CN101607306B

CN101607306B - 水轮机固定导叶电渣熔铸方法

Info

Publication number: CN101607306B
Application number: CN 200910012342
Authority: CN
Inventors: 陈瑞; 姜云飞; 田雨; 张亚龙; 王大威; 蒋国森; 王安国; 张家东
Original assignee: Shenyang Research Institute of Foundry Co Ltd
Current assignee: Shenyang Research Institute of Foundry Co Ltd
Priority date: 2009-07-02
Filing date: 2009-07-02
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2029-07-02
Also published as: CN101607306A

Abstract

水轮机固定导叶电渣熔铸方法，是采用电弧炉精炼方法制备自耗电极和采用电渣溶铸工艺通过模具制备成导叶。自耗电极化学成分控制在C：0.14～0.19％、Si≤0.6％、Mn：1.5～1.9％、P≤0.035％、S≤0.035％、V：0.02～0.15％、Nb：0.015～0.06％、Ti：0.15～0.25％、Al：≥0.015、O≤0.0040％、N≤0.0080％、H≤0.00035％，余量为Fe。电渣溶铸渣系和渣导控制在CaF₂60～80％、Al₂O₃40～20％或加入少量MgO或CaO(总量≤20％)；渣量一般为铸件重量的1.5～5％。本发明的优点在于氧化物、硫化物数量少、尺寸小、分布均匀，铸件基体纯净，冷却速度快、固液前沿结晶温度梯度大，铸件组织致密，尺寸精度高、变形小，使精炼铸件产品性能大幅度提高。

Description

水轮机固定导叶电渣熔铸方法

技术领域

本发明涉及到水轮发电机用固定导叶的电渣熔铸工艺，特别是大型、高性能水轮发电机固定导叶的制造工艺。

背景技术

随着我国一些大、中型水电站相继开发建设，水轮机向高效率、大型化方向发展，对水轮机重要零部件的质量要求愈来愈高。同时，由于我国河流泥沙含量大，对大型机组过流部件的质量性能要求很高，过流部件除具有较高机械性能之外，还需具备抗疲劳和一定的耐蚀性能。

目前，水轮发电机用固定导叶生产方法有砂型铸造和轧制钢板加工。砂型铸造铸件质量与钢液质量密切相关，虽然通过炉外精炼技术(AOD或VOD)为铸造生产提供了优质的钢液，但砂型铸件不可避免产生疏松、缩孔、夹杂等铸造缺陷，使得产品内部质量不稳定，难于满足高性能指标的要求，直接影响水轮机的运行寿命。轧制钢板质量高但材料利用率低、工艺复杂、成本较高。

电渣熔铸作为一项新的特种铸造技术，将钢水精炼与铸造成型两道工序结合在一起，所生产的铸件结晶组织均匀致密、纯度高、硫和磷含量低、非金属夹杂物少、具有良好的机械性能和焊接性能。既达到轧制钢板质量标准，又可实现铸件近净成型，且成本较低。

发明内容

本发明的目的，是提供一种水轮发电机用固定导叶电渣熔铸方法，是将电弧冶金与电渣熔铸(ESRS)技术优势集于一身，生产的固定导叶内部质量比砂型铸造可以提高一个等级(见表1)，达到轧制钢板质量标准。

采用的技术方案是：

水轮机固定导叶电渣熔铸方法，包括采用电弧炉精炼方法制备自耗电极和采用电渣熔铸工艺通过模具(结晶器)制备固定导叶。

1、采用电弧炉精炼方法制备自耗电极。

电弧炉精炼操作过程：

采用电弧炉精炼工艺，主要完成低合金钢液去气、脱硫、脱磷、去夹杂物、脱氧、微合金化等任务。

原料：纯铁、硅铁、锰铁、废钢、铝锭、钛铁、钒铁、铌铁。

1)电弧炉精炼过程成分控制

a：装炉前炉底加石灰，重量为炉料重的1.5～2％。

b：炉料熔化65-75％吹氧助熔，氧气压力为3～4kg。

c：探底以确定炉料全部熔化，充分搅拌，取样分析C、P、S。化清后扒渣，补加3～4％渣料，当熔池温度达到1540～1550℃，进行氧化沸腾。

d：熔池温度≥1560℃时开始沸腾脱氧，氧气压力为6～8kg，沸腾过程中自动流渣，吹氧脱碳速度为以重量百分比计每分钟脱除碳含量的0.02-0.04％，矿石氧化脱碳速度为以重量百分比计每分钟脱除碳含量的0.015-0.03％。氧化结束，取样分析C、P、S、Mn。

e：扒渣进入还原期，造稀薄渣，插铝0.8kg/t脱氧，加入合金调整成分。最终成分合格出钢。

2)制备自耗电极化学成分控制在(以重量百分比计)

