黃飛,韓秀峰,劉彥軍,成潔

(中國航發(fā)商用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司 上海閔行 200241)

25Cr2Ni4Mo V 鋼(以下簡稱25Cr2Ni4Mo V)常用于制造轉(zhuǎn)子、齒輪和主軸等重要部件,在裝備制造領(lǐng)域,航空航天領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用,其是一種對氫、氧、氮等氣體以及夾雜物含量有嚴(yán)格要求的低碳中合金結(jié)構(gòu)鋼[1-2],隨著質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的提高,對25Cr2Ni4Mo V 的純凈度和氣體含量也提出了更高的要求。本文在傳統(tǒng)中間包澆注工藝的基礎(chǔ)上,進(jìn)行精煉包真空直注工藝(以下簡稱真空直注,LF direct vacuum pouring)的研究,通過對出鋼溫度、澆注速度和鋼液散流等參數(shù)的影響因素控制,確定了傳統(tǒng)中間包澆注工藝和真空直注工藝差異,制定了用于實(shí)際生產(chǎn)的真空直注工藝,工藝研究取得了良好效果。

1 化學(xué)成分與工藝流程

1.1 25Cr2Ni4Mo V 化學(xué)成分

25Cr2Ni4Mo V 主要含有Cr、Ni、Mo、V 等合金元素,并且對Si、Al合金元素的含量有嚴(yán)格要求,其標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分含量如表1所示。

表1 25Cr2Ni4Mo V 主要化學(xué)成分(wt%)

1.2 工藝流程

25Cr2Ni4Mo V 真空直注工藝流程如圖1 所示。具體為電爐(EAF)進(jìn)行鋼水的粗煉,然后出鋼至精煉爐(LF),進(jìn)行造渣、還原和合金化等處理后,經(jīng)真空處理,調(diào)整鋼水成分和溫度至工藝規(guī)范后,出鋼至真空坑澆注成鋼錠。與傳統(tǒng)的澆注工藝相比,最大的不同是真空直注取消了中間包設(shè)備,而直接用精煉包進(jìn)行澆注,避免了澆注時鋼水與大氣的接觸,能有效防止?jié)沧⑦^程中“吸氣”與“二次氧化”的發(fā)生。另外,由于取消了中間包,也減少了中間包設(shè)備的使用成本和避免中間包耐火材料在鋼水沖刷下進(jìn)入錠模,提高了鋼水的純凈度,真空直注工藝與傳統(tǒng)中間包澆注對比如圖2(a)、圖2(b)所示[3-4]。

圖1 25Cr2Ni4Mo V 真空直注工藝流程

圖2 傳統(tǒng)中間包澆注和真空直注工藝對比示意圖

2 真空直注工藝的理論基礎(chǔ)

2.1 電爐冶煉

電爐的主要任務(wù)是熔化廢料、脫碳、脫磷,利用脫碳過程中激烈的碳氧反應(yīng)產(chǎn)生的CO 小氣泡,促使夾雜物上浮并隨爐渣排出[5]。

2.1.1 脫碳

鋼液脫碳的熱力學(xué)反應(yīng)如式(1)所示[6]:

反應(yīng)(1)中[]-表示鋼液中物質(zhì)(下同);()-表示爐渣中物質(zhì)(下同);

ΔG0-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時反應(yīng)的吉布斯自由能變化,J/mol(下同);

T-開爾文溫度,K(下同);

從式(1)可知,脫碳反應(yīng)是吸熱反應(yīng),反應(yīng)產(chǎn)物為CO,所以脫碳操作宜在高溫、薄渣下進(jìn)行,以利于夾雜物隨CO 氣泡排出[7]。

2.1.2 脫磷

鋼液脫磷的熱力學(xué)反應(yīng)如下所示[8]:

脫磷的產(chǎn)物P2O5會與爐渣進(jìn)一步反應(yīng):

P2O5+ 4(CaO)=(4CaO·P2O5)H=-16500(3)H-反應(yīng)過程中的化學(xué)熱,KJ/mol;

從式(2)(3)可以看到,脫磷反應(yīng)與溫度、爐渣的氧化性和渣量有關(guān),其反應(yīng)需要較低的溫度,較高的爐渣堿度和較大的渣量,以及氧化性較強(qiáng)的爐渣[9]。

