CN103667958B - 超超临界汽轮机组次末级长叶片用钢及其冶炼方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超超临界汽轮机组次末级长叶片用钢及其冶炼方法，其中，冶炼方法包括以下步骤：1、采用碳结管坯切头、碳结废管和碳结返回钢冶炼原料钢；2、电弧炉冶炼，当成分、温度符合要求时停氩吊包，浇铸，钢锭脱模后采用780℃退火曲线进行退火；3、采用钢锭，电液锤产自耗电极；4、将渣料放入结晶器中脱氧，电渣重熔；5、电渣锭镦拔生产锻材。本发明的有益之处在于：本发明的钢纯净度高、铁素体含量低；棒材的横纵向性能好，横向性能能够达到纵向性能的80%以上，完全能够满足超超临界机组次末级长叶片用钢蒸汽参数和关键部件叶片选材的要求，对我国超超临界机组的设计、制造和安全稳定运行有着重要的意义。

Description

超超临界汽轮机组次末级长叶片用钢及其冶炼方法

技术领域

本发明涉及一种钢及其冶炼方法，具体涉及一种超超临界汽轮机组次末级长叶片用钢及其冶炼方法，属于金属材料领域。

背景技术

目前，我国是世界上第二大能源生产及消费国，我国富煤、贫油、少气的能源资源特点，决定在相当长的时间阶段内，我国的能源发展政策是煤为主体,电为中心。在我国电源结构中,火力发电是主要发电方式,这种状况在今后相当长的时期内不会改变。目前中国煤电约占发电总量的77%。到2020年，预计不会低于70%。实施煤炭清洁发电，达到节能减排的目标是一项艰巨的任务。

火电机组的效率，主要取决于机组的参数，即蒸汽的压力和温度，参数越高，机组效率越高。机组蒸汽参数的提高则是以材料的改进和提高为基础，世界各主要汽轮机生产厂商都在致力于发展新的叶片用钢并挖掘现有叶片钢的潜能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种完全能够满足超超临界机组次末级长叶片用钢蒸汽参数和关键部件叶片选材的要求的钢及其冶炼方法，对我国超超临界机组的设计、制造和安全稳定运行有着重要的意义。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种超超临界汽轮机组次末级长叶片用钢，其特征在于，化学成分组成以质量百分比计为：

碳：0.09-0.12%、

硅：0.18-0.30%、

锰：0.75-0.85%、

镍：2.50-2.70%、

铬：11.60-11.80%、

钼：1.65-1.75%、

钒：0.28-0.38%、

氮：0.025-0.037%、

磷：≤0.022%、

硫：≤0.010%、

余量为铁和不可避免的杂质。

一种超超临界汽轮机组次末级长叶片用钢的冶炼方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）原料钢的冶炼：采用碳结管坯切头、碳结废管和碳结返回钢，冶炼原料钢；

（2）电弧炉冶炼：炉料全部由精料组成，质量配比为原料钢：低磷高碳铬铁：镍板：钼铁=21：5：1：1；

给电、熔清炉料，吹氧脱碳，待成分符合入VOD成分要求时出钢；

钢液入VOD工位前除渣，进入VOD工位后通氩气，VOD合罐后抽真空，当真空度达（100-150）×133.3Pa时开始吹氧，氧气压力0.60-0.65MPa，氩气压力0.2-0.4MPa；停氧后进入极真空10-20min；破真空开罐后加入渣料及脱氧剂，吹氩搅拌并加脱氧剂调渣、取样，取样后停吹氩气改吹氮气，吹氮结束后改吹弱氩搅拌；

根据取样分析结果按内控目标微调成分，当成分、温度符合要求时停氩吊包，浇铸，钢锭脱模后采用780℃退火曲线进行退火；

（3）自耗电极的制取：采用钢锭，电液锤产自耗电极；

（4）电渣重熔：将渣料按配比配好后放入结晶器中，同时往结晶器中均匀地加入粉状脱氧剂对渣料进行脱氧，结晶器水温控制40-50℃，重熔过程采用氩气保护，电渣锭脱模后立即入坑保温，保温时间≥48h，出坑后立即装炉按780℃退火曲线进行退火；前述脱氧剂为铝粉与电石粉按照质量比2:7的比例混合而成；

