趙 磊 ，王 宇 ，王冰杰 ，常立忠 ，施曉芳

(安徽工業(yè)大學(xué) 冶金工程學(xué)院, 安徽 馬鞍山 243032)

電 渣 重熔(electroslag remelting，ESR)技 術(shù) 從1958 年工業(yè)化至今約有65 年的發(fā)展歷程，是當(dāng)今世界上采用最廣泛的二次精煉冶金技術(shù)，主要用于特殊鋼和合金生產(chǎn)。電渣重熔能獲得比傳統(tǒng)冶金更高實(shí)物質(zhì)量的材料，產(chǎn)品具有純凈度高、組織致密、力學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)，被越來越廣泛地用于軍工、航空航天、能源、交通、海工、環(huán)保和石化等高端裝備制造領(lǐng)域[1-3]。但電渣重熔技術(shù)存在電耗較高、批量少、生產(chǎn)效率低等局限性，且隨著市場對(duì)高品質(zhì)精細(xì)鋼材的需求不斷增加，迫切要求電渣重熔技術(shù)不斷創(chuàng)新和發(fā)展。因此，開展不同供電模式下渣系組成對(duì)電渣重熔鋼錠質(zhì)量的影響具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

電渣重熔過程中，選擇合適的電渣重熔渣系組成至關(guān)重要，直接影響電渣錠中易燒損元素控制及夾雜物的去除效果[4-5]。部分學(xué)者使用Factsage 對(duì)渣系組成進(jìn)行熱力學(xué)及相圖計(jì)算[6-8]，發(fā)現(xiàn)氧化鋁在不同渣系中表現(xiàn)出不同的特征，濃度低時(shí)會(huì)增加渣系黏度，濃度高時(shí)則降低渣系黏度；爐渣中二氧化硅濃度不變的情況下，用氧化鈣取代氧化鎂會(huì)增加爐渣的黏度。部分學(xué)者采用不同渣系進(jìn)行電渣重熔實(shí)驗(yàn)，崔利民等[9]選用75% CaF2-15% Al2O3-5%CaO-5% TiO2渣 系 替 代70% CaF2-30% Al2O3渣 系冶煉GH2132 合金，可將電渣錠中D 類夾雜物控制在0.5 級(jí)以下，Ti 的燒損量降至0.19%～0.34%；肖愛平等[2]研究發(fā)現(xiàn)，新型55% CaF2-25% Al2O3-15%CaO-5% MgO 電渣重熔渣系可使GCr15 軸承鋼中氧含量大幅降低，有效改善鋼中大尺寸夾雜物；Wang 等[10]、Gao 等[11]研究在渣系中加入適量的稀土對(duì)鋼中夾雜物的影響，發(fā)現(xiàn)稀土處理后鋼中夾雜物尺寸變小、潔凈度增加。

