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巨型鋼錠冶煉生產(chǎn)制造研究
作者：admin
發(fā)布時(shí)間：24-01-08
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核電轉(zhuǎn)子、核電核島鍛件、大型化工容器、超臨界火電機(jī)組及特大型支承輥鍛件所用的鋼錠越來越大，同時(shí)這些鍛件對鋼錠內(nèi)部的質(zhì)量也有極高的要求。從2009年開始二重已經(jīng)陸續(xù)生產(chǎn)出錠型500t 級(jí)以上的巨型鋼錠。其中650t 鋼錠用于CAP1400 轉(zhuǎn)軸鍛件的制造，質(zhì)量要求極為苛刻。
對于530～650t 巨型鋼錠的生產(chǎn)，冶煉、鍛造、熱處理等工序均屬于極限制造，難度和風(fēng)險(xiǎn)極大。本文從煉鋼工序的冶金輔具、耐火材料、原輔材料、生產(chǎn)組織、冶煉操作、工藝文件等方面闡述了巨型鋼錠的制造思路。巨型鋼錠的成功生產(chǎn)對公司新產(chǎn)品開發(fā)，占領(lǐng)大型鍛鋼件市場，具有重要的意義。
1 冶金輔具、耐火材料、原輔材料
1.1 冶金輔具
巨型鋼錠的錠型較大，各種冶金輔具的準(zhǔn)備周期較長，在使用過程中涉及的環(huán)節(jié)很多，因此需要提前準(zhǔn)備。尤其是鋼錠模、保溫帽、底盤等大型輔具的設(shè)計(jì)、采購等都要提前準(zhǔn)備。
1.1.1 鋼錠模設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)合理的鋼錠模形狀、高徑比、錐度、保溫帽形狀、底盤等冶金輔具，不僅可以保證較高的鋼錠模使用壽命，保證鋼錠內(nèi)部組織的致密度，提高內(nèi)部質(zhì)量，還能夠得到較高的鍛件利用率。前期對500t及以上鋼錠凝固過程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，對其溫度場和縮孔疏松進(jìn)行了分析預(yù)測，設(shè)計(jì)出了鋼錠的形狀與尺寸，特別是確定了影響鋼錠熱裂紋、疏松、縮孔及偏析形成的關(guān)鍵參數(shù)，如鋼錠的直徑與高度之比，鋼錠的錐度，錠模各部位的厚度，冒口錐度和高徑比，體積百分比，錠尾所占比例等。通過對比、模擬，成功設(shè)計(jì)出530～650 t 錠型鋼錠模，選擇二十四邊形，鋼錠的高徑比對鋼錠內(nèi)部的致密程度和宏觀偏析影響較大，故高徑比在0.9～1.3 之間。
1.1.2 保溫帽、底盤設(shè)計(jì)
由于巨型鋼錠的生產(chǎn)數(shù)量有限，為減少冶金附具存放數(shù)量和提高使用效率，在設(shè)計(jì)底盤和保溫帽時(shí)，考慮其通用性，將錠型的保溫帽和底盤設(shè)計(jì)為通用型。即設(shè)計(jì)1個(gè)保溫帽和1個(gè)底盤能同時(shí)澆鑄530～650t 的錠型，通過調(diào)節(jié)帽口的澆注高度來得到所需要的錠型。
鑒于二重?zé)掍摤F(xiàn)場的起吊設(shè)備和鋼錠本身重量，在鋼錠冒口部位設(shè)計(jì)了兩個(gè)吊耳，可在鋼錠脫掉保溫帽后，用鋼絲繩掛在吊耳上直接將鋼錠從鋼錠模中脫出。
1.1.3 中間包整體蓋板設(shè)計(jì)
