技术领域
[0001] 本
发明涉及高氮钢领域，主要是一种氮含量高于0.6wt％且分布均匀的发
电机护环钢钢锭的生产方法(钢锭规格为φ660～800mm，重量高于5吨)。
背景技术
[0002] 护环是汽轮发电机最关键的部件，也是受
力最大的部件。在发电机以额定速度运转时，护环所承受的负荷是屈服极限的2/3。当机组较大时，护环的受力也因为多种原因而随之增大。由于其所起的作用及受力状态决定了护环必须有超高的强度、良好的塑韧性、无
磁性及优秀的抗
应力腐蚀的能力。因此人们开发出了奥氏体18Mn-18Cr-N型护环材料，目前已在200MW以上大型及超大型发电机护环上广泛使用。通过实际运用和分析发现，18Mn-18Cr-N
型材料的强度等级决定了发电机机组的容量，而钢中氮含量是影响强度等级的一个最关键的因素。目前，广泛使用的18Mn-18Cr-N型钢的氮含量小于0.6wt％，主要用于200MW的
发电机组，随着大容量发电机组的开发，对氮含量高于0.6wt％的18Mn-18Cr-N型钢的需求也越来越大，而在规格上也趋于直径越来越大的趋势，目前国内也仅依靠进口(国外主要靠
增压电渣
重熔设备生产)，因此开发大规格(φ650～800mm)且氮含量高于
0.6wt％的18Mn-18Cr-N型高氮钢护环，对于发电行业来说，已经迫在眉睫。
[0003] 为了得到高的氮含量，国内外厂家主要采用的方法有(邓林涛、刘志颖等，“提高18Mn-18Cr-N型护环钢中氮含量及收得率的研究”.大型铸锻件2002年No.3：5～9)：前苏联采用开式
感应炉法、
真空电弧重熔法、
等离子体电弧重熔法等等；日本采用加压感应电炉法、电炉结合真空
氧脱
碳和
电渣重熔法(EF-VOD-ESR)；欧洲采用加压电渣重熔法(PESR)；
中国厂家采用电炉双联加电渣重熔法(EF-EF-ESR)。
[0004] 从效果看欧洲的加压电渣重熔法制备的18Mn-18Cr-N型护环钢的氮含量最高，可以达到1.2wt％。不过，就增(加)压电渣重熔工艺制备高氮钢而言，需要投入昂贵的专用设备和专有技术，生产成本比较高，而且采用增压
冶炼高氮钢，由于其动力学条件也比较复杂，氮在钢锭中的分布不容易控制。中国厂家在大规格在引进日本技术的
基础上，采用10吨电炉双炉混炼、氮气保护浇注，然后再通过电渣重熔法生产的钢锭，生产的钢锭氮含量也能在0.6wt％以上，但不能保证氮在钢锭中分布均匀，硫、磷的含量都比较高([S]＞
0.005，[P]＞0.020)，因此也未能进入大生产。上海重型机器厂曾利用电渣重熔进行了
18Mn-18Cr-N型高氮钢护环的研究。氮含量可以控制在0.6wt％以上，锭型可达Φ900，重量达到8吨。不过其用来电渣的
电极棒是通过保加利亚感应炉熔炼通过反压浇铸而成(该工艺技术可以使氮含量高达0.9mass％)，在成本上也是非常巨大，需要投入反压浇铸设备，且由于涉及到高压，因此目前在国内对于氮在0.6wt％以上的大型钢锭的生产也未进行。在国内，大钢锭的尺寸可达Φ900，但氮含量都低于0.6wt％。存在的问题是钢锭尺寸比较大时，一方面浇注电极棒过程中氮容易析出，形成孔洞，使得电极棒在后续的电渣工序中容易产生掉
块造成生产的钢锭
质量不佳；另一方面，在电渣过程中由于电极截面
电流分布关系，电渣熔池的
温度分布也不均匀，造成氮含量也不容易控制。
[0005] 综上所述，目前常规高氮(氮含量低于0.6wt％)护环钢的生产方法尚不能满足氮含量介于0.6～0.7wt％范围的大规格高氮护环钢组织和性能要求，而一些特别设备仍然处于实验室应用阶段或者需要昂贵的设备投资，因此迫切需要探寻一种生产成本低、工序不复杂且不需要昂贵设备投资的冶炼方法，使得氮含量介于0.6～0.7wt％范围的大规格高氮护环钢。
