近年來，國內(nèi)汽輪發(fā)電機行業(yè)飛速發(fā)展,，汽輪發(fā)電機組用鋼量也顯著增加。護環(huán)是發(fā)電機組設(shè)備中重要的部件之一,，是汽輪機組中承受應(yīng)力最高的部件。護環(huán)鋼對抗應(yīng)力腐蝕,、力學(xué)性能等要求較高,，傳統(tǒng)材料大多采用50Mn18Cr4N和50Mn18Cr4WN系列鋼，但這些材料在服役過程中抗應(yīng)力腐蝕能力較差,。20世紀80年代中后期開始,，國內(nèi)開始引進使用1Mn18Cr18N 護環(huán)鋼，并逐步取代傳統(tǒng)的50Mn18Cr4N 和50Mn18Cr4WN 系列護環(huán)鋼,。1Mn18Cr18N鋼的Mn,、Cr、N含量高,，碳含量低,，低C和高Cr可以提高鋼的耐腐蝕性能，高Mn可以保證順磁性,，高氮可以確保強度滿足要求,，同時得到穩(wěn)定的奧氏體。      傳統(tǒng)冶煉1Mn18Cr18N鋼通常使用VOD工藝進行冶煉,，范春玲,、王少波等對VOD冶煉工藝進行了研究。然而,，VOD工藝是在真空狀態(tài)下進行,，底吹氮氣回收率較低，需要使用含氮合金（氮化鉻,、氮化錳等）進行氮合金化,，導(dǎo)致冶煉時間長，且對C,、Cr,、Mn元素成分調(diào)整有一定干擾，使得成分精準控制變得更為困難,。AOD精煉是在常壓下進行,，通過使用AOD爐底部氧槍大流量吹入氮氣，能夠快速實現(xiàn)氮氣的合金化,，不僅可以縮短冶煉時間,，提高生產(chǎn)效率，還可以避免C,、N,、Cr、Mn之間成分調(diào)整的相互干擾,，從而實現(xiàn)成分精準控制,。      通過對該材料的分析研究,，并結(jié)合前期的生產(chǎn)經(jīng)驗，成功地開發(fā)了AOD法冶煉1Mn18Cr18N護環(huán)鋼的工藝,，并用氮氣合金化取代了含氮合金,，提高生產(chǎn)效率的同時,，實現(xiàn)了成分的穩(wěn)定控制,。1鋼中氮的溶解度熱力學(xué)計算      在相同的力學(xué)性能指標(biāo)下，提高鋼中氮含量就可以相應(yīng)地降低碳含量,，從而進一步提高抗晶間腐蝕能力,，最終提高鋼材壽命，鋼水吸氮反應(yīng)如下：      式（1）的平衡常數(shù)如下：    式中：KN 是鋼水中氮的平衡常數(shù),；αN 是鋼水中氮的活度,；PN2 是N2平衡分壓，Pa,；Pθ是標(biāo)準大氣壓,，Pa；fN是氮的活度系數(shù),；[N ]是氮在鋼水中的飽和溶解度,；    根據(jù)Chipman、Anson等研究結(jié)果可知：