（5）电渣锭镦拔生产锻材：电渣锭锯切后放入均热炉内加热，镦拔，锻后热处理。

前述的超超临界汽轮机组次末级长叶片用钢的冶炼方法，其特征在于，在步骤（2）中，炉料配料的化学成分要求如下：

C≥0.80%、

Cr:11.50-12.00%、

P≤0.018%、

Ni：2.40-2.70%、

Mo：1.60-1.80%。

前述的超超临界汽轮机组次末级长叶片用钢的冶炼方法，其特征在于，在步骤（2）中，破真空开罐后所加入的渣料及脱氧剂的配比为：

前述的超超临界汽轮机组次末级长叶片用钢的冶炼方法，其特征在于，在步骤（2）中，浇铸过程采用氩气保护。

前述的超超临界汽轮机组次末级长叶片用钢的冶炼方法，其特征在于，在步骤（4）中，前述渣料为提纯渣，其生产过程为：

采用1000kg中频感应炉熔铸525kg铁铝电极，铁铝电极表面经过喷丸处理；将渣料按配比配好后放入结晶器中，铁铝电极放入结晶器内给电、熔化、提纯渣料。

前述的超超临界汽轮机组次末级长叶片用钢的冶炼方法，其特征在于，前述铁铝电极的成分的质量百分含量如下：

前述的超超临界汽轮机组次末级长叶片用钢的冶炼方法，其特征在于，将渣料按以下重量配比配好后放入结晶器中：

CaF₂   70%、

Al₂O₃  30%。

前述的超超临界汽轮机组次末级长叶片用钢的冶炼方法，其特征在于，在步骤（5）中，均热炉的升温速度如下：

室温-900℃，按70℃/h升温，到900℃时保温2h；

900℃-1160℃，按70℃/h升温，到1160℃时保温4h。

前述的超超临界汽轮机组次末级长叶片用钢的冶炼方法，其特征在于，在步骤（5）中，锻后热处理后，在钢棒上取样进行性能热处理，然后进行性能检测，前述性能热处理的步骤为：

淬火：加热温度1030-1070℃，保温45min，冷却方式为油冷或空冷；

回火：加热温度≥630℃，保温时间120min，冷却方式为空冷。

本发明的有益之处在于：本发明的钢纯净度高、钢中各类夹杂物单项不超过1.5级，总和不超过2.5级；铁素体含量低、不超过0.5%；实际晶粒度≥4级，实际晶粒度极差不超过2级；棒材的横纵向性能好，横向性能能够达到纵向性能的80%以上，完全能够满足超超临界机组次末级长叶片用钢蒸汽参数和关键部件叶片选材的要求，对我国超超临界机组的设计、制造和安全稳定运行有着重要的意义。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作具体的介绍。

1、原料钢的冶炼

由于超超临界汽轮机组次末级长叶片用钢对磷、铜及五害残余元素含量的要求很严，具体指标如下：

表1磷、铜及五害残余元素含量的要求

采用不锈钢返回钢和低磷废钢难以满足该钢对残余元素含量的要求。为满足该钢对残余元素含量的要求，采用碳结管坯切头、碳结废管和碳结返回钢，冶炼原料钢，出钢量控制在20吨左右。成分要求如下：

