaO 10％。

3)用电参数：

U＝(0.5～0.7)D_结晶器+(25～35) (V) (5)

I＝(580～680)+(30～36)d_电极 (A) (6)

通过电渣熔铸工艺，由设定形状的结晶器成型，制成ZG06Cr13Ni4Mo水流机导叶。经检测，化学成分为：C为0.05％、Si为0.55％、Mn为0.55％、P为0.026％、S为0.021％、Cr为12.1％、Ni为3.7％、Mo为0.4％、Cu为0.30％、W为0.23％、O为0.0028％、N为0.0080％、H为0.00035％，余量为Fe。

热处理后铸件力学性能为：σ_b/872Mpa，σ_s/700Mpa，δ/22％，ψ/45％，A_kv/68J，HBS/266。

实施例三

采用AOD(VOD)精炼工艺制备ZG06Cr13Ni4Mo自耗电极，然后通过电渣熔铸工艺进行二次精炼，铸造出水轮机双精炼不锈钢活动导叶铸件III。

1、制备ZG06Cr13Ni4Mo自耗电极

首先采用AOD精炼工艺制备原料自耗，将上述原料送入中频感应电弧炉中熔化，再经AOD精炼炉吹炼，进行脱碳、还原反应。在脱碳期，吹炼氩氧比为1∶4，将氩氧比为1∶4的混合气体由喷枪吹入钢液内部氧化脱碳，钢液温度达到1700℃～1780℃，碳含量0.02％～0.07％，进入还原期。在还原阶段，用FeSi还原钢液中铬、锰和铁，其中FeSi重量占钢液重量的0.5％～1.5％。再加入石灰、CaF₂造渣剂脱硫，用量分别为钢液重量的5％～8％、0.6％～1.0％。测定并作温度调节，出钢成份为：含有C为0.03％、Si为0.4％、Mn为0.58％、P为0.030％、S为0.025％、Cr为12.3％、Ni为3.8％、Mo为0.4％、Cu为0.20％、W为0.20％、O为0.0028％、N为0.0080％、H为0.00030％，余量为Fe。

2、电渣熔铸：

1)电渣熔铸工艺是对上述不锈钢电极基体的第二次精炼提纯，并制成铸件。渣系主要成份为CaF₂、Al₂O₃、MgO、CaO，其配料比为：CaF₂为60％、Al₂O₃为23％、MgO为5％、CaO为12％。

2)引燃方式

3)用电参数：

U＝(0.5～0.7)D_结晶器+(25～35) (V) (7)

I＝(580～680)+(30～36)d_电极 (A) (8)

通过电渣熔铸工艺，由设定形状的结晶器成型，制成ZG06Cr13Ni4Mo水流机导叶。经检测，化学成分为：C为0.03％、Si为0.40％、Mn为0.56％、P为0.020％、S为0.015％、Cr为12.3％、Ni为3.8％、Mo为0.4％、Cu为0.20％、W为0.20％、O为0.0025％、N为0.0080％、H为0.00030％，余量为Fe。

热处理后铸件力学性能为：σ_b/890Mpa，σ_s/730Mpa，δ/30％，ψ/55％，A_kv/80J，HBS/285。

σ_b为抗拉强度，单位兆帕/Mpa；

σ_s为屈服强度，单位兆帕/Mpa；

δ为延伸率百分数；

ψ为断面收缩率百分数；

A_kv为冲击功，单位焦耳/J；

HBS布氏硬度；

表2双精炼导叶化学成分分析结果(Wt％)

表3双精炼导叶力学性能检测结果

Claims

1.水轮机导叶双精炼铸造方法，其特征是采用AOD或VOD精炼方法制备原料自耗电极，再用制备成的自耗电极通过电渣熔铸方法制成水轮机不锈钢导叶部件；

AOD或VOD精炼操作过程是：

按制备水轮机导叶成份要求从纯铁、硅铁、钼铁、低碳钢、锰铁、镍板、废钢和废水锈钢中选取原材料，并送入电炉中熔化，然后送入AOD或VOD精炼炉内吹炼，进行脱碳、还原反应；

AOD或VOD精炼炉吹炼过程温度及氩氧比的控制；

a、脱碳期

在脱碳过程中，O₂和惰性气体Ar的比例根据钢液的实际含碳量和温度不断调整，以降低CO分压确保在脱碳过程中避免铬的氧化，根据不同温度及碳含量控制吹炼氩氧比，按顺序依次把不同比例O₂与Ar的混合气体由喷枪吹入钢液内部氧化脱碳；