良好的電渣爐設(shè)備是獲得質(zhì)量優(yōu)異電渣重熔鋼錠的關(guān)鍵。常用的電渣重熔爐主要有單相單極電渣爐、同軸導(dǎo)電電渣爐、雙極串聯(lián)電渣爐、三相電渣爐等[12]。國內(nèi)的電渣爐以單相單極為主，主要采用單相工頻的供電方式，這種供電方式會(huì)造成較大的能量損耗，電渣重熔過程中供電電源輸出大電流形成較強(qiáng)的磁場，變壓器輸出端到電渣爐間引線較長，致使短網(wǎng)的電阻和電抗增大，導(dǎo)致短網(wǎng)壓降增大，運(yùn)行時(shí)無功容量增加，降低電渣爐供電系統(tǒng)的功率因數(shù)；同時(shí)，單相電源不能保證電力系統(tǒng)的三相平衡，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的諧波污染[13-14]，致使電渣重熔爐的效率下降、能耗增加，且發(fā)生震動(dòng)，導(dǎo)致電渣重熔鋼錠的冶金質(zhì)量下降。相比于工頻供電模式，采用直流供電模式可減少輸電過程中功率和能量的消耗，加之直流輸電線本身不存在交流輸電固有的穩(wěn)定問題，輸送距離和功率也不受電力系統(tǒng)同步運(yùn)行穩(wěn)定性的限制，直流輸電線的功率和電流的調(diào)節(jié)控制容易且迅速，容易實(shí)現(xiàn)各種調(diào)節(jié)、控制，在實(shí)驗(yàn)過程中可以更加便捷的控制電渣重熔爐，從而提高電渣重熔鋼錠的質(zhì)量[15-17]。然而，關(guān)于直流供電模式下不同渣系對(duì)電渣錠中夾雜物的影響的研究較少。為此，采用2 種常用的重熔渣系，即30% Al2O3+70% CaF2和20% Al2O3+20% CaO+60% CaF2，分析在直流供電模式下渣系組成對(duì)電渣錠中夾雜物的影響，以期為電渣重熔技術(shù)的不斷改進(jìn)發(fā)展提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文所用的自耗電極材料為304 L 奧氏體不銹鋼，采用EAF-AOD-LF-CC 工藝生產(chǎn)，將304 L 不銹鋼連鑄坯鍛造成自耗電極用于電渣重熔。其主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為C 0.019%，Si 0.41%，Mn 1.18%，P 0.037%，S 0.002 5%，Cr 18.27%，Ni 8.10%，Al 0.010%，O 0.002 5%，N 0.079%，F(xiàn)e 余 量。采 用w(Al2O3)≥99%的氧化鋁、w(CaO)≥98%氧化鈣和w(CaF2)≥98%螢石粉3 種試劑，配制30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)Al2O3+70% CaF2和20% Al2O3+20% CaO+60% CaF2渣系，每爐渣的質(zhì)量均為1 200 g。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

使用1 種具有變頻功能的小型單相單級(jí)電渣爐，既可輸出工頻模式，也可輸出低頻模式，還可輸出直流模式。變壓器容量為100 kVA，輸入電壓380 V，輸出電壓為28，31，34，37，40 V 5 個(gè)等級(jí)，能夠處理Ф50～120 mm 范圍的電渣錠。電渣爐示意圖如圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)用電渣爐示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental electroslag furnace

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

基于前期實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)[18]，固定電壓28 V 和電流1 800 A，通過調(diào)整直流電源的正負(fù)極和渣系來觀察電渣錠純凈度的變化，具體實(shí)驗(yàn)方案見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)方案Tab.1 Experimental schemes

實(shí)驗(yàn)前使用車床車削去除電極表面的氧化鐵皮，再用砂紙進(jìn)行打磨，避免氧化鐵皮帶入。電極直徑為55 mm，結(jié)晶器直徑為100 mm，充填比為0.55。

重熔過程中保持冷卻水的壓力在0.2～0.3 MPa 范圍內(nèi)。每爐的渣量為1 200 g，按表1 所示方案將不同種類渣料稱量并攪拌均勻，然后裝入石墨坩堝，并使用二硅化鉬管式爐將渣料加熱到1 650 ℃左右，待其熔化后供實(shí)驗(yàn)使用。電渣重熔主電源送電前，將電源頻率設(shè)定為直流供電模式，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)將預(yù)熔的渣料快速倒入結(jié)晶器，同時(shí)啟動(dòng)圖1 所示的重熔設(shè)備，自耗電極下降，重熔開始，隨后逐漸將電流增大至目標(biāo)值進(jìn)入正常重熔階段；待電渣錠達(dá)到規(guī)定的高度時(shí)切斷電源，重熔完成，待渣帽完全凝固后進(jìn)行脫模操作。待電渣錠完全冷卻后在電渣錠頭部以下20 mm 處中心位置取樣，采用德國OBLF 公司的火花直讀光譜儀分析其化學(xué)組分，采用ELTRA OHN2000 氧氮?dú)浞治鰞x檢測電渣錠中的氧、氮含量，采用ASPEX 夾雜物自動(dòng)分析系統(tǒng)對(duì)掃描面積為64 mm2范圍內(nèi)的夾雜物的數(shù)量、種類、尺寸分布等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)采用JSM-6510LV 型掃描電鏡對(duì)夾雜物的形貌及元素分布進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 重熔渣系對(duì)電渣錠中氧氮含量的影響