表2原料钢成分要求

2、电弧炉冶炼

采用公称容量为30吨电弧炉初炼。

（1）电弧炉配料全部由精料组成，共28吨，炉料组成为：原料钢21吨、低磷高碳铬铁5吨、镍板1吨、钼铁1吨。

炉料配料的化学成分要求如下：

Cr：11.50%-12.00%（Wt%，下同）、

Ni：2.40%-2.70%、

Mo：1.60%～1.80%、

P≤0.018%、

C≥0.80%。

（2）冶炼条件：

电弧炉炉壳火次数要求不低于3火，LF钢包火次数要求不低于2火。

（3）电弧炉冶炼工艺控制及操作要求：

给电90min，炉料彻底熔清，温度≥1550℃，启动氧枪、低氧压深吹氧搅拌熔池并缓慢流渣，去部分碳、硅及升温；成份、温度均匀，当温度≥1600℃即可高氧压吹氧脱碳，吹氧前加入硅铁4-5kg/t；吹氧终点碳控制0.50-0.60%，硅≤0.10%，即可加入Al粉还原渣中Cr；根据分析结果加合金初调成分，待成分符合入VOD成分要求，即：C:0.50-0.60%（Wt%，下同）、Si:≤0.10%、Mn≤0.45%、P≤0.015%、S≤0.015%、Cr:11.40-11.60%、Ni:2.30-2.60%、Mo:1.60-1.70%，温度≥1630℃时即可出钢，出钢量控制在26±2吨，出钢时间3-5min。

（4）VOD精炼工艺控制及操作要求：

钢液入VOD工位前需除渣大于90%，进入VOD工位后通氩气，调整氩气压力，氩气压力以吹开渣面直径400mm-600mm为准；测自由高度、取样、测温。VOD合罐后，定氧枪高度1000mm-1200mm；抽真空，当真空度达（100-150）×133.3Pa时开始吹氧，氧气压力0.60-0.65MPa，氩气压力0.2-0.4MPa。吹氧脱碳，需根据入罐钢液量、温度及C、Si、Mn的情况控制总吹氧量和过吹氧量。吹氧毕停氧时先抬枪后停氧，停氧后进入极真空(高真空)，极真空期间罐内压力≤133.33Pa，强吹氩搅拌条件下进行真空碳脱氧,极真空保持时间为10-20min。

（5）LF精炼工艺控制及操作要求：

极真空结束、破真空开罐后，加入渣料及脱氧剂，配比如下：

精炼渣目标成分：CaO：50-55%（w/w，下同）、SiO₂：20-30%、Al₂O₃：10-15%、Mg0：3-6%，碱度R≥3。

吹氩搅拌、测温，合盖加热5-10min，加脱氧剂调渣，渣浅绿后，取样分析成分。取样后停吹氩气改吹氮气，在线检测钢中氮含量，氮含量控制在250ppm-370ppm，吹氮结束后改吹弱氩搅拌，搅拌时间≥20min。根据取样分析结果按内控目标微调成分。当成分、温度符合要求，即可停氩吊包，吊包时过热度控制为50-60℃。为了减少浇铸过程中钢液的二次氧化，保证钢的纯净度，浇铸时采用氩气保护，浇铸的锭型为2670kg锭方锭。钢锭脱模后采用780℃退火曲线进行退火。

3、自耗电极的制取

采用2670kg锭，电液锤产Ф240mm自耗电极。钢锭的加热温度及时间见下表：

表3钢锭的加热温度及时间表

入炉温度	加热温度	加热时间	开锻温度	终锻温度	冷却方式
						≤850℃	1150℃～1180℃	9～11h	≥1150℃	≥850℃	坑冷

Ф240mm自耗电极规格偏差：0-＋10mm；自耗电极夹头长度：100mm-150mm。规格尺寸：140mm×140mm。

自耗电极表面要求磨光不允许有氧化铁皮存在。

4、电渣重熔

电渣重熔是利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的方法。经电渣重熔的钢，纯度高、含硫低、非金属杂质少、钢锭表面光滑、凝固组织洁净均匀致密、金相组织和化学成分均匀。

电渣重熔的坯料为Ф240mm锻制自耗电极坯，为镦拔生产Ф200mm的锻材，重熔的锭型为Ф360mm，锭高控制为1100-1200mm。

重熔渣系为提纯渣，其生产过程为：采用1000kg中频感应炉熔铸525kg铁铝电极，铁铝电极表面经过喷丸处理；将渣料按配比配好后放入结晶器中，铁铝电极放入结晶器内给电、熔化、提纯渣料；提纯渣冶炼好后自然冷却，再经过破碎、筛选，就可以使用。

