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超低碳馬氏體不銹鋼冶煉工藝研究

文檔作者：祁一星1,2 杜旋1,2 劉琦1,2 謝全勝1,2 危亞軍1,2 薛良良1,2 文檔來源： 1 中信重工機械股份有限公司 2 河南省大型鑄鍛件工程技術(shù)研究中心		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年01月27日
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特鋼技術(shù)第22卷第1 期
前言
轉(zhuǎn)輪是水輪機最關(guān)鍵的部件之一，它的質(zhì)量直
接影響水輪機機組的效率和使用壽命。
00Cr13Ni5Mo 超低碳馬氏體不銹鋼其化學(xué)成分見表
1，該材質(zhì)要求具有良好的強度、韌性、抗蝕性以及
抗泥沙磨損性能，其力學(xué)性能要求應(yīng)符合表2 中
規(guī)定。
國內(nèi)外生產(chǎn)廠家制造超低碳不銹鋼主要采用
電弧爐+精煉（AOD、VOD、LF 等）的生產(chǎn)方式進(jìn)行生
產(chǎn)，其中采用VOD 冶煉超低碳不銹鋼，已經(jīng)成為不
銹鋼精煉的主導(dǎo)技術(shù)。VOD 真空吹氧脫碳法是一
種采用水冷拉瓦爾氧槍在真空條件下頂吹氧氣，通
過控制真空度，降低CO 分壓進(jìn)行脫碳的爐外精煉
法，可以在鉻幾乎不被氧化的情況下脫碳，是冶煉
超低碳不銹鋼的理想方法[1]。
1 冶煉工藝流程
DOI:10.16683/J.CNKI.ISSN1674-0971.2016.1008
超低碳馬氏體不銹鋼冶煉工藝研究
祁一星1,2，杜旋1,2，劉琦1,2，謝全勝1,2，危亞軍1,2，薛良良1,2
（1 中信重工機械股份有限公司，洛陽471003; 2 河南省大型鑄鍛件工程技術(shù)研究中心,洛陽471003）
摘要：利用VOD 精煉爐脫碳冶煉00Cr13Ni5Mo 超低碳馬氏體不銹鋼。通過合理控制鋼水溫度、真空度、
供氧強度、氧槍高度、吹氬強度等參數(shù)冶煉產(chǎn)品終點C 含量為0.02%，鉻元素的收得率高達(dá)96%，“脫碳保鉻”效
果明顯。并且產(chǎn)品的各項性能均滿足技術(shù)要求。
關(guān)鍵詞：超低碳；馬氏體不銹鋼；VOD精煉
中圖分類號：TF764+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-0971（2016）01-034-02
Research on Smelting Process of Ultra-low Carbon
Martensitic Stainless Steel
Qi Yixing1,2，Du Xuan1,2，Liu Qi1,2，Xie Quansheng1,2，Wei Yajun1,2，Xue Liangliang1,2
(1 CITIC Heavy Industries Co.,Ltd，Luoyang 471003; 2 Henan Engineering ResearchCenter for
Heavy Castings and Forgings，Luoyang 471003) Abstract:The 00Cr13Ni5Mo ultra low-carbon martensitic stainless steel was decarburized and refined by VOD.
The results showed that the carbon content of finished products was 0.02%, and the Cr recovery ratio reached 96% by
controlling the molten steel temperature, vacuum degree, oxygen supplying intensity, the height of oxygen lance, and ar?
gon blowing intensity. The effect of retaining Cr and decreasing C was obvious.And all performance indicators met the
relevant technical requirements.
