溫秋林 王宇 韓智 李瑞新 馬琳琳 王璨 張海軍

(中國機械總院集團沈陽鑄造研究所有限公司,遼寧 沈陽 110022)

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展,電力、石化、船舶、鐵路、礦山、軍工等領(lǐng)域的高端裝備對其核心部件質(zhì)量、綜合性能指標、可靠性及使用壽命的要求日趨提升,例如采用耐高溫高速鋼、耐蝕軸承鋼材料制備的航空、兵器、艦船等裝備用軸承、絲桿、活塞、閥芯、閥套、汽輪機轉(zhuǎn)子,熱作模具鋼制備的熱擠壓模具、壓鑄模具、熱鍛模和熱沖孔模具,高溫合金材料制造的航空發(fā)動機、燃氣輪機等。由于電渣重熔較傳統(tǒng)電爐冶煉工藝相比具有金屬純凈、組織致密、成分均勻、夾雜物細小且彌散分布等諸多優(yōu)點,成為生產(chǎn)高端高性能材料的重要手段[1]。

1 電渣重熔及渣系發(fā)展

電渣冶金技術(shù)起源于20世紀30年代美國[2-3],于50年代由蘇聯(lián)實現(xiàn)了現(xiàn)代電渣冶金技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用[4-5],經(jīng)歷短暫蟄伏期后,隨著西方冶金工作者認識到電渣重熔的技術(shù)優(yōu)勢,電渣重熔技術(shù)于60～80年代迎來快速發(fā)展,電渣冶金設(shè)備數(shù)量和生產(chǎn)能力大幅增加,裝備水平明顯提高,大型電渣爐相繼建成[6-9]。近幾十年來,隨著計算機全過程工藝控制、自動化工藝過程以及電渣工藝技術(shù)不斷優(yōu)化創(chuàng)新,電渣重熔(ESR)冶金技術(shù)逐漸成熟,并在高端產(chǎn)品制造方面得到大量應(yīng)用[10-14]。

電渣重熔是在水冷結(jié)晶器內(nèi)電流通過液態(tài)渣池產(chǎn)生電阻熱將金屬自耗電極熔化,熔化的金屬在電極端頭匯集成熔滴滴落,穿過渣層進入金屬熔池后于水冷結(jié)晶器中結(jié)晶凝固成鋼錠的過程。由于電渣重熔過程金屬熔滴與液態(tài)熔渣接觸,產(chǎn)生強烈的渣-金反應(yīng),吸附金屬熔滴中的夾雜物,因此電渣重熔過程可顯著降低鋼中的非金屬夾雜物含量、提升純凈度,進而提高鋼材沖擊韌性、延長使用壽命。電渣重熔精煉鋼液主要通過熔渣對非金屬夾雜物的吸附作用實現(xiàn)的,因此電渣重熔渣系的組成及其對鋼中夾雜物的吸附能力對電渣重熔鋼液純凈化起著至關(guān)重要的作用。

熔渣在電渣冶金中起到發(fā)熱、精煉、成型、絕緣和導(dǎo)熱的作用[15],電渣重熔用渣系的選擇對電渣產(chǎn)品的質(zhì)量、技術(shù)經(jīng)濟指標和操作的順行及安全性影響很大,而熔渣的物理化學性質(zhì)起到了決定性作用,電渣重熔過程中與渣有關(guān)的現(xiàn)象與爐渣性質(zhì)關(guān)系如圖1所示[16]。

圖1 電渣重熔過程中與渣有關(guān)的現(xiàn)象與爐渣性質(zhì)關(guān)系Figure 1 The relation between slag related phenomena and slag properties in electroslag remelting process

由于電渣重熔最早起步發(fā)展于西方,早期的電渣重熔渣系多由歐美國家開發(fā),我國在引進消化國外電渣重熔渣系基礎(chǔ)上也開發(fā)了相應(yīng)渣系,目前國內(nèi)外常見電渣重熔渣系成分如表1[17]所示。

表1 常用電渣重熔渣系成分(質(zhì)量分數(shù),%)Table 1 The composition of commonly used electroslag remelting slag system(mass fraction,%)

