超大型鋼錠的冶煉生產

李金良

（中國第一重型機械股份公司天津重型裝備工程研究有限公司  天津  300457）

摘  要：中國一重通過多年開展超大型鋼錠的相關研究，已掌握生產超大型鋼錠的制造技術，現已成功生產多支500t級鋼錠，制造出的大型鍛件完全滿足產品技術要求。超大型鋼錠的成功生產，將極大促進我國能源裝備和冶金裝備的發展。

關鍵詞：超大型鋼錠；冶煉；鋼液純凈度

1 前言

中國第一重型機械股份公司(以下簡稱中國一重）多年來鍛件生產技術和經驗的不斷積累，逐步實現了多項重大技術突破，先后攻克了高純凈鋼水冶煉及鑄錠、特大型鋼錠中心壓實鍛造、超大截面鍛件的細化晶粒熱處理等諸多關鍵技術難關，已成功生產多支超大型鍛件產品，使我國的超大型鍛件的極限制造能力躍居世界前列，目前中國一重已成為全球最大的核島鍛件及常規島鍛件的供應商。本文主要介紹了大型鋼錠冶煉生產的關鍵制造技術，詳述了冶煉生產過程。

2 大型鋼錠冶煉技術

2.1 降低有害元素提高鋼液純凈度

大型鍛件用材料要求高的強度和塑性、優越的韌性、低的脆性轉變溫度，為此對鋼中有害元素要求如下表

　大型鍛件殘余元素要求 %

鋼液中[P]、[S]元素在電爐氧化階段和精煉還原期間可以有效去除，但其它有害元素以各種原料伴隨物的形式帶入鋼中，其含量很少，但是一般的氧化和還原操作不能有效去除，在鋼中的積累會有損鋼的性能。為此要對入爐鋼鐵料做好分類挑選、存放，減少污染，在電爐配料時選用優質生鐵，在精煉期間對加入的合金殘余元素要準確分析，防止污染鋼液。

2.2 真空碳脫氧方式冶煉

真空碳脫氧精煉方式是一種有效的提高鋼液純凈度的工藝方法[1]，這種工藝方式關鍵在于低Si、低Al冶煉以及合理的脫氧方式。通過控制主要脫氧元素Si、Al含量，使得鋼液在真空條件下發生劇烈C、O反應，從而進一步降低大型鋼錠中的氧化物夾雜和氣體含量，使鋼水達到高純凈化。此外，采用低Si冶煉方法，可以減少鋼錠后期凝固過程中的偏析。

2.3 多包差異化成分設計

中國一重在生產大型鋼錠前期，通過模擬計算設計了多包差異化成分，并與大鋼錠解剖結果對比，化學成分偏析控制的較好。在此基礎上優化大型鋼錠鋼錠澆注MP工藝。多包差異化成分設計，對于進一步研究和改善鋼錠凝固過程中的宏觀偏析具有深遠意義。

2.4 優質耐火材料的開發和應用

大型鋼錠澆注時間長，澆注過程中對中間包水口、芯桿、導流管等耐材沖刷和侵蝕嚴重，特別是中間包水口如不能滿足長時間澆注要求，不僅澆注結束后擴徑明顯，改變澆注速度，甚至在澆注過程中會出現裂紋，出現澆注事故。為此，一重和耐材生產企業經過多次試驗，開發出能適用大鋼錠澆注的中間包用水口。

鋼液進入真空室后起到集流、限流作用的導流管，也是影響大鋼錠澆注的重要環節，導流管是由導流管磚之間靠子母口和泥料黏結，外部充填砂子固定，在大鋼錠澆注時由于過鋼量的增加，導流管磚有時會出現裂紋，導致鋼液進入導流管內部，最終使導流管磚損壞進入錠模中引起鋼錠報廢。為解決上述問題，一重與耐火材料廠家開發出石墨質整體導流管，不僅耐沖刷，且在澆注過程中導流管不易“結瘤”,能很好滿足真空澆注大鋼錠。

為了增加帽口的保溫效果，開發一種新的高效保溫材料，此材料貼放在帽口鐵殼內壁，延緩帽口鋼液凝固時間，增加鋼錠冒口補縮效果。

2.5 異形中間包控流技術

隨著冶煉和爐外精煉技術的發展，鋼水成分控制精度和有害元素控制水平均有大幅度地提高。但對于超大鋼錠，在澆注過程中，因鋼包至中間包注流發生的二次氧化、爐渣和耐火材料的卷入引起的外來夾雜物如不能在中間包內有效地排除就成為影響大鍛件質量的關鍵。

