李京社 王再飛 楊樹峰

(北京科技大學)

電渣重熔鋼液潔凈度控制研究進展

李京社 王再飛 楊樹峰

(北京科技大學)

電渣重熔工藝能夠顯著去除鋼中的非金屬夾雜物、降低鋼中的總氧含量。本文闡述了電渣重熔過程中非金屬夾雜物的去除機理、夾雜物成分和含量的控制以及電渣重熔過程中氧含量的控制,介紹了電渣重熔過程鋼液潔凈度控制的研究進展,提出了進一步提高電渣重熔過程鋼液潔凈度水平的研究方向。

電渣重熔 非金屬夾雜物 總氧含量

0 前言

電渣重熔 (ESR)是利用電流通過電渣層產(chǎn)生電阻熱來熔化自耗電極的合金母材,液體金屬以熔滴形式經(jīng)渣層下落至水冷結(jié)晶器中的金屬熔池內(nèi),即渣洗清潔鋼液,鋼錠由下而上逐步結(jié)晶。電渣重熔是一種集精煉、凝固于一體的冶煉方法,它可以有效地去除鋼中的非金屬夾雜物,減少氧的含量。在現(xiàn)代冶金工藝中,電渣重熔技術(shù)作為冶煉優(yōu)質(zhì)鋼錠的一種手段,以其優(yōu)良的反應(yīng)條件以及特殊的結(jié)晶方式有著其他煉鋼方法所不能替代的優(yōu)越性,例如電渣重熔技術(shù)廣泛用在高溫合金、精密合金、模具鋼以及軍工鋼等特種鋼的冶煉上。與普通鋼相比,特殊鋼要求具有更高的強度和韌性、物理和化學等方面的性能。這就需要降低鋼中有害元素的含量,即提高鋼的潔凈度。下面筆者從非金屬夾雜物的控制、氧含量的控制兩方面對電渣重熔過程潔凈度的研究進展進行介紹。

1 非金屬夾雜物的控制

1.1 非金屬夾雜物去除機理

電渣重熔凈化金屬、特別是顯著去除非金屬夾雜物已是公認的事實[1]。電渣重熔的過程大致分為三個階段:①在自耗電極末端金屬熔化聚集成滴;②金屬熔滴脫離電極落下,穿過渣池;③落下的金屬熔滴在鑄錠上端形成金屬熔池。電渣重熔過程如圖1所示[1]。

圖1 電渣重熔示意圖

關(guān)于電渣重熔過程中非金屬夾雜物的去除機理,國內(nèi)外的研究人員進行了大量的研究。蘇聯(lián)學者 Ю. В. Л а т а ш[2]和日本學者真殿統(tǒng)[3]通過研究提出,電渣重熔去除夾雜物的主要原因是夾雜物自金屬熔池浮升進人渣池。他們引用 Stokes公式來說明,主張減慢重熔速度以保證質(zhì)量。隨后,這一觀點被美國 G.K.Bhat[4]和英國 G.Hoyle[5]加以引用。而蘇聯(lián)學者 И. А. Г а р е вcк и й[6]和東德研究人員 W.Riehling[7]等則認為:電渣重熔去除夾雜作用主要發(fā)生在熔滴穿過渣池階段。通過一系列研究,他們主張細化熔滴。西德 T.EI.Gammal[8]和日本長谷川正義研究了通過電流變頻來細化熔滴,以期提高電渣重熔去除非金屬夾雜物的效率。

我國曾樂、李正邦等人早在 1961年對電渣重熔去除夾雜的機理進行了研究,他們以金相法統(tǒng)計電極末端熔化區(qū),以及鑄錠中夾雜物面積及單位面積夾雜物個數(shù)為基礎(chǔ)得出結(jié)論:電渣重熔去除非金屬夾雜物主要發(fā)生在電極熔化末端熔滴形成階段[9]。隨后 ,蘇聯(lián) Г.A.Baч уoвa、瑞典 О.Jarleborg[10]等通過研究,進一步證實了此觀點。由于發(fā)現(xiàn)之前的研究方法存在不精確之處:自耗電極端頭熔化區(qū)、金屬熔滴及金屬熔池試樣被制取后在速冷情況下,試樣金屬中含過飽和的 [O]。因此,李正邦、周文輝、李誼大對電渣重熔去除夾雜的機理進行了進一步的研究[11]。他們制取自耗電極原始金屬、電極端頭金屬熔化薄膜、渣池中的金屬熔滴以及凝固鑄錠金屬試樣,用金相法、化學分析法以及放射性同位素 (Zr95O2)法測定了各階段的提純效果以及夾雜物趨向,得出結(jié)論:電渣重熔去除鋼中非金屬夾雜物主要發(fā)生在電極熔化端頭。

