AOD法冶煉護環用奧氏體不銹鋼1Mn18Cr18N

 近年來，國內汽輪發電機行業飛速發展，汽輪發電機組用鋼量也顯著增加。護環是發電機組設備中重要的部件之一，是汽輪機組中承受應力最高的部件。護環鋼對抗應力腐蝕、力學性能等要求較高，傳統材料大多采用50Mn18Cr4N和50Mn18Cr4WN系列鋼，但這些材料在服役過程中抗應力腐蝕能力較差。20世紀80年代中后期開始，國內開始引進使用1Mn18Cr18N 護環鋼，并逐步取代傳統的50Mn18Cr4N 和50Mn18Cr4WN 系列護環鋼。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，同時得到穩定的奧氏體。      傳統冶煉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，導致冶煉時間長，且對C、Cr、Mn元素成分調整有一定干擾，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，能夠快速實現氮氣的合金化，不僅可以縮短冶煉時間，提高生產效率，還可以避免C、N、Cr、Mn之間成分調整的相互干擾，從而實現成分精準控制。      通過對該材料的分析研究，并結合前期的生產經驗，成功地開發了AOD法冶煉1Mn18Cr18N護環鋼的工藝，并用氮氣合金化取代了含氮合金，提高生產效率的同時，實現了成分的穩定控制。1鋼中氮的溶解度熱力學計算      在相同的力學性能指標下，提高鋼中氮含量就可以相應地降低碳含量，從而進一步提高抗晶間腐蝕能力，最終提高鋼材壽命，鋼水吸氮反應如下：      式（1）的平衡常數如下：    式中：KN 是鋼水中氮的平衡常數；αN 是鋼水中氮的活度；PN2 是N2平衡分壓，Pa；Pθ是標準大氣壓，Pa；fN是氮的活度系數；[N ]是氮在鋼水中的飽和溶解度；    根據Chipman、Anson等研究結果可知：

    由式（1）、式（2）、式（3）可得：

    由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公式：    式中：[C]、[Cr]、[ Mn]、[ Mo]、[ Ni]、[ P]、[ Si]、[ S] 分別為鋼水中C、Cr、Mn、Mo、Ni、P、Si、S的質量分數；1Mn18Cr18N 和50Mn18Cr4N 鋼化學成分見表1，根據式（4）和式（5），氮分壓為0.1 MPa條件下，計算出平衡氮質量分數隨溫度變化關系，如圖1所示。   隨著鋼水溫度的降低，兩種鋼水平衡氮質量分數都不斷上升，但1Mn18Cr18N鋼變化幅度比50Mn18Cr4N鋼更大。    根據式（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 和Mn含量對氮的溶解度關系，如圖2所示。隨著Cr、Mn 含量的提高，鋼水平衡氮質量分數不斷增加，19.5%Cr-20%Mn 合金體系中平衡氮質量分數可達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 鋼中平衡氮質量分數可達0.94%。基于這兩方面，冶煉1Mn18Cr18N鋼具備氮氣合金化的條件。2冶煉生產工藝2. 1　電弧爐、感應爐粗煉鋼水    根據設備及模鑄能力，設計工藝路線為：20t非真空感應爐+20t 電弧爐→AOD→LF→模鑄鋼錠。    1Mn18Cr18N 鋼合金元素占比為40%，根據鐵合金品位推算出感應爐配低鈦高鉻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爐，感應爐進行出鋼操作，感應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，AOD 氧化前期不調整Mn元素。氧化期加入石灰造渣，取樣C≤0.02% 后再調整Mn 元素。加入金屬Mn 會導致鋼水溫度降低，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精煉結束出鋼后，進LF爐進行成分精調，過程中使用底吹氮氣攪拌，并根據鋼水氮含量補加含氮鉻鐵或含氮錳鐵合金。根據氮的溶解度熱力學計算可知，氮的溶解度隨著溫度的降低而增加，結合鋼水液相線，控制精煉溫度在1480~1520 ℃，提高氮的溶解度。試生產2爐，LF精煉過程平均氮含量如圖4所示，2爐LF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。

    按照設計工藝完成了2爐1Mn18Cr18N鋼的冶煉，成分控制穩定，進AOD爐前和成品成分見表2，成分和質量滿足工藝要求。3

結論（1）通過對1Mn18Cr18N鋼中氮的溶解度進行熱力學計算，冶煉1Mn18Cr18N鋼具備氮氣合金化的條件，并成功采用AOD法冶煉1Mn18Cr18N護環鋼，實現了氮氣合金化，縮短了冶煉時間，成分控制穩定。（2）LF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。