中國一重與重慶大學合作開發的異形中間包，包內設有擋墻、擋壩，中間包的注流區距中間包水口較遠，鋼液在中間包內停留時間比原有圓形中間包提高約一倍，由于鋼液在中間包內停留時間變長，因此夾雜物有充分時間可以上浮，大于50μm夾雜物排除能力從73%提高到96%。

采用異形中間包澆注了8支600t級以上鋼錠，用于制造百萬低壓轉子，產品最終UT檢測鈞未發現Φ1.6以上缺陷。

2.6 鋼錠模參數對鋼錠質量的影響

合理錠模參數設計，可以使夾雜物易于上浮、氣體易于外逸；可以使鋼錠充分地實現自下而上的順序凝固，利于補縮并減少疏松，從而鋼錠中心致密。通過計算模擬，一重設計的大鋼錠錐度8%~10%，高徑比0.9-1.4，冒口占比20%左右。澆注結束后，先加入發熱劑，火焰燃燒熄滅后再加保溫劑覆蓋，以使鋼錠能夠充分補縮。

3 大型鋼錠的冶煉生產

3.1 備料準備

在大鋼錠前期爐料準備過程中，有專人負責，分工明確，對準備的重廢鋼，做到了全程跟蹤化驗，確保所備爐料成分的準確性。鋼鐵料中的返回廢鋼和鋼屑占比大于70%，不僅回收了Ni、Mo，而且Cu、As、Sn、Sb等殘余元素得到有效控制。

鋼鐵料在滿足成分要求的同時，對總重量也要嚴格控制，如入爐鋼鐵料過多，不僅浪費原料，也給精煉工序增加負擔，而且在澆注結束后，冒口液面高于規定值時，會減少發熱劑和保溫劑的加入空間，導致鋼錠補縮效果變差。為此規定澆注高度不允許高于規定值200mm.

3.2 電爐冶煉

由于配料到位，大型鋼錠在電爐冶煉過程都比較順利，冶煉時間、熔清成分及出鋼成分都非常理想。各爐臺間出鋼時間緊揍，冶煉時間短，熔清[P]≤0.005%，[S]≤0.008%，出鋼[C]控制均滿足工藝要求，給精煉爐順利操作打下了良好的基礎。

3.3 精煉爐冶煉

為了保證精煉鋼水質量，在大鋼錠生產前要進行多次工藝交底，明確工藝控制要點，實際生產中各包成分控制都滿足工藝要求，MP工藝要求各成份都達到目標要求，爐渣堿度、黏度時時關注，大型鋼錠的精煉過程也能完全按計劃進行，出鋼過程緊湊。

3.4 鑄錠操作

3.4.1澆前準備

大型鋼錠的冶煉生產組織，鑄錠工序是一個難點。從鋼包準備、附具準備、澆注過程方案的制定、脫模、切割水冒口及熱送等工作，都有精準要求。澆注過程使用澆注跨上層的3輛350t天車，澆注順序及天車、液壓站、引流罐、渣罐的布置與安排都需提前制定計劃，并在正式生產前進行演練。

3.4.2澆注

合理分配澆注跨天車與各精煉包的出鋼順序，使得澆注順暢進行，翻包及時。解決液壓站與各精煉包匹配問題，保證澆注雙包銜接時間小于2min。在澆注過程中關注中間包液面，及時補加中間包覆蓋劑，防止鋼液的二次氧化，澆注結束后關閉芯桿，防止中間包覆蓋劑進入鋼錠模內。

3.4.3脫模熱送

一重在大型鋼錠脫模時，采用兩臺350t天車，利用抬梁和專用吊鉗進行脫模操作。通常600t以上鋼錠，在兩臺天車配合吊運至切割臺旁，進行水冒口切割后，鋼錠再熱送到水鍛分廠進行鍛造　

4 結論

中國一重在超大型鋼錠的制造中掌握了諸多核心技術，為我國在超大型鋼錠的制造領域積累了寶貴的經驗。原材料的清潔、真空碳脫氧冶煉方式、成分的差異化控制、耐火材料的選擇、中間包和冶金附具的合理設計等是大鋼錠制造的關鍵技術。此外，生產過程中的質量控制措施及合理的澆注物流規劃是生產實踐成功的保證。超大型鋼錠的制造中還存在著一些需要冶金和材料領域的科技工作者深入研究的地方，這對于進一步提升超大鋼錠的質量具有深遠的意義。

參考文獻

[1] 康大韜,葉國斌. 大型鍛件材料及熱處理. 北京:龍門書局出版社,1998,385.