Q345C钢：

C：0.14～0.19％、Si≤0.6％、Mn：1.5～1.9％、P≤0.035％、S≤0.035％、V：0.02～0.15％、Nb：0.015～0.06％、Ti：0.15～0.25％、Al：≥0.015、O≤0.0040％、N≤0.0080％、H≤0.00035％，余量为Fe。

20SiMn钢：

C：0.16～0.22％、Si：0.6～0.8％、Mn：1.0～1.3％、P≤0.025％、S≤0.025％，其余为Fe。

2、电渣熔铸工艺过程

主要完成电弧炉自耗电极基体的二次精炼提纯、铸件近净成型等任务，具体步骤如下：

1)渣系与渣量控制

考虑铸件凝固特性与化学元素成分变化，合理选择所需渣系，其主要成分为CaF₂60～80％、Al₂O₃40～20％或加入少量MgO、CaO(总量≤20％)；渣量一般为铸件重量的1.5～5％。

2)引燃方式

采用固态(液态)渣引燃，其化学成分以重量百分比计为TiO₂：40％～60％，CaF2：60％～40％。

3)供电参数的选择

根据铸件电极与结晶器的几何参数来确定熔铸功率、电压、电流等各相应电参数，熔铸过程中注意保持电流和电压的稳定性。

U＝[(0.5～0.7)D_结晶器+(25～35)] (V) (1)

I＝[(580～680)+(30～36)d_电极] (A) (2)

上式中D_结晶器、d_电极分别为结晶器和电极截面积的等效直径。

4)铸件防裂纹热处理工艺过程

电渣熔铸水冷结晶器强制冷却，铸件内应力较大，需及时进行防裂热处理，否则易产生裂纹。熔铸+防裂热处理+正火工艺更能发挥出电渣熔铸材料的韧、塑性潜能，适当提高正火温度，可使铸件综合性能得到优化。

熔铸后采用防裂热处理工艺，减小铸件马氏体转变趋势，防裂热处理温度为800～850℃。

铸件正火工艺温度范围910～930℃，根据铸件壁厚确定保温时间，确保铸件完全奥氏体化，出炉后采用风冷加大冷却强度，确保碳化物弥散析出。

金属基体的纯度与结晶，是铸件冶金质量的两个关键问题。采用电弧炉精炼工艺制备自耗电极，然后通过电渣熔铸工艺进行二次精炼与铸造成型，可以确保铸件金属基体的纯度与结晶过程的顺序进行，从而实现精炼铸造生产。这种精炼铸造工艺可以充分有效地提纯钢液，使钢中所含气体、非金属夹杂物被大量去除。铸件结晶组织均匀致密、硫和磷含量低、非金属夹杂物少、具有较高的韧性、抗疲劳性能及良好的焊接性能。

表1 为水轮机导叶铸件内在质量情况(欧共体标准CCH70-3)

本发明与现有技术相比所具有的优点

1、纯净电极中非金属夹杂物，主要指氧化物、硫化物数量少、尺寸小、分布均匀。

①气体含量：[H]≤3.5ppm，[O]≤40ppm，[N]≤80ppm；

②杂质含量：[P]≤0.025％，[S]≤0.025％。

2、电渣熔铸是在电炉冶金基础上的第二次精炼提纯、铸造成型工艺，通过熔渣配比的调整，可以进一步去除自耗电极中的夹杂物并改变其分布形态，降低铸件中S、P等有害元素和N、H、O等气体含量，[H]≤3.5ppm，[O]≤40ppm，[N]≤80ppm，铸件基体纯净。

