CN102071287A - 耐高温高压合金钢的冶炼方法 - Google Patents

Abstract

本发明为耐高温高压合金钢的冶炼方法，解决已有冶炼方法增氮效果差，钢水温度低，钢质纯净度低的问题。（1）电弧炉冶炼初炼钢水：初炼钢水预还原，出钢过程预脱氧和合金化操作，（2）LF炉精炼初炼钢水：从钢包底部吹入氮气精炼，加入造渣剂造渣，加入还原剂使炉渣发泡，炉渣化好进行合金化，调整钢水化学成分，精炼结束时停止吹入氮气，（3）VD真空处理：将精炼钢包送到VD工位进行真空处理，从钢包底部吹入氮气，抽真空时间达到15—20分钟后，停止抽真空，不打开真空盖，利用真空罐的密封性，在真空罐内从钢包底部继续吹入氮气，钢水含氮量达到0.030—0.070%，钢包出真空罐进行浇注。

Description

耐高温高压合金钢的冶炼方法

技术领域：

本发明涉及冶金技术领域，尤其涉及超（超）临界发电机组耐高温高压合金锅炉管用P91、 P92钢VD真空处理增氮冶炼方法。

背景技术：

超（超）临界发电机组高压锅炉管常用的含氮钢主要是P91、P92，其特点是耐高温（593～610℃）、耐高压（24～34MPa），用于制造超（超）临界机组电站锅炉的蒸汽集箱、电厂主蒸汽管等重要部件，因电站锅炉长期在高温、高压环境下工作，服役条件苛刻，要求钢质低气体，高纯净度。为了满足强度要求，其标准规定氮含量质量百分比为0.030～0.070%。通常P91、 P92钢采用的生产方法是在LF精炼炉采用加入氮化铬铁或氮化锰铁或吹入氮气将钢水中的氮含量（质量百分比）控制在0.050～0.065%，VD真空处理后，钢水中氮含量（质量百分比）降到0.018～0.022%，脱氮率为60%以上（一般是VD真空处理前钢水中氮含量越高，VD真空处理后脱氮率越高），不能满足高压锅炉管标准要求。只有在钢包中加入氮化铬铁或氮化锰铁或吹入氮气增氮，使钢水氮含量达到0.030～0.070%的标准要求。但是VD真空处理后再增氮存在一定问题：如果VD真空处理后用氮化铬铁或氮化锰铁增氮，一般氮化铬铁或氮化锰铁的含氮量（质量百分比）为3～5%，含氮铁合金加入量大，将增加钢中非金属夹杂物含量和氢、氧气体含量，钢质纯净度差，不能满足产超（超）临界发电机组高压锅炉管高纯净度、低气体质量要求，同时加入的含氮合金量大，钢中化学成分的均匀性会受到影响。如果VD后吹氮气增氮，增氮量多，吹氮时间长，钢包钢水降温大，不能保证钢水的正常浇铸。

高温合金钢P91的冶炼方法200610147658.0提出了在LF钢包精炼时，在合金完全调整后开始进行低吹氮代替底吹氩气搅拌，直到温度达到吊包温度1670～1690℃。分析终点氮含量基本控制在0.040—0.050%之间。真空抽气采用钢包底吹氩气，破真空后切换氮气搅拌，根据分析结果中氮含量，调整氮气流量，进行吹氮合金化，以保证成品氮。该方法也未解决VD过程脱氮率高，钢水温降大，不能保证钢水正常浇铸问题。

发明内容：

本发明的目的是提供一种增氮效果好，含氮量稳定，钢水温度高，钢质纯净度高，生产成本低的耐高温高压合金钢的冶炼方法。

本发明是这样实现的：

耐高温高压合金钢的冶炼方法，其特征在于（1）电炉冶炼初炼钢水：初炼钢水出钢前进行预还原，出钢过程预脱氧和合金化操作；

（2）LF炉精炼：初炼钢水送到LF工位，精炼一开始从钢包底部吹入氮气，加入造渣剂造渣，加入还原剂使炉渣发泡，炉渣化好后进行钢水合金化，调整钢水化学成分，精炼结束时停止吹入氮气；

