CN104911453A - 一种耐高温620度的铸钢材料的制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐高温620度的铸钢材料的制备工艺，该铸钢材料为ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB，该制备工艺包括独特的电弧炉熔炼工艺和钢包精炼炉熔炼工艺，本发明采用在LF炉熔炼工艺中吹氮气取代现有技术中往电弧炉内部加氮化铬合金的工艺，既稳定了工艺性能又大大降低成本。本发明利用电弧炉+钢包精炼炉作为基本冶炼设备，强化电弧炉冶炼工艺，在获得优质的初炼钢水的基础上，精化钢包精炼炉的控制，经过大量的实验总结获得了一套独特的、完整、精细而制备工艺，在不增加投资的前提下，能够利用现有的生产设备，生产性能指标完全满足于高效超超临界机组使用的铸钢件，已成功用于高效超超临界汽轮机组的运行。

Description

一种耐高温620度的铸钢材料的制备工艺

技术领域

本发明涉及一种铸钢材料的制备工艺，尤其涉及一种耐高温的铸钢材料的制备工艺。

背景技术

随着人们对环境污染的日益关注以及煤炭等化石燃料的日渐紧缺，如何进一步降低能耗和减少CO₂排放成为全社会越来越关注且亟待解决的问题，提高燃煤电站效率可以同时达到节能和减排的目的，是电力工业最基本的发展方向。更高的超超临界蒸汽参数、独特的结构和热力系统优化是提高效率的主要措施，因此超超临界发电技术也越来越得到各国电力工业界的重视，进一步发展的方向是在保持其可用率、可靠性、运行灵活性和机组寿命等的同时，进一步提高蒸汽参数，从而获得更高的效率和环保性能。由于汽轮机排汽湿度的原因，压力提高到某一等级后，必须采用更高的再热温度。针对超超临界660-1100MW机组，再热温度从600℃提高至620℃，可进一步降低热耗24kJ/(kW.h)。以上这些都要求必须开发出在强度、安全性和使用寿命上符合更高要求的620℃的铸钢材料。

在欧洲，欧共体通过cost 522系列计划，开发高效低耗火力发电设备材料，该计划围绕铸造、高温强度、高温蠕变性能、脆化耐性、冶金学稳定性、低氧化速率、氧化层强度等多个方面，进行了大量的深入研究，综合了欧洲16个国家和70个组织的试验、制造资料而筛选出来的，作为30MPa/620℃/650℃机组材料。

该系列开发出来的材料，机械性能重现性好，已经取得了比较成熟的使用经验，在汽轮机内部，HP和IP转子、内缸、阀门缸体、中压外缸均选用了先进材料，特别是采用了CB2(ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB)以保证运行上的灵活性。德国和荷兰2008年的在建1100MW电厂已开始采用该新材料。德国DattenIn IV电厂(2011年投产)、荷兰Maasvlakte电厂(2012年投产)也将再热温度提高到619℃。

材料的化学成分如下：

室温下力学性能：

高温性能：

1)按照GB/T 4338进行高温拉伸试验，试验温度包括550℃、600℃、620℃、650℃，每个温度至少2个试样。高温拉伸性能符合下表

2)按照GB/T 2309进行高温持久试验，高温持久强度应符合下表

ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB是应用于高效超超临界汽轮机汽缸和伐壳的工作材料，该材料必须保证在100MPa和620℃的环境下具有连续100000小时的蠕变强度，比普通超超临界机组材料降低0.4％的燃煤能耗。该材料的化学成分非常复杂并且规范苛刻，生产过程中的控制难度很大，如果依赖进口，对公司的成本是巨大的压力。国内外同类型材料的生产冶炼须配备相应的真空冶炼设备，基础设施费用投入大，受设备和场地的限制，没有条件的工厂难以进行生产。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是要提供一种在不增加投资的前提下，利用现有的设备，通过独特的工艺手段的精确的参数控制相结合，从而生产性能指标完全满足于高效超超临界机组使用的ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB铸钢件。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种耐高温620度的铸钢材料的制备工艺，该铸钢材料为ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB，该制备工艺包括电弧炉熔炼工艺和钢包精炼炉熔炼工艺，其特征在于：