发明内容
[0006] 本发明的目的是提出一种生产大规格(Φ660～800mm，重量高于5吨)高氮护环钢钢锭的方法，满足其氮含量高于0.6wt％且在钢锭中分布均匀(钢锭头部和尾部)|[N]头-[N]尾|≤0.05wt％。
[0007] 为达到上述目的，本发明的技术方案是：
[0008] 本发明生产大规格(Φ660～800mm)高氮护环钢钢锭，钢锭中氮含量高于0.6wt％且在钢锭中分布均匀(钢锭头部和尾部|[N]头-[N]尾|≤0.05wt％)。
[0009] 本发明的工艺步骤是：原材料配料优化→
电弧炉初炼钢液EAF+钢包炉精炼AOD，LF→模铸ICM，浇注Φ422～510mm电极→热装
退火缓冷→
剥皮(车)→电渣重熔成Φ660～800mm钢锭→罩冷→取样→成分检测→探伤→电渣钢锭砂剥→尺寸、外观检查→入库。
[0010] 具体地，本发明方法的步骤如下：
[0012] 本发明适用于大规格且要求钢锭头部和尾部氮含量分布均匀的高氮钢材料生产。主要针对的是氮含量高于0.6wt％的18Mn-18Cr-N型钢的生产。钢的化学成分重量百分比为：C≤0.12％，Si≤0.80％，Mn 18.50～20.00％，Cr 18.50～20.00％，N≥0.60％。
[0013] 原材料配料优化
[0014] 本发明中
炉料选用低磷、低硫、低
钛和低
铜的清洁废钢、切头等返回料，
直接还原铁以及优质
生铁作为金属原材料配料，具体配比为清洁废钢+直接还原铁＝70-75％，优质生铁25-30％，以满足钢中Cu、Sn、As、Sb、Pb等残余元素的要求；
合金：高碳铬铁、
电解锰、氮化铬铁和氮化锰铁；还原剂：
铝粒、
硅铁、硅球、碳化硅；造渣剂：生石灰、萤石、MgO。
[0015] 电弧炉初炼钢液EAF+钢包炉精炼AOD+钢包炉精炼LF+模铸ICM
[0016] 在20-40吨电弧炉初炼钢液EAF过程中，按一般
不锈钢返回吹氧法操作，采用氮气进行底搅拌。在氧化期间进行流渣去磷，还原剂使用碳化硅、硅球和硅铁，出钢前拉清还原渣，以减少后续AOD的渣量。拉渣
温度控制≥1660℃，出钢温度控制≥1630℃。在进入AOD前钢中的成分满足：C≤2.0％，Si≤0.3％，Mn≤5.0％，P≤0.02％，Cr18.50～19.00％。
[0017] 在相应吨位的钢包炉AOD精炼过程中，兑入
钢水后测温取样，吹氧
脱碳，并加入一定量石灰和MgO。在温度T≥1680℃时加入合金，控制Cr在17.00～17.50wt％。吹氧脱碳，使C含量达到0.03～0.04wt％。在氧化末期拉高钢液温度(T≥1700℃)后降低吹氧流量，加入电解锰，控制Mn在17.00～20.50wt％。在预还原开始时碳控制≤0.03wt％，炉渣
碱度(CaO/SiO2)控制＝1.2-1.3，每吨钢加入石灰7.5～12.5千克；预还原后进行拉渣；还原后除Cr、N外，根据成分配入合金至目标值，同时进行
脱硫和脱氧；出钢时加入按每吨钢加入25～50千克氮化铬铁至钢包内。
[0018] 在相应吨位的钢包炉LF精炼过程中，通电升温后，调整渣子，使炉渣转白。根据取样分析结果进行微调成分，使得S≤0.005wt％。再加入氮化铬铁和氮化锰铁，严格控制氮含量在目标值，同时确保其它
合金元素在控制范围内后吊包。吊包温度1465～1475℃，控制上限吊包。
[0019] 在模铸ICM过程中，浇注Φ422-510mm圆电极锭，氩气保护浇注，帽口补足充分，浇毕加发热剂以及碳化稻谷保温。浇注速度控制在3～4千克/秒/支，浇注完毕后脱模温度控制在550～600℃，并热装退火。