（3）VD真空处理：将精炼钢包送到VD工位进行抽真空处理，抽真空过程从钢包底部吹入氮气，抽真空时间达到15—20分钟后，停止抽真空，不打开真空罐的真空盖，利用真空罐的密封性，在真空罐内从钢包底部继续吹入氮气，钢水含氮量质量百分比达到0.030—0.070%，钢包出真空罐进行浇注。

步骤3中，抽真空过程中，氮气压力为0.3—0.5MPa，流量为140—200Nm³/min，在真空度67Pa下，真空保持时间15—18分钟，停止抽真空后，氮气压力为0.3—0.5MPa，流量为280—320 Nm³/min，吹氮时间10—15分钟，每分钟增氮量质量百分比为0.0008—0.0015%，钢水氮含量质量百分比为0.035—0.058%。

合金化过程中从高位料仓连续加入铁合金。

步骤（1）中用炉门喷碳枪喷吹碳粉造泡沫渣，让泡沫渣包裹电弧；出钢前对钢水喷吹碳粉进行预还原。碳粉用量3.5—4.5kg/t钢。

在步骤（2）中所用造渣剂为合成渣，由如下重量百分比的组分组成，用量18—23 kg/t钢：

    CaO                70—80

    Al₂O₃                8—15

    CaF₂                7—12

    MgO                2—6

    S                   0—0.05

    灰分                余量，

所述的还原剂由如下重量百分比的组分组成：

电石                55—65

CaSi                10—15

AD粉               20—30。

真空脱气的原理是：钢中气体的溶解度与金属液上该气体分压的平方根成正比，只要降低该气体的分压力，则溶解在钢液中气体的含量随着降低。

α_N——氮在铁液中的活度；

f_N——氮的活度系数；

[N%]——气体在铁液中的质量百分浓度；

K_N——氮在铁液中溶解的平衡常数；

P_N2——气相中氮的分压力，以大气压为单位。

通常提高真空脱气速率采用吹氩搅拌，利用氩气泡通过钢液时，溶解于钢中的气体以气体分子的形式进入氩气泡中，当钢液有气体排除时，促进钢液的脱气。

本发明根据真空脱气原理，在真空抽气过程中不吹氩气而采用吹氮气，提高氮气分压，降低脱氮速率。实践表明已有的冶炼P91、P92钢的方法在VD真空过程中采用钢包底吹氩气搅拌，氩气压力为0.3～0.4MPa，流量140～200Nm³/min，在真空度67Pa下，真空保持时间15分钟，脱氮率为60～70%，钢液氮含量质量百分比为0.018～0.022%。本发明在VD真空过程中采用钢包底吹氮气搅拌，氮气压力为0.3～0.5MPa，流量140～200Nm³/min，在真空度67Pa下，真空保持时间15分钟，脱氮率为35～45%，钢液氮含量质量百分比为0.027～0.036%。

本发明VD抽真空时间达到15~20分钟后，停止抽真空，不打开真空盖，利用真空罐的密封性，在真空罐内从钢包底部继续吹入氮气，氮气压力为0.3～0.5MPa，流量280～320Nm³/min，每分钟增氮量质量百分比为0.0008～0.0015%，吹氮时间10～15分钟，钢水氮含量质量百分比为0.035%～0.058%满足标准要求，出VD罐后钢水温度为1590—1620℃，完全满足浇铸温度1570～1580℃的要求。

