袁紅， 侴樹國， 金喜慶， 王建， 張明輝

(1. 大連鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院有限公司，遼寧 大連 116000；2.哈爾濱焊接研究院有限公司，哈爾濱威爾焊接有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 前言

硫在不銹鋼中是一種極其有害的元素，尤其是對于ER309L這種奧氏體不銹鋼焊接材料極易導致焊接熱裂紋[1-4]，在核電領(lǐng)域使用的核級材料對于硫的要求極其嚴格，一般含硫量限制在0.010%以下，同時對硫含量的均勻性也有很高的要求。隨著冶煉技術(shù)的提高脫硫已經(jīng)不再是工藝難點了，電渣重熔過程可以有效去硫，一般情況下脫硫率可達50%以上[5]，又因為電渣重熔過程的其他諸多優(yōu)點，在核電焊材生產(chǎn)時往往選擇電渣工藝[6]。ER309L焊絲多用于合成纖維、石油化工等設(shè)備制造的相同類型的不銹鋼結(jié)構(gòu)及復合鋼、異種鋼等構(gòu)件，也可用于核反應(yīng)堆、壓力容器內(nèi)壁過渡層堆焊和塔內(nèi)構(gòu)件焊接[7]。為了提高焊接質(zhì)量的可靠性，焊絲質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性要具有相當高的水平，焊絲中的硫含量的控制尤為關(guān)鍵?，F(xiàn)有常用ANF-6渣，主要集中在脫硫及去夾雜能力上，但是不能精確控制重熔后S元素含量的范圍。在ANF-6渣基礎(chǔ)上通過加入CaO，SiO2等組分可調(diào)節(jié)重熔后S元素含量，CaO，SiO2等組分配比是渣系控制的的難點。文中在生產(chǎn)條件下，采用不同渣系對電渣過程脫硫規(guī)律進行了研究，旨在尋找有效穩(wěn)定控制鋼種硫含量的措施。確定核電用ER309L焊絲重熔渣系的組分。

1 試驗方案

試驗設(shè)備采用1 t雙臂抽錠單相電渣重熔爐；結(jié)晶器兩種方形F220 mm和圓形φ240 mm抽錠結(jié)晶器，高度600 mm；自耗電極為中頻感應(yīng)爐冶煉的核級ER309L不銹鋼，直徑150 mm，電極化學成分見表1。采用5種渣系，渣配比見表2，對比研究渣系對脫硫率的影響。試驗過程中渣量及重熔工藝參數(shù)均相同。預(yù)熔渣未烘干開袋即用，其他組元均在用前經(jīng)600 ℃×4 h烘干處理。如表2所示采用不同渣系重熔了15個長約1.4 m的φ240 mm鋼錠和2個長約0.25 m的F220 mm試驗鋼錠(試驗小錠未進行封頂操作)。如圖1所示對鋼錠不同部位取樣。對于圖1a所取試樣采用瑞士ARL3460型光譜分析儀分析，對圖1b所取試樣采用美國力可公司LECO-CS230型碳硫分析儀分析。對比分析了各種渣系對核級309L焊絲電極S元素含量及成分的影響規(guī)律。

表1 核級ER309L不銹鋼自耗電極化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表2 試驗用渣配比

圖1 重熔錠取樣示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 石英含量對脫硫率的影響

L0～L4五種渣系對比了石英含量對脫硫率及元素燒損的影響，數(shù)據(jù)如圖2所示。

試驗結(jié)果表明，采用CaF2-Al2O3-SiO2三元渣系，如圖2a所示。隨石英配比增加，重熔初期脫硫率呈線性下降趨勢，而重熔末期封頂時的脫硫率基本不受石英比例的影響。同時無論是重熔錠的底部還是頂部石英比例的增加均會導致硅燒損下降錳燒損增加，當石英比例提高到25%時還出現(xiàn)了明顯的增硅燒錳現(xiàn)象，見圖2b。眾所周知隨石英比例的增加必然導致堿度的下降，各種研究表明在電渣重熔時隨渣堿度下降脫硫率下降[8-9]。

圖2 不同石英配比S，Si，Mn燒損率(正值為燒損，負值為增加)