電渣重熔前后電渣錠中氧、氮含量的變化規(guī)律如圖2。

圖2 不同渣系下304 L 奧氏體不銹鋼中氧氮含量的變化Fig.2 Variation of oxygen and nitrogen content in 304 L stainless steel with different slags

由圖2(a)可知：304 L 奧氏體不銹鋼自耗電極中的氧含量較低，質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅0.002 5%；電源供電模式為直流正接，分別采用30%Al2O3+70%CaF2二元渣系和20%Al2O3+20%CaO+60%CaF2三元渣系重熔時(shí)，電渣錠中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.015 4%，0.006 7%；電源供電模式為直流反接，分別采用二元渣系和三元渣系重熔時(shí)，電渣錠中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.010 6%，0.004 7%。由此可知，在同一供電模式下，重熔渣系的組成對(duì)電渣錠中氧含量的影響較大。由圖2(b)可知：采用直流正、反接供電模式電渣重熔時(shí)，不論是二元渣系還是三元渣系，電渣錠中氮含量變化很少，供電模式、重熔渣系對(duì)電渣錠中氮含量影響不大。

2.2 重熔渣系對(duì)電渣錠中夾雜物分布的影響

2.2.1 夾雜物總量及尺寸的變化

采用不同供電模式(直流正接、直流反接)、不同渣系重熔的304 L 奧氏體不銹鋼中夾雜物數(shù)量分布如圖3。由圖3 可知：采用直流正接供電模式，二元渣系及三元渣系重熔時(shí)電渣錠中的夾雜物分別為2 529，956 個(gè)；采用直流反接供電模式，二元渣系及三元渣系重熔時(shí)電渣錠中的夾雜物分別為2 199，727 個(gè)。由此可看出采用三元渣系重熔后電渣錠中夾雜物的數(shù)量明顯減少，這圖2(a)中氧含量的變化一致。

圖3 不同供電模式下夾雜物數(shù)量分布Fig.3 Distribution of inclusion number under different power supply modes

影響鋼質(zhì)量的因素除夾雜物的數(shù)量外，夾雜物的尺寸也是重要影響因素，大顆粒夾雜物的危害遠(yuǎn)大于小顆粒夾雜物[19-20]。不同供電模式、不同渣系重熔后電渣錠中不同尺寸夾雜物的分布如圖4（X表示夾雜物的尺寸）。從圖4 可看出：不管何種直流供電模式，采用二元渣系或三元渣系重熔，電渣錠中的夾雜物均以細(xì)小夾雜物為主，最大的夾雜物尺寸不超過20 μm；對(duì)于尺寸大于12 μm 的較大夾雜物，三元渣系顯示出更好的精煉效果，如在直流正接條件下，三元渣系重熔時(shí)大于12 μm 的夾雜物僅2 個(gè)，而二元渣系重熔時(shí)7 個(gè)。

圖4 不同供電模式下夾雜物尺寸分布Fig.4 Distribution of inclusion size under different power supply modes

2.2.2 夾雜物種類分布及形貌

不同供電模式、不同渣系重熔的電渣錠中夾雜物的成分分析如表2。由表2 可發(fā)現(xiàn)：304 L 奧氏體不銹鋼中的夾雜物主要由氧化鋁夾雜物(w(Al)≥80%)、含鋁的復(fù)合氧化物(w(Al)≤80%)及少量的硫化物組成。原始電極的硫含量很低，經(jīng)重熔后硫含量進(jìn)一步降低，電渣錠中的硫化物夾雜較少，因此文中主要討論氧化物夾雜。

