CN112899569A - 630℃耐热钢及其熔炼方法 - Google Patents

Abstract

一种630℃耐热钢及其熔炼方法，属于金属液熔炼技术领域，用于解决耐热钢熔炼难的问题，所述630℃耐热钢的化学成分包括质量百分含量为0.06％～0.1％的C、0.2％～0.4％的Si、0.4％～0.6％的Mn、8％～10％的Cr、2.5％～3.5％的W、2.5％～3.5％的Co、0.18％～0.25％的V、0.01％～0.02％的B、0.006％～0.01％的N、0.04％～0.06％的Nb，余量为Fe。所述630℃耐热钢的熔炼方法是采用EAF+LF+VOD+LF熔炼工艺流程。通过本发明技术方案的实施，得到了一种630℃的耐热钢，且所述耐热钢中Cr的含量为8％～10％、C的含量为0.06％～0.1％，且所述耐热钢中含有较高含量的W、Co，从而使得由所述耐热钢浇铸的铸钢件具有更高的耐热性及高温持久性。

Description

630℃耐热钢及其熔炼方法

技术领域

本发明涉及铸钢熔炼技术领域，特别涉及一种耐热钢的熔炼方法。

背景技术

提高进气温度可以显著提高汽轮机发电机组的效率，降低有害气体排放。因此国内外汽轮机组制造商都在努力提高其机组的蒸汽温度，目前已经投入商业运行的超超临界汽轮机蒸汽温度已经达到620℃，国内外正在研发630℃～650℃甚至更高温度的超超临界汽轮发电机组。9％～12％Cr铁素体耐热钢具有极佳的力学性能和物理特性匹配，非常适合制造汽轮机高温转子，为了满足650℃的用材要求，日本专家提出了Marbn钢的概念，即添加B和N的马氏体耐热钢，名义成分为9Cr-3Co-3W-V-Nb-N-B，这种钢在高温条件下具有极好的持久强度，常用于650℃超超临界发电机组。而这种630℃～650℃用耐热钢的熔炼在国内的技术尚不成熟，常规熔炼方式很难熔炼出合格的630℃耐热钢，造成了无法或者很难生产出超高温的耐热钢铸件，阻碍了国内铸造业向高端领域的发展。

发明内容

有鉴于以上630℃耐热钢熔炼难、成功率低的问题，有必要提出一种630℃耐热钢的熔炼方法，所述630℃耐热钢不仅W、Co等元素含量高，且需要加入B、N元素，所述熔炼方法克服了W、Co、B等元素回收率的影响，突破了熔炼630℃耐热钢的技术瓶颈。

所述630℃耐热钢的化学成分包括质量百分含量为0.06％～0.1％的C、0.2％～0.4％的Si、0.4％～0.6％的Mn、8％～10％的Cr、2.5％～3.5％的W、2.5％～3.5％的Co、0.18％～0.25％的V、0.01％～0.02％的B、0.006％～0.01％的N、0.04％～0.06％的Nb，余量为Fe。为使所述630℃耐热钢中C的含量达到设定的范围内，同时进一步提升金属液的纯度，将VD工序替换为VOD工序。

所述630℃耐热钢的熔炼方法是采用EAF+LF+VOD+LF熔炼工艺流程，具体为：

EAF熔炼：向炉内投入优质废钢和生铁，所述废钢与生铁的质量比重为8:2，同时在炉内加入金属液总质量5％的第一批石灰，所述石灰用于脱磷；当熔炼的金属液温度达到1620℃时，向炉内吹氧以达到对金属液脱碳，当脱碳量大于金属液总含碳量的0.3％后，向金属液中加入第二批石灰，第二批所述石灰的加入量为金属液总质量的2％～3％；当金属液的温度达到1650℃时，将所述金属液倾倒入LF中。

优选地，所述第一批石灰的加入方式是将40％质量份的石灰置于所述废钢和生铁的底部，也即将40％质量份的所述石灰铺垫在炉底；再将剩余60％质量份的所述第一批石灰置于所述废钢和生铁的中间，从而保证熔化的金属液能够充分与所述石灰接触，以达到最好的脱磷效果。

优选地，在所述金属液脱碳工序中，还包括流渣工序，具体为：当金属液的脱碳量大于金属液总含碳量的0.3％后，使EAF倾斜30度进行流渣，当流渣量大于总渣量的90％时，停止流渣。