O₂∶Ar＝3∶1，C下降为0.1％～0.2％、T＝1660℃～1700℃；

O₂∶Ar＝2∶1，C下降为0.05％～0.1％、T＝1660℃～1700℃；

O₂∶Ar＝1∶2，C下降为0.01％～0.02％、T＝1700℃～1750℃；

O₂∶Ar＝1∶3，C下降为0.01％、T＝1750℃～1780℃；

经多次测温和取样分析，当温度和碳含量达到工艺要求后，进入还原期；

b、还原期

脱碳之后，进入还原阶段，用FeSi做还原剂还原钢中铬、锰和铁；加入造渣剂石灰、CaF₂造渣脱硫，进行出钢成份和温度的调整，另外，对于超低碳不锈钢钢种，AOD精炼炉作为中间处理环节碳脱后送VOD精炼炉进行最终处理，制备成原料自耗电极；

制备成的原料自耗电极的化学成份控制在以wt％为：

C≤0.05％、Si≤0.6％、Mn≤0.58％、P≤0.03％、S≤0.03％、Cr为11.5-13.5％、Ni为3.5-5.0％、Mo为0.4-1.0％、Cu≤0.50％、W≤0.5％、O≤0.004％、N≤0.008％、H≤0.00035％，余量为Fe；

用上述制备成的自耗电极通过电渣熔铸工艺在结晶器内制成水轮机不锈钢导叶；电渣熔铸工艺过程中，进行渣系与渣量控制，考虑铸件不锈钢凝固特性与化学元素成分变化，合理选择所需渣系，所述渣系的主要成分为CaF₂ 30％～75％、Al₂O₃ 15％～35％、MgO 5％～15％、CaO 5％～15％；渣量一般为铸件重量的1.5％～3％；

自耗电极的引燃方式是采用固态渣引燃，所述固态渣的化学成分为TiO₂ 35％～50％，CaF₂ 40％～50％、CaO 10％～15％；

供电参数的选择

根据铸件电极与结晶器的几何参数来确定熔铸功率、电压、电流的相应电参数，熔铸过程中保持电流和电压的稳定性；

U＝(0.5～0.7)D_结晶器+(25～35) (V)

I＝(580～680)+(30～36)d_电极 (A)

上式中D_结晶器、d_电极分别为结晶器和电极截面积的等效直径；

铸件防裂纹热处理工艺过程

电渣熔铸水冷结晶器强制冷却，铸件需及时进行退火处理，然后进行正火处理，最后进行二次回火处理；采用二次回火处理的工艺过程是第一次回火后，必须冷却至马氏体相变终止温度后进行第二次回火；退火和回火温度范围为580-650℃，正火温度范围是950-1050℃。

2.根据权利要求1所述的水轮机导叶双精炼铸造工艺，其特征在于所述的脱碳期，吹炼氩氧比为1∶4，将氩氧比为1∶4的混合气体由喷枪吹入钢液内部氧化脱碳，钢液温度达到1700℃～1780℃，碳含量0.02％～0.07％，进入还原期；在还原阶段，用FeSi还原钢液中铬、锰和铁，其中FeSi重量占钢液重量的0.5％～1.5％；再加入石灰、CaF₂造渣剂脱硫，用量分别为钢液重量的5％～8％、0.6％～1.0％；测定并作温度调节，出钢成份为：含有C为0.05％、Si为0.6％、Mn为0.58％、P为0.03％、S为0.03％、Cr为11.8％、Ni为3.6％、Mo为0.4％、Cu为0.32％、W为0.26％、O为0.0036％、N为0.008％、H为0.00035％，余量为Fe；所述的CaF₂、Al₂O₃、MgO、CaO，配料比为：CaF₂为60％、Al₂O₃为25％、MgO为5％、CaO为10％；

自耗电极在结晶器内采用固态渣引燃，化学成份为TiO₂ 50％、CaF 40％、CaO 10％；

制成ZG06Cr13Ni4Mo水流机部件，化学成分为：C为0.05％、Si为0.55％、Mn为0.55％、P为0.028％、S为0.024％、Cr为11.8％、Ni为3.6％、Mo为0.4％、Cu为0.32％、W为0.25％、O为0.0030％、N为0.0080％、H为0.00035％，余量为Fe；

热处理后铸件力学性能为：σ_b/872Mpa，σ_s/700Mpa，δ/22％，ψ/45％，A_kv/68J，HBS/266；

σ_b为抗拉强度，单位兆帕/Mpa；

σ_s为屈服强度，单位兆帕/Mpa；

δ为延伸率百分数；

ψ为断面收缩率百分数；

A_kv为冲击功，单位焦耳/J；

HBS布氏硬度。

3.根据权利要求1所述的水轮机导叶双精炼铸造工艺，其特征在于其出钢成份为：含有C为0.03％、Si为0.4％、Mn为0.58％、P为0.030％、S为0.025％、Cr为12.3％、Ni为3.8％、Mo为0.4％、Cu为0.20％、W为0.20％、O为0.0028％、N为0.0080％、H为0.00030％，余量为Fe；

渣系CaF₂、Al₂O₃、MgO、CaO，配料比为：CaF₂为60％、Al₂O₃为23％、MgO为5％、CaO为12％；

自耗电极在结晶器内采用固态渣引燃，化学成份为TiO₂ 50％、CaF₂ 40％、CaO 10％。