□黃飛

上海電氣上重鑄鍛有限公司冶鑄分廠上海200245

提高25Cr2Ni4MoV中釩收得率的研究

□黃飛

上海電氣上重鑄鍛有限公司冶鑄分廠上海200245

針對(duì)冶煉25Cr2Ni4MoV時(shí)釩收得率波動(dòng)較大的情況，基于釩氧化的熱力學(xué)反應(yīng)式，分析了合金化時(shí)鋼液中碳含量、溫度及鋼水還原時(shí)間對(duì)釩收得率的影響。結(jié)果表明，釩合金化時(shí)鋼液中的碳含量對(duì)釩收得率起主要影響作用，經(jīng)還原后如果鋼液碳含量高于0.10%，那么可以使釩收得率穩(wěn)定在95%以上。延長(zhǎng)還原時(shí)間和提高合金化溫度對(duì)釩收得率影響不大，釩合金化后在鋼水中含量穩(wěn)定，不隨時(shí)間推移和真空處理而變化。

冶煉；合金化；低釩鋼；收得率

筆者針對(duì)近一年來(lái)上重鑄鍛有限公司生產(chǎn)25Cr2Ni4MoV[1]時(shí)精煉爐釩收得率不穩(wěn)定、與一般冶金學(xué)教材規(guī)定釩收得率在90%以上有較大差別的情況，基于釩氧化的熱力學(xué)反應(yīng)式分析了合金化溫度、還原時(shí)間、合金化時(shí)鋼液中碳含量對(duì)釩收得率的影響?；阝C收得率影響因素分析結(jié)果，進(jìn)行了工藝優(yōu)化，使釩收得率平均值由工藝優(yōu)化前的84.7%提高到優(yōu)化后的96.7%，并穩(wěn)定在95%以上，取得了良好的效果。

1 25Cr2Ni4MoV簡(jiǎn)介

1.1 真空碳脫氧工藝簡(jiǎn)介

真空碳脫氧[2]是嚴(yán)格控制鋼液中硅和鋁的含量，利用在真空條件下碳的脫氧能力增強(qiáng)到與硅、鋁相近的水平，進(jìn)而用碳代替硅、鋁去除鋼液中氧的一種工藝。真空碳脫氧的主要優(yōu)點(diǎn)是脫氧產(chǎn)物一氧化碳為氣體，一旦一氧化碳形成，便會(huì)迅速逸出金屬液，不會(huì)在金屬液中留下非金屬夾雜物。

1.2 25Cr2Ni4MoV化學(xué)成分

25Cr2Ni4MoV是一種典型的采用真空碳脫氧澆注工藝制得的低碳低釩鋼種，主要用于制作各類轉(zhuǎn)子和重要部件的軸，其主要元素標(biāo)準(zhǔn)含量見表1。

1.3 釩在鋼中的合金化作用

釩是一種重要的戰(zhàn)略物資，是工業(yè)生產(chǎn)中重要的合金添加劑。日常生產(chǎn)中，釩主要應(yīng)用在鋼鐵、有色金屬和化學(xué)等工業(yè)部門，總用量中85%用于鋼鐵工業(yè)。

表1 25Cr2Ni4MoV主要元素含量規(guī)范

釩在元素周期表中位于第四周期，第VB族，具有體心立方結(jié)構(gòu)，可以不受溫度影響而固溶于鋼中。另一方面，加入釩能起到脫氮和脫氧的作用，利于降低鋼的應(yīng)變時(shí)效，減少氧化物夾雜，提高鋼錠的純凈度。釩所形成的脫氮和脫氧產(chǎn)物能固溶于奧氏體中，減小鋼錠凝固過(guò)程中出現(xiàn)裂紋的可能性，而且釩的氮化物和碳化物析出溫度比較低，有利于奧氏體的再結(jié)晶，在較窄的溫度區(qū)間內(nèi)得到細(xì)小且均勻性較好的再結(jié)晶晶粒[3]。

如果在鋼中添加少量的釩元素，那么可以改善鋼的韌性和塑性，提高鋼的強(qiáng)度和耐腐蝕能力，改善鋼的工藝性能[4]，所以釩也被形象地稱為“現(xiàn)代工業(yè)的味精”。

