超大型钢锭的冶炼生产

超大型钢锭的冶炼生产

李金良

（中国第一重型机械股份公司天津重型装备工程研究有限公司  天津  300457）

摘  要：中国一重通过多年开展超大型钢锭的相关研究，已掌握生产超大型钢锭的制造技术，现已成功生产多支500t级钢锭，制造出的大型锻件完全满足产品技术要求。超大型钢锭的成功生产，将极大促进我国能源装备和冶金装备的发展。

关键词：超大型钢锭；冶炼；钢液纯净度

1 前言

中国第一重型机械股份公司(以下简称中国一重）多年来锻件生产技术和经验的不断积累，逐步实现了多项重大技术突破，先后攻克了高纯净钢水冶炼及铸锭、特大型钢锭中心压实锻造、超大截面锻件的细化晶粒热处理等诸多关键技术难关，已成功生产多支超大型锻件产品，使我国的超大型锻件的极限制造能力跃居世界前列，目前中国一重已成为全球最大的核岛锻件及常规岛锻件的供应商。本文主要介绍了大型钢锭冶炼生产的关键制造技术，详述了冶炼生产过程。

2 大型钢锭冶炼技术

2.1 降低有害元素提高钢液纯净度

大型锻件用材料要求高的强度和塑性、优越的韧性、低的脆性转变温度，为此对钢中有害元素要求如下表

　大型锻件残余元素要求%

钢液中[P]、[S]元素在电炉氧化阶段和精炼还原期间可以有效去除，但其它有害元素以各种原料伴随物的形式带入钢中，其含量很少，但是一般的氧化和还原操作不能有效去除，在钢中的积累会有损钢的性能。为此要对入炉钢铁料做好分类挑选、存放，减少污染，在电炉配料时选用优质生铁，在精炼期间对加入的合金残余元素要准确分析，防止污染钢液。

2.2 真空碳脱氧方式冶炼

真空碳脱氧精炼方式是一种有效的提高钢液纯净度的工艺方法[1]，这种工艺方式关键在于低Si、低Al冶炼以及合理的脱氧方式。通过控制主要脱氧元素Si、Al含量，使得钢液在真空条件下发生剧烈C、O反应，从而进一步降低大型钢锭中的氧化物夹杂和气体含量，使钢水达到高纯净化。此外，采用低Si冶炼方法，可以减少钢锭后期凝固过程中的偏析。

2.3 多包差异化成分设计

中国一重在生产大型钢锭前期，通过模拟计算设计了多包差异化成分，并与大钢锭解剖结果对比，化学成分偏析控制的较好。在此基础上优化大型钢锭钢锭浇注MP工艺。多包差异化成分设计，对于进一步研究和改善钢锭凝固过程中的宏观偏析具有深远意义。

2.4 优质耐火材料的开发和应用

大型钢锭浇注时间长，浇注过程中对中间包水口、芯杆、导流管等耐材冲刷和侵蚀严重，特别是中间包水口如不能满足长时间浇注要求，不仅浇注结束后扩径明显，改变浇注速度，甚至在浇注过程中会出现裂纹，出现浇注事故。为此，一重和耐材生产企业经过多次试验，开发出能适用大钢锭浇注的中间包用水口。

钢液进入真空室后起到集流、限流作用的导流管，也是影响大钢锭浇注的重要环节，导流管是由导流管砖之间靠子母口和泥料黏结，外部充填砂子固定，在大钢锭浇注时由于过钢量的增加，导流管砖有时会出现裂纹，导致钢液进入导流管内部，最终使导流管砖损坏进入锭模中引起钢锭报废。为解决上述问题，一重与耐火材料厂家开发出石墨质整体导流管，不仅耐冲刷，且在浇注过程中导流管不易“结瘤”,能很好满足真空浇注大钢锭。

为了增加帽口的保温效果，开发一种新的高效保温材料，此材料贴放在帽口铁壳内壁，延缓帽口钢液凝固时间，增加钢锭冒口补缩效果。

2.5 异形中间包控流技术

随着冶炼和炉外精炼技术的发展，钢水成分控制精度和有害元素控制水平均有大幅度地提高。但对于超大钢锭，在浇注过程中，因钢包至中间包注流发生的二次氧化、炉渣和耐火材料的卷入引起的外来夹杂物如不能在中间包内有效地排除就成为影响大锻件质量的关键。