其中，铁铝电极成分如下（单位：Wt%）：

表4铁铝电极成分表

成分	C	Si	Mn	P	S
						目标值	0.20～0.25	≤0.20	≤0.20	≤0.012	≤0.010
成分	Cr	Ni	Mo	AL	Cu
						目标值	≤0.20	≤0.20	≤0.20	5.0-7.0	≤0.20

渣料配比如下：

表5渣料配比表

提纯渣渣量38-40kg。

电力制度：电压62-70V、电流7500±500A。

电渣重熔过程中采用自动加料机往结晶器中均匀地加入粉状脱氧剂（铝粉100g、电石粉350g）进行脱氧，结晶器水温控制40-50℃，重熔过程采用氩气保护，电渣锭脱模后立即入坑保温，保温时间不低于48h，出坑后立即装炉按780℃退火曲线进行退火。

电渣锭其化学成分组成以质量百分比计为：

余量为铁和不可避免的杂质。

5、电渣锭镦拔生产Ф200mm锻材

（1）电渣锭锯切：

Ф360mm电渣锭大头取样孔距电渣锭大头端部100mm，小头取样孔距小头端部50mm，沿电渣锭大小头的取样孔位置进行锯切，要求锯切端面必须水平、不允许出现斜面。

（2）加热：

将锯切好的Ф360mm电渣锭放入2000吨快锻机的均热炉内加热。均热炉升温速度：室温至900℃，按70℃/h升温，到900℃时保温2h；900℃-1160℃，按70℃/h升温，到1160℃时保温4h，加热高温段温度不允许超过1180℃。

（3）镦拔：

镦粗系数：2.26，每次镦粗压下量≤100mm，具体尺寸见表：

表6镦拔尺寸表

产材：一镦一拔，产材成品坯规格：270mm×270mm。成品坯装入加热炉，采用联产方式产Ф200mm材，加热温度和开锻温度见下表。

表7加热温度和开锻温度表

锭/坯型

入炉温度

加热温度

加热时间

开锻温度

终锻温度

冷却方式

锭/坯

≤850℃

1120℃-1160℃

8-10h

≥1000℃

≥850℃

红返

（4）锻后热处理：锻后缓冷（坑冷），缓冷温度小于150℃后及时回火，回火温度680℃±10℃，同工艺回火二次，钢材硬度HB≤300。

6、各项指标检测

钢中各类夹杂物：A:粗0、细0.5，B：粗0、细0.5，C:粗0、细0，D：粗0、细0，总和1.0级。

铁素体含量：0.5%。

实际晶粒度：7级，实际晶粒度极差为0。

在钢棒上取样进行性能热处理，其步骤为：

（1）淬火：加热温度1030-1070℃，保温45min，冷却方式为油冷或空冷。

（2）回火：加热温度≥630℃，保温时间120min，冷却方式为空冷。

通过上述步骤后，然后对试样进行纵向和横向室温拉伸和冲击试验，检测得到的其各项技术指标见下表：

表8纵向和横向室温拉伸和冲击试验检测得到的技术指标

综上所述，本发明的钢具有以下优点：

1、纯净度高，钢中各类夹杂物单项不超过1.5级，总和不超过2.5级；

2、铁素体含量低、不超过0.5%；

3、实际晶粒度≥4级，实际晶粒度极差不超过2级；

4、棒材的横纵向性能好，横向性能能够达到纵向性能的80%以上。

由此可见，本发明的钢完全能够满足超超临界机组次末级长叶片用钢蒸汽参数和关键部件叶片选材的要求，对我国超超临界机组的设计、制造和安全稳定运行有着重要的意义。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.超超临界汽轮机组次末级长叶片用钢的冶炼方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)原料钢的冶炼：采用碳结管坯切头、碳结废管和碳结返回钢，冶炼原料钢；