采用本发明的有益效果

1、本发明的方法生产超（超）临界发电机组耐高温高压锅炉管P91、 P92钢，使用常规的VD真空处理设备，不需要增加投资，操作简单，满足批量生产，生产成本低。

2、在VD真空过程采用钢包底吹氮气，其真空过程的脱氮率比采用钢包底吹氩气脱氮率低，脱氮率为35—45%，VD真空后钢液氮含量稳定。

3、VD停止抽真空后，真空盖不打开利用真空罐的密封性继续采用钢包底吹氮气，增氮量高，钢水温度高，能保证钢水静吹时间，钢中夹杂物能充分上浮，避免开真空盖后吹氮气，增氮效果差，钢水温降大，钢水无静吹时间，钢中夹杂物不能充分上浮的问题，同时还影响钢水正常浇铸。

4、电炉初炼钢水出钢前预还原，降低钢水氧化性，合金收得率高，合金化时间短，钢水夹杂物少，钢质纯净度高，质量稳定性强，产品完全满足标准要求。 

具体实施方式：

    P91和P92钢的冶炼方法。两种钢的冶炼方法基本相同，P92的冶炼方法中的不同之处在合金化的组分有差别，在下面特别指出。

P91、P92钢生产工艺流程：70吨高阻抗电炉冶炼→LF炉精炼→VD真空处理→圆坯连铸→铸坯缓冷→合格铸坯入库或浇铸成模铸钢锭→钢锭退火→合格钢锭入库。

实施例1

1、电炉冶炼初炼钢水

电炉用优质废钢和铁水作原料，铁水为废钢重量的35%，利用电能熔化废钢，炉壁RCB枪吹氧助熔和吹氧脱碳，保持一定的脱碳速度，去除钢水中的夹杂和氢、氮气体，同时用炉门喷碳枪喷吹碳粉造泡沫渣，让泡沫渣包裹电弧，提高钢水升温速度，利用泡沫渣对电弧的屏蔽作用，使钢水与空气隔绝，减少钢水吸气量，碳粉用量4.5 Kg /t钢。从高位料仓连续分批次加入石灰造渣脱磷，视钢水中磷含量，采用自动流渣再造新渣，强化脱磷，降低钢水磷含量。严格控制电弧炉的终点碳，避免钢水被过氧化。电炉出钢前对钢水喷吹一定量的碳粉进行预还原，降低钢水中的初始氧含量，减轻LF精炼炉的脱氧负担。电炉初炼钢水成分： C0.03%、P 0.0040%、S 0.030%、Fe为余量，出钢温度1700℃；电炉出钢采用无渣出钢，出钢过程用硅铝钡钙和铝球脱氧剂进行预脱氧，有效降低钢水的氧化性。出钢过程加入随钢包烤红的低碳铬铁50Kg /t钢，高位料仓连续加入金属锰3.5Kg/t钢，铝球1.0Kg/t钢、BaAlSi 4.0 Kg/t钢。

2、LF炉精炼

初炼钢水送到LF精炼炉，精炼一开始从钢包底部吹入氮气精炼，加入专用合成渣造发泡性白渣，专用合成渣成分CaO：70 %，Al₂O₃：15%，CaF₂：12%，MgO：2%，S：0.02%，余量为灰分，用量23 Kg/t钢；同时用专用还原剂使炉渣发泡，还原剂成分：电石65%，CaSi15%,AD粉20%。炉渣化好钢水温度达到1560℃时，从合金高位料仓连续分批次加入硅铁、金属锰铁、低碳铬铁、钼铁、镍板、铌铁、钒铁、（生产P92钢还加入钨铁）等合金进行合金化，根据生产所需的最终产品各元素含量调整钢水化学成分，用高位料仓连续加入合金，可避免合金一次性加入量大，合金难于熔化（尤其是钨铁比重大沉入钢包底部熔化困难），钢水升温慢，冶炼时间长，钢包耐火材料长时间在1600℃的高温状态下浸蚀严重，增加钢水夹杂物含量。精炼结束喂CaSi线进行钙处理，用量0.8 Kg/t钢（生产P92钢出钢前10分钟加入硼铁），精炼结束时停止吹氮气，出炉温度1670℃，钢水氮含量质量百分比为0.055%。