表2 不同供電模式下不同渣系電渣錠的主要化學(xué)成分Tab.2 Main chemical composition of electroslag ingots of different slag systems under different power supply modes

圖5 為直流正接模式下，二元渣系和三元渣系重熔后電渣錠中氧化鋁夾雜、含鋁復(fù)合氧化物的數(shù)量及含鋁復(fù)合氧化物中的鈣分布。由圖5(a)可看出：采用直流正接供電模式重熔時(shí)，二元渣系制備的電渣錠中氧化鋁夾雜的數(shù)量遠(yuǎn)高于三元渣系，但三元渣系的電渣錠中含鋁的復(fù)合夾雜物的數(shù)量明顯高于氧化鋁雜物。由圖5(b)可看出：二元渣系重熔后電渣錠中的夾雜物數(shù)量較多，但鈣含量卻沒有三元渣系重熔的夾雜物高。

圖5 直流正接供電模式下電渣錠中不同種類夾雜物的分布Fig.5 Distribution of different inclusions in electroslag ingots under DC positive power supply mode

圖6 為直流反接模式下，二元渣系和三元渣系重熔后電渣錠中氧化鋁夾雜、含鋁復(fù)合氧化物數(shù)量及含鋁復(fù)合氧化物中的鈣分布。由圖6(a)可發(fā)現(xiàn)：采用直流反接供電模式重熔時(shí)，二元渣系制備的電渣錠中氧化鋁夾雜的數(shù)量仍遠(yuǎn)高于三元渣系，但含鋁復(fù)合夾雜物的數(shù)量接近；對(duì)于含鋁復(fù)合夾雜物，三元渣系的夾雜物中鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為13.8%，而二元渣系為10.1%。

圖6 直流反接供電模式下電渣錠中不同種類夾雜物的分布Fig.6 Distribution of different inclusions in electroslag ingots under DC reverse power supply mode

從圖5，6 也可發(fā)現(xiàn)：采用直流正接時(shí)，電渣錠中夾雜物的數(shù)量明顯高于直流反接時(shí)電渣錠中夾雜物，直流正接對(duì)渣系中氧化物的電解趨勢更強(qiáng)。關(guān)于這點(diǎn)本課題組[21]已進(jìn)行研究，本文在此不再贅述。

綜上分析發(fā)現(xiàn)：不論何種供電模式，或是何種渣系，電渣錠中的氧化鋁含量明顯較多，但二元渣系的氧化鋁數(shù)量明顯高于三元渣系；對(duì)于含鋁的復(fù)合氧化物，不論直流正接還是直流反接，三元渣系夾雜物中的鈣含量高于二元渣系。充分表明，在直流重熔過程中，渣系組成及直流供電模式對(duì)電渣錠中夾雜物的成分、數(shù)量和尺寸有較大影響。

重熔渣系對(duì)電渣錠中夾雜物形貌的影響如圖7。圖7(a)為典型的氧化鋁夾雜形貌，形狀不規(guī)則；圖7(b)為鈣鋁酸鹽夾雜物，其熔點(diǎn)較低，在鋼液中呈液態(tài)，因此夾雜物呈球形；圖7(c)為鎂鋁尖晶石類夾雜，鋁含量較高，鎂含量較少，在鋼液中呈固態(tài)，形狀不規(guī)則。由此可看出，渣系組成對(duì)重熔錠夾雜物形貌的影響不大。

圖7 典型夾雜物的形貌及元素分布Fig.7 Morphology and elemental distribution of typical inclusions