优选地，所述吹氧操作一直持续到所述金属液中磷的含量小于或等于金属液总质量的0.005％，同时，吹氧结束后所述EAF中的金属液的氧化渣去除量大于或等于95％，从而有效的防止金属液的回磷。

第一LF熔炼：按照每吨金属液2kg～3kg的铝粒量在金属液中加入铝粒，所述铝粒用于还原金属液，直至金属液的氧活性降低至5ppm以下；再向金属液中加入1000kg～1200kg的活性石灰、后再加入50kg～80kg的萤石，并吹入0.3MPa～0.4MPa的氩气对金属液进行脱硫，直至金属液中硫的含量降低至0.005％以下；根据光谱分析结果调整金属液的合金成分，在合金成分调整到位后，使金属液的温度恢复到1600℃～1620℃之间后，将金属液倾倒入VOD中。

优选地，合金成分调整工序中，合金料的加入顺序为：先加入不易氧化、熔点高的合金，再加入熔点低、易氧化的合金。所述合金料为W、Co、Cr等。

更优地，为了使所述合金料能够及时熔化并充分熔合到金属液中，将所述合金料破碎为粒度小于10mm的小颗粒后在投入金属液中。

更优地，所述合金料的加入方式是：分批次加入，具体为每隔至少5min加入不大于30kg的合金料，从而可以保证合金料的及时熔化，避免了合金料沉到炉底的风险，且提升了合金元素的利用率。

优选地，炉底设有若干所述氩气吹入口，如可以是两个，在吹入氩气流量不变的情况下，使得氩气与金属液的接触面积增加，从而降低了氩气的吹入盲区，提高了合金料的熔化速度。在加入合金过程中，在金属液中吹入0.5MPa～0.6MPa的氩气。

优选地，为了避免加入合金料对金属液熔炼温度的影响，在加入合金料时，将金属液的温度提高至1620℃～1650℃之间，同时还可以通过搅拌金属液的方式进一步提升合金料的熔化速度。

VOD熔炼：吹氧脱碳，使氧枪距离金属液液面1.0m～1.2m、且使炉内真空度达到6000Pa～8000Pa后，采用流量为350Nm³/h～400Nm³/h的氧气吹入金属液中，并同时吹入流量为10Nm³/h～15Nm³/h的氩气，为了避免此时含碳量较高的金属液在吹氧脱碳使发生剧烈反应，所述氧气与氩气的流量不宜过大；碳脱氧，当金属液中碳含量不大于0.03％时，停止吹氧，使炉内的真空度达到67Pa以下后，提升氩气的流量至15Nm³/h～20Nm³/h后，对金属液进行高真空碳脱氧；按照每吨金属液1.5kg～2.0kg的铝粒量在金属液中加入铝粒、并加入3kg～5kg的活性石灰、吹入流量为10Nm³/h～15Nm³/h的氩气，搅拌5min后，撤销炉内的真空，检测金属液的含碳量低于0.03％后，将金属液转入LF中。

优选地，所述碳脱氧的时间为15min～20min。

第二LF熔炼：还原金属液，按照每吨金属液2kg～3kg的量向金属液中加入铝锭对金属液进行沉淀脱氧，按照每吨金属液1kg～2kg的量向金属液中加入铝钙合金对金属液进行扩散脱氧，使金属液的氧活性小于5ppm；元素调整，先加入Si、Mn、V、Nb等合金块，最后加入B合金块，防止加入过早B被氧化，待金属液各个化学成分的质量百分比达到要求后将金属液转入浇注工位浇铸。

优选地，在所述元素调整工序中，首先需要使金属液中铝的含量大于0.02％，以防止铝被氧化造成的金属液中铝元素的质量百分比超出规定值。

优选地，还可以在金属液中加入合金W，以弥补熔炼时间增加导致的W沉淀致使的金属液中W元素的含量下降。

作为本技术方案的一种补充，为了使浇铸的铸件的化学成分能够满足使用要求，在浇铸前30min向铸件的型腔中吹氩气，当所述型腔中的氧气浓度小于5％后即可进行浇铸，也即采用氩气保护浇铸的方式，避免了金属液在浇铸过程中的二次氧化。