精煉后的鋼液在鑄錠工序由精煉鋼包向中間包兌入的過程中，鋼流暴露在空氣當(dāng)中，鋼液發(fā)生二次氧化、吸氫、吸氮等，在一定程度上影響鋼液的純凈度。因此，為解決鋼液吸氣的問題，設(shè)計(jì)了整體式中間包蓋板。整體式中間包蓋板的使用，不僅減少了鋼液吸氣面積，避免了大量灰塵進(jìn)入中間包，降低了鋼液外來夾雜物的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)有效減少了鋼液對精煉鋼包的熱輻射。
1.2 耐火材料
巨型鋼錠的冶煉、澆注時(shí)間超長，鋼液對爐襯和水口沖刷劇烈，耐火材料侵蝕后進(jìn)入鋼液，不僅會(huì)增加鋼液的雜質(zhì)含量，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生漏鋼，帶來巨大的損失和災(zāi)難。所以對冶煉、澆注用到的耐火材料有更高的要求，必須質(zhì)量優(yōu)良且穩(wěn)定、使用效果好、壽命長，才能確保鋼液純凈度、產(chǎn)品質(zhì)量和安全生產(chǎn)。由此可看，生產(chǎn)巨型鋼錠必須全面加強(qiáng)所有耐火材料的質(zhì)量控制，特別是關(guān)鍵耐火材料的質(zhì)量控制，并且使用最好的耐火材料。
關(guān)鍵耐火材料主要指的是接觸鋼水的耐火材料，例如鋼包包襯工作層、中間包包襯、保溫帽包襯、水口等部位的耐火材料。生產(chǎn)上需要提前做好所有耐火材料特別是關(guān)鍵耐火材料的相關(guān)準(zhǔn)備工作，如采購、試用、檢驗(yàn)、倉儲(chǔ)、運(yùn)送等，以便確保鋼錠按預(yù)定時(shí)間投料。
1.3 原輔材料
原輔材料選擇的好壞，直接影響到鋼液的純凈度，影響鍛件的性能。以核電轉(zhuǎn)軸鍛件為例，其技術(shù)條件中對鍛件化學(xué)成分中的殘余有害元素沒有提出過嚴(yán)的要求，但對力學(xué)性能、無損檢測及金相組織等要求是極為苛刻的，所以必須嚴(yán)格控制鋼中有害元素S、P 及殘余元素Cu、As、Sn、Sb 等的含量，以提高鋼液的純凈度。S、P 元素可以在電爐和鋼包爐去除一部分，但要控制在較低水平還需要從原材料入手，而Cu、As、Sn、Sb 等殘余元素在冶煉過程中是不能去除的，其鋼液中含量的多少完全取決于原材料中帶入的含量。因此，在選用爐料時(shí)要求使用特優(yōu)生鐵、核電本體料、壓塊等低殘余元素的材料備料。由于外購的雜廢鋼存在質(zhì)量不穩(wěn)定、成分不明確、殘余有害元素含量高等問題，嚴(yán)重影響鋼液的純凈度，故禁止外購雜廢鋼和成分不明的廢鋼屑備料。
生產(chǎn)巨型鋼錠的所有鐵合金、爐料必須符合相關(guān)的技術(shù)要求，需有材料質(zhì)量證明卡，內(nèi)容齊全完備。所有原輔材料要標(biāo)識(shí)清楚，到達(dá)使用現(xiàn)場后由專人驗(yàn)收，不得混有雜質(zhì)及受潮，并分類存放，防止混料。對于嚴(yán)重粉化的石灰、混有泥料的螢石及粉末比例大的鐵合金，均不能使用。造渣用的石灰、螢石、脫氧劑等材料要求保持清潔干燥，不混入雜質(zhì)。
2 生產(chǎn)組織
以二重現(xiàn)有的冶煉設(shè)備能力情況，530～650t 巨型鋼錠生產(chǎn)過程中要?jiǎng)佑盟械囊睙挔t臺(tái)，包括兩臺(tái)電爐和3臺(tái)鋼包爐。需要多爐次冶煉成品鋼水、半成品過渡鋼水，最后多包合澆。由于動(dòng)用的設(shè)備多，生產(chǎn)涉及到的節(jié)點(diǎn)多，冶煉時(shí)間超長，所以生產(chǎn)組織、設(shè)備保障的難度極大。