1.2 非金屬夾雜物含量和成分控制

針對電渣重熔過程中非金屬夾雜物含量和成分的控制,我國研究人員進行了大量的研究。

1983年,李正邦、周文輝、王慶和[12]選用滾珠軸承鋼,采用十種不同的終脫氧制度 (Al 0.5 kg/t、Al 1 kg/t、Al 1.5kg/t、Ca 1 kg/t、Mn 1 kg/t、Ca-Si 1 kg/t、Si-Mn-Ca 1 kg/t、AMS 10 kg/t、Ce-La 0.5 kg/t以及不進行終脫氧)對自耗電極中的夾雜物進行了研究。研究發(fā)現(xiàn),電渣重熔過程去除非金屬夾雜物受到電極中原始夾雜物成分及尺寸的影響。

隨后,李正邦、張家雯[13]等通過研究精密軸承鋼 ZGCr15的冶煉工藝發(fā)現(xiàn),電渣重熔自耗電極原始夾雜物的類型、成分和尺寸對重熔提純效果具有重大的影響,原始夾雜物尺寸對重熔去除夾雜率的影響如圖 2所示。

他們通過研究發(fā)現(xiàn):通過選擇自耗電極冶煉脫氧制度及重熔渣系,可以有目的地控制鋼的純凈度及夾雜物成分和類型。電渣重熔自耗電極冶煉采用鋁作為終脫氧劑時,特別是加鋁量大于 1 kg/t鋼時,

圖2 原始夾雜物平均尺寸對重熔去除夾雜率的影響

原始夾雜物為高熔點細小分散的剛玉,在電渣重熔時很難被渣吸附;增加終脫氧加鋁量會使鋼中殘余鋁含量提高,重熔時易二次氧化,形成新生夾雜物。此外,電渣重熔自耗電極的冶煉采用 Si-Fe、Si-Ca脫氧后,脫氧產(chǎn)物為硅酸鹽,采用酸性渣重熔后,ZGCr15鋼可以獲得以硅酸鹽為主的塑性夾雜物,有利于提高鋼的疲勞壽命。

此外,研究人員對電渣重熔過程中重熔渣系對夾雜物含量和成分的影響也進行了研究。王光迪、張福臣[14]通過進行無氟和低氟渣系的研究發(fā)現(xiàn):無污染、低能耗的氧化物渣系 (CaO∶Al2O3=50∶50)與高氟渣系 (CaF2∶Al2O3=70∶30)相比,硫化物夾雜少,脆性夾雜少,但球狀夾雜較多;能耗較低的渣系 (CaF2∶CaO∶Al2O3=40∶30∶30)與高氟渣系(CaF2∶Al2O3=70∶30)相比 ,脆性夾雜少 ,硫化物夾雜少,而且沒有球狀夾雜;電渣鋼中硫化物夾雜的去除量與渣系有關(guān),而硫化物的形態(tài)、成分與渣系無直接關(guān)系。隨后,周德光、王昌生[15]等對 Ca-Si脫氧及酸性渣重熔改善軸承鋼中的夾雜物進行了研究。他們研究了電渣母材的脫氧制度及重熔渣系對軸承鋼夾雜物和疲勞性能的影響。研究發(fā)現(xiàn):采用Al脫氧的電渣母材,不論用堿性渣還是用酸性渣進行重熔,重熔鋼中的非金屬夾雜物都以脆性的Al2O3為主;Ca-Si和 Ca-Si+Fe-Si脫氧的電渣母材,經(jīng)過堿性渣系重熔后,重熔鋼中的非金屬夾雜物仍以 Al2O3為主;但是,經(jīng)酸性渣系重熔后,重熔鋼中的非金屬夾雜物變成以硫化物和硅酸鹽為主的塑性夾雜物,鋼材的疲勞壽命提高?？偨Y(jié)電渣重熔過程中對非金屬夾雜物含量和成分控制的研究,可以得出如下結(jié)論:

1)采用不同的脫氧制度,得到的自耗電極中所含非金屬夾雜物的類型、成分和尺寸不同;

2)對于采用不同脫氧制度得到的自耗電極,其中所含夾雜物的類型、成分和尺寸對于重熔鋼中的夾雜物具有重要的影響;

3)選擇不同的重熔渣系,重熔鋼中的非金屬夾雜物類型、成分和尺寸不同。

3 氧含量的控制

近二十年來,國內(nèi)許多研究人員針對電渣重熔過程鋼中氧含量的控制進行了許多研究。周德光、徐衛(wèi)國[16]等研究了不同氧含量 ((5～40) ×10-6)的自耗電極及重熔渣系對軸承鋼氧含量的影響。研究發(fā)現(xiàn),不論用高氧含量 (>30×10-6)自耗電極還是低氧含量 (<10×10-6)自耗電極重熔,電渣鋼中氧含量都保持在 (15～30)×10-6;用高氧含量自耗電極 (>30×10-6)重熔,電渣過程是一個降氧凈化過程,用低氧含量自耗電極 (<10 ×10-6)重熔,電渣過程是一個增氧玷污的過程;影響電渣鋼中氧含量的決定因素是渣中的αFeO值,自耗電極中的原始氧含量影響都較小。