本发明技术方案的有益效果：通过本发明技术方案的实施，得到了一种630℃的耐热钢，且所述耐热钢中Cr的含量为8％～10％、C的含量为0.06％～0.1％，且所述耐热钢中含有较高含量的W、Co，从而使得由所述耐热钢浇铸的铸钢件具有更高的耐热性及高温持久性。

附图说明

无。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，结合具体产品对发明内容的技术方案进行详细说明，显而易见地，以下描述是本发明的一些典型实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些实施例获得其他的解决方案。

现以超超临界蒸汽轮机用内缸为例，阐述本发明所述630℃耐热钢的熔炼方法，该产品需要52吨金属液，也即需要52吨钢水。

所述630℃耐热钢的熔炼方法采用EAF→LF→VOD→LF的顺序熔炼，各个炉的具体熔炼过程如下：

1)EAF熔炼

第一步，将1.04吨石灰铺设在EAF底部，后在1.04吨石灰之上按照质量比为8:2的量铺设26吨钢水所需的优质废钢和生铁，后再铺设1.56吨石灰，在再1.56吨石灰之上按照质量比为8:2的量铺设26吨钢水所需的优质废钢和生铁。通过将石灰与优质废钢和生铁间隔铺设的方式，使的熔化的钢水能第一时间与石灰发生反应，从而起到在金属液熔化初期脱磷的目的，且可以使金属液能够充分的与石灰接触，提高了脱磷的效率。

第二步，当钢水充分熔化且温度达到1620℃时，向EAF中通入氧气进行脱碳，当脱碳量大于钢水中总碳含量的0.3％后，将炉口向下倾斜30度开始流渣，当流出的钢渣量大于总钢渣量的90％后，停止流渣操作，也即将炉口反转回来，使炉口竖直向上；此时向EAF中加入第二批石灰，所述第二批石灰的加入量为1.04吨～1.56吨，同时在整个流渣、加入石灰的过程中，始终保持向炉内通入氧气的操作，且在不断加入石灰的情况下，实时监测钢水中磷的含量，当磷的含量小于等于0.005％时，停止加入石灰，同时，当炉内氧化渣去除量大于95％后，停止向炉内通入氧气，使炉内氧化渣的去除量大于95％的目的是防止钢水回磷。

第三步，将钢水的温度升至1650℃并继续熔炼5min后，待钢水表面的钢渣结壳后，采用避渣的方式出钢，也即将钢水倾倒如LF中。使钢水表面的钢渣结壳后再出钢的目的是降低钢水在倾倒过程中氧化、且可以将钢水中的氧化渣滞留在EAF中，从而保证了进入LF中钢水的洁净度。

2)第一LF熔炼

第一步，在钢水中加入至少104kg的铝粒和至多156kg的铝粒对钢水进行还原，在加入铝粒的过程中，对钢水的氧活性进行检测，当钢水中的氧活性降低至5ppm以下后，则停止加入铝粒；与此同时，在钢水中加入至少1000kg的活性石灰和至多1200kg的活性石灰、再加入50kg～80kg的萤石，在此过程中并通入氩气，其中氩气的通入量为0.3MPa～0.4MPa，对钢水进行脱硫，当钢水中硫的含量低于0.005％后，停止加入活性石灰和萤石；此时，采用光谱分析的方法，分析钢水的化学成分，依据钢水的实际化学成分和需要达到的化学成分，对钢水进行合金调整，其中合金的加入顺序为先加入不易氧化的、熔点高的合金，后加入熔点低、易氧化的合金。

第二步，合金调整：为了使合金块能够快速熔化、减少被氧化的风险，将粒度为30mm～50mm的合金块破碎为粒度10mm的合金块，并且采用分批次的方式将所述粒度为10mm的合金块加入钢水中，从而避免一次性加入造成的钢水温度骤降带来的合金不能及时熔化而沉入炉底的问题带来的合金利用率降低的问题。具体地，采用每隔不少于5min的时间加入不大于30kg的10mm粒度的合金块的方式向炉内加入合金块，同时，为了进一步降低合金被氧化，在加入合金块的过程中，还可以向炉内通入氩气进行保护，通入的氩气的量为0.5MPa～0.6MPa，且为了加速合金的熔化，在加入合金块后，可以对钢水进行搅拌。更优地，为了减少氩气保护的盲区，在炉底设置至少两个氩气入口，将同样量的氩气分散的通入炉内，从而起到了最大方位的保护。另一方面，为了提升合金的熔化速度，还可以提升钢水的温度，将钢水的温度提升至1620℃～1650℃之间。本步骤中，加入的合金及相应的顺序是：1500kg的电解钴、1900kg的钨铁、2000kg的高碳铬铁和5600kg的低碳铬铁。