2.1 設(shè)備檢查
設(shè)備完好是保證生產(chǎn)過程順利的關(guān)鍵，因此在投料生產(chǎn)前對所用設(shè)備及系統(tǒng)進(jìn)行仔細(xì)檢查、維修，確保設(shè)備的正常、安全運(yùn)行。如電爐設(shè)備的操作系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)，鋼包爐設(shè)備的吹氬系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、喂絲機(jī)，鑄錠設(shè)備的真空系統(tǒng)、鋼包滑動(dòng)機(jī)構(gòu)、吊具等設(shè)備，確認(rèn)設(shè)備能滿足生產(chǎn)后才能投料。諸多設(shè)備中重點(diǎn)檢查使用到的行車設(shè)備和臺(tái)車設(shè)備的運(yùn)行情況，因?yàn)樾熊囃旰?，才能使鋼包順利起吊、澆注、脫模熱送等。各爐臺(tái)臺(tái)車正常開動(dòng)，才能保證接鋼、兌鋼、出鋼等的通暢運(yùn)行。
2.2 保證體系
為保證巨型鋼錠生產(chǎn)的順利，必須統(tǒng)一思想和認(rèn)識(shí)，不僅要充分做好生產(chǎn)前的各項(xiàng)工作，還要在生產(chǎn)過程中聽從統(tǒng)一指揮，遇到問題不能多人指揮，必須統(tǒng)一由專人指揮，一切工作按程序、工藝和規(guī)章的要求進(jìn)行，任何個(gè)人和單位不得擅做主張。因此，需要制定詳細(xì)的安全組織保證體系和安全質(zhì)量保證體系。這兩個(gè)保證體系包括總指揮、總的安全、技術(shù)及設(shè)備負(fù)責(zé)人以及每個(gè)生產(chǎn)單元的負(fù)責(zé)人。參與生產(chǎn)的操作人員及技術(shù)人員都落實(shí)到人頭，明確職責(zé)，進(jìn)行統(tǒng)一管理。各生產(chǎn)單元必須嚴(yán)格執(zhí)行工藝，同時(shí)統(tǒng)一思想，做好銜接、默契配合，才能確保產(chǎn)品順利生產(chǎn)。
2.3 空包演練
巨型鋼錠的澆注是多包鋼水按順序澆入中間包，在時(shí)間控制、銜接上，并不像單包、雙包澆注那么簡單。各包澆注的時(shí)間間隔不能過長，要在短時(shí)間內(nèi)完成鋼包的移動(dòng)、對位、打開澆口。因此，在生產(chǎn)前應(yīng)先進(jìn)行多次空包演練，使操作者熟悉每臺(tái)行車、鋼包爐的起吊、移動(dòng)速度和等待澆注的最佳位置。演練過程中吊包、澆鋼、翻包等時(shí)間控制要按照預(yù)設(shè)時(shí)間進(jìn)行，只有這樣，才能順利完成實(shí)際澆鋼過程中的操作。
3 工藝文件
生產(chǎn)巨型鋼錠所涉及到的方方面面，在生產(chǎn)前必須充分考慮到其存在的風(fēng)險(xiǎn)。因此對于各環(huán)節(jié)的方案均應(yīng)反復(fù)論證，消除存在的各種潛在隱患，力爭將風(fēng)險(xiǎn)控制在最低點(diǎn)。并且在論證后形成指導(dǎo)性文件，以便在實(shí)際操作過程中有據(jù)可依。諸如冶煉方案、合澆方案、事故預(yù)案、脫模吊運(yùn)方案等文件都是論證后的技術(shù)文件。這里重點(diǎn)介紹冶煉方案、合澆方案、脫模吊運(yùn)方案。