Keywords: ultra-low carbon, martensitic stainless steel, VOD refining
C
≤
0.03
Si
≤
1.00
Mn
≤
1.00
P
≤
0.030
S
≤
0.025
Cr
11.5~
13.5
Ni
4.0~
5.5
Mo
0.40~
1.00
Cu
≤
0.50
W
≤
0.50
V
≤
0.03
表1 00Cr13Ni5Mo鋼化學(xué)成分/%
Table 1 Chemical composition of 00Cr13Ni5Mo steel /%
Table 2 Mechanical properties of 00Cr13Ni5Mo steel
表2 00Cr13Ni5Mo鋼機械性能
σs /MPa
≥750
σb /MPa
≥850
Δ /%
≥16
Ψ /%
≥50
Akv /J
≥60
硬度
221～330
收件日期：2015-11-28
作者簡介：祁一星（1987-），工程師，主要從事特鋼冶煉澆注技術(shù)。
注：Cu、W、V 為殘余元素，殘余元素總量≤0.80%
· 34 ·
第22卷第1 期
為冶煉低硫、低磷不銹鋼，采用電爐冶煉脫磷，
留鋼留渣出鋼，在LF 精煉爐進(jìn)行脫硫操作，并調(diào)整
所有合金成分達(dá)到VOD 吹煉要求，然后倒入VOD
專用無碳鋼包進(jìn)行VOD 操作，VOD 結(jié)束之后進(jìn)行
脫氧操作及成分和溫度微調(diào)，最后進(jìn)行真空澆注。
工藝流程圖如下：
圖1 生產(chǎn)工藝流程
Fig.1 Flow diagram of the production process
2 工藝參數(shù)的確定
2.1 Cr成分確定
轉(zhuǎn)輪鋼Cr 成分要求12.0% ～13.5% ，考慮到
VOD 結(jié)束后Cr 的燒損量，因而將VOD 前的Cr 控制
在12.5～13.0%。
2.2 C成分確定
根據(jù)D.C.Hilty 提出的[Cr]、[C]、T、PCO關(guān)系式[2]
lg(
[%Cr] pco
[%C] )= 13800
T +8.76
考慮到最終要求[C]≤0.02%，為了保證VOD 結(jié)
束后鋼水溫度在1680℃左右，直接進(jìn)行化渣脫氧、
微調(diào)成分過程不采用電加熱，避免電極加熱增碳。
2.3 VOD 工藝參數(shù)的確定
2.3.1 吹煉真空度的確定
VOD 吹氧脫碳過程中的碳氧反應(yīng)冶金的熱力
學(xué)規(guī)律[2]，[C]+[O]=CO↑。上式的平衡常數(shù)為：
lgK=lg(
pco
a[c]a[o]
)=- 1160
T +2.003
式中K—鋼液碳氧反應(yīng)的平衡常數(shù)；a[C]、a[O]—鋼
液中C、O 的活度/%；PCO—真空中CO 的分壓/%；T—
鋼液絕對溫度/K。
根據(jù)公式我們可以看出：PCO通過抽真空降到很
低，[O]與[C]的反應(yīng)能力隨真空度的提高而提高，考
慮到真空吹氧過程中的噴濺問題，吹氧過程真空度
需要控制在合理的范圍之內(nèi)。VOD 開始吹煉的真
空度要求為50～100 乇。停氧后提高至1 乇，利用
高真空度的條件進(jìn)一步降低鋼液中C 含量，即真空
碳脫氧過程（VCD）。
2.3.2 VOD前溫度的確定
VOD 開吹溫度的確定原則是在保證吹煉終點
碳在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，與之平衡溫度主要靠C、Si 與O
反應(yīng)放熱來完成，這樣才能使VOD 過程中Cr 的氧化
較少。
根據(jù)計算，在不考慮熱損的情況下每氧化1%
的Cr 可使鋼液升溫113℃，每氧化1%的C 可使鋼液
升溫118℃，每氧化1%的Si 可使鋼液升溫347℃[3]。
將[Cr]=12.0%、PCO=75 乇、[ C]=0.02%代入式(1)，
計算出的溫度T=1704℃，而吹煉過程的降碳量為
0.40%，脫硅量為0.20%，C、O 反應(yīng)可提供的溫度為：
118×0.4 =47.2 (℃)，取50℃；Si、O 反應(yīng)可提供的溫
度為：347×0.2 =69.4(℃)，取70℃，這樣確定VOD 之
前的溫度T=1704-50-70=1584℃，VOD 開始吹煉前
溫度確定為1580-1590℃。
2.3.3 造渣與還原
VOD 結(jié)束后鋼液中[O]含量較高，此時可提高真
空度至1 乇，使過剩的氧與鋼液中的碳相互作用，進(jìn)
一步降低C，同時降低鋼中[O]含量，此時主要發(fā)生的
反應(yīng)是：[O]+[C]= [CO]，反應(yīng)所需的熱力學(xué)及動力學(xué)
條件均有利于[C]、[O]反應(yīng)的進(jìn)行。最后在真空狀態(tài)
下加入造渣材料及鋁粒、硅鐵等還原劑。
3 生產(chǎn)實踐及冶金效果
3.1 生產(chǎn)實踐
冶煉各工序化學(xué)成分見表3 所示，VOD 吹煉參
數(shù)見表4 所示。
（下轉(zhuǎn)第49頁）
祁一星 杜旋 劉琦 謝全勝 危亞軍 薛良良:超低碳馬氏體不銹鋼冶煉工藝研究 · 35 ·
第22卷第1 期
雜、形態(tài)各異、要求千差萬別的檢測對象，因而只能
通過選擇不同的無損檢測方法適應(yīng)檢測對象。
（2）無損檢測是比較測量技術(shù)，因此無損檢測儀
器不能被當(dāng)成計量器具。檢測儀器，不能告訴我們哪
個是傷，是什么性質(zhì)、什么形狀的傷，即使是最高級的
