1、 年 月第 期大型铸锻件 新技术新材料超超临界汽轮机转子 钢电渣重熔熔渣析晶行为研究彭雷朕，王承 许文文 叶成立（二重（德阳）重型装备有限公司，四川 德阳；中国第二重型机械集团有限公司，四川 德阳；东北大学，辽宁 沈阳）摘要：采用了热力学软件 计算、熔渣差热分析（）及高温水淬渣、分析相结合的方法，对超超临界汽轮机转子 钢电渣重熔用熔渣的析晶动力学及析晶行为进行了研究，预测了电渣重熔过程中渣皮成分，为后续超百吨级电渣锭电渣重熔过程中修正渣皮形成对熔渣成分影响，实现全重熔周期稳定化冶炼技术攻关奠定了基础。研究结果表明：在 的冷却速率下，熔渣至少有 种晶相析出；作为初晶相，在熔渣中质量占比最大，而、
2、则作为针状、孤岛状分布在 基体中；析晶温度偏低（附近），此时熔渣处于半凝固状态，组元迁移速率较低，晶相在渣中完全弥散分布，且尺寸较小；析晶机制为三维生长机制，在冷却过程中均匀形核，并随温度降低快速长大，占据熔渣大部分空间体积；渣皮理论上晶相中大部分是，基体中嵌杂少量、。关键词：电渣重熔；熔渣；析晶行为；初晶相 中图分类号：文献标志码：，：，（），（），：；收稿日期：基金项目：本项目由德阳市科技计划资助（）。作者简介：彭雷朕（），男，博士，高级工程师，从事钢铁冶金、钢渣资源化利用研究工作。我国“富煤、贫油”的特殊能源资源结构决定了在未来较长时间内，电力结构仍以燃煤发电为主导地位。我国燃煤发电行业
3、占煤炭使用比例高达，因此推行煤炭的清洁高效利用对国民经济发展和环境友好有重大意义。目前，提高燃煤机组的蒸汽温度和压力是提高热效率最有效的方法之一。从 年到现在，我国 超超临界机组数量已经处在世界前列，超超临界示范机组也正在紧锣密鼓的建设过程中，超超临界机组转子锻件也已经国产化，但 超超临界转子锻件（）由于耐热温度的提升，锻件制造难度大幅增加，目前全部依赖进口。而国内老机组改造和前期准建的超超临界机组及“一带一路”沿线国家燃煤发电机组的投资，高中压转子锻件将有巨大的市场需求。经过前期文献调研，生产超百吨级电渣锭过程，由于冶炼周期延长，熔渣高温挥发和渣皮结晶等严重影响渣池成分的稳定，在超百吨级电渣
4、锭制备后期，渣池成分发生明显变化，DOI:10.14147/ki.51-1396/tg.2023.03.001 年第 期大型铸锻件影响电渣重熔操作的顺行及工艺参数的稳定等，甚至电渣锭中上部存在明显冶金质量问题。本研究利用 热力学软件熔渣差热分析（）及高温水淬渣、分析相结合的方法，研究超超临界汽轮机转子 钢电渣重熔用熔渣的析晶行为，为后续超百吨级电渣锭全重熔周期稳定化冶炼技术攻关奠定基础。实验 热力学计算 采用热力学软件 计算研究熔渣冷却过程中平衡析晶行为。计算采用 模块，数据库选用、，熔渣初始温度为，析晶过程为平衡析晶，熔渣成分如表 所示。表 实验用熔渣成分（质量分数，）（，）熔渣差热分析 目
5、前对结晶性能的研究的主要方法主要有：差热分析（）、单丝热偶技术（，）和 双 丝 热 偶 技 术（，），以及激光共聚焦扫描显微镜（，）等。分析方法具有技术成熟，广泛应用于各种物质的相变、分解、结晶、挥发等过程的检测分析，且过程可控，能够实现不同升温速率、降温速率、气氛等精确控制。采用 技术可以实现原位观察，可视化熔渣的动态熔化、结晶和玻璃转变等相变过程。而采用 方法时，则主要面临实验费用较高等缺点。因此本实验采用差热分析技术进行熔渣结晶性能研究。使用设备为功率补偿型 （，）。实验用渣料为上述表 中熔渣。实验前采用已知熔点和热焓值的高纯金属，和 等进行温度和热焓校准。实验中使用铂金坩埚，坩埚容积为
6、 ，参比坩埚也为同样规格的铂金坩埚。实验过程中通入高纯氩气保护（纯度为 ），加热炉内保护气的吹入流量为 ，而称重系统天平的保护气吹入流量为 。在称重系统清零稳定后加入约 的上述粉碎至 目以下的粉末，开始升温，升温速率为 ，升温至 （）后，恒温 ，保证液态熔渣成分均匀及温度均匀。然后开始冷却，冷速为，直至温度为 （）。同时为了实验结果的可靠及对记录曲线进行修正平滑，每组实验均需要相对应条件和使用坩埚的空白实验。以减少炉内气流的对流和紊流等造成实验结果扰动。高温水淬渣及、分析 高温水淬是一种常用的一种室温研究熔渣高温结构和析出相的方法。实验中使用的坩埚为内衬 厚的钼片的石墨坩埚，石墨坩埚内径，高。