中国一重与重庆大学合作开发的异形中间包，包内设有挡墙、挡坝，中间包的注流区距中间包水口较远，钢液在中间包内停留时间比原有圆形中间包提高约一倍，由于钢液在中间包内停留时间变长，因此夹杂物有充分时间可以上浮，大于50μm夹杂物排除能力从73%提高到96%。

采用异形中间包浇注了8支600t级以上钢锭，用于制造百万低压转子，产品最终UT检测钧未发现Φ1.6以上缺陷。

2.6 钢锭模参数对钢锭质量的影响

合理锭模参数设计，可以使夹杂物易于上浮、气体易于外逸；可以使钢锭充分地实现自下而上的顺序凝固，利于补缩并减少疏松，从而钢锭中心致密。通过计算模拟，一重设计的大钢锭锥度8%~10%，高径比0.9-1.4，冒口占比20%左右。浇注结束后，先加入发热剂，火焰燃烧熄灭后再加保温剂覆盖，以使钢锭能够充分补缩。

3 大型钢锭的冶炼生产

3.1 备料准备

在大钢锭前期炉料准备过程中，有专人负责，分工明确，对准备的重废钢，做到了全程跟踪化验，确保所备炉料成分的准确性。钢铁料中的返回废钢和钢屑占比大于70%，不仅回收了Ni、Mo，而且Cu、As、Sn、Sb等残余元素得到有效控制。

钢铁料在满足成分要求的同时，对总重量也要严格控制，如入炉钢铁料过多，不仅浪费原料，也给精炼工序增加负担，而且在浇注结束后，冒口液面高于规定值时，会减少发热剂和保温剂的加入空间，导致钢锭补缩效果变差。为此规定浇注高度不允许高于规定值200mm.

3.2 电炉冶炼

由于配料到位，大型钢锭在电炉冶炼过程都比较顺利，冶炼时间、熔清成分及出钢成分都非常理想。各炉台间出钢时间紧揍，冶炼时间短，熔清[P]≤0.005%，[S]≤0.008%，出钢[C]控制均满足工艺要求，给精炼炉顺利操作打下了良好的基础。

3.3 精炼炉冶炼

为了保证精炼钢水质量，在大钢锭生产前要进行多次工艺交底，明确工艺控制要点，实际生产中各包成分控制都满足工艺要求，MP工艺要求各成份都达到目标要求，炉渣碱度、黏度时时关注，大型钢锭的精炼过程也能完全按计划进行，出钢过程紧凑。

3.4 铸锭操作

3.4.1浇前准备

大型钢锭的冶炼生产组织，铸锭工序是一个难点。从钢包准备、附具准备、浇注过程方案的制定、脱模、切割水冒口及热送等工作，都有精准要求。浇注过程使用浇注跨上层的3辆350t天车，浇注顺序及天车、液压站、引流罐、渣罐的布置与安排都需提前制定计划，并在正式生产前进行演练。

3.4.2浇注

合理分配浇注跨天车与各精炼包的出钢顺序，使得浇注顺畅进行，翻包及时。解决液压站与各精炼包匹配问题，保证浇注双包衔接时间小于2min。在浇注过程中关注中间包液面，及时补加中间包覆盖剂，防止钢液的二次氧化，浇注结束后关闭芯杆，防止中间包覆盖剂进入钢锭模内。

3.4.3脱模热送

一重在大型钢锭脱模时，采用两台350t天车，利用抬梁和专用吊钳进行脱模操作。通常600t以上钢锭，在两台天车配合吊运至切割台旁，进行水冒口切割后，钢锭再热送到水锻分厂进行锻造。

4 结论

中国一重在超大型钢锭的制造中掌握了诸多核心技术，为我国在超大型钢锭的制造领域积累了宝贵的经验。原材料的清洁、真空碳脱氧冶炼方式、成分的差异化控制、耐火材料的选择、中间包和冶金附具的合理设计等是大钢锭制造的关键技术。此外，生产过程中的质量控制措施及合理的浇注物流规划是生产实践成功的保证。超大型钢锭的制造中还存在着一些需要冶金和材料领域的科技工作者深入研究的地方，这对于进一步提升超大钢锭的质量具有深远的意义。

参考文献

[1] 康大韬,叶国斌. 大型锻件材料及热处理. 北京:龙门书局出版社,1998,385.