[0020] 利用电弧炉初炼钢液EAF+钢包炉精炼AOD+钢包炉精炼LF+模铸ICM浇注电渣电极浇注的好处是在一开始冶炼阶段很好地控制钢中的磷含量，因为磷含量对不锈钢来说是比较难以解决的问题。接着利用AOD钢包精炼进行脱硫和脱氧，很好地控制钢中夹杂物含量。利用LF钢包精炼调整钢中合金成分，并进行钢液氮化处理，去除钢中残存的夹杂物。在浇注过程中控制浇注速度和氩气保护，避免电渣电极中出现气体孔洞和二次氧化。
[0021] 2)热装退火
[0022] 钢锭脱模后，进行热装退火以消除组织应力，避免裂纹产生，同时还起到将去氢扩散退火作用。
退火炉起始温度550-600℃，以30-50℃/小时的加热速度缓慢升温至650-690℃，加热保温时间15-20小时，消除钢锭表面和心部内外温度差，随后以10-20℃/小时的降温速度炉冷至150℃出炉，减少
热应力。
[0023] 3)电渣重熔
[0024] 采用双柱双横臂交替式电渣炉，
大气压条件下进行电渣重熔。由多个电极棒电渣重熔成一个电渣锭Φ660～800mm，重量高于5吨。电渣重熔选用的渣系为CaF2、Al2O3、CaO和一定量的MgO，防止渣池吸氧及防止渣中变价氧化物向金属熔池传递供氧，减少
热损失。渣系配比是：CaF2∶Al2O3∶CaO∶Mg＝(55-65)∶(21-17)∶(14～20)∶(3～14)。
根据电渣钢锭的重量决定所用渣量，遵循G渣＝G锭/(22～25)千克。起弧方式为：液渣起弧。化渣过程中调整
电压(45～55伏特)和电流(2500～4500安培)，保证化渣时间≥40分钟，化渣完毕转换电极棒时间≤5分钟(化渣时采用
石墨电极)。电渣前电极棒预热到
500～600℃。采用的结晶器直径为Φ660～800mm，并用同钢种引锭板进行电渣重熔。电渣重熔过程中根据结晶器的直径来选择电极棒的熔速V熔＝(0.7～0.8)D结千克/小时，并调整电压(85～95伏特)和电流(10000～15000安培)，控制电极棒的熔速。熔速的选择主要是金属熔池不能太深，防止钢中氮损失，同时保证有良好的低倍组织，避免低倍偏析；
熔池也不能太浅，否则也会造成严重的低倍
缺陷。转换电极棒的时间≤5分钟。电渣重熔后期补缩封顶阶段，调整电压和电流，使得熔池深度降低。补缩时间控制≥90分钟。
[0025] 4)在补缩封顶后，电渣锭冷却时间≥100分钟后脱模，并退火。退火温度为650～700℃，保温时间40～60h后炉冷。
[0026] 5)对电渣钢锭头尾取样，并进行表面砂剥处理，消除表面缺陷并使钢棒尺寸、形状、表面质量满足设计要求，制得成品电渣钢锭。
[0027] 本发明的有益效果
[0028] 本发明原料优化配料，有效控制钢中的磷含量，并使钢中Cu、Sn、As、Sb、Pb等残余元素含量符合要求。采用电弧炉初炼钢液EAF+钢包炉精炼AOD+钢包炉精炼LF+模铸ICM，不仅能保证钢中C、Cr、Mn等主要元素的含量获得，而且通过逐步加入氮化铬铁和氮化锰铁合金，使得所浇注的圆电极棒中氮含量高于≥0.65mass％且不形成氮气孔洞。通过电渣重熔工序，选择合理的渣系和优化的电渣制度和补缩封顶制度，有效控制电极棒的熔速，保证了电渣钢锭中|[N]头-[N]尾|≤0.05wt％和纯净性。
具体实施方式
[0029] 下面结合
实施例对本发明做进一步说明。
[0030] 实施例1
[0031] 针对生产Φ760mm规格的高氮护环钢锭，具体实施方式如下：
[0032] 1)冶炼、铸造
[0033] 原材料配料优化，本发明针对40吨电弧炉，选用低磷、低硫、低钛和低铜的清洁废钢、切头等返回料，直接还原铁以及优质生铁作为金属原材料配料，具体配比为清洁废钢+直接还原铁＝75％，优质生铁25％，以满足钢中Cu、Sn、As、Sb、Pb等残余元素的要求；合金：高碳铬铁、电解锰、氮化铬铁和氮化锰铁；还原剂：