第三步，合金成分调整合格后，使钢水的温度达到1600℃～1620℃后，将钢水转入VOD中。

3)VOD熔炼

此工序的目的就是将钢水中的碳含量降低到需要的范围内，且同时需要保证在降低碳含量的同时不会影响钢水中铬的含量，也即“去碳保铬”。

第一步，使VOD中的真空度达到6000Pa～8000Pa后，将氧气抢置于钢水液面1.0m～1.2m的高度处，开始向炉内吹入氧气，所述氧气的流量为350Nm³/h～400Nm³/h；同时为了保护铬，还需要向炉内通入氩气，氩气的流量为10Nm³/h～15Nm³/h。此阶段中，由于钢水中的碳含量比较高，故以上氩气和氧气的流量不宜过大，否则会造成碳、氧的剧烈反应。

第二步，当钢水中的碳含量低于0.03％时，停止向炉内通入氧气，且将氩气的流量调整为15Nm³/h～20Nm³/h，且将炉内的真空度提高至76Pa以下，此时处于高真空碳脱氧环节，所述碳脱氧的时间为15min～20min。

第三步，待碳脱氧结束后，将通入炉内的氩气流量调整为10Nm³/h～15Nm³/h，再向炉内加入78kg～104kg的铝粒和3kg～5kg的活性石灰，并搅拌5min后，撤销VOD内的真空，采用光谱分析取样分析钢水中的碳含量，使钢水中的碳含量低于0.03％后，将钢水转入LF中。

4)第二LF熔炼

此工序的目的是调整钢水中的易氧化元素Si、Mn、V、Nb、B以及不易氧化的C元素和N元素，使钢水中的各个化学成分符合需求，其中B元素是控制的重点。

第一步，还原钢水：在炉内加入104kg～156kg的铝锭对钢水进行沉淀脱氧，之后再向炉内加入52kg～104kg的铝钙合金对钢水进行扩散脱氧，待检测钢水中的氧活性小于5ppm后，停止加入所述铝锭和铝钙合金，当钢水中的氧活性小于5ppm后，即可认为钢水已充分得到还原，可以加入易氧化合金。

第二步，调整元素：将钢水中的铝含量调整为大于0.02％后，先加入Si、Mn、V、Nb合金块，再加入B合金块，此时加入的合金块与第一LF熔炼工序中的合金块是相同粒度和品类的，同时加入氮化铬铁调整钢水中的N含量。调整钢水中铝的含量是为了防止易氧化合金被氧化。同时为了使W能够很好地熔化，可以适当增加熔炼钢水的时间，从而避免由于W沉入炉底造成的钢水中W含量的降低，且在钢水出炉浇铸前，需要再次检测钢水中W的含量，当钢水中W的含量达到2.5％～3.5％之间时，将钢水转入浇注工位，待浇铸。

为了使钢水在浇铸过程中能够被最小的氧化，在铸件浇铸前30min，对铸件的型腔吹氩气，待检测铸件型腔内的氧气浓度小于5％时，即可进行浇铸，也即采用氩气保护浇铸的方式，使得金属液在浇铸过程不被二次氧化，从而尽可能避免铸件的氧化夹渣。

由以上钢水浇铸成的蒸汽轮机内缸铸件的化学成分包括质量百分含量为0.08％的C、0.32％的Si、0.51％的Mn、9.1％的Cr、3.1％的W、3.0％的Co、0.22％的V、0.016％的B、0.008％的N、0.056％的Nb，余量为Fe。

以上实施例仅是对本发明技术方案的一种典型应用的描述，在合理的、不需要付出创造性劳动的基础上，还可以进行合理的拓展。

Claims (10)

1.一种630℃耐热钢，其特征在于，所述630℃耐热钢的化学成分包括质量百分含量为0.06％～0.1％的C、0.2％～0.4％的Si、0.4％～0.6％的Mn、8％～10％的Cr、2.5％～3.5％的W、2.5％～3.5％的Co、0.18％～0.25％的V、0.01％～0.02％的B、0.006％～0.01％的N、0.04％～0.06％的Nb。