3、VD真空处理

钢包从LF出炉后，将钢包内炉渣倒掉1/2～3/4，钢包内留1/2～1/4炉渣，然后将精炼钢水送到VD工位进行真空处理，抽真空开始从钢包底部吹入氮气进行真空处理，氮气压力为0.3 MPa，流量200Nm³/min，在真空度67Pa下，真空保持时间15分钟，停止抽真空。

停止抽真空后，不打开真空盖，利用真空罐的密封性，在真空罐内从钢包底部继续吹入氮气，氮气压力为0.5MPa，流量280Nm³/min，按每分钟增氮量0.0008%计，吹氮时间10分钟，钢水氮含量质量百分比为0.035%满足标准要求。钢水温度1620℃，钢包吊出VD工位继续用氮气对钢水进行静吹，让钢中夹杂物充分上浮，提高钢质纯净度，钢水温度达到浇铸温度1580℃时，停止吹氮气。

4、浇铸

钢水浇注成模铸钢锭或连铸圆坯轧管制得高压锅炉管产品。

实施例2

1、电炉冶炼初炼钢水

电炉用优质废钢和铁水作原料，铁水为废钢重量的30%，利用电能熔化废钢，炉壁RCB枪吹氧助熔和吹氧脱碳，保持一定的脱碳速度，去除钢水中的夹杂和氢、氮气体，同时用炉门喷碳枪喷吹碳粉造泡沫渣，让泡沫渣包裹电弧，提高钢水升温速度，利用泡沫渣对电弧的屏蔽作用，使钢水与空气隔绝，减少钢水吸气量，碳粉用量3.5 Kg /t钢。从高位料仓连续分批次加入石灰造渣脱磷，视钢水中磷含量，采用自动流渣再造新渣，强化脱磷，降低钢水磷含量。严格控制电弧炉的终点碳，避免钢水被过氧化。电炉出钢前对钢水喷吹一定量的碳粉进行预还原，降低钢水中的初始氧含量，减轻LF精炼炉的脱氧负担。电炉初炼钢水成分： C0.04%、P 0.0030%、S 0.020%、Fe为余量，出钢温度1690℃；电炉出钢采用无渣出钢，出钢过程用硅铝钡钙和铝球脱氧剂进行预脱氧，有效降低钢水的氧化性。出钢过程加入随钢包烤红的低碳铬铁50Kg /t钢，高位料仓连续加入金属锰3.5Kg/t钢，铝球1.0Kg/t钢、BaAlSi 4.0 Kg/t钢。

2、LF炉精炼

初炼钢水送到LF精炼炉，精炼一开始从钢包底部吹入氮气精炼，加入专用合成渣造发泡性白渣，专用合成渣成分CaO：80 %，Al₂O₃：8%，CaF₂：7%，MgO：4%，S：0.05%，余量为灰分，用量18Kg/t钢；同时用专用还原剂使炉渣发泡，还原剂成分：电石55%，CaSi 15%，AD粉30%。炉渣化好钢水温度达到1560℃时，从合金高位料仓连续分批次加入硅铁、金属锰铁、低碳铬铁、钼铁、镍板、铌铁、钒铁、（生产P92钢还加入钨铁，）等合金进行合金化，根据生产所需的最终产品各元素含量调整钢水化学成分，用高位料仓连续加入合金，可避免合金一次性加入量大，合金难于熔化（尤其是钨铁比重大沉入钢包底部熔化困难），钢水升温慢，冶炼时间长，钢包耐火材料长时间在1600℃的高温状态下浸蚀严重，增加钢水夹杂物含量。精炼结束喂CaSi线进行钙处理，用量0.6Kg/t钢（生产P92钢出钢前10分钟加入硼铁），精炼结束时停止吹氮气，出炉温度1680℃，钢水氮含量质量百分比为0.065%。