3、铸件在水冷铜钢复合结晶器中凝固，冷却速度快、固液前沿结晶温度梯度大，由于铸件快速凝固，铸件组织致密。

4、金属型结晶器尺寸精度高、变形小，因而铸件表面光洁、加工余量小。同时，由于采用顺序凝固工艺，铸件没有浇注系统和冒口，因此金属利用率高，实现铸件近净成型；同时不易产生大型铸件常见的气孔、缩孔和缩松等铸造缺陷。

5、金属型结晶器替代了型砂、粘结剂和涂料等大量的非金属造型材料，使得固体废弃物排放减少，对环境污染减少。

6、精炼铸件(ESRC)可达到轧制钢板的机械性能，化学成分均匀、组织致密、枝晶细化、显微偏析小、无疏松、无夹渣缩孔等缺陷，夹杂物呈弥散分布，疲劳寿命高于炉外精炼钢，又有锻轧件所不具备的各向同性优点。与GB/T1591-94D低合金高强度结构钢标准相比，精炼铸件产品性能大幅度提高。抗拉强度增加10％以上，屈服强度增加10％以上，冲击韧度增加300％以上，断面收缩率、伸长率增加10％以上。

具体实施方式

实施例一

采用电弧炉精炼工艺制备低合金钢自耗电极，然后通过电渣熔铸工艺进行二次精炼，铸造出水轮机固定导叶铸件I。

1、制备Q345C钢自耗电极

原料为：纯铁、硅铁、锰铁、废钢、铝锭、钛铁、钒铁、铌铁。

首先采用电弧炉精炼工艺制备自耗电极，将废钢、纯铁装炉，炉料熔化70％左右吹氧助熔，氧气压力为3～4kg，探底确定炉料全部熔化，充分搅拌，取样分析C、P、S。化清后扒渣，补加炉料重量3～4％的渣料，当熔池温度达到1540～1550℃，进行氧化沸腾。熔池温度≥1560℃时开始沸腾脱氧，氧气压力为6～8kg，沸腾过程中自动流渣，吹氧脱碳速度为0.02％/分，矿石氧化脱碳速度为0.015％/分。氧化结束，取样分析C、P、S、Mn。

扒渣进入还原期，造稀薄渣，插铝0.8kg/t脱氧，加入钒铁、铌铁、钛铁。测温并作温度调节，出钢成份为：C：0.19％、Si：0.6％、Mn：1.7％、P：0.035％、S：0.035％、V：0.1％、Nb：0.036％、Ti：0.18％、Al：0.15％、O：0.0050％、N：0.0070％、H：0.00041％，余量为Fe。

2、电渣熔铸：

1)电渣熔铸工艺是对上述自耗电极基体的二次精炼提纯，并形成铸件。渣系配比为：CaF₂：70％、Al₂O₃：30％。渣量为铸件重量的3％。

2)引燃方式

自耗电极在结晶器内采用固态渣引燃，其化学成份为TiO₂：50％、CaF₂：50％。

3)用电参数：

U＝[(0.5～0.7)D_结晶器+(25～35)] V (3)

I＝[(580～680)+(30～36)d_电极] A (4)

通过电渣熔铸工艺，由设定形状的结晶器成型，制成低合金钢固定导叶。经检测，化学成分为：C：0.19％、Si：0.45％、Mn：1.56％、P：0.023％、S：0.014％、V：0.1％、Nb：0.036％、Ti：0.18％、Al：0.078％、O：0.0030％、N：0.0080％、H：0.00035％，余量为Fe。

热处理后铸件机械性能为：σ_b/560Mpa，σ_s/390Mpa，δ/24.5％，A_kv/140J。

实施例二

采用电炉精炼工艺制备Q345C钢自耗电极，然后通过电渣熔铸工艺进行二次精炼，铸造出水轮机精炼固定导叶铸件II。

1.制备Q345C钢自耗电极

首先采用电弧炉精炼工艺制备自耗电极，将废钢、纯铁装炉，炉料熔化70％左右吹氧助熔，氧气压力为3～4kg，探底确定炉料全部熔化，充分搅拌，取样分析C、P、S。化清后扒渣，补加3～4％渣料，当熔池温度达到1540～1550℃，进行氧化沸腾。熔池温度≥1560℃时开始沸腾脱氧，氧气压力为6～8kg，沸腾过程中自动流渣，吹氧脱碳速度为0.04％/分，矿石氧化脱碳速度为0.03％/分。氧化结束，取样分析C、P、S、Mn。