王昌生、劉勝國[17]等通過在 420 mm/250 mm方形結(jié)晶器的工業(yè)爐上重熔 1.2 t錠,研究了自耗電極氧含量對重熔鋼中氧含量的影響。研究發(fā)現(xiàn),低氧含量的自耗電極經(jīng)電渣重熔后其鋼錠中氧含量會上升。他們在試驗中測定了 GCr15軸承鋼電渣重熔前后氧含量的變化,自耗電極的 w[O]采用了 10×10-6和 5.87 ×10-6兩個等級,重熔鋼中 w[O]沒有顯著差異,基本都能達到 15×10-6左右的水平。耿鑫、姜周華[18]等對電渣重熔過程中氧含量的控制進行了系統(tǒng)的研究。通過研究提出,電渣重熔過程中的氧主要來源于:

1)自耗電極中的原始氧含量,其對重熔鋼中氧含量的影響如圖 3所示;

圖3 自耗電極中氧含量對重熔鋼中氧含量的影響

2)在電極制造和重熔時渣池上方自耗電極表面生成的氧化鐵皮;

3)造渣材料中帶入的不穩(wěn)定氧化物;

4)電渣重熔過程中氣氛中的影響。

同時提出,為了有效地控制電渣鋼中的氧含量,必須從四個方面著手,即:

1)使用復(fù)合脫氧劑對自耗電極進行終脫氧以降低其中的原始氧含量;

2)將酸洗的電極表面剝皮后立即重熔,可以降低重熔后鋼中的氧含量;

3)對重熔用渣進行一次預(yù)先處理,同時要連續(xù)不斷地向渣池加入適量的脫氧劑,使整個重熔過程中不穩(wěn)定氧化物的含量保持在規(guī)定的范圍之內(nèi);

4)采用惰性氣體 (Ar,N2等)保護下進行電渣重熔的方法以控制重熔過程中氣氛中的氧,氬氣保護與大氣下重熔鋼錠中的氧含量如圖 4所示。

圖4 氬氣保護與大氣下重熔鋼錠中的氧含量

近幾年,研究人員對電渣重熔過程中電力制度對氧含量控制的影響也進行了研究。常立忠、楊海森、李正邦[19]研究了不同電源頻率對電渣錠質(zhì)量的影響。通過研究發(fā)現(xiàn):隨著電源頻率的降低,重熔鋼錠中的氧含量增加。主要是由于渣池中的部分氧化物在重熔過程中發(fā)生了電解,導(dǎo)致氧進入鋼中;但因此而產(chǎn)生的夾雜物是在凝固過程中產(chǎn)生的,彌散、細小。電解示意圖如圖 5所示。

圖5 電渣過程渣池部分氧化物電解示意圖

3 結(jié)語

電渣重熔是現(xiàn)代冶金工藝中一種不可替代的冶煉技術(shù)。通過電渣重熔,能夠顯著去除鋼中的非金屬夾雜物、降低鋼中的總氧含量,達到提高鋼的潔凈度、優(yōu)化鋼鐵產(chǎn)品性能的目的。目前,電渣重熔技術(shù)已經(jīng)在高潔凈度鋼種的生產(chǎn)中得到了很好的應(yīng)用,為了更好地把握電渣重熔過程中的冶金規(guī)律,進一步提高電渣重熔過程潔凈度的控制水平,需要對以下三個方面的內(nèi)容做進一步研究:

1)底吹氬在自耗電極冶煉過程中的應(yīng)用;

2)電渣重熔過程中氣氛保護的實現(xiàn)以及氣氛保護對自耗電極冶煉過程中夾雜物控制影響;

3)稀土元素對重熔過程中夾雜物變性的作用規(guī)律。

以上三方面的研究對提高電渣鋼的質(zhì)量,擴大電渣重熔技術(shù)的應(yīng)用范圍,促進電渣重熔技術(shù)的進一步發(fā)展有著重大意義。

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REVIEW OF CLEANL I NESS CONTROL FOR STEELS PRODUCED BY ESR PROCESS

Li Jingshe Wang Zaifei Yang Shufeng

(University of Science and TechnologyBeijing)

ESR process could not only remove nonmetallic inclusions largely but also reduce the total oxygen content notably.The progress of cleanliness in ESR process has been introduced by analyzing the mechazism of removing nonmetallic inclusions,the control of both content and composition of nonmetallic inclusions and the control of total oxygen content.Besides,research directions are given in order to further improve the control level of cleanliness in ESR process.

ESR nonmetallic inclusions total oxygen content

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聯(lián)系人:李京社,常務(wù)副院長,教授,博士生導(dǎo)師,北京 (100083),北京科技大學研究生院;

2010—3—30