2 25Cr2Ni4MoV生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀

25Cr2Ni4MoV的生產(chǎn)工藝路線如圖1所示。由于近年來(lái)重機(jī)行業(yè)所面臨的嚴(yán)峻形勢(shì)，采用95%的25Cr2Ni4MoV中25Cr返回料，配入5%的生鐵，生產(chǎn)中100 t電爐起粗煉作用，以脫碳和脫磷為主，當(dāng)碳和磷含量符合規(guī)范要求，溫度達(dá)標(biāo)就可以出鋼。由于25Cr2Ni4MoV采用真空碳脫氧工藝，對(duì)硅和鋁有嚴(yán)格要求，所以在出鋼時(shí)不加入任何脫氧劑，直接進(jìn)入120 t精煉爐工位，加入1.5～2.5 kg/t的電極粉，經(jīng)過(guò)不短于30 min的還原，待爐渣轉(zhuǎn)為白渣，再加入0.5～1.0 kg/t的電極粉保持還原氛圍5～10 min。當(dāng)溫度達(dá)到1 600℃及以上后，取樣分析并加入釩鐵和其余合金，當(dāng)元素含量符合規(guī)范要求后，進(jìn)行真空處理。釩鐵選用攀鋼生產(chǎn)的Fe-V50，其中釩的有效含量為53%。處理后若元素含量和溫度符合工藝要求，就可出鋼進(jìn)行澆注。精煉爐冶煉25Cr2Ni4MoV共43爐次的釩收得率見表2。由表2可見，釩收得率波動(dòng)較大，最低只有58%，最高達(dá)到100%，平均為84.7%。因此，需要分析影響釩收得率的因素，在分析的基礎(chǔ)上改進(jìn)釩鐵合金化工藝，提高釩的收得率，節(jié)約成本，提高產(chǎn)品附加值。

圖1 25Cr2Ni4MoV生產(chǎn)工藝路線簡(jiǎn)圖

3 影響釩收得率的因素分析

3.1 釩在鋼液中的熱力學(xué)反應(yīng)式

研究發(fā)現(xiàn)，在低釩鋼的釩合金化過(guò)程中，釩的氧化產(chǎn)物為三氧化二釩[5]，氧化反應(yīng)為[6]：

式中[]表示鋼液中成分，（）表示爐渣中成分。

式中：ΔGo為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)反應(yīng)的吉布斯自由能變化，J/mol；T為熱力學(xué)溫度，K。

釩的收得率表示為：

式中：SL為渣量，kg。

由上述反應(yīng)式可知，影響釩收得率的因素有渣量、溫度、鋼液中的氧含量。

3.2 溫度和還原時(shí)間對(duì)釩收得率的影響

純釩加入鋼水中的熔化溫度為2 074.2℃，生產(chǎn)中所用Fe-V50合金的熔點(diǎn)為1 550℃，工藝要求加入合金鋼液溫度不低于1 600℃，溫度越高，釩鐵在鋼液中的熔化速度越快。由表2數(shù)據(jù)繪制溫度與釩收得率關(guān)系曲線，如圖2所示。由圖2可見，在不低于1 600℃時(shí)，溫度對(duì)釩收得率基本沒(méi)有影響。由表2可得出結(jié)論，還原時(shí)間對(duì)釩收得率的影響也不大。

3.3 鋼液中碳含量對(duì)釩收得率的影響

由式（1）、式（3）可知，鋼液中氧含量對(duì)釩收得率有重要影響。相關(guān)文獻(xiàn)[7]研究表明，鋼液在氧化末期和還原初期存在碳氧積，即鋼液中的氧含量可用鋼

液中的碳含量來(lái)表示，存在[C%]×[O%]=M的平衡關(guān)系式（M與鋼液溫度和鋼液中碳含量有關(guān)的因數(shù)）。在煉鋼溫度范圍（1 550～1 650℃）和碳含量為0.04%～0.20%時(shí)，M一般取0.025[8]，此時(shí)計(jì)算所得的氧含量與實(shí)際值很接近?？梢?，當(dāng)碳含量很低時(shí)，鋼液中的氧含量會(huì)很高，這會(huì)造成釩的部分氧化損失。

表2 精煉爐冶煉25Cr2Ni4MoV的釩收得率

圖2 溫度與釩收得率關(guān)系曲線

由圖3可見，碳含量較低時(shí)釩的收得率較碳含量較高時(shí)有明顯減小。通過(guò)圖3和表2可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碳含量達(dá)到0.10%及以上時(shí)，釩收得率基本可以穩(wěn)定在95%以上，在元素含量規(guī)范范圍內(nèi)再提高碳含量，釩收得率提高則不明顯。以上分析同時(shí)說(shuō)明，在進(jìn)精煉爐后的還原期，鋼液中的碳與氧有直接關(guān)系。

圖3 鋼液中碳含量與釩收得率關(guān)系圖

3.4 渣量的控制

由式（3）可知，減小渣量（氧化鈣）可以提高釩收得率，但是在實(shí)際操作中，25Cr的硫含量要求嚴(yán)格。精煉爐中的脫硫反應(yīng)式[9]為（FeS）+（CaO）=（CaS）+（FeO），脫硫與渣量有直接關(guān)系，足夠的渣量才能保證足夠的渣堿度。另一方面，氧化鈣價(jià)格相對(duì)較低，因此，未采用減小渣量以提高釩收得率的工藝方法，而是使加入的渣量為每噸鋼1.7～2.0 kg，以保證爐渣有足夠的堿度用于脫硫和吸附夾雜物。