3.1 合澆方案
在制定多包合澆方案時(shí)，不僅要考慮設(shè)備的承受能力風(fēng)險(xiǎn)，還要考慮生產(chǎn)成本的問題，因此需要合理控制冶煉時(shí)間，以便使生產(chǎn)安全、順利進(jìn)行，同時(shí)還能降低成本。鋼包的使用、臺(tái)車的使用順序、行車的吊運(yùn)順序都要根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際環(huán)境進(jìn)行論證、確定。
3.1.1 控制冶煉時(shí)間
由于各爐臺(tái)冶煉1 爐鋼所需的時(shí)間基本是固定的，因此可根據(jù)各種鋼水生產(chǎn)組織方案推算出生產(chǎn)巨型鋼錠所用的冶煉時(shí)間節(jié)點(diǎn)和總冶煉時(shí)間。綜合各方面因素，可優(yōu)先選擇總冶煉時(shí)間少的鋼水生產(chǎn)組織，既降低了生產(chǎn)成本，設(shè)備的安全性又有了保證。
3.1.2 臺(tái)車及行車使用安排
多包合澆時(shí)用到的行車有數(shù)臺(tái)，鋼包數(shù)個(gè)，如安排的臺(tái)車使用順序、吊包及澆注順序不合理，則會(huì)導(dǎo)致澆鋼現(xiàn)場混亂，行車運(yùn)行不通暢等情況，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成鋼水澆注斷流、鋼液粘包而導(dǎo)致鋼水澆不出等無法挽回的事故。因此，臺(tái)車及行車的使用順序安排尤為重要，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的真空坑位置、冶煉爐臺(tái)位置進(jìn)行論證、確定。
3.2 冶煉方案
鋼錠的純凈度和鋼錠內(nèi)部各元素的均勻性，大大影響著鍛件的理化性能。因此制定冶煉方案時(shí)，不僅要考慮鋼液的純凈度，還要考慮鋼錠的化學(xué)成分偏析。
3.2.1 控制鋼液純凈度
首先使用殘余有害元素含量低的原材料。其次在冶煉環(huán)節(jié)中，電爐需提供超低磷初水，鋼包爐采用真空碳脫氧、沉淀脫氧、擴(kuò)散脫氧等手段進(jìn)行深度脫氧，使?fàn)t渣保持良好的還原性和流動(dòng)性; 采用真空精煉進(jìn)行脫硫、脫氣; 采用惰性氣體攪拌鋼液以達(dá)到均勻鋼液化學(xué)成分，促進(jìn)夾雜物上浮的目的。最后在澆注環(huán)節(jié)中，保持冶金輔具清潔干燥，采用真空澆注方式進(jìn)行脫氣，同時(shí)澆注過程進(jìn)行惰性氣體保護(hù)鋼流，采用整體蓋板防止二次氧化，減少吸氣等。
3.2.2 控制鋼錠化學(xué)成分偏析
巨型鋼錠凝固時(shí)間長，鋼錠在凝固時(shí)由于選分結(jié)晶的作用會(huì)產(chǎn)生顯著的宏觀偏析，鋼中的C、Mn、V、Mo、S、P 等元素按鋼錠的凝固順序呈由低到高分布，特別是C、Mo 偏析更大。鋼錠越大，由于累積作用的產(chǎn)生，成分的不均勻性將更加顯著，這會(huì)嚴(yán)重影響鍛件性能的均勻性，無法達(dá)到技術(shù)條件的要求。由于鋼水在錠模中處于對流狀態(tài)，要控制成分偏析非常困難，因此只能在冶煉過程中精確控制各包鋼水的化學(xué)成分，使?jié)沧⒌侥?nèi)的鋼水的各化學(xué)成分呈合理的梯度分布，從而達(dá)到控制鋼錠化學(xué)成分偏析的目的。