扒渣进入还原期，造稀薄渣，插铝0.8kg/t脱氧，加入钒铁、铌铁、钛铁。测定并作温度调节，出钢成份为：C：0.16％、Si：0.7％、Mn：1.75％、P：0.031％、S：0.030％、V：0.15％、Nb：0.08％、Ti：0.22％、Al：0.15、O：0.0051％、N：0.0078％、H：0.00033％，余量为Fe。

2、电渣熔铸：

1)电渣熔铸工艺是对上述自耗电极基体的二次精炼提纯，并制成铸件。渣系配料比为：CaF₂：70％、Al₂O₃：20％、CaO：10％。

2)引燃方式

自耗电极在结晶器内采用固定渣引燃，其化学成份为TiO₂：50％、CaF₂：50％。渣量为铸件重量的3.5％。

3)用电参数：

U＝[(0.5～0.7)D_结晶器+(25～35)) V (3)

I＝[(580～680)+(30～36)d_电极] A (4)

通过电渣熔铸工艺，由设定形状的结晶器成型，制成Q345C钢水流机固定导叶。经检测，化学成分为：C：0.16％、Si：0.45％、Mn：1.56％、P：0.023％、S：0.014％、V：0.1％、Nb：0.036％、Ti为0.18％、Al：0.078％、O：0.0030％、N：0.0080％、H：0.00030％，余量为Fe。

热处理后铸件机械性能为：σ_b/575Mpa，σ_s/385Mpa，δ/23％，A_kv/150J。

实施例三

采用电炉精炼工艺制备20SiMn钢自耗电极，然后通过电渣熔铸工艺进行二次精炼，铸造出水轮机精炼固定导叶铸件III。

1.制备20SiMn钢自耗电极

原料为：纯铁、硅铁、锰铁、废钢、铝锭。

首先采用电弧炉精炼工艺制备自耗电极，将废钢、纯铁装炉，炉料熔化70％，左右吹氧助熔，氧气压力为3～4kg，探底确定炉料全部熔化，充分搅拌，取样分析C、P、S。化清后扒渣，补加3～4％渣料，当熔池温度达到1540～1550℃，进行氧化沸腾。熔池温度≥1560℃时取样分析残余元素Cr、Ni、Cu之后开始沸腾脱氧，氧气压力为6～8kg，沸腾过程中自动流渣，吹氧脱碳速度为0.02％/分，矿石氧化脱碳速度为0.015％/分。氧化结束，取样分析C、P、S、Mn。

扒渣进入还原期，造稀薄渣，插铝0.8kg/t脱氧，加入硅铁、锰铁。测定并作温度调节，出钢成份为：C：0.20％、Si：1.2％、Mn：1.65％、P：0.015％、S：0.015％、O≤0.0050％、N≤0.0070％、H≤0.00041％，余量为Fe。

2、电渣熔铸：

1)电渣熔铸工艺是对上述自耗电极基体的二次精炼提纯，并制成铸件。渣系配料比为：CaF₂：70％、Al₂O₃：30％。渣量为铸件重量的2.5％。

2)引燃方式

自耗电极在结晶器内采用固定渣引燃，其化学成份为TiO₂：50％、CaF₂：50％。

3)用电参数：

U＝[(0.5～0.7)D_结晶器+(25～35)) V (3)

I＝[(580～680)+(30～36)d_电极] A (4)

通过电渣熔铸工艺，由设定形状的结晶器成型，制成20SiMn钢水流机固定导叶。经检测，化学成分为C：0.20％、Si：0.8％、Mn：1.05％、P：0.010％、S：0.010％、O≤0.0040％、N≤0.0080％、H≤0.00027％，余量为Fe。

热处理后铸件机械性能为：σ_b/515Mpa，σ_s/335Mpa，δ/30.5％，A_kv/124J。

表2 Q345C钢固定导叶化学成分分析结果(Wt％)