3.5 鋼液中釩隨時(shí)間的變化情況

由于釩和氧的親和力弱于碳，因此隨著還原的繼續(xù)進(jìn)行，當(dāng)釩在鋼液中合金化后，理論上釩含量在鋼液中應(yīng)該保持穩(wěn)定[10]，表2和圖4也說(shuō)明了這點(diǎn)。

圖4 鋼液中釩含量隨時(shí)間的變化情況

4 釩合金化工藝的優(yōu)化與實(shí)踐

由以上分析可以確認(rèn)，鋼液中碳含量對(duì)釩收得率的影響最大，且釩在鋼液中的含量隨時(shí)間保持穩(wěn)定，所以在原釩合金化工藝的基礎(chǔ)上，先增碳含量至0.10%～0.15%，再進(jìn)行釩的合金化，其余工藝參數(shù)保持不變。優(yōu)化后13爐次釩收得率結(jié)果見表3。由表3可見，工藝優(yōu)化后釩收得率穩(wěn)定在95%以上，最高達(dá)到100%，工藝優(yōu)化取得了良好的效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)影響25Cr2NiMoV中釩收得率的因素分析，可以得出以下結(jié)論。

（1）當(dāng)合金化時(shí)溫度不低于1 600℃時(shí)，提高溫度對(duì)釩收得率的影響不大。還原時(shí)間不短于40 min時(shí)，繼續(xù)延長(zhǎng)還原時(shí)間對(duì)釩收得率影響不大。

（2）影響釩收得率的主要因素是鋼液中的碳含量，當(dāng)在碳含量不低于0.10%時(shí)進(jìn)行釩合金化，釩收得率能穩(wěn)定在95%以上。

（3）真空前后鋼液中的釩含量穩(wěn)定，不隨時(shí)間的推移而產(chǎn)生大的波動(dòng)。

[1]蘇日口戈圖.25Cr2Ni4MoV鋼發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子化學(xué)成分內(nèi)控的建議.[J].熱處理技術(shù)與裝備，2016，37（2）:59-62.

表3 工藝優(yōu)化后精煉爐冶煉25Cr2Ni4MoV的釩收得率

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漢諾威歐洲機(jī)床展同期活動(dòng)演繹生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

世界首屈一指的金屬加工行業(yè)盛會(huì)——2017漢諾威歐洲機(jī)床展將于9月18日至23日在德國(guó)漢諾威展覽中心舉行，屆時(shí)全球生產(chǎn)技術(shù)制造商將匯聚一堂，共同演繹互聯(lián)系統(tǒng)促進(jìn)智能生產(chǎn)。本屆展會(huì)上，來(lái)自世界各地的制造商將集中展示先進(jìn)產(chǎn)品、解決方案和服務(wù)，以應(yīng)對(duì)未來(lái)10年工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)所面臨的挑戰(zhàn)。

工業(yè)4.0展區(qū)定位為國(guó)際社會(huì)專家之間進(jìn)行專業(yè)反饋的平臺(tái)，并在學(xué)術(shù)界和一線技術(shù)人員之間建立聯(lián)系橋梁。增材制造技術(shù)同樣是國(guó)際生產(chǎn)專家熱烈探討的話題之一，展會(huì)將展示金屬加工行業(yè)增材制造領(lǐng)域的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，以及在哪些應(yīng)用中可以利用增材制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)特定的成本效益，為觀眾帶來(lái)啟發(fā)。

展會(huì)上，德國(guó)生產(chǎn)工程研究會(huì)將舉辦一場(chǎng)主題為“未來(lái)生產(chǎn)”的研討會(huì)。德國(guó)生產(chǎn)研究會(huì)的成員，以及德國(guó)各大院校設(shè)立的生產(chǎn)技術(shù)研究所將參與討論。另一方面，機(jī)床的安全性始終是行業(yè)優(yōu)先關(guān)注的問(wèn)題，國(guó)際專家將在展會(huì)“機(jī)床安全日”活動(dòng)上聚焦當(dāng)前的發(fā)展情況，并報(bào)告最新的發(fā)展動(dòng)態(tài)。

Aim at large fluctuation of vanadium recovery rate during 25Cr2Ni4MoV smelting and based on the thermodynamic reaction of vanadium oxidation,the influence of intermediate-carbon content and temperature of molten steel as well as the reduction time of molten steel during alloying on vanadium recovery rate was analyzed.The results show that the carbon content in the molten steel plays an important role in vanadium recovery rate during vanadium alloying.If the carbon content is higher than 0.10%after reduction,the vanadium recovery rate can be stabilized above 95%.However,extending the reduction time and increasing the alloying temperature have little effect on vanadium recovery rate.After alloying,the vanadium content in molten steel is stable,not changing with time lapse and vacuumtreatment.

Smelting；Alloying；Low Vanadium Steel；Recovery Rate

TH123；TF703.5

B

1672-0555（2017）01-018-05

2016年10月

黃飛（1986—），男，本科，工程師，主要從事煉鋼現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)支持與質(zhì)量控制工作