2.2 重熔各階段脫硫規(guī)律

同時試驗發(fā)現(xiàn)重熔不同階段脫硫率有顯著區(qū)別，為細致研究重熔不同階段的脫硫率變化規(guī)律，特對L0，L1 及L2三種渣系重熔錠進行了解剖分析，分析了硫含量在重熔錠縱向分布，數(shù)據(jù)見表3。試驗結(jié)果表明這種變化并非隨時間呈線性變化規(guī)律，而是在不同的重熔階段體現(xiàn)出明顯差異的階梯式變化規(guī)律，見圖3(穩(wěn)定重熔段脫硫率：L2約20%～30%;L1為30%～40%；L0約50%～60%)。在重熔化渣過程中脫硫率明顯大于其他階段，重熔中期脫硫率有少量的下降但比較穩(wěn)定，在重熔末期收弧階段脫硫率顯著下降。電渣重熔脫硫為有爐氣參與的三相反應(yīng)過程，此處[ ]，()，{ }分別代表金屬相，渣相和氣相。

圖3 三種渣系下重熔錠不同高度脫硫率

表3 三種渣系重熔錠縱向硫的分布

[S]+(O2-)=(S2-)+[O]

(1)

(S2-)+3/2{O2}={SO2}+(O2-)

(2)

由式(1)、式(2)得出：

[S]+ 3/2{O2}={SO2}+[O]

(3)

硫的去除機制是鋼中硫以渣為媒介與空氣中的氧反應(yīng)生成二氧化硫?qū)崿F(xiàn)脫硫過程，試驗采用的是大氣下固渣啟動工藝，在起弧階段因渣與空氣的接觸更為充分故脫硫效率高，而在正常重熔時渣氣反應(yīng)趨于平穩(wěn)故脫硫率比較穩(wěn)定，這與以往的研究結(jié)果一致[8-11]，當進入收弧階段時因渣溫降低，渣的粘度提高，渣氣反應(yīng)的動力學條件變差，鋼中的硫因氣化反應(yīng)程度降低而導致脫硫率顯著下降。采用液渣啟動并減輕收弧封頂時間應(yīng)可有效降低起弧段和收弧段與正常重熔期間的脫硫率差異。

2.3 螢石配比對主要元素燒損的影響

L5及L6渣系對比了螢石對S元素含量及Si元素含量燒損率的影響。試驗結(jié)果表明，在采用預(yù)熔渣配螢石的條件下，隨螢石配入量的增加重熔底部脫硫率下降16%，重熔錠底部脫硫率約為頂部的2倍，見圖4(L5：預(yù)熔渣+20%螢石,L6：預(yù)熔渣+30%螢石)。預(yù)熔渣為CaF2-Al2O3-CaO-SiO2四元渣，在另配入更多的螢石時會導致堿度下降，故脫硫率降低，這種影響主要體現(xiàn)在重熔底部，而對于重熔封頂階段基本不影響。同時螢石比例的增加有利于降低底部燒硅現(xiàn)象，降低10%左右。試驗結(jié)果表明，在實際生產(chǎn)過程中螢石配比需要精確控制，否則可能導致不同鋼錠間脫硫率的明顯差異。同時在電極成分控制時要留有足夠的余量，否則可能導致重熔后成分超標。

圖4 不同比例螢石加預(yù)熔渣條件下硅、硫燒損

3 結(jié)論

(1)采用CaF2-Al2O3-SiO2渣重熔核級309L不銹鋼焊絲重熔錠，SiO2在0%～25%范圍內(nèi)隨SiO2含量的增加脫硫率下降，當SiO2含量達25%時還會導致明顯的燒錳增硅現(xiàn)象。

(2)采用CaF2-Al2O3-SiO2渣重熔，電渣重熔過程不同階段脫硫率呈階梯式變化規(guī)律，起弧階段脫硫明顯高于其他階段，正常重熔時脫硫率比較穩(wěn)定，在收弧階段脫硫率明顯下降。

(3)在采用預(yù)熔渣配螢石的條件下，隨螢石配比增加，重熔錠底部脫硫率下降16%，重熔錠頂部脫硫率基本相當。重熔錠底部脫硫率為頂部脫硫率的2倍。