3.2.3 控制澆注溫度
澆注溫度是鋼錠生產(chǎn)中極為重要的參數(shù)，為減少巨型鋼錠的偏析、疏松，防止錠身部位產(chǎn)生縮孔，保證鋼錠的順序凝固，就必須精確控制各包的澆注溫度。而澆注溫度受出鋼溫度、待令時(shí)間、鋼水量、冶煉時(shí)間和爐渣量等因素的影響，通過對鋼包包襯耐火材料、保溫層厚度、氬氣流量等的控制來控制鋼水溫度的變化，達(dá)到了對各包鋼水澆注溫度的精確控制。
3.3 脫模吊運(yùn)方案
巨型鋼錠的重量超大，脫模、吊運(yùn)及熱送都非常困難，危險(xiǎn)系數(shù)也大。因此對行車的負(fù)載能力，鋼絲繩的負(fù)載能力、使用數(shù)量，鋼錠重心位置、起吊位置，運(yùn)送臺(tái)車承重力等都需要經(jīng)過仔細(xì)的核算、論證，才能確定需要使用的行車、鋼絲繩的大小、使用數(shù)量，鋼錠位于運(yùn)送臺(tái)車位置等，才能確保在安全的情況下鋼錠脫模、吊運(yùn)及熱送一次性順利完成。
4 實(shí)施過程及結(jié)果
按照投料前制定好的工藝文件進(jìn)行操作，嚴(yán)格執(zhí)行，任何人不得隨意更改。注意冶煉質(zhì)量的控制，冶煉工藝分解到各工序，操作者必須熟知本工序的內(nèi)容，在生產(chǎn)過程中從嚴(yán)控制，以確保鋼錠的純凈度和產(chǎn)品質(zhì)量。
4.1 冶煉過程及結(jié)果
注意鋼水脫P(yáng)、脫O、脫S、控Si 及純凈度的控制，合金元素的精確調(diào)整，鋼水量的準(zhǔn)確掌握和出鋼溫度的準(zhǔn)確控制。表1 為部分530～650t 鋼錠的熔煉殘余有害元素控制水平。
圖1及表2為二重為某公司生產(chǎn)的轉(zhuǎn)子鍛件取樣位置圖及相應(yīng)試樣的化學(xué)成分含量。
4.2 澆注過程
按工藝制定的順序進(jìn)行出鋼、吊包，控制好各包的澆注溫度和澆注速度以及各包的銜接時(shí)間點(diǎn)。
4.3 脫模吊運(yùn)
專人指揮鋼錠的脫模吊運(yùn)，行車、臺(tái)梁、鋼絲繩掛好后才能起吊。鋼錠按預(yù)先畫好的位置放在運(yùn)送臺(tái)車上，將其運(yùn)至指定的位置。
5 結(jié)論
(1) 鋼錠模選擇二十四邊形、高徑比在0.9～1.3 之間，可得到內(nèi)部組織致密度良好的鋼錠。
(2) 選擇質(zhì)量優(yōu)良且穩(wěn)定、使用效果好、壽命長的耐火材料，可確保鋼液純凈度、產(chǎn)品質(zhì)量和安全生產(chǎn)。
(3) 選擇S、P、Cu、As、Sn、Sb 等殘余有害元素含量低的原材料，可使鋼液中的殘余有害元素控制到很低水平。
(4) 制定有效的安全組織保證體系和安全質(zhì)量保證體系，在生產(chǎn)過程中聽從統(tǒng)一指揮，可確保產(chǎn)品順利產(chǎn)出。
(5) 各環(huán)節(jié)的方案均應(yīng)反復(fù)論證，并且形成指導(dǎo)性文件，消除存在的各種潛在隱患，將風(fēng)險(xiǎn)控制在最低點(diǎn)。
(6) 通過對原材料、冶煉環(huán)節(jié)及鑄錠環(huán)節(jié)采取的各種措施，可使鋼錠的純凈度和鋼錠內(nèi)部各元素的均勻性得到有效的控制。
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