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AOD法冶煉護環(huán)用奧氏體不銹鋼1Mn18Cr18N

來源:威海環(huán)宇化工機械有限公司   2025年04月14日 10:36  

 近年來,國內(nèi)汽輪發(fā)電機行業(yè)飛速發(fā)展,汽輪發(fā)電機組用鋼量也顯著增加。護環(huán)是發(fā)電機組設(shè)備中重要的部件之一,是汽輪機組中承受應(yīng)力最高的部件。護環(huán)鋼對抗應(yīng)力腐蝕、力學(xué)性能等要求較高,傳統(tǒng)材料大多采用50Mn18Cr4N50Mn18Cr4WN系列鋼,但這些材料在服役過程中抗應(yīng)力腐蝕能力較差。20世紀80年代中后期開始,國內(nèi)開始引進使用1Mn18Cr18N 護環(huán)鋼,并逐步取代傳統(tǒng)的50Mn18Cr4N 50Mn18Cr4WN 系列護環(huán)鋼。1Mn18Cr18N鋼的Mn、Cr、N含量高,碳含量低,低C和高Cr可以提高鋼的耐腐蝕性能,高Mn可以保證順磁性,高氮可以確保強度滿足要求,同時得到穩(wěn)定的奧氏體。      傳統(tǒng)冶煉1Mn18Cr18N鋼通常使用VOD工藝進行冶煉,范春玲、王少波等對VOD冶煉工藝進行了研究。然而,VOD工藝是在真空狀態(tài)下進行,底吹氮氣回收率較低,需要使用含氮合金(氮化鉻、氮化錳等)進行氮合金化,導(dǎo)致冶煉時間長,且對C、CrMn元素成分調(diào)整有一定干擾,使得成分精準控制變得更為困難。AOD精煉是在常壓下進行,通過使用AOD爐底部氧槍大流量吹入氮氣,能夠快速實現(xiàn)氮氣的合金化,不僅可以縮短冶煉時間,提高生產(chǎn)效率,還可以避免C、N、Cr、Mn之間成分調(diào)整的相互干擾,從而實現(xiàn)成分精準控制。      通過對該材料的分析研究,并結(jié)合前期的生產(chǎn)經(jīng)驗,成功地開發(fā)了AOD法冶煉1Mn18Cr18N護環(huán)鋼的工藝,并用氮氣合金化取代了含氮合金,提高生產(chǎn)效率的同時,實現(xiàn)了成分的穩(wěn)定控制。1鋼中氮的溶解度熱力學(xué)計算      在相同的力學(xué)性能指標下,提高鋼中氮含量就可以相應(yīng)地降低碳含量,從而進一步提高抗晶間腐蝕能力,最終提高鋼材壽命,鋼水吸氮反應(yīng)如下:      式(1)的平衡常數(shù)如下:    式中:KN 是鋼水中氮的平衡常數(shù);αN 是鋼水中氮的活度;PN2 N2平衡分壓,PaPθ是標準大氣壓,Pa;fN是氮的活度系數(shù);[N ]是氮在鋼水中的飽和溶解度;    根據(jù)ChipmanAnson等研究結(jié)果可知:

    由式(1)、式(2)、式(3)可得:

    wagner 模型以及查閱文獻可以得到標準大氣壓下氮的活度系數(shù)公式:    式中:[C]、[Cr]、[ Mn]、[ Mo]、[ Ni]、[ P]、[ Si]、[ S] 分別為鋼水中C、Cr、MnMo、Ni、P、SiS的質(zhì)量分數(shù);1Mn18Cr18N 50Mn18Cr4N 鋼化學(xué)成分見表1,根據(jù)式(4)和式(5),氮分壓為0.1 MPa條件下,計算出平衡氮質(zhì)量分數(shù)隨溫度變化關(guān)系,如圖1所示。   隨著鋼水溫度的降低,兩種鋼水平衡氮質(zhì)量分數(shù)都不斷上升,但1Mn18Cr18N鋼變化幅度比50Mn18Cr4N鋼更大。    根據(jù)式(4)和式(5),在1600℃和氮分壓為0.1 MPa 條件下,可計算出1Mn18Cr18N 鋼中Cr Mn含量對氮的溶解度關(guān)系,如圖2所示。隨著Cr、Mn 含量的提高,鋼水平衡氮質(zhì)量分數(shù)不斷增加,19.5%Cr-20%Mn 合金體系中平衡氮質(zhì)量分數(shù)可達0.94%。這主要是由于Cr、Mn元素與氮的親和力較強,降低了鋼水中氮的活度,提高鋼水中氮的溶解度。     通過對1Mn18Cr18N鋼中氮的溶解度熱力學(xué)計算可知:隨著鋼水溫度的降低,1Mn18Cr18N鋼中氮的溶解度增加;在1600℃時,1Mn18Cr18N 鋼中平衡氮質(zhì)量分數(shù)可達0.94%。基于這兩方面,冶煉1Mn18Cr18N鋼具備氮氣合金化的條件。2冶煉生產(chǎn)工藝2. 1 電弧爐、感應(yīng)爐粗煉鋼水    根據(jù)設(shè)備及模鑄能力,設(shè)計工藝路線為:20t非真空感應(yīng)爐+20t 電弧爐→AODLF→模鑄鋼錠。    1Mn18Cr18N 鋼合金元素占比為40%,根據(jù)鐵合金品位推算出感應(yīng)爐配低鈦高鉻4.5 t,所需電弧爐粗煉鋼水量為12 t,電弧爐裝料量為14 t。為盡可能地降低1Mn18Cr18N 鋼最終的磷含量,控制電弧爐出鋼磷含量≤0.005%。電弧爐出完鋼后將鋼包吊至感應(yīng)爐,感應(yīng)爐進行出鋼操作,感應(yīng)爐鋼水進入鋼包氬氣攪拌后取樣分析成分(見表2),并將鋼水轉(zhuǎn)移至AOD爐精煉。2. 2 AOD爐精煉     AOD 爐精煉的基本原理是降碳保鉻,整個冶煉過程分為氧化期和還原期。由于Mn 還原性較Cr強,且Mn的飽和蒸氣壓較大,為防止鋼水中Mn元素在吹氧脫碳過程中的大量揮發(fā),AOD 氧化前期不調(diào)整Mn元素。氧化期加入石灰造渣,取樣C0.02% 后再調(diào)整Mn 元素。加入金屬Mn 會導(dǎo)致鋼水溫度降低,為提高鋼水溫度,采用金屬Mn和鋁粒同時加入,并保持吹氧,鋁粒氧化放熱提高鋼水溫度。每批加入1t 金屬Mn、100kg 鋁粒,共計加入4批。    合金化后切換還原期,加入脫氧劑硅鐵、鋁粒進行還原,還原過程使用氮氣攪拌增氮,還原后出鋼。試生產(chǎn)2爐,AOD增氮過程中取樣分析氮含量,得到鋼水中平均氮含量變化與時間的關(guān)系,如圖3所示。在吹氮27 min 后,鋼水中氮含量達到0.547%,氮的溶解度趨于飽和。

2. 3 LF精煉     AOD精煉結(jié)束出鋼后,進LF爐進行成分精調(diào),過程中使用底吹氮氣攪拌,并根據(jù)鋼水氮含量補加含氮鉻鐵或含氮錳鐵合金。根據(jù)氮的溶解度熱力學(xué)計算可知,氮的溶解度隨著溫度的降低而增加,結(jié)合鋼水液相線,控制精煉溫度在1480~1520 ℃,提高氮的溶解度。試生產(chǎn)2爐,LF精煉過程平均氮含量如圖4所示,2LF初始樣平均氮含量0.628%,隨后,使用含氮鉻鐵或錳鐵合金少量多批加入,增氮至0.67%,合金增氮平均回收率為76%,成品平均氮含量為0.68%。雖與理論計算值有差異,但成品氮含量均在成分要求范圍內(nèi)。

    按照設(shè)計工藝完成了21Mn18Cr18N鋼的冶煉,成分控制穩(wěn)定,進AOD爐前和成品成分見表2,成分和質(zhì)量滿足工藝要求。3

結(jié)論(1)通過對1Mn18Cr18N鋼中氮的溶解度進行熱力學(xué)計算,冶煉1Mn18Cr18N鋼具備氮氣合金化的條件,并成功采用AOD法冶煉1Mn18Cr18N護環(huán)鋼,實現(xiàn)了氮氣合金化,縮短了冶煉時間,成分控制穩(wěn)定。(2LF爐精煉過程除了Cr、Mn元素對氮的溶解度有顯著影響外,精煉溫度對氮的溶解度影響也較大,加入含氮合金,氮的平均回收率為76%。(3)采用AOD底吹氮氣合金化,1Mn18Cr18N鋼中氮含量僅能達到0.547%左右,通過LF精煉氮含量可達0.68%,滿足工藝控制要求。


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