由表1可知,目前常用電渣重熔渣系由以CaF2為主的氟化物為基礎(chǔ),配入適當?shù)腁l2O3、CaO、SiO2、MgO等氧化物組成,其中最具代表性應(yīng)用最廣泛的電渣重熔渣為AHΦ-6渣(70%CaF2-30%Al2O3),其具有較好的綜合工藝性能及一定的有害元素、夾雜物及氣體元素的脫除能力,但在使用過程中會出現(xiàn)如下問題[18]:①由于重熔用渣系電阻較低,熔渣發(fā)熱量不足而導(dǎo)致重熔電耗較高;②由于熔渣揮發(fā)性較高導(dǎo)致重熔過程中渣系成分不穩(wěn)定,導(dǎo)致重熔工藝穩(wěn)定性降低;③由于現(xiàn)行電渣重熔用渣含有較高的Al2O3,導(dǎo)致重熔鋼中非金屬夾雜物以脆性鋁酸鹽及Al2O3為主,嚴重影響重熔鋼錠的塑韌性;④由于重熔用渣含有大量的以氟化鈣為主的氟化物,隨著重熔不斷進行持續(xù)產(chǎn)生大量有害的氟化物氣體嚴重污染環(huán)境,而且對操作人員健康不利。由于AHΦ-6渣存在上述問題,因此冶金工作者不斷研究在其基礎(chǔ)上添加氧化鈣、二氧化硅、氧化鎂等開發(fā)多元渣系,以便更好地降低鋼中夾雜物含量,提升電渣熔鑄鋼錠綜合性能。

2 電渣重熔渣系中MgO對夾雜物去除研究

Dong等[19]研究了不同渣系對CR-5A電渣錠夾渣物特性影響,結(jié)果表明使用70%CaF2-30%Al2O3重熔后,電渣錠以Al2O3夾雜為主,部分夾雜物以聚集態(tài)存在,當重熔渣系中添加5%MgO后,電渣錠中夾雜物以小尺寸MgO·Al2O3為主,分析其機理由于MgO·Al2O3與鋼的界面能較小使得MgO·Al2O3更傾向以零散的狀態(tài)分布在鋼錠中,而Al2O3與鋼的界面能相對較大導(dǎo)致Al2O3更傾向于聚集并以大顆粒夾雜形式存在,這對鋼的性能危害很大。因此相較于Al2O3夾雜物,MgO·Al2O3夾雜危害性更小。Radwitz等[20]對重熔渣中MgO含量對21CrMoV5-7鋼中非金屬夾雜物存在的形貌、尺寸和數(shù)量的影響進行了研究,結(jié)果表明隨著MgO在電渣重熔用渣中的加入,電渣錠中大尺寸夾雜物的數(shù)量降低明顯。電渣錠中小尺寸夾雜物(<4 μm)數(shù)量隨著渣中MgO含量增加而明顯增加。當渣中w(MgO)=15%時,大尺寸夾雜物(>6 μm)基本被去除。針對冷軋輥鋼電渣重熔,于昂等[21]研究結(jié)果表明,原始電極中的CaO·MgO·Al2O3·SiO2夾雜物及氧硫復(fù)合夾雜物在電渣重熔后轉(zhuǎn)變?yōu)閱我恍问酱嬖诘腗gO·Al2O3夾雜物與Al2O3夾雜物。采用五元CaF2-CaO-Al2O3-MgO-SiO2渣重熔的鋼中以MgO·Al2O3夾雜為主,采用三七渣重熔的鋼中以Al2O3夾雜為主,五元渣重熔的鋼中大尺寸夾雜物的數(shù)量比三七渣少。針對滲碳軸承鋼電渣重熔,Li等[22]研究了熔渣成分對鋼中夾雜物的影響規(guī)律,結(jié)果表明:重熔用渣成分為65.70%CaF2-28.58%Al2O3-4.42%CaO時,鋼以純Al2O3夾雜物為主;重熔用渣成分為40.62%CaF2-36.95%Al2O3-16.83%CaO-4.87%MgO時,電渣錠中會發(fā)現(xiàn)大尺寸的球狀CaO·2Al2O3夾雜物(>5 μm)。針對42CrMoA曲軸鋼電渣重熔,巨建濤等[23]研究了不同電渣重熔渣對電渣錠夾雜物影響,研究結(jié)果表明采用二元渣70%CaF2-30%Al2O3時,電渣錠中夾雜物主要為Al2O3和MnS夾雜物。當重熔渣系成分分別為60%CaF2-20%Al2O3-20%CaO和60%CaF2-20%Al2O3-10%CaO-10%MgO時,隨著CaO和MgO的加入,電渣錠中夾雜物會以鎂鋁鈣尖晶石形式存在。當重熔渣成分為40%CaF2-20%Al2O3-10%CaO-10%MgO-20%SiO2時,由于渣中存在SiO2,會與夾雜物中Al2O3、CaO及硫化物反應(yīng)生成硅鋁錳與硫化錳復(fù)合夾雜物,同時少量夾雜物以純SiO2形式存在。研究表明[24-25],鋼中鎂鋁尖晶石類夾雜物多以細小形態(tài)彌散均勻分布在鋼錠中,這種夾雜物相比于鋁酸鹽、剛玉、硅酸鹽夾雜物細小得多,且鎂鋁尖晶石類夾雜物較為堅硬,在后續(xù)處理及使用過程中不變形,對鋼的力學性能就不造成任何危害。相較于Al2O3夾雜,MgO·Al2O3夾雜更不容易聚集長大,更有利于鋼中奧氏體和碳化物非均質(zhì)形核,可以實現(xiàn)晶粒和碳化物的細化。夾雜物細化有利于碳化物向球形或近球形轉(zhuǎn)變,避免加工變形過程中棱形夾雜物劃傷鋼的基體,提高了鋼的綜合力學性能[26]。

