AOD法冶炼护环用奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N

 近年来，国内汽轮发电机行业飞速发展，汽轮发电机组用钢量也显著增加。护环是发电机组设备中重要的部件之一，是汽轮机组中承受应力最高的部件。护环钢对抗应力腐蚀、力学性能等要求较高，传统材料大多采用50Mn18Cr4N和50Mn18Cr4WN系列钢，但这些材料在服役过程中抗应力腐蚀能力较差。20世纪80年代中后期开始，国内开始引进使用1Mn18Cr18N 护环钢，并逐步取代传统的50Mn18Cr4N 和50Mn18Cr4WN 系列护环钢。1Mn18Cr18N钢的Mn、Cr、N含量高，碳含量低，低C和高Cr可以提高钢的耐腐蚀性能，高Mn可以保证顺磁性，高氮可以确保强度满足要求，同时得到稳定的奥氏体。      传统冶炼1Mn18Cr18N钢通常使用VOD工艺进行冶炼，范春玲、王少波等对VOD冶炼工艺进行了研究。然而，VOD工艺是在真空状态下进行，底吹氮气回收率较低，需要使用含氮合金（氮化铬、氮化锰等）进行氮合金化，导致冶炼时间长，且对C、Cr、Mn元素成分调整有一定干扰，使得成分精准控制变得更为困难。AOD精炼是在常压下进行，通过使用AOD炉底部氧枪大流量吹入氮气，能够快速实现氮气的合金化，不仅可以缩短冶炼时间，提高生产效率，还可以避免C、N、Cr、Mn之间成分调整的相互干扰，从而实现成分精准控制。      通过对该材料的分析研究，并结合前期的生产经验，成功地开发了AOD法冶炼1Mn18Cr18N护环钢的工艺，并用氮气合金化取代了含氮合金，提高生产效率的同时，实现了成分的稳定控制。1钢中氮的溶解度热力学计算      在相同的力学性能指标下，提高钢中氮含量就可以相应地降低碳含量，从而进一步提高抗晶间腐蚀能力，最终提高钢材寿命，钢水吸氮反应如下：      式（1）的平衡常数如下：    式中：KN 是钢水中氮的平衡常数；αN 是钢水中氮的活度；PN2 是N2平衡分压，Pa；Pθ是标准大气压，Pa；fN是氮的活度系数；[N ]是氮在钢水中的饱和溶解度；    根据Chipman、Anson等研究结果可知：

    由式（1）、式（2）、式（3）可得：

    由wagner 模型以及查阅文献可以得到标准大气压下氮的活度系数公式：    式中：[C]、[Cr]、[ Mn]、[ Mo]、[ Ni]、[ P]、[ Si]、[ S] 分别为钢水中C、Cr、Mn、Mo、Ni、P、Si、S的质量分数；1Mn18Cr18N 和50Mn18Cr4N 钢化学成分见表1，根据式（4）和式（5），氮分压为0.1 MPa条件下，计算出平衡氮质量分数随温度变化关系，如图1所示。   随着钢水温度的降低，两种钢水平衡氮质量分数都不断上升，但1Mn18Cr18N钢变化幅度比50Mn18Cr4N钢更大。    根据式（4）和式（5），在1600℃和氮分压为0.1 MPa 条件下，可计算出1Mn18Cr18N 钢中Cr 和Mn含量对氮的溶解度关系，如图2所示。随着Cr、Mn 含量的提高，钢水平衡氮质量分数不断增加，19.5%Cr-20%Mn 合金体系中平衡氮质量分数可达0.94%。这主要是由于Cr、Mn元素与氮的亲和力较强，降低了钢水中氮的活度，提高钢水中氮的溶解度。     通过对1Mn18Cr18N钢中氮的溶解度热力学计算可知：随着钢水温度的降低，1Mn18Cr18N钢中氮的溶解度增加；在1600℃时，1Mn18Cr18N 钢中平衡氮质量分数可达0.94%。基于这两方面，冶炼1Mn18Cr18N钢具备氮气合金化的条件。2冶炼生产工艺2. 1　电弧炉、感应炉粗炼钢水    根据设备及模铸能力，设计工艺路线为：20t非真空感应炉+20t 电弧炉→AOD→LF→模铸钢锭。    1Mn18Cr18N 钢合金元素占比为40%，根据铁合金品位推算出感应炉配低钛高铬4.5 t，所需电弧炉粗炼钢水量为12 t，电弧炉装料量为14 t。为尽可能地降低1Mn18Cr18N 钢最终的磷含量，控制电弧炉出钢磷含量≤0.005%。电弧炉出完钢后将钢包吊至感应炉，感应炉进行出钢操作，感应炉钢水进入钢包氩气搅拌后取样分析成分（见表2），并将钢水转移至AOD炉精炼。2. 2　AOD炉精炼     AOD 炉精炼的基本原理是降碳保铬，整个冶炼过程分为氧化期和还原期。由于Mn 还原性较Cr强，且Mn的饱和蒸气压较大，为防止钢水中Mn元素在吹氧脱碳过程中的大量挥发，AOD 氧化前期不调整Mn元素。氧化期加入石灰造渣，取样C≤0.02% 后再调整Mn 元素。加入金属Mn 会导致钢水温度降低，为提高钢水温度，采用金属Mn和铝粒同时加入，并保持吹氧，铝粒氧化放热提高钢水温度。每批加入1t 金属Mn、100kg 铝粒，共计加入4批。    合金化后切换还原期，加入脱氧剂硅铁、铝粒进行还原，还原过程使用氮气搅拌增氮，还原后出钢。试生产2炉，AOD增氮过程中取样分析氮含量，得到钢水中平均氮含量变化与时间的关系，如图3所示。在吹氮27 min 后，钢水中氮含量达到0.547%，氮的溶解度趋于饱和。

2. 3　LF精炼     AOD精炼结束出钢后，进LF炉进行成分精调，过程中使用底吹氮气搅拌，并根据钢水氮含量补加含氮铬铁或含氮锰铁合金。根据氮的溶解度热力学计算可知，氮的溶解度随着温度的降低而增加，结合钢水液相线，控制精炼温度在1480~1520 ℃，提高氮的溶解度。试生产2炉，LF精炼过程平均氮含量如图4所示，2炉LF初始样平均氮含量0.628%，随后，使用含氮铬铁或锰铁合金少量多批加入，增氮至0.67%，合金增氮平均回收率为76%，成品平均氮含量为0.68%。虽与理论计算值有差异，但成品氮含量均在成分要求范围内。

    按照设计工艺完成了2炉1Mn18Cr18N钢的冶炼，成分控制稳定，进AOD炉前和成品成分见表2，成分和质量满足工艺要求。3

结论（1）通过对1Mn18Cr18N钢中氮的溶解度进行热力学计算，冶炼1Mn18Cr18N钢具备氮气合金化的条件，并成功采用AOD法冶炼1Mn18Cr18N护环钢，实现了氮气合金化，缩短了冶炼时间，成分控制稳定。（2）LF炉精炼过程除了Cr、Mn元素对氮的溶解度有显著影响外，精炼温度对氮的溶解度影响也较大，加入含氮合金，氮的平均回收率为76%。（3）采用AOD底吹氮气合金化，1Mn18Cr18N钢中氮含量仅能达到0.547%左右，通过LF精炼氮含量可达0.68%，满足工艺控制要求。