2.一种630℃耐热钢的熔炼方法，其特征在于，依次包括EAF工序、LF工序、VOD工序和LF工序，

EAF熔炼：向炉内投入优质废钢和生铁，所述废钢与生铁的质量比重为8:2，同时在炉内加入金属液总质量5％的第一批石灰；当熔炼的金属液温度达到1620℃时，向炉内吹氧，当脱碳量大于金属液总含碳量的0.3％后，向金属液中加入第二批石灰，所述第二批石灰的加入量为金属液总质量的2％～3％；当金属液的温度达到1650℃时，将所述金属液倾倒入LF中；

第一LF熔炼：按照每吨金属液2kg～3kg的铝粒量在金属液中加入铝粒，直至金属液的氧活性降低至5ppm以下；再向金属液中加入1000kg～1200kg的活性石灰、后再加入50kg～80kg的萤石，并吹入0.3MPa～0.4MPa的氩气对金属液进行脱硫，直至金属液中硫的含量降低至0.005％以下；根据光谱分析结果调整金属液的合金成分，在合金成分调整到位后，使金属液的温度恢复到1600℃～1620℃之间后，将金属液倾倒入VOD中；

VOD熔炼：吹氧脱碳，使氧枪距离金属液液面1.0m～1.2m、且使炉内真空度达到6000Pa～8000Pa后，采用流量为350Nm³/h～400Nm³/h的氧气吹入金属液中，并同时吹入流量为10Nm³/h～15Nm³/h的氩气；碳脱氧，当金属液中碳含量不大于0.03％时，停止吹氧，使炉内的真空度达到67Pa以下后，提升氩气的流量至15Nm³/h～20Nm³/h后，对金属液进行高真空碳脱氧；按照每吨金属液1.5kg～2.0kg的铝粒量在金属液中加入铝粒、并加入3kg～5kg的活性石灰、吹入流量为10Nm³/h～15Nm³/h的氩气，搅拌5min后，撤销炉内的真空，检测金属液的含碳量低于0.03％后，将金属液转入LF中；

第二LF熔炼：还原金属液，按照每吨金属液2kg～3kg的量向金属液中加入铝锭对金属液进行沉淀脱氧，按照每吨金属液1kg～2kg的量向金属液中加入铝钙合金对金属液进行扩散脱氧，使金属液的氧活性小于5ppm；元素调整，先加入不易氧化的合金块，再加入易氧化合金块，待金属液各个化学成分的质量百分比达到要求后将金属液倾倒入浇包中待浇铸。

3.如权利要求2所述的630℃耐热钢的熔炼方法，其特征在于，在所述EAF熔炼工序中，所述第一批石灰的加入方式是将40％质量份的所述第一批石灰铺垫在炉底，再将剩余60％质量份的所述第一批石灰置于所述废钢和生铁的中间。

4.如权利要求2所述的630℃耐热钢的熔炼方法，其特征在于，在所述EAF熔炼工序中，当金属液的脱碳量大于金属液总含碳量的0.3％后，使EAF倾斜30度进行流渣，当流渣量大于总渣量的90％时，停止流渣。

5.如权利要求2所述的630℃耐热钢的熔炼方法，其特征在于，在所述第一LF熔炼工序中，合金成分调整的顺序为先加入不易氧化、熔点高的合金块，再加入熔点低、易氧化的合金块。

6.如权利要求5所述的630℃耐热钢的熔炼方法，其特征在于，将所述合金块破碎为粒度小于10mm的合金块小颗粒。

7.如权利要求6所述的630℃耐热钢的熔炼方法，其特征在于，小颗粒所述合金块的加入方式是每隔至少5min加入不大于30kg的合金块。

8.如权利要求2所述的630℃耐热钢的熔炼方法，其特征在于，在所述第一LF熔炼工序中，所述氩气的吹入口若干个。

9.如权利要求2所述的630℃耐热钢的熔炼方法，其特征在于，在所述VOD熔炼工序中，所述碳脱氧的时间为15min～20min。

10.如权利要求2-9任一所述的630℃耐热钢的熔炼方法，其特征在于，采用氩气保护浇铸，在浇铸前30min向铸件的型腔中吹氩气，当所述型腔中的氧气浓度小于5％后即可进行浇铸。