2.2 精煉爐冶煉

精煉爐的主要任務(wù)是對鋼液進(jìn)行脫氧、脫硫、合金化、真空脫氣和調(diào)整溫度,在鋼液進(jìn)入工位后,先進(jìn)行脫氧,然后進(jìn)行合金化和真空脫氣,待成分和溫度符合工藝,即出鋼進(jìn)行澆注。

2.2.1 脫氧和脫硫

鋼液進(jìn)入精煉爐工位后,加入適量的渣料和脫氧劑,進(jìn)行造渣還原,利用Ar氣的攪拌作用,促進(jìn)鋼液脫氧、脫硫反應(yīng)的發(fā)生。鋼液脫硫的反應(yīng)式[10]為:

生成的脫硫產(chǎn)物FeO 則會與加入的脫氧劑進(jìn)行如下反應(yīng):

從(5)式可以看到,加強(qiáng)鋼液的脫氧,能促進(jìn)脫硫反應(yīng)的不斷進(jìn)行,所以,對25Cr2Ni4Mo V 鋼來說,脫硫工作的實(shí)質(zhì)就是脫氧。從表1可以看到,該材料對Al、Si的含量要求嚴(yán)格,如果依靠單純的擴(kuò)散脫氧,脫氧效率較低,會大大延長生產(chǎn)時間。鋼液主要利用真空碳脫氧工藝。

真空碳脫氧(VCD,Vacuum Carbon Deoxidation)工藝,其主要熱力學(xué)反應(yīng)式[11]如(6)(7)所示:

式(7)中,Kθ為碳氧反應(yīng)平衡常數(shù);P(CO)為一氧化碳的分壓;Pθ為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;α[C],α[O]分別為鋼液中碳和氧的活度;分別為鋼液中碳和氧的活度系數(shù)。

從式(7)可以看到,隨著真空度的提高,CO 的分壓不斷變小,鋼液中的氧含量也隨著變小,即隨著真空度的降低,碳的脫氧能力不斷增強(qiáng)。由于脫氧產(chǎn)物是氣態(tài)的CO,不會產(chǎn)生氧化物夾雜,鋼液的純凈度更高。

2.2.2 真空脫氣

鋼液的真空處理主要是為了去除鋼液中的氫、氧和促進(jìn)夾雜物的上浮。根據(jù)Sievert定律,氫、氧的溶解度與它們各自分壓力的平方根成正比,理論上真空度越低,脫除氫、氧的效果越好。對于25Cr2Ni4Mo V 鋼,由于采用擴(kuò)散脫氧的式,真空脫氣時鋼液中含氧量較高,如果采用高真空,會由于碳氧反應(yīng)而使鋼液劇烈翻騰,沖刷包壁甚至真空蓋。所以,實(shí)際生產(chǎn)中,真空脫氣的真空度一般選擇4000 Pa左右。

2.3 真空直注

澆注階段是真空直注與常規(guī)澆注的區(qū)別所在,由于取消了中間包,在精煉包到達(dá)澆注工位后,需要真空設(shè)備快速達(dá)到所需真空度,然后測鋼液溫度,待溫度滿足工藝要求后,打開水口進(jìn)行澆注。這個過程中,關(guān)鍵是控制好鋼水溫度、澆注速度和鋼液散流等。

2.3.1 鋼水溫度

如前所述,精煉包內(nèi)的鋼液溫度需要在真空到位后快速達(dá)到工藝范圍,這就對精煉爐的出鋼溫度控制提出了較高的要求,需要其在一個較窄的合適范圍內(nèi),出鋼溫度的控制也是真空直注工藝的技術(shù)難點(diǎn)。為此,需要在真空直注工藝應(yīng)用前對若干爐次中間包澆注的鋼液溫降情況進(jìn)行跟蹤,為真空直注工藝出鋼溫度的制定提供依據(jù)。

從精煉爐出鋼到中間包開澆的過程中,溫降主要是以下方面:一是精煉包向大氣的傳熱;二是澆注的鋼流向大氣的傳熱;三是中間包耐火材料的吸熱[12-14],表2為澆注的溫降情況。

表2 中間包多包聯(lián)合澆注鋼液溫降情況

對溫降情況統(tǒng)計的過程中,為方便統(tǒng)計計算,作如下數(shù)學(xué)假設(shè):