(2)电弧炉冶炼：炉料全部由精料组成，质量配比为原料钢：低磷高碳铬铁：镍板：钼铁＝21：5：1：1；

给电、熔清炉料，吹氧脱碳，待成分符合入VOD成分要求时出钢；

钢液入VOD工位前除渣，进入VOD工位后通氩气，VOD合罐后抽真空，当真空度达(100-150)×133.3Pa时开始吹氧，氧气压力0.60-0.65MPa，氩气压力0.2-0.4MPa；停氧后在压力≤133.33Pa的条件下保持10-20min；破真空开罐后加入渣料及脱氧剂，吹氩搅拌并加脱氧剂调渣、取样，取样后停吹氩气改吹氮气，吹氮结束后改吹弱氩搅拌；

根据取样分析结果按内控目标微调成分，当成分、温度符合要求时停氩吊包，浇铸，钢锭脱模后采用780℃退火曲线进行退火；

(3)自耗电极的制取：采用钢锭，电液锤产自耗电极；

(4)电渣重熔：将渣料按配比配好后放入结晶器中，同时往结晶器中均匀地加入粉状脱氧剂对渣料进行脱氧，结晶器水温控制40-50℃，重熔过程采用氩气保护，电渣锭脱模后立即入坑保温，保温时间≥48h，出坑后立即装炉按780℃退火曲线进行退火；所述脱氧剂为铝粉与电石粉按照质量比2:7的比例混合而成；

(5)电渣锭镦拔生产锻材：电渣锭锯切后放入均热炉内加热，镦拔，锻后热处理；

冶炼得到的超超临界汽轮机组次末级长叶片用钢，其化学成分组成以质量百分比计为：

碳：0.09-0.12％、

硅：0.18-0.30％、

锰：0.75-0.85％、

镍：2.50-2.70％、

铬：11.60-11.80％、

钼：1.65-1.75％、

钒：0.28-0.38％、

氮：0.025-0.037％、

磷：≤0.022％、

硫：≤0.010％、

余量为铁和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的超超临界汽轮机组次末级长叶片用钢的冶炼方法，其特征在于，在步骤(2)中，炉料配料的化学成分及质量百分比要求如下：

C≥0.80％、

Cr:11.50-12.00％、

P≤0.018％、

Ni：2.40-2.70％、

Mo：1.60-1.80％。

3.根据权利要求1所述的超超临界汽轮机组次末级长叶片用钢的冶炼方法，其特征在于，在步骤(2)中，破真空开罐后所加入的渣料及脱氧剂的配比为：

4.根据权利要求1所述的超超临界汽轮机组次末级长叶片用钢的冶炼方法，其特征在于，在步骤(2)中，浇铸过程采用氩气保护。

5.根据权利要求1所述的超超临界汽轮机组次末级长叶片用钢的冶炼方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述渣料为提纯渣，其生产过程为：

采用1000kg中频感应炉熔铸525kg铁铝电极，铁铝电极表面经过喷丸处理；将渣料按配比配好后放入结晶器中，铁铝电极放入结晶器内给电、熔化、提纯渣料。

6.根据权利要求5所述的超超临界汽轮机组次末级长叶片用钢的冶炼方法，其特征在于，所述铁铝电极的成分的质量百分含量如下：

7.根据权利要求6所述的超超临界汽轮机组次末级长叶片用钢的冶炼方法，其特征在于，将渣料按以下重量配比配好后放入结晶器中：

CaF₂  70％、

Al₂O₃ 30％。

8.根据权利要求1所述的超超临界汽轮机组次末级长叶片用钢的冶炼方法，其特征在于，在步骤(5)中，均热炉的升温速度如下：

室温-900℃，按70℃/h升温，到900℃时保温2h；

900℃-1160℃，按70℃/h升温，到1160℃时保温4h。

9.根据权利要求1所述的超超临界汽轮机组次末级长叶片用钢的冶炼方法，其特征在于，在步骤(5)中，锻后热处理后，在钢棒上取样进行性能热处理，然后进行性能检测，所述性能热处理的步骤为：

淬火：加热温度1030-1070℃，保温45min，冷却方式为油冷或空冷；

回火：加热温度≥630℃，保温时间120min，冷却方式为空冷。