7、坩埚内加入 预熔的渣料，升温至 ，恒温 后，开始降温。降温速率控制在约 ，降温至 曲线放热峰的终止温度后，快速提出坩埚并投入至水中。将水冷渣样部分进行 物相分析。检测设备为 （）配备石墨晶体单色仪，实验采用 靶材，扫描 角度为 ，扫描速度为 。对上述水淬渣进行 物相形貌等分析，采用场发射扫描电镜（）进行形貌观察分析，并使用配备的 能谱仪进行成分分析，能谱分析过程中操作电压为 。熔渣析晶动力学分析 析晶动力学计算采用 计算方法，计算方法是一种重要的根据 实验结果分析结晶动力学的方法，目前已被广泛运用到不同冶金熔渣的析晶动力学研究中，并取得了较为满意的结果。这种计算方法中对 曲线分析并得到结晶动力
8、学的理论是由 提出。计算公式如下：（）（）（）（）对式（）进行一次微分，可得式（）。（）（）（）（）（）式中，为结晶的体积分数或者结晶率；为激活能；为气体常数；为开尔文温度（）；为降温速率（）；为 常数，决定晶相的析出机制和生长维数；为常数。对（）（）和（）（彭雷朕：超超临界汽轮机转子 钢电渣重熔熔渣析晶行为研究 年第 期）进行作图，可得 和。结果与分析 初晶相分析 热力学软件计算结果如图 所示，从图中可看出：熔渣在平衡冷却过程中，首先析出大量，析 晶 温 度 约 为；其 次 析 出，析 晶 温 度 约；和析晶温度接近，约；析晶温度较低，约。图 计算的熔渣冷却过程中析出晶相质量随温度变化 熔渣
9、差热分析结果如图 所示，从图中可看出，熔渣在 的冷却过程中，至少 种晶相析出；初晶相（）的析出温度约；峰可能为复合峰，析出温度约；峰较小，且峰值较低，有可能对应，析晶温度约。图 熔渣析晶行为 高温水淬渣的 分析结果如图 所示，从图中可看出：峰对应的析晶相为；峰为复合峰，对应的析晶相为 和，未检测到，可能原因是析出量过低；鉴于 分析精度，峰对应析晶相未检测到，可能原因是 峰对应的晶相的析出温度较低，不利于晶核形成和长大，且 峰晶相过于分散等。图 六组熔渣不同温度淬火后的 分析结果 析晶相形貌分析 峰高温水淬渣的 分析如图 所示。从图 可看出：在 峰高温水淬熔渣中，作为初晶相，在熔渣基体中大量析出
10、；呈现块状、岛状，此时初晶相尚未长大，但已占据熔渣基体的大部分面积。峰高温水淬熔渣的 分析如图 所示。从图 可看出：峰熔渣中，晶相形貌主要是枝晶状和流水样，且 是主要析出相。晶相形貌细窄，如短细棒状，且 主要在附近析出。在该水淬渣中检测的三种析出物相和 检测结果一致。从上述分析可看出：作为初晶相，在降温过程中均匀析出，并随温度降低快速长大，占据熔 渣 基 体 的 大 部 分 空 间；随 后 析 出 的、和 则只能在 晶相枝晶间析出，且比较分散。析晶动力学分析 根据式（）、（）、（）和图，可得 的析晶动力学曲线如图 所示。根据图 拟合曲线的斜率和截距，可得 的析晶活化能和 常数。从图 可以看出：
11、熔渣中的实验点呈现良好的线性关系，相关系数在 左右。通过计算可得 的结晶活化 能为 ，指数 为 ，说明 年第 期大型铸锻件图 峰水淬渣的 分析 图 熔渣在 峰水淬渣样的面扫分布 图 熔渣中 的析晶动力学分析 的析晶机制为三维生长机制，且从水淬熔渣中 的形貌主要是枝晶状和近椭圆面状，也说明了 的析出主要是三维生长机制。由 于 峰 为 复 合 峰，对 应 的 析 晶 相 为、，或 含 有 部 分，但析出量较少，、分析未检测出来。由于为复合析出峰，曲线无法进行分峰处理，无法对 峰对应的析晶相进行析晶动力学分析。从 热力学计算结果和 曲线 峰析晶温度，分析可知：峰对应析晶相应为。根据式（）、（）、（）