所述的电弧炉熔炼工艺包括：

a，进低硫磷碳钢板炉料前炉底铺设石灰；

b，为保证脱碳量，随炉料加入废电极块，在熔清碳达到0.39％～0.59％范围，所有化学元素作含量全分析；

c，熔池温度达到1580℃时开始吹氧，炉体前倾，从炉门处排出氧化渣，并不断添加新鲜石灰，保持炉渣碱度在2.5；

d，氧化期单管吹氧压力保持在12atm，钢水总脱碳量≥0.30％～0.50％，整个吹氧时间不少于20分钟，氧化中期作C、P分析，进行边吹氧边趟渣操作，当P低于0.007％，C低于0.09％时，停止吹氧。

e，根据熔化期钢水取样元素分析报告，在氧化中期加入钼铁，使Mo的重量百分含量达到1.50％；Ni的重量百分含量达到0.20％；

f，吹氧结束补加块状金属钻，使Co的重量百分含量达到1.00％；

g，吹氧结束后5分钟，加金属锰至Mn的重量含量达到0.40％；

h，净沸腾时间≥8分钟，直至钢水停止翻腾平静为止；

i，出渣条件：当钢中元素的重量百分含量中C量在0.05％～0.09％范围内，P低于0.007％，Mn达到0.20％，温度达到1640℃，进行出渣处理；按每吨钢水0.8公斤的重量比加入铝，扒去炉渣至钢水露面，补加烘烤过的造渣材料重新造新渣，渣量达到钢水总量的3％；

j，加热升温，当炉内温度达到1650℃，加入烘烤过的微铬，使得Cr的重量百分含量达到9.0％，继续熔炼；

k，加入新鲜石灰、萤石和电石，总渣量为钢水重量的3％，造还原渣；

l，良好的还原渣保持20分钟以上，加入占钢水总重量3％的Si-Fe粉，分批飘于钢渣的表面；按每吨钢水1公斤C粉的比例加入C粉，以利扩散脱氧，使得渣中FeO的重量百分含量低于0.50％；

m，调整成分，使得以下成分的重量百分含量达到：

Cr：9.3％；Mo：1.50％；Ni：0.15％；Mn：0.90％

合金加入量以中下限为原则，钢包精炼炉进行微调；

n，出钢前5分钟加钒铁，使V的重量百分含量达到0.20％；

o，白渣出钢，出钢温度：1610℃～1640℃，出钢时按每吨钢水0.5公斤的比例加入Al块，如果还原期最后一个炉前Al的试样数据重量百分比低于0.01％的，则出钢时按每吨钢水0.3公斤的比例加入Al块；减少钢水在出钢过程中与大气接触时所受二次氧化的影响；