表3 20SiMn钢固定导叶化学成分分析结果(Wt％)

JB/1207-2002

0.16～0.22

0.60～0.80

1.0～1.3

≤0.025

-

电弧炉精炼电极III

≤0.20

≤1.2

1.5～1.7

≤0.015

-

≤0.0050

≤0.0070

≤0.00041

精炼铸件III

≤0.20

≤0.8

1.0～1.5

≤0.010

-

≤0.0040

≤0.0080

≤0.00027

表4 固定导叶机械性能检测结果

化学元素	σ_b/MPa	σ_s/Mpa	δ/％	A_kv/J
					标准GB/T1591-94Q345c	470～630	≥275	≥22	≥34
精炼铸件I	≥560	≥390	≥24.5	≥140
					精炼铸件II	≥575	≥385	≥23	≥150

表5 固定导叶机械性能检测结果

JB/1207-2002	≥470	≥255	≥16	≥31
					精炼铸件III	≥515	≥335	≥30.5	≥124

Claims

1.水轮机固定导叶电渣熔铸方法，包括采用电炉精炼方法制备自耗电极和采用电渣熔铸进行二次精炼制备水轮机固定导叶，其特征在于：

1)所述的采用电炉精炼方法制备自耗电极包括：

电弧炉精炼操作过程：

采用电弧炉精炼工艺，主要完成低合金钢液去气、脱硫、脱磷、去夹杂物、脱氧、微合金化任务；

原料：纯铁、硅铁、锰铁、废钢、铝锭、钛铁、钒铁、铌铁；

①电弧炉精炼过程成分控制

a：装炉前炉底加石灰，重量为炉料重的1.5～2％；

b：炉料熔化65-75％吹氧助熔，氧气压力为3～4kg；

c：探底以确定炉料全部熔化，充分搅拌，取样分析C、P、S；化清后扒渣，补加炉料重量3～4％的渣料，当熔池温度达到1540～1550℃，进行氧化沸腾；

d：熔池温度≥1560℃时开始沸腾脱氧，氧气压力为6～8kg，沸腾过程中自动流渣，吹氧脱碳速度为以重量百分比计每分钟脱除碳含量的0.02-0.04％，矿石氧化脱碳速度为以重量百分比计每分钟脱除碳含量的0.015-0.03％；氧化结束，取样分析C、P、S、Mn；

e：扒渣进入还原期，造稀薄渣，插铝0.8kg/t脱氧，加入合金调整成份；最终成分合格出钢；

②制备自耗电极化学成分控制在以重量百分比计：

Q345C钢：

C：0.14～0.19％、Si≤0.6％、Mn：1.5～1.9％、P≤0.035％、S≤0.035％、V：0.02～0.15％、Nb：0.015～0.06％、Ti：0.15～0.25％、Al：≥0.015、O≤0.0040％、N≤0.0080％、H≤0.00035％，余量为Fe；

20SiMn钢：

C：0.20％、Si：1.2％、Mn：1.65％、P：0.015％、S：0.015％、O≤0.0050％、N≤0.0070％、H≤0.00041％，余量为Fe。

2)所述的电渣熔铸工艺过程

主要完成电弧炉自耗电极基体的二次精炼提纯、铸件近净成型任务，具体步骤如下：

①渣系与渣量控制

考虑铸件凝固特性与化学元素成分变化，合理选择所需渣系，其主要成分以重量百分比计为CaF₂60～80％、Al₂O₃40～20％；渣量为铸件重量的1.5～5％；

②引燃方式

采用固态或液态渣引燃，其化学成分以重量百分比为TiO₂：40％～60％，CaF₂：60％～40％；

③供电参数的选择

根据铸件电极与结晶器的几何参数来确定熔铸功率、电压、电流等各相应电参数，熔铸过程中注意保持电流和电压的稳定性；

U＝[(0.5～0.7)D_结晶器+(25～35)] V

I＝[(580～680)+(30～36)d_电极] A

上式中D_结晶器、d_电极分别为结晶器和电极截面积的等效直径；

④铸件防裂纹热处理工艺过程

电熔铸后采用随炉冷却退火工艺，减小铸件马氏体转变趋势，退火温度为800～850℃；

2.根据权利要求1所述的水轮机固定导叶电渣熔铸方法，其特征在于以Q345C钢为例的吹氧脱碳速度为以重量百分比计每分钟脱除碳含量的0.02％，矿石氧化脱碳速度为以重量百分比计每分钟脱除碳含量的0.015％；所述的出钢成份以重量百分比计为：C：0.19％、Si：0.6％、Mn：1.7％、P：0.035％、S：0.035％、V：0.1％、Nb：0.036％、Ti：0.18％、Al：0.15％、O：0.0040％、N：0.0070％、H：0.00035％，余量为Fe；