12、和图，计算得的 析 晶 动 力 学 曲 线，如 图 所 示，的析晶活化能为 。活化能的意义主要是结晶需要克服的能量，通常来说，活化能越低则熔渣析出该物相的倾向越大。的析晶活化能大于 析晶活化能，但 的析晶温度低，且 作为初晶相，因此上述熔渣在冷却析晶过程中首先析出，且 在液态熔渣中均匀形核析出，并随温度降低快速长大，占据熔渣大部分体积空间。电渣渣皮成分预测 通过上述分析，固态熔渣中 占据熔渣大彭雷朕：超超临界汽轮机转子 钢电渣重熔熔渣析晶行为研究 年第 期部分体积空间，即便在电渣重熔过程中渣皮的形成过程中存在环形微渣池及随电渣锭抬升，渣皮存在部分返熔等现象，形成的固态渣皮中的主要成分仍为，基体
13、中嵌杂少量分散的、和。由于 析出温度过低，而电渣重熔过程中渣皮的形成具有一定的温度梯度，因此渣皮最外层会首先形成初晶相 层，会在 层外形成，随渣皮部分返熔，会再次熔化进入渣池。因此，可预测 电渣重熔过程中，渣皮的理论预测成分应为，夹杂微量的 和。图 熔渣中 的析晶动力学分析 通过对电渣重熔超超临界汽轮机转子用 钢熔渣的析晶行为研究，对电渣重熔过程中渣皮成分的预测，并结合后续工业实际生产过程中渣皮成分的实验分析，对理论预测结果进行修正，掌握工业生产过程中渣皮的形成对渣池成分的影响规律，并采取措施修正熔渣成分的变化，弥补渣皮形成对熔渣成分的影响，实现超百吨电渣锭电渣重熔过程中熔渣成分的稳定，保证电
14、渣重熔操作的顺行及工艺参数的稳定性，最终提高电渣锭的冶金质量和利用率。结论 （）电渣重熔超超临界汽轮机转子用 钢熔渣的理论初晶相为，理论析出温度为，降 温 过 程 中，析 出 温 度 为。（）的析晶机制为三维生长机制，在液态熔渣中均匀形核析出，并随温度降低，快速长大，占据熔渣大部分空间体积。（）超超临界汽轮机转子 钢电渣重熔过程中，理论上渣皮熔渣晶相中大部分是，基体中嵌杂少量、。参考文献，：，：刘正东，程世长，唐广波，等中国电站用钢技术现状和未来发展 钢铁，（）：，（）：，：巨建涛，吕振林，焦志远，等 渣系的非等温挥发行为过程工程学报，（）：于雄，文光华，唐萍，等 对高铝钢连铸保护渣理化性能的
15、影响重庆大学学报，（）：，（）：葛蓓蕾 电渣重熔中渣成分变化对电渣冶金过程影响的数值模拟 西安：西安建筑科技大学，（），（）：，（）：，：，：，（）：，（）：（下转第 页）罗玉立：大型 钢锭制造冶炼控制技术的实践与研究 年第 期脱氧参数等措施，克服了残余元素超标的问题，掌握了超低残余元素的控制方法，且易氧化元素收得率稳定；通过保护浇注有效解决了浇注过程的二次氧化问题；在电渣重熔过程通过采用 等多元渣系，成功解决了、与渣系之间的平衡问题，保证了、元素窄成分的合格可控。从质量评价结果看，化学成分及夹杂物评级等各项指标达到了标准要求，生产出了合格的锻件，成功地解决了 钢锭的制造技术难题。参考文献 丁
16、玲玲 高效超超临界汽轮机转子钢 的疲劳与断裂特性研究 西安：西安热工研究院有限公司，杨百勋，丁玲玲，田晓，等 转子钢低周疲劳断口分析 中国电力，（）：周斌，高振桓，李清松，等超超临界汽轮机转子 材料性能及蠕变组织演化规律研究 东方汽轮机，（）：丁玲玲，杨百勋，田晓，等高效超超临界汽轮机转子钢 的低周疲劳特性研究 动力工程学报，（）：庞庆，彭建强 等级超超临界汽轮机高中压转子材料研究 汽轮机技术，（）：梅林波，沈红卫，王思玉，等 汽轮机转子材料的开发及性能分析 热力透平，（）：王欣，张喜英，欧阳建国，等 转子钢在长期热时效中的组织变化 一重技术，（）：巴钧涛，高建军，王少波，等 钢电渣重熔工艺中试研究 大型铸锻件，（）：刘锦滔，武彦荣，肖杰，等 转子性能及堆焊热处理工艺研究 装备制造与教育，（）：彭雷朕，姜周华，耿鑫，等超超临界火电站用 转子钢控氮工艺研究东北大学学报（自然科学版），（）：罗玉立，李连龙，何亚军 超超临界汽轮机转子用新材料冶炼工艺研究大型铸锻件，（）：黄希祜 钢铁冶金原理北京：冶金工业出版社，方迁，叶成立，金杨，等 钢中 含量控制研究 大型铸锻件，（）：，（）：编辑：段红