    由式（1）,、式（2）,、式（3）可得：

    由wagner 模型以及查閱文獻可以得到標(biāo)準大氣壓下氮的活度系數(shù)公式：    式中：[C]、[Cr],、[ Mn],、[ Mo]、[ Ni],、[ P],、[ Si]、[ S] 分別為鋼水中C,、Cr,、Mn、Mo,、Ni,、P、Si,、S的質(zhì)量分數(shù),；1Mn18Cr18N 和50Mn18Cr4N 鋼化學(xué)成分見表1，根據(jù)式（4）和式（5）,，氮分壓為0.1 MPa條件下,，計算出平衡氮質(zhì)量分數(shù)隨溫度變化關(guān)系,，如圖1所示。   隨著鋼水溫度的降低,，兩種鋼水平衡氮質(zhì)量分數(shù)都不斷上升,，但1Mn18Cr18N鋼變化幅度比50Mn18Cr4N鋼更大。    根據(jù)式（4）和式（5）,，在1600℃和氮分壓為0.1 MPa 條件下,，可計算出1Mn18Cr18N 鋼中Cr 和Mn含量對氮的溶解度關(guān)系，如圖2所示,。隨著Cr,、Mn 含量的提高，鋼水平衡氮質(zhì)量分數(shù)不斷增加,，19.5%Cr-20%Mn 合金體系中平衡氮質(zhì)量分數(shù)可達0.94%。這主要是由于Cr,、Mn元素與氮的親和力較強,，降低了鋼水中氮的活度,，提高鋼水中氮的溶解度。     通過對1Mn18Cr18N鋼中氮的溶解度熱力學(xué)計算可知：隨著鋼水溫度的降低,，1Mn18Cr18N鋼中氮的溶解度增加；在1600℃時,，1Mn18Cr18N 鋼中平衡氮質(zhì)量分數(shù)可達0.94%?；谶@兩方面,，冶煉1Mn18Cr18N鋼具備氮氣合金化的條件,。2冶煉生產(chǎn)工藝2. 1　電弧爐、感應(yīng)爐粗煉鋼水    根據(jù)設(shè)備及模鑄能力,，設(shè)計工藝路線為：20t非真空感應(yīng)爐+20t 電弧爐→AOD→LF→模鑄鋼錠,。    1Mn18Cr18N 鋼合金元素占比為40%,，根據(jù)鐵合金品位推算出感應(yīng)爐配低鈦高鉻4.5 t,，所需電弧爐粗煉鋼水量為12 t，電弧爐裝料量為14 t。為盡可能地降低1Mn18Cr18N 鋼最終的磷含量，控制電弧爐出鋼磷含量≤0.005%。電弧爐出完鋼后將鋼包吊至感應(yīng)爐,，感應(yīng)爐進行出鋼操作,，感應(yīng)爐鋼水進入鋼包氬氣攪拌后取樣分析成分（見表2）,，并將鋼水轉(zhuǎn)移至AOD爐精煉。2. 2　AOD爐精煉     AOD 爐精煉的基本原理是降碳保鉻，整個冶煉過程分為氧化期和還原期,。由于Mn 還原性較Cr強，且Mn的飽和蒸氣壓較大,，為防止鋼水中Mn元素在吹氧脫碳過程中的大量揮發(fā),，AOD 氧化前期不調(diào)整Mn元素,。氧化期加入石灰造渣，取樣C≤0.02% 后再調(diào)整Mn 元素。加入金屬Mn 會導(dǎo)致鋼水溫度降低，為提高鋼水溫度,，采用金屬Mn和鋁粒同時加入,，并保持吹氧,，鋁粒氧化放熱提高鋼水溫度。每批加入1t 金屬Mn,、100kg 鋁粒,，共計加入4批。    合金化后切換還原期,，加入脫氧劑硅鐵,、鋁粒進行還原，還原過程使用氮氣攪拌增氮，還原后出鋼,。試生產(chǎn)2爐,，AOD增氮過程中取樣分析氮含量，得到鋼水中平均氮含量變化與時間的關(guān)系,，如圖3所示,。在吹氮27 min 后，鋼水中氮含量達到0.547%,，氮的溶解度趨于飽和,。

2. 3　LF精煉     AOD精煉結(jié)束出鋼后,，進LF爐進行成分精調(diào),，過程中使用底吹氮氣攪拌,，并根據(jù)鋼水氮含量補加含氮鉻鐵或含氮錳鐵合金,。根據(jù)氮的溶解度熱力學(xué)計算可知,，氮的溶解度隨著溫度的降低而增加,，結(jié)合鋼水液相線,，控制精煉溫度在1480~1520 ℃，提高氮的溶解度,。試生產(chǎn)2爐，LF精煉過程平均氮含量如圖4所示，2爐LF初始樣平均氮含量0.628%,，隨后,，使用含氮鉻鐵或錳鐵合金少量多批加入,，增氮至0.67%,，合金增氮平均回收率為76%，成品平均氮含量為0.68%,。雖與理論計算值有差異,，但成品氮含量均在成分要求范圍內(nèi),。

    按照設(shè)計工藝完成了2爐1Mn18Cr18N鋼的冶煉，成分控制穩(wěn)定,，進AOD爐前和成品成分見表2,，成分和質(zhì)量滿足工藝要求。3

結(jié)論（1）通過對1Mn18Cr18N鋼中氮的溶解度進行熱力學(xué)計算,，冶煉1Mn18Cr18N鋼具備氮氣合金化的條件,，并成功采用AOD法冶煉1Mn18Cr18N護環(huán)鋼，實現(xiàn)了氮氣合金化,，縮短了冶煉時間,，成分控制穩(wěn)定。（2）LF爐精煉過程除了Cr,、Mn元素對氮的溶解度有顯著影響外,，精煉溫度對氮的溶解度影響也較大，加入含氮合金,，氮的平均回收率為76%,。（3）采用AOD底吹氮氣合金化，1Mn18Cr18N鋼中氮含量僅能達到0.547%左右,，通過LF精煉氮含量可達0.68%,，滿足工藝控制要求。