五元渣密度及在鎳基合金工業(yè)熔煉的應(yīng)用

供稿|劉立，趙俊學(xué)，丁五洲，陳峰，李小孟 /

作者單位：1. 寶鈦集團有限公司，陜西 寶雞 721014；2. 西安建筑科技大學(xué)，西安 710000

內(nèi)容導(dǎo)讀

實驗研究了五元渣(質(zhì)量分數(shù)分別為CaF250%～65%，CaO 50%～65%，Al2O318%～30%，SiO24%～10%，MgO 1%～7%)的組元含量、熔化溫度(1325～1463℃)對其密度的影響。隨著熔渣溫度不斷升高，其密度呈下降的趨勢，1463℃時五元渣的密度為2.199～2.446 g/cm3。65CaF2-9CaO-18Al2O3-8SiO2-7MgO具有較低的密度(2.199 g/cm3)，較好的流動性，低的粘度和良好的表面張力。3 t電渣爐熔煉Inconel600和Inconel625鎳基合金的工業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明，電渣鑄錠成分均勻性良好，[O]≤20×10–6，[N]≤50×10–6，平均電耗從原來ANF-6渣重熔的1950 kW·h/t降至1322 kW·h/t。

電渣重熔(Electro Slag Remelting)是把用一般冶煉方法制成的鋼或其他合金進行二次精煉的工藝。電渣重熔的原料是自耗電極，自耗電極可以是鑄造的、鍛造的、或者焊接的。在重熔過程中電極被通過電流的渣池加熱并熔化掉。

電渣冶金過程是金屬電極熔化、熔滴形成過渡到滴落、形成金屬熔池和金屬結(jié)晶的過程。電渣重熔金屬能有效精煉熔渣，熔渣溫度高，有利于金屬與熔渣之間進行反應(yīng)，所獲得的金屬錠中非金屬夾雜物含量低，殘留夾雜物分布均勻[1-3]。

電渣冶金產(chǎn)品金屬純凈、組織致密、成分均勻、表面光潔，產(chǎn)品使用性能優(yōu)異。對產(chǎn)品的微量化學(xué)成分、夾雜物形態(tài)及性質(zhì)、晶粒尺寸、結(jié)晶方向、顯微偏析、碳化物顆粒都能予以控制。

CaF2-CaO-Al2O3-SiO2-MgO五元渣系在鋼鐵冶金、有色冶金等高溫熔煉過程應(yīng)用廣泛，目前關(guān)于這方面的研究報道較少。本文通過正交實驗系統(tǒng)研究了CaF2-CaO-Al2O3-SiO2-MgO五元渣系溫度從1470℃降到1320℃時，密度隨溫度的變化規(guī)律，為中試實驗、實際工業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

實驗材料

實驗材料為化學(xué)試劑：CaF2(白色結(jié)晶性粉末)、CaO(白色或微黃色的不定形或顆粒狀粉末)、Al2O3、 SiO2、MgO，試劑成分見表1。

表1 試劑成分

實驗結(jié)果及分析

按照正交實驗設(shè)計方法，通過設(shè)計5元素4水平的正交實驗，進行熔渣密度影響因素的測定。由正交實驗結(jié)果得知：當(dāng)以五元熔渣密度為考察指標(biāo)時，CaF2、CaO、Al2O3、MgO、SiO2含量對熔渣密度的影響順序是MgO＞CaF2＞CaO＞SiO2＞Al2O3，各個因素的影響程度相差不是很大。

圖1和圖2是6#、11#、12#爐渣密度圖。由圖1和圖2可以出得出以下結(jié)論：(1)在1463℃時，6#渣樣的密度為2.201 g/cm3，隨著溫度的降低，密度不斷增加，1339℃時，熔渣密度為2.343 g/cm3，增加了0.142 g/cm3。(2)在1463℃時，11#、12#熔渣的密度分別為2.326、2.316 g/cm3。(3)整體來看熔渣在高溫狀態(tài)的下的密度值變化不大。從正交實驗的結(jié)果分析可知，MgO含量對密度的影響比較大。在1400℃以上時，12#爐渣的密度略低于11#爐渣的密度，可能的原因在于12#爐渣的MgO含量較高。(4)11#和12#熔渣的密度隨著溫度的升高而增加，可能與渣樣在高溫狀態(tài)下的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)[4-5]，可以預(yù)測11#和12#熔渣在高溫狀態(tài)下存在比較多的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大分子結(jié)構(gòu)相[6-8]。

圖1 6#爐渣密度曲線圖

圖2 11#、12#爐渣密度曲線圖

應(yīng)用效果

3 t雙工位電渣重熔爐通過應(yīng)用CaF2-CaO-Al2O3-SiO2-MgO五元渣系的爐渣熔煉Inconel600和Inconel625鎳基合金，經(jīng)過檢驗，鑄錠成分均勻，雜質(zhì)元素含量控制好，平均電耗從原ANF-6重熔的1950 kW·h/t降至1322 kW·h/t，取得了良好的節(jié)能效果。

結(jié)束語

(1) 在爐溫1500℃，渣溫1463℃時，五元爐渣的密度值在2.199～2.446 g/cm3范圍內(nèi)。

(2) 正交實驗結(jié)果表明，各個組分對電渣重熔爐渣密度影響為：MgO＞CaF2＞CaO＞SiO2＞Al2O3。

(3) 在1463℃時，11#、12#熔渣的密度分別為2.326、2.316 g/cm3。在1400℃以上時，12#爐渣的密度略低于11#爐渣的密度，原因可能是12#爐渣的MgO含量高，可以驗證正交實驗得出的結(jié)果，即MgO含量對熔渣密度的影響最大。

(4) 該渣系應(yīng)用于由東北大學(xué)設(shè)計的3 t雙工位電渣重熔爐熔煉鎳基合金Inconel600和Inconel625，渣系含氟量較低，電渣具有良好的流動性，表面張力較小，精煉效果好，精煉的合金表面質(zhì)量好。同時，獲得合金冶金質(zhì)量良好，平均電耗從使用原ANF-6渣重熔時的1950 kW·h/t，降至1322 kW·h/t。