所述的渣系主要成份为CaF₂、Al₂O₃，其配料比以重量百分比计为：CaF₂70％、Al₂O₃30％，渣量为铸件重量的3％；

所述的引燃方式为，自耗电极在结晶器内采用固态渣引燃，其化学成份以重量百分比计为TiO₂：50％、CaF₂：50％；

通过电渣熔铸工艺，由设定形状的结晶器成型，制成低合金钢固定导叶；经检测，化学成分以重量百分比计为：C：0.19％、Si：0.45％、Mn：1.56％、P：0.023％、S：0.014％、V：0.1％、Nb：0.036％、Ti为0.18％、Al：0.078％、O：0.0030％、N：0.0080％、H：0.00035％，余量为Fe；热处理后铸件机械性能为：σ_b/560Mpa，σ_s/390Mpa，δ/24.5％，A_kv/140J。

3.根据权利要求1所述的水轮机固定导叶电渣熔铸方法，其特征在于以Q345C钢为例的沸腾过程中自动流渣，吹氧脱碳速度以重量百分比计为每分钟脱除碳含量的0.04％的碳，矿石氧化脱碳速度以重量百分比计为每分钟脱除碳含量的0.03％；

扒渣进入还原期，造稀薄渣，插铝0.8kg/t脱氧，加入钒铁、铌铁、钛铁；测定并作温度调节，出钢成份以重量百分比计为：C：0.16％、Si：0.6％、Mn：1.75％、P：0.031％、S：0.030％、V：0.15％、N_b：0.06％、Ti：0.22％、Al：0.15、O：0.0051％、N：0.0078％、H：0.00033％，余量为Fe；

所述的渣系主要成份为CaF₂、Al₂O₃，其配料比以重量百分比计为：CaF₂70％、Al₂O₃20％，CaO 10％，渣量为铸件重量的3.5％；

自耗电极在结晶器内采用固态渣引燃，其化学成份以重量百分比计为TiO₂：50％、CaF₂：50％；

通过电渣熔铸工艺，由设定形状的结晶器成型，制成Q345C钢水流机固定导叶；经检测，化学成分以重量百分比计为：C：0.16％、Si：0.45％、Mn：1.56％、P：0.023％、S：0.014％、V：0.1％、Nb：0.036％、Ti为0.18％、Al：0.078％、O：0.0030％、N：0.0080％、H：0.00030％，余量为Fe；

4.根据权利要求1所述的水轮机固定导叶电渣熔铸方法，其特征在于以20SiMn钢为例的扒渣进入还原期，造稀薄渣，插铝0.8kg/t脱氧，加入合金；测定并作温度调节，出钢成份以重量百分比计为：C：0.20％、Si：1.2％、Mn：1.65％、P：0.015％、S：0.015％、O≤0.0050％、N≤0.0070％、H≤0.00041％，余量为Fe；

电渣熔铸：

电渣熔铸工艺是对上述自耗电极基体的二次精炼提纯，并制成铸件；渣系配料比以重量百分比计为：CaF₂70％、Al₂O₃30％，渣量为铸件重量的2.5％；

自耗电极在结晶器内采用固态渣引燃，其化学成份以重量百分比计为TiO₂：50％，CaF₂：50％；

通过电渣熔铸工艺，由设定形状的结晶器成型，制成20SiMn钢水流机固定导叶；经检测，化学成分以重量百分比计为：C：0.20％、Si：0.8％、Mn：1.05％、P：0.010％、S：0.010％、O≤0.0040％、N≤0.0080％、H≤0.00027％，余量为Fe；