铝粒、硅铁、硅球、碳化硅；造渣剂：生石灰、萤石、MgO。
[0034] 电弧炉初炼钢液EAF+钢包炉精炼AOD+钢包炉精炼LF+模铸ICM
[0035] 在40吨电弧炉初炼钢液EAF过程中，按一般不锈钢返回吹氧法操作，采用氮气进行底搅拌。在氧化期间进行流渣去磷，还原剂使用碳化硅、硅球和硅铁，出钢前拉清还原渣，以减少后续AOD的渣量。拉渣温度控制在1660～1700℃范围，出钢温度控制在1630～1650℃。
[0036] 在相应吨位的钢包炉AOD精炼过程中，兑入钢水后测温取样，吹氧脱碳，并加入一定量石灰和MgO。在温度T为1690℃时加入合金，控制Cr在17.30wt％。吹氧脱碳，使C含量达到0.03wt％。在氧化末期拉高钢液温度(1710℃)后降低吹氧流量，分批加入电解锰，控制Mn在20wt％。在预还原开始时碳为0.03wt％，碱度控制1.2，石灰400kg；预还原后进行拉渣；还原后除Cr、N外，根据成分配入合金至目标值；出钢时加入2吨氮化铬至钢包内。
[0037] 在相应吨位的钢包炉LF精炼过程中，通电升温后，调整渣子，确保炉渣转白。根据取样分析结果微调成分，使得S≤0.002wt％。加入氮化铬铁和氮化锰铁，严格控制氮含量在目标值，同时确保其它合金元素在控制范围内后吊包。吊包温度1465-1475℃，控制上限吊包。
[0038] 在模铸(ICM)过程中，浇注Φ422mm圆电极锭，氩气保护浇注，帽口补足充分，浇毕加发热剂以及碳化稻谷保温。浇注速度控制在3.2千克/秒/支，浇注完毕后脱模温度控制在550℃，并热装退火。
[0039] 电弧炉初炼钢液EAF+钢包炉精炼AOD+钢包炉精炼LF+模铸ICM过程中元素含量变化如表1所示。
[0040] 2)热装退火
[0041] 钢锭脱模后，进行热装退火以消除组织应力，避免裂纹产生。退火炉起始温度550℃，以30℃/小时的加热速度缓慢升温至680℃，加热保温时间20小时，消除钢锭表面和心部内外温度差，随后以10℃/小时的降温速度炉冷至150℃出炉，减少热应力。
[0042] 3)电渣重熔
[0043] 采用双柱双横臂交替式电渣炉，大气压条件下进行电渣重熔。由2.5个电极棒电渣重熔成一个电渣锭Φ760mm，重量为6.5吨。
[0044] 电渣重熔选用的渣系为CaF2、Al2O3、CaO和MgO，配比是：CaF2∶Al2O3∶CaO∶MgO＝62∶20∶12∶6，渣量为270kg。起弧方式为：液渣起弧。化渣过程中调整电压50伏特和电流3000安培，化渣时间41分钟，化渣完毕转换电极棒时间为2分钟(化渣时采用石墨电极)。电渣前电极棒预热到600℃。采用的结晶器直径为Φ760mm，并用同钢种引锭板进行电渣重熔。调整电压90伏特和电流13500安培，控制电极棒的熔速460kg/小时。转换电极棒的时间3分钟。电渣重熔后期补缩封顶阶段，调整电压和电流，使得熔池深度降低；补缩时间控制为90分钟。
[0045] 在补缩封顶后，电渣锭冷却时间120分钟后脱模，并退火。退火温度为680℃，保温时间50h后炉冷。
[0046] 对电渣钢锭头尾取样，并进行表面砂剥处理，消除表面缺陷并使钢棒尺寸、形状、表面质量满足设计要求，制得成品电渣钢锭。
[0047] 对电渣钢锭头尾取样，并进行表面砂剥处理，消除表面缺陷并使钢棒尺寸、形状、表面质量满足设计要求，制得成品电渣钢锭。电渣钢锭头尾的合金元素含量如表2所示。可看到本发明方法所得到的钢锭成分比较均匀，纯净度高且|[N]头-[N]尾|≤0.05wt％。
[0048] 实施例2
[0049] 针对生产Φ660mm规格的高氮护环钢锭，具体实施方式如下：
[0050] 1)冶炼、铸造