p，出钢过程中，在钢水包内冲加：按每吨钢水1.0公斤的比例加入铌铁，使Nb的重量百分含量达到0.065％，按每吨钢水0.3公斤的比例加入Al；

所述的钢包精炼炉熔炼工艺包括：

a，取样做全元素分析；

b，升温，温度达1580℃～1590℃，保温；

c，钢包吊运到钢包精炼炉炉工作位处，将氩气管与钢包底部接口相连，进行吹氩处理，吹氩压力1.5Mpa，流量30～50L/min；

d，加脱氧剂调整炉渣，以去除钢中的S、O；

e，调整除B外的其它元素化学成份，达到成品规范的中限值；

f，根据炉前残余N分析，如果N的数据低于成品规范要求，将氩气换接成氮气进行增氮操作，使得N的重量百分含量达到0.019％；

g，加入硼铁，要求硼铁穿透渣层，并间隔5min后取样，取样数大于2个，要求炉内小电流保温；

h，钢包精炼炉中精炼时间≥45分钟，并于出钢前根据各元素的光谱分析报告，将所有合金元素调整到成品规范的中限；

i，钢包精炼炉出炉温度为1580～1590℃，浇注温度1580℃。

具体地，所述的钢包精炼炉熔炼工艺的步骤g中，所述的加入硼铁的方式为将硼铁放置于锥形容器里深插钢水深处。

更优的，所述的电弧炉熔炼工艺的步骤j中在电弧炉吹氧结束后加入微铬后，往电弧炉内部各个位置吹入氩气，压力为2atm，并不断搅动。

本发明的耐高温620度ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB铸钢材料的制备工艺利用电弧炉+钢包精炼炉作为基本冶炼设备，强化电弧炉冶炼工艺，在获得优质的初炼钢水的基础上，精化钢包精炼炉的控制，经过大量的实验总结获得了一套独特的、完整、精细而制备工艺，在不增加投资的前提下，能够利用现有的生产设备，生产性能指标完全满足于高效超超临界机组使用的ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB铸钢件，已成功用于高效超超临界汽轮机组的运行。

本发明的电弧炉熔炼工艺中电弧炉吹氩手段可以提高初炼钢水的清洁度和化学成分的均匀性：

(1)在电弧炉吹氧结束后加入微碳铬铁之后，往电弧炉内部各个位置吹入氩气，压力为2atm，并不断搅动，增强钢水的流动性，可减少微碳铬铁在电弧炉里的一半的熔化时间。

(2)惰性气体氩气进入钢水内部，置换出钢水内部的氧，钢水中含氧量从100ppm下降到60ppm。

吹氮合金化，本发明采用在钢包精炼炉(LF炉)熔炼工艺中吹氮气取代现有技术中往电弧炉内部加氮化铬合金的工艺，其优点在于：

(1)氮化铬合金在电弧炉钢水里的合金回收率仅为60％，在LF炉内吹氮气可使氮的回收稳定，(钢水温度达到1630℃，每一分钟可增加氮含量0.01％)

(2)氮化铬合金2万/吨，氮气25元/瓶，价格优势明显。

明显，本发明独特的工艺手段更加有效而节约，契合节能减排的工业发展理念

本发明独特的硼铁加入方法：

常规方法硼铁是在电弧炉出钢过程中加入钢水包内混冲，回收率受钢水中残余氧和大气中的氧的影响，达到80％。而本发明的方法是在LF炉中氩气不断的搅动钢水下，使钢水中的残余氧含量进一步下降，并通过添加新鲜石灰和碳粉等方法调整炉渣，能够使得FeO含量降至0.50％以下，此时将硼铁放置于锥形容器里深插钢水深处，回收率达到92％。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1本发明的电弧炉熔炼工艺的流程示意图；

图2本发明的钢包精炼炉熔炼工艺的流程示意图。

具体实施方式

以下实施例中产品

材料为目标成分

一种耐高温620度的铸钢材料的制备工艺，该铸钢材料为ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB，该制备工艺包括电弧炉熔炼工艺和钢包精炼炉熔炼工艺，其特征在于：

所述的电弧炉熔炼工艺包括：

a，进低硫磷碳钢板炉料前炉底铺设石灰；

b，为保证脱碳量，随炉料加入废电极块，在熔清碳达到0.39％～0.59％范围，所有化学元素作含量全分析；

c，熔池温度达到1580℃时开始吹氧，炉体前倾，从炉门处排出氧化渣，并不断添加新鲜石灰，保持炉渣碱度在2.5；

d，氧化期单管吹氧压力保持在12atm，钢水总脱碳量≥0.30％～0.50％，整个吹氧时间不少于20分钟，氧化中期作C、P分析，进行边吹氧边趟渣操作，当P低于0.007％，C低于0.09％时，停止吹氧。