超聲測厚儀器，如果它的測量和幾十元一把的卡尺測
量不一致的話，也只能相信卡尺的，因為也許是由于
工件的聲速和標(biāo)定試塊不完全一致造成的。
（3）無損檢測技術(shù)研究工作基本上是應(yīng)用研究
或應(yīng)用基礎(chǔ)研究，隨著新材料、新工藝、新技術(shù)的涌
現(xiàn)，無損評價的對象越來越復(fù)雜多樣，為了應(yīng)對層
出不窮的需求，研究開辟綜合利用多種無損檢測技
術(shù)的新途徑。
參考文獻(xiàn)
[1] 張俊哲.無損檢測技術(shù)及其應(yīng)用（第2 版）[M].北京：科學(xué)
出版社，2013.12
（上接第46 頁） 回收率在0.90%～1.11%。
3 結(jié)語
通過以上論述，解決了電感耦合等離子體原子發(fā)
射光譜法測定GC200合金中低含量的Nb、Al、Ti、V等
待測元素所面臨的干擾問題, 并且提出較好的解決方
法,基本上消除了干擾,提高了待測元素測定的準(zhǔn)確性,
建立的分析方法操作簡單,精密度好，準(zhǔn)確度高。此方
法可以推廣到12Cr10Co3W2MoNiVNbNE、30CrSiMoV、
10705MBU 等中低合金、葉片鋼中Nb、Al、Ti、V 等的
測定。
參考文獻(xiàn)
[1] 辛仁軒. 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法[M].北京：
化學(xué)工業(yè)出版社，2004.8
[2] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家
標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. 鋼鐵及合金分析方法
GB223.6-1994 [S]，2014
[3] 郭德濟(jì).光譜分析法[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，1990.
[4] 張光，高霞. ICP-AES 法同時測定低合金鋼中鋯和鈮[J].
冶金分析，2004.24（1）
由表3 可知：VOD 過程鉻的收得率為96%，脫碳
保鉻效果較好；經(jīng)過進(jìn)一步脫氧后鉻的收得率達(dá)到
99%，認(rèn)為VOD 前Cr 含量控制在12.5%～13.0%較
為合理，且成品鉻含量滿足工藝要求。由表4 可知，
鋼水溫度、真空度、供氧強度、氧槍高度、吹氬強度
等冶煉過程關(guān)鍵工藝參數(shù)控制合理，確保鋼水終點
碳含量≤0.03%，達(dá)到了脫碳保鉻的效果。
3.2 冶金效果
超低碳不銹鋼轉(zhuǎn)輪鍛件如圖2 所示，鍛件經(jīng)超
聲波檢驗滿足JB4730-2005 要求，機械性能試驗及
硬度檢驗全部合格，檢驗結(jié)果分別見表5 中所示。
參考文獻(xiàn)
[1] 張鑒. 爐外精煉的理論與實踐[M]. 北京：冶金工業(yè)出版
社，1993: 355
[2] 徐匡迪. 不銹鋼精煉[M]. 上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社.
1985: 43-46
[3] 馬廷溫，李士琦，韓華. VOD 精煉工藝的研究[J]. 北京鋼
鐵學(xué)院學(xué)報. 1986：15
冶煉
工序
電爐
VOD 前
VOD 后
澆注前
C
0.05
0.41
0.01
0.02
Si
—
0.33
0.09
0.37
Mn
0.06
0.77
0.32
0.87
P
0.003
0.018
0.016
0.017
S
0.013
0.003
0.004
0.005
Cr
0.11
12.50
12.02
12.42
Ni
0.14
4.50
4.78
4.33
Mo
0.10
0.62
0.63
0.60
Cu
0.07
0.07
0.07
0.07
W
0.01
0.05
0.04
0.04
V
0.01
0.03
0.03
0.03
表3 冶煉各工序化學(xué)成分/%
Table 3 Chemical composition of the various procedures /%
真空度
/kPa
11-15
吹氧
槍位/
mm
1000
氬氣
流量L
/min
60
氧氣
流量
/Nm3/h
400～600
開吹
溫度
/℃
1586
吹氧
時間
/min
30
高真空
保持時
間/min
10
破空
溫度
/℃
1674
表4 VOD 精煉主要參數(shù)
Table 4 Main parameters of VOD refining
!2 "#$%&amp;amp;'()
Fig.2??The??forging??of??ult-rlaow??carbon??stainless??steel
圖2 超低碳不銹鋼轉(zhuǎn)輪鍛件
Fig.2 Ultra-low carbon stainless steel forgings
生產(chǎn)
編號
114-9
σs /
MPa
829
σb /
MPa
970
Δ /%
18.5
Ψ /%
70
Akv /J
143
硬度
（HB）
268
Table 5 The detection results of the ultra-low carbon
stainless steel
表5 超低碳不銹鋼性能檢測結(jié)果
（上接第35 頁）
鄺素軍：談企業(yè)中的無損檢測技術(shù) · 49 ·

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