[0051] 原材料配料优化，本发明针对40吨电弧炉，选用低磷、低硫、低钛和低铜的清洁废钢、切头等返回料，直接还原铁以及优质生铁作为金属原材料配料，具体配比为清洁废钢+直接还原铁＝75％，优质生铁25％，以满足钢中Cu、Sn、As、Sb、Pb等残余元素的要求；合金：高碳铬铁、电解锰、氮化铬铁和氮化锰铁；还原剂：铝粒、硅铁、硅球、碳化硅；造渣剂：生石灰、萤石、MgO。
[0052] 电弧炉初炼钢液EAF+钢包炉精炼AOD+钢包炉精炼LF+模铸ICM。
[0053] 在40吨电弧炉初炼钢液EAF过程中，按一般不锈钢返回吹氧法操作，采用氮气进行底搅拌。在氧化期间进行流渣去磷，还原剂使用碳化硅、硅球和硅铁，出钢前拉清还原渣，以减少后续AOD的渣量。拉渣温度控制在1660～1700℃范围，出钢温度控制在1630～1650℃。
[0054] 在相应吨位的钢包炉AOD精炼过程中，兑入钢水后测温取样，吹氧脱碳，并加入一定量生石灰和MgO。在温度T为1690℃时加入合金，控制Cr在17.30wt％。吹氧脱碳，使C含量达到0.03wt％。在氧化末期拉高钢液温度后降低吹氧流量，分批加入电解锰。在预还原开始时C为0.03wt％，碱度控制1.2，石灰400kg；预还原后进行拉渣；还原后除Cr、N外，根据成分配入合金至目标值；出钢时加入2吨氮化铬至钢包内。
[0055] 在相应吨位的钢包炉LF精炼过程中，通电升温后，调整渣子，确保炉渣转白。测温取样进行包括氮元素在内的全元素分析，根据分析结果微调成分，确保S≤0.002％。加入氮化铬铁和氮化锰铁，严格控制氮含量在目标值，同时确保其它合金元素在控制范围内后吊包。吊包温度1465～1475℃，控制上限吊包。
[0056] 在模铸(ICM)过程中，浇注Φ510mm圆电极锭，氩气保护浇注，帽口补足充分，浇毕加发热剂以及碳化稻谷保温。浇注速度控制在3.0kg/s/支，浇注完毕后脱模温度控制在550℃，并热装退火。
[0057] 电弧炉初炼钢液EAF+钢包炉精炼AOD+钢包炉精炼LF+模铸ICM过程中元素含量变化如表3所示。
[0058] 2)热装退火
[0059] 钢锭脱模后，进行热装退火以消除组织应力，避免裂纹产生。退火炉起始温度550℃，以30℃/小时的加热速度缓慢升温至680℃，加热保温时间20小时，消除钢锭表面和心部内外温度差，随后以10℃/小时的降温速度炉冷至150℃出炉，减少热应力。
[0060] 3)电渣重熔
[0061] 采用双柱双横臂交替式电渣炉，大气压条件下进行电渣重熔。由2个电极棒电渣重熔成一个电渣锭Φ660mm，重量为5.5吨。
[0062] 电渣重熔选用的渣系为CaF2、Al2O3、CaO和MgO，配比是：CaF2∶Al2O3∶CaO∶MgO＝62∶20∶12∶6，渣量为220kg。起弧方式为：液渣起弧。化渣过程中调整电压45伏特和电流4500安培，化渣时间40分钟，化渣完毕转换电极棒时间为3分钟(化渣时采用石墨电极)。电渣前电极棒预热到600℃。采用的结晶器直径为Φ660mm，并用同钢种引锭板进行电渣重熔。调整电压和电流，控制电极棒的熔速420kg/小时。转换电极棒的时间3分钟。电渣重熔后期补缩封顶阶段，调整电压和电流，使得熔池深度降低。补缩时间控制为90分钟。
[0063] 4)在补缩封顶后，电渣锭冷却时间120分钟后脱模，并退火。退火温度为680℃，保温时间52h后炉冷。
[0064] 5)对电渣钢锭头尾取样，并进行表面砂剥处理，消除表面缺陷并使钢棒尺寸、形状、表面质量满足设计要求，制得成品电渣钢锭。电渣钢锭头尾的合金元素含量如表4所示。可看到本发明方法所得到的钢锭成分比较均匀，纯净度高且|[N]头-[N]尾|≤0.05wt％。
[0065]
[0066]