e，根据熔化期钢水取样元素分析报告，在氧化中期加入钼铁，使Mo的重量百分含量达到1.50％；Ni的重量百分含量达到0.20％；

f，吹氧结束补加块状金属钻，使Co的重量百分含量达到1.00％；

g，吹氧结束后5分钟，加金属锰至Mn的重量含量达到0.40％；

h，净沸腾时间≥8分钟，直至钢水停止翻腾平静为止；

i，出渣条件：当钢中元素的重量百分含量中C量在0.05％～0.09％范围内，P低于0.007％，Mn达到0.20％，温度达到1640℃，进行出渣处理；按每吨钢水0.8公斤的重量比加入铝，扒去炉渣至钢水露面，补加烘烤过的造渣材料重新造新渣，渣量达到钢水总量的3％；

j，加热升温，当炉内温度达到1650℃，加入烘烤过的微铬，同时往电弧炉内部各个位置吹入氩气，压力为2atm，并不断搅动(这样可减少微碳铬铁在电弧炉里的一半的熔化时间，同时钢水中含氧量从100ppm下降到60ppm，当然处于成本、工序等各方面考虑也可以不吹氩气)；使得Cr的重量百分含量达到9.0％，继续熔炼；

k，加入新鲜石灰、萤石和电石，总渣量为钢水重量的3％，造还原渣；

l，良好的还原渣保持20分钟以上，加入占钢水总重量3％的Si-Fe粉，分批飘于钢渣的表面；按每吨钢水1公斤C粉的比例加入C粉，以利扩散脱氧，使得渣中FeO的重量百分含量低于0.50％；

m，调整成分，使得以下成分的重量百分含量达到：

Cr：9.3％；Mo：1.50％；Ni：0.15％；Mn：0.90％

合金加入量以中下限为原则，钢包精炼炉进行微调；

n，出钢前5分钟加钒铁，使V的重量百分含量达到0.20％；

o，白渣出钢，出钢温度：1610℃～1640℃，出钢时按每吨钢水0.5公斤的比例加入Al块，如果还原期最后一个炉前Al的试样数据重量百分比低于0.01％的，则出钢时按每吨钢水0.3公斤的比例加入Al块；减少钢水在出钢过程中与大气接触时所受二次氧化的影响；

p，出钢过程中，在钢水包内冲加：按每吨钢水1.0公斤的比例加入铌铁，使Nb的重量百分含量达到0.065％，按每吨钢水0.3公斤的比例加入Al；

所述的钢包精炼炉熔炼工艺包括：

a，取样做全元素分析；

b，升温，温度达1580℃～1590℃，保温；

c，钢包吊运到钢包精炼炉炉工作位处，将氩气管与钢包底部接口相连，进行吹氩处理，吹氩压力1.5Mpa，流量30～50L/min；

d，加脱氧剂调整炉渣，以去除钢中的S、O；

e，调整除B外的其它元素化学成份，达到成品规范的中限值；

f，根据炉前残余N分析，如果N的数据低于成品规范要求，将氩气换接成氮气进行增氮操作，使得N的重量百分含量达到0.019％；

g，加入硼铁，要求硼铁穿透渣层(将硼铁放置于锥形容器里深插钢水深处，当然也可以采用其它方式，只要加入硼铁时能穿透渣层)，并间隔5min后取样，取样数大于2个，要求炉内小电流保温；

h，钢包精炼炉中精炼时间≥45分钟，并于出钢前根据各元素的光谱分析报告，将所有合金元素调整到成品规范的中限；

i，钢包精炼炉出炉温度为1580～1590℃，浇注温度1580℃。

按照本发明制备工艺获得的ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB铸钢材料的成分重量百分含量如下表：

经检测材料的各项性能指标完全满足高效超超临界机组使用的铸钢件的要求。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种耐高温620度的铸钢材料的制备工艺，该铸钢材料为ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB，该制备工艺包括电弧炉熔炼工艺和钢包精炼炉熔炼工艺，其特征在于：