總體來說,電渣鋼對由于非金屬夾雜物的存在而產(chǎn)生的交變應(yīng)力非常敏感,在加工或使用過程中夾雜物的存在易使鋼的基體組織間產(chǎn)生間隔,從而破壞基體的連續(xù)性而產(chǎn)生缺陷。通常夾雜物尺寸越大、數(shù)量越多、離材料表面越近,對鋼的力學性能和綜合服役性能的影響也越大[27]。盡管電渣重熔過程能夠顯著提升重熔金屬的潔凈度,但電渣錠中仍存在相當數(shù)量的夾雜物[28]。電渣重熔鋼錠中,以脆性鋁酸鹽(CaO·Al2O3)及剛玉(Al2O3)為主要非金屬夾雜物嚴重影響鋼的塑韌性[19,29-33],球狀CaO·Al2O3在后處理和使用過程中容易在其周圍產(chǎn)生“空洞”,從而導(dǎo)致應(yīng)力集中,影響鋼的使用壽命[34]。Al2O3夾雜通常形狀不規(guī)則,且不易變形,在后處理和使用過程中容易劃傷鋼基體本身[35]。

3 總結(jié)及展望

為了提高鑄錠的內(nèi)部質(zhì)量,就要盡量降低鑄錠中的夾雜物的尺寸、數(shù)量和形貌,一是降低夾雜物的尺寸和數(shù)量,特別是降低非金屬氧化物夾雜的尺寸和數(shù)量;二是改善夾雜物存在的形態(tài),盡量使夾雜物以細散、圓滑的形態(tài)分布于電渣錠中。電渣冶金技術(shù)雖然經(jīng)過了多年的發(fā)展,采用電渣重熔工藝可以解決成分均勻化和結(jié)晶組織致密性問題,但受到現(xiàn)有電渣冶金工藝局限性限制,對高端鋼材的高純凈化指標尚無明顯改善,甚至出現(xiàn)局部指標惡化現(xiàn)象。盡管已知電渣重熔渣系中MgO的加入可有效減少鋼中夾雜物數(shù)量、降低夾雜物尺寸,使易聚集的CaO·Al2O3和Al2O3夾雜物轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿浬⒕鶆蚍植嫉腗gO·Al2O3夾雜物,但含MgO電渣重熔渣系的開發(fā)應(yīng)用程度依舊較低,目前開發(fā)的含MgO電渣重熔渣系MgO含量較低(普遍低于10%),未來高MgO含量電渣重熔渣系的開發(fā)或可成為電渣重熔發(fā)展提供新的方向和思路。