1)精煉包第一包澆注完畢后,中間包耐火材料吸熱過程完成,后續(xù)精煉包澆注中間包耐火材料不

再吸熱,中間包在澆注過程中與精煉包的溫降系數(shù)相同;

2)因現(xiàn)有鋼液溫降理論的研究未涉及鋼流在大氣中的傳熱,故假設(shè)鋼流在大氣中的傳熱與精煉包向大氣傳熱數(shù)值相同,即兩者具有相同的溫降系數(shù)。

根據(jù)以上假設(shè)與表2的數(shù)據(jù),可以計算出中間包耐材吸熱為12.36 ℃,精煉包的溫降系數(shù)為0.685 ℃/(min·百噸),根據(jù)出鋼至澆注的時間與上述計算的溫降系數(shù),指導(dǎo)了真空直注工藝出鋼溫度的制定,溫度控制效果情況如表3所示。從控制結(jié)果來看,實(shí)際溫降系數(shù)與統(tǒng)計的溫降系數(shù)較為接近,統(tǒng)計的溫降系數(shù)可以作為真空直注溫度制定的依據(jù)。

表3 真空直注溫度控制情況

表4 25Cr2Ni4Mo V 鋼中間包澆注速度

在第一次采用真空直注工藝生產(chǎn)時,精煉包選用與中間包水口直徑相同,澆注速度如表5所示,散流與限流器結(jié)瘤情況如圖4、圖5所示。

圖2 中間包澆注散流情況(未吹氬)

圖3 中間包澆注限流器結(jié)瘤情況

圖4 真空直注工藝第一爐次散流情況(未吹氬)

圖5 限流器結(jié)瘤情況

表5 25Cr2Ni4 Mo V 鋼真空直注澆注速度(水口X)

從第一爐的工藝實(shí)踐來看,存在如下問題:一是澆注速度偏慢,約較中間包澆注速度慢1.5 t/min;二是澆注時鋼流幾乎呈直線,散流情況較差,不利于鋼液中H、O 等氣體的脫除;三是限流器出

2.3.2 澆注速度與鋼液散流

澆注速度通過鋼包的水口直徑來控制,25Cr2Ni4Mo V 鋼采用中間包時鋼流澆注速度如表4所示。從表4我們可以看到,在X 水口直徑下,25Cr2Ni4Mo V 的澆注速度均在7 t/min以上,平均速度為7.81 t/min,澆注過程中,鋼液散流良好,限流器均未出現(xiàn)結(jié)瘤,如圖2、圖3所示?，F(xiàn)了約350 mm 長的結(jié)瘤物,存在結(jié)瘤物掉落進(jìn)入鋼錠中,影響鋼錠質(zhì)量的風(fēng)險。針對以上情況,對工藝作出如下改進(jìn):

1)對精煉包水口進(jìn)行設(shè)計改進(jìn),增加吹氬裝置,在澆注時進(jìn)行吹氬以改善鋼流的散流情況;2)增大精煉包水口直徑,由X(mm)改為X+5(mm);

第二爐次試生產(chǎn)的澆注速度如表6所示,散流情況和限流器結(jié)瘤情況如圖6、圖7所示。

圖6 第二爐次散流情況

圖7 第二爐次限流器結(jié)瘤情況

表6 25Cr2Ni4 Mo V 真空直注澆注速度(水口X+5mm)

從第二爐次的生產(chǎn)情況來看,增大水口直徑后,鋼液澆注速度接近中間包的速度;吹氬后,鋼液散流情況明顯變好,接近中間包澆注的散流水平,限流器無明顯結(jié)瘤,說明第二爐次的工藝改進(jìn)是合理有效的。

3 結(jié)語

本文通過25Cr2Ni4Mo V 真空直注工藝的研究與實(shí)踐,結(jié)合澆注溫度、澆注速度和鋼液散流控制良好的結(jié)果,得出如下結(jié)論:

1)在單包真空直注的情況下,可以按照鋼流澆注過程中向大氣傳熱、中間包向大氣傳熱和精煉包向大氣傳熱溫降系數(shù)相同進(jìn)行簡化,指導(dǎo)出鋼溫度的制定;

2)在水口直徑相同的情況下,鋼液真空直注比中間包澆注速度慢1.5 t/min左右,需要適當(dāng)加大水口直徑以保證澆注速度;

3)真空直注與中間包澆注相比,鋼液散流較差,需要進(jìn)行吹氬操作,以改善鋼液的散流情況。