3、VD真空处理

钢包从LF出炉后，将钢包内炉渣倒掉1/2～3/4，钢包内留1/2～1/4炉渣，然后将精炼钢水送到VD工位进行真空处理，抽真空开始从钢包底部吹入氮气进行真空处理，氮气压力为0.5 MPa，流量140Nm³/min，在真空度67Pa下，真空保持时间20分钟，停止抽真空。

停止抽真空后，不打开真空盖，利用真空罐的密封性，在真空罐内从钢包底部继续吹入氮气，氮气压力为0.3MPa，流量320Nm³/min，按每分钟增氮量0.0015%计，吹氮时间15分钟，钢水氮含量质量百分比为0.058%满足标准要求。钢水温度1590℃，钢包吊出VD工位继续用氮气对钢水进行静吹，让钢中夹杂物充分上浮，提高钢质纯净度，钢水温度达到浇铸温度1570℃时，停止吹氮气。

停止抽真空后，打开真空罐的真空盖，从钢包底部吹入氮气，必须控制氮气的压力和流量，只能使钢液蠕动，不能吹翻钢液，否则钢水二次氧化严重，夹杂物含量升高，钢质纯净度降低。吹氮压力0.2～0.4MPa，流量40～80Nm³/min，每分钟增氮量质量百分比为0.0002～0.0004%，吹氮时间30～40分钟，钢水氮含量质量百分比可达到0.030%～0.042%，钢水温度1565～1575℃。钢包吊出VD工位必须立即进行浇铸，钢水无静吹时间，钢中夹杂物不能充分上浮，影响钢质纯净度。如果钢水温度为1565℃时，浇铸速度比正常温度浇铸速度要快，否则钢水温度低不能浇完造成钢水报废，同时会造成钢锭帽部缩孔深，钢锭轧管后切废量大，成材率低。

4、浇铸

钢水浇注成模铸钢锭或连铸圆坯轧管制得高压锅炉管产品。

Claims (5)

1.耐高温高压合金钢的冶炼方法，其特征在于

（1）电弧炉冶炼初炼钢水：初炼钢水出钢前预还原，出钢过程预脱氧和合金化操作；

（2）LF炉精炼：初炼钢水送到LF工位，精炼一开始从钢包底部吹入氮气，加入造渣剂造渣，加入还原剂使炉渣发泡，炉渣化好后进行钢水合金化，调整钢水化学成分，精炼结束时停止吹入氮气；

（3）VD真空处理：将精炼钢包送到VD工位进行抽真空处理，抽真空过程从钢包底部吹入氮气，抽真空时间达到15—20分钟后，停止抽真空，不打开真空罐的真空盖，利用真空罐的密封性，在真空罐内从钢包底部继续吹入氮气，钢水含氮量质量百分比达到0.030—0.070%，钢包出真空罐进行浇注。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤3中，抽真空过程中，氮气压力为0.3—0.5MPa，流量为140—200Nm³/min，在真空度67Pa下，真空保持时间15—18分钟，停止抽真空后，氮气压力为0.3—0.5MPa，流量为280—320 Nm³/min，吹氮时间10—15分钟，每分钟增氮量质量百分比为0.0008—0.0015%，钢水氮含量质量百分比为0.035～0.058%。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于合金化过程中从高位料仓连续加入铁合金。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（1）中用炉门喷碳枪喷吹碳粉造泡沫渣，让泡沫渣包裹电弧；出钢前对初炼钢水喷吹碳粉进行预还原，碳粉用量3.5—4.5kg/t钢。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于在步骤（2）中所用造渣剂为合成渣，由如下重量百分比的组分组成，用量18～23kg/t钢：

    CaO                 70—80

    Al₂O₃                 8—15

    CaF₂                 7—12

    MgO                 2—6

    S                    0—0.05

    灰分                余量，

所述的还原剂由如下重量百分比的组分组成：

电石                  55—65

CaSi                  10—15

AD粉                 20—30。