所述的电弧炉熔炼工艺包括：

a，进低硫磷碳钢板炉料前炉底铺设石灰；

b，为保证脱碳量，随炉料加入废电极块，在熔清碳达到0.39％～0.59％范围，所有化学元素作含量全分析；

c，熔池温度达到1580℃时开始吹氧，炉体前倾，从炉门处排出氧化渣，并不断添加新鲜石灰，保持炉渣碱度在2.5；

d，氧化期单管吹氧压力保持在12atm,钢水总脱碳量≥0.30％～0.50％，整个吹氧时间不少于20分钟，氧化中期作C、P分析，进行边吹氧边趟渣操作，当P低于0.007％，C低于0.09％时，停止吹氧。

e，根据熔化期钢水取样元素分析报告，在氧化中期加入钼铁，使Mo的重量百分含量达到1.50％；Ni的重量百分含量达到0.20％；

f，吹氧结束补加块状金属钴，使Co的重量百分含量达到1.00％；

g，吹氧结束后5分钟，加金属锰至Mn的重量含量达到0.40％；

h，净沸腾时间≥8分钟，直至钢水停止翻腾平静为止；

i，出渣条件：当钢中元素的重量百分含量中C量在0.05％～0.09％范围内，P低于0.007％，Mn达到0.20％，温度达到1640℃，进行出渣处理；按每吨钢水0.8公斤的重量比加入铝，扒去炉渣至钢水露面，补加烘烤过的造渣材料重新造新渣，渣量达到钢水总量的3％；

j，加热升温，当炉内温度达到1650℃，加入烘烤过的微铬，使得Cr的重量百分含量达到9.0％，继续熔炼；

k，加入新鲜石灰、萤石和电石，总渣量为钢水重量的3％,造还原渣；

l，良好的还原渣保持20分钟以上，加入占钢水总重量3％的Si-Fe粉，分批飘于钢渣的表面；按每吨钢水1公斤C粉的比例加入C粉，以利扩散脱氧，使得渣中FeO的重量百分含量低于0.50％；

m，调整成分，使得以下成分的重量百分含量达到：

Cr：9.3％；Mo：1.50％；Ni：0.15％；Mn：0.90％

合金加入量以中下限为原则，钢包精炼炉进行微调；

n，出钢前5分钟加钒铁，使V的重量百分含量达到0.20％；

o，白渣出钢，出钢温度：1610℃～1640℃，出钢时按每吨钢水0.5公斤的比例加入Al块，如果还原期最后一个炉前Al的试样数据重量百分比低于0.01％的，则出钢时按每吨钢水0.3公斤的比例加入Al块；减少钢水在出钢过程中与大气接触时所受二次氧化的影响；

p，出钢过程中，在钢水包内冲加：按每吨钢水1.0公斤的比例加入铌铁，使Nb的重量百分含量达到0.065％，按每吨钢水0.3公斤的比例加入Al；

所述的钢包精炼炉熔炼工艺包括：

a，取样做全元素分析；

b，升温，温度达1580℃～1590℃，保温；

c，钢包吊运到钢包精炼炉炉工作位处，将氩气管与钢包底部接口相连，进行吹氩处理，吹氩压力1.5Mpa，流量30～50L/min；

d，加脱氧剂调整炉渣，以去除钢中的S、O；

e，调整除B外的其它元素化学成份，达到成品规范的中限值；

f，根据炉前残余N分析，如果N的数据低于成品规范要求，将氩气换接成氮气进行增氮操作，使得N的重量百分含量达到0.019％；

g，加入硼铁，要求硼铁穿透渣层，并间隔5min后取样，取样数大于2个，要求炉内小电流保温；

h，钢包精炼炉中精炼时间≥45分钟，并于出钢前根据各元素的光谱分析报告，将所有合金元素调整到成品规范的中限；

i，钢包精炼炉出炉温度为1580～1590℃，浇注温度1580℃。

2.根据权利要求1所述的耐高温620度的铸钢材料的制备工艺，其特征在于：所述的钢包精炼炉熔炼工艺的步骤g中，所述的加入硼铁的方式为将硼铁放置于锥形容器里深插钢水深处。

3.根据权利要求1或2所述的耐高温620度的铸钢材料的制备工艺，其特征在于：所述的电弧炉熔炼工艺的步骤j中在电弧炉吹氧结束后加入微铬后，往电弧炉内部各个位置吹入氩气，压力为2atm，并不断搅动。