2.3 分析與討論

綜上可發(fā)現(xiàn)，在直流供電模式下，采用三元渣系重熔的電渣錠中氧含量明顯低于二元渣系，夾雜物數(shù)量也較少。2 種渣系的區(qū)別在于三元渣系中含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的CaO，而二元渣系則不含CaO，這是因?yàn)橹绷髯饔孟翪aO 的穩(wěn)定性更好，電解趨勢小于Al2O3，導(dǎo)致電渣錠的氧含量更低。本課題組[18]研究發(fā)現(xiàn)，采用低頻供電模式及30% Al2O3+70%CaF2二元渣系重熔時(shí)，電渣錠的氧含量明顯增加，說明Al2O3在高溫渣池中的穩(wěn)定性較差，易被電解。對(duì)于渣系組成與氧的關(guān)系，文獻(xiàn)[22]中采用渣系的化學(xué)穩(wěn)定度S表示渣系的穩(wěn)定性。S越大，渣系越穩(wěn)定，高溫渣池中越不易分解，同樣越不易被電解。S的計(jì)算方法為：先分析渣池中不同組成的穩(wěn)定系數(shù)MXaO2(如表3)，再根據(jù)式(1)計(jì)算S。

表3 不同氧化物的穩(wěn)定系數(shù)[22]Tab.3 Stability factors for different oxides[22]

式中nXaO2為XaO2的摩爾數(shù)。

在CaF2渣中存在 2CaF2+XaO2=2CaO+XaF4等重熔反應(yīng)，其對(duì)氧勢的影響復(fù)雜，難以考慮CaF2對(duì)渣系穩(wěn)定性的影響，因此將CaF2的影響略去不計(jì)。根據(jù)式(1)及表3 可計(jì)算出30% Al2O3+70% CaF2渣系及20% CaO+20% Al2O3+60% CaF2渣系的S分別為1.61，1.97，三元渣系的S大于二元渣系，表明三元渣系的穩(wěn)定性更強(qiáng)，在直流作用下的電解趨勢更小。即使CaO 的穩(wěn)定性強(qiáng)于Al2O3，在直流電渣過程也會(huì)發(fā)生輕微的分解，從而導(dǎo)致夾雜物中的鈣含量有所增加，如圖5(b)、圖6(b)。直流正接對(duì)渣池中氧化物的電解作用高于直流反接，而Al2O3的穩(wěn)定性比CaO 的穩(wěn)定性差，因此直流正接對(duì)氧化鋁的電解趨勢相對(duì)于直流反接大，導(dǎo)致夾雜物中的Ca 含量更低。從圖5(b)，圖6(b)也可看出：即使渣中沒有CaO，夾雜物中仍含有一定的Ca 元素，這主要是由于熔煉過程發(fā)生的重熔反應(yīng)所致。

3 結(jié)論

采用自制的小型變頻電渣爐，在直流供電模式下對(duì)二元渣系(30% Al2O3+70% CaF2)和三元渣系(20% Al2O3+20% CaO+60% CaF2)進(jìn)行電渣重熔實(shí)驗(yàn)，研究直流供電模式下不同渣系對(duì)電渣重熔鋼錠中夾雜物的分布、組成、尺寸等的影響規(guī)律，得出如下主要結(jié)論：

1) 不論是直流正接還是直流反接，采用30%Al2O3+70% CaF2二元渣系重熔的電渣錠中氧含量明顯高于采用20% CaO+20% Al2O3+60% CaF2三元渣系，夾雜物的數(shù)量明顯增加，但夾雜物的組成均以氧化鋁及含鋁的復(fù)合氧化物夾雜為主；采用直流正接制備的電渣錠中夾雜物的數(shù)量明顯高于直流反接，渣系組成對(duì)電渣錠中的氮含量影響不大。

2) 渣系穩(wěn)定是電渣錠氧含量、夾雜物變化的主要原因，在20% CaO+20% Al2O3+60% CaF2三元渣系中，由于存在穩(wěn)定性更強(qiáng)的CaO 組元，且相應(yīng)減少了穩(wěn)定性較差的Al2O3含量，致使三元渣系的整體穩(wěn)定性更好、電解的趨勢更弱。

3) 直流正接對(duì)渣池中氧化物的電解作用高于直流反接，而Al2O3的穩(wěn)定性比CaO 的穩(wěn)定性差，故采用直流正接制備的電渣錠中夾雜物的鈣含量比直流反接更低。