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电渣重熔渣系知识总汇
发布时间:2020-04-21 来源:百度
电渣重熔渣系(slags electroslag remelting)


   含有CaO、CaF2、Al2O3、MgO、SiO2等成分在高温下具有适当电导率并具有脱硫、脱磷、去除非金属夹杂物等能力的碱性熔体。熔融渣池是电渣重熔工艺的核心部分,它在金属的熔化、精炼、凝固过程中起着极为重要的作用。

 
渣的功能      
     电渣重熔渣的功能如下:(1)作为重熔热源。它把电能转化为电阻热,金属电极依靠熔渣的电阻热进行熔化,并满足熔炼温度的需要。(2)作为净化剂。重熔过程中熔化的金属形成金属熔滴穿过渣池时,渣与金属液滴接触面积很大,利用渣的化学特性可以有效地去除钢中有害元素硫、磷等,去除有害气体氢、氧、氮等,吸收、溶解熔融金属与渣界面的非金属夹杂物,使金属得到提纯、净化。(3)作为保护剂。它在铸锭和结晶器间形成一层渣皮,这层渣皮起到了绝缘、隔热、润滑作用’,使金属不与结晶器直接接触,防止了电分流,使热流主要向底水箱方向传导,结晶趋向纵轴方向,并有利于铸锭和结晶器壁的相对运动。另外,在金属熔池上方的熔融渣池使金属液避免直接与大气接触,起到了防止金属氧化及贮热保温作用。在电渣重熔过程中,金属始终在渣的包覆下熔化、凝固。

渣的选择       
     电渣重熔渣系、配比和渣量的选择对-电渣钢的冶金质量、熔炼技术经济指标以及环境保护具有重大的影响。为了满足各项技术经济指标的要求,必须从熔点、电导、黏度、碱度、表面张力、比热、蒸汽压、透气度等各项物理化学性质进行综合考虑,才能选出合理的渣型。
熔点        渣的熔点应低于重熔金属熔点,熔渣成分力求选在低熔共晶点附近,这样可以减少渣皮凝固时的偏析,防止渣成分的变化造成工艺参数难以稳定的现象。通常渣的熔点应比重熔金属的熔点低100~200℃。
电导率熔渣应具有适当的电导率,以产生足够的热量,保证金属熔化、过热及精炼的进行,并提高电渣重熔的电效率,降低电耗。一般要求在2000℃时,熔渣的电导k≤3Ω-1•cm-1。

黏度        
      熔渣应有适当的黏度,并且在高温下黏度值随温度变化越小越好。具有良好流动性的渣才能保证高温下渣池热对流,使铸锭径向温度均匀,利于去气脱硫等物化反应的进行,利于形成薄渣皮,提高铸锭表面质量。一般熔渣在1800℃时,黏度η≤0.5Pa•s。
碱度为了保证重熔过程脱硫良好,熔渣应具有较高的碱度,一般碱度B>1,B=CaO/(SiOz+1/2Al2O3)。
表面张力       熔渣与熔融金属之间应有足够大的表面张力,以有助于渣壳分离,防止熔渣卷入金属内;而熔渣与非金属夹杂物之间的表面张力越小越好,以利于熔渣对非金属夹杂物的浸润、吸附和溶解。

其他特性       
     熔渣中不应含有高蒸气压组元,不应含有不稳定氧化物及变价氧化物,以防止熔渣挥发、金属增氧及元素烧损。同时,渣在固态时应具有一定的抗湿性,不易发生水合作用。高温时的熔渣应具有较小的透气性,防止周围气氛中的氮、氢、氧进入金属熔池;当铸锭与结晶器相对移动时,为保证渣皮不破裂,获得良好的铸锭表面,要求渣皮在高温时具有一定的强度和塑性等。此外,选择渣系要注意安全性和经济性,熔渣应不析出或尽量少析出危害操作人员健康、污染环境的有害气体和灰尘,并尽量因地制宜、选用价格低廉的原料。

渣的组元      
     常用渣系的基本形态是以CaF2为基础,配入适当的CaO、Al2O3、MgO、SiO2、TiO2等氧化物组成的,各组元成分在渣中有各自的作用。(1)CaF2:能降低渣的熔点、黏度和表面张力。但和其他组元相比,CaF2的电导率较高,纯CaF2在1650℃时电导率达4.54Ω-1•cm-1;渣中CaF2含量高,熔炼中易放出有害气体和烟尘,造成环境污染。(2)CaO:渣中加入CaO将增大渣的碱度,提高脱硫效率,在CaO加入量为40%情况下,脱硫率*高可达到85%;而且ca0的加入能够降低渣的电导率。但是Ca()吸水性强,易带入氢和氧,造成钢增氢增氧。(3)Al2O3能明显降低渣的电导率,减少电耗,提高生产率。例如(CaF290%+AAl2O310%,在1650℃时,电导率降为3.44Ω-1•cm-1;如果Al2O增加到30%,电导率将降为1.75Ω-1•cm-1。但是渣中Al2O3增加,将使渣的熔化温度和黏度升高,并将降低渣的脱硫效果,另外会使重熔过程难以建立和稳定。一般Al2O3的含量不大于50%。(4)MgO渣中含有适当的MgO将会在渣池表面形成一层半凝固膜,可防止渣池吸氢及防止渣中变价氧化物向金属熔池传递供氧,从而使铸锭中氧、氢、氮含量降低。同时,这层凝固膜可减少渣表面向大气辐射的热损失。但是MgO容易使熔渣的黏度提高,所以渣中含MgO一般不超过15%。(5)SiO2渣中加入少量SiO2,可以降低渣的熔点,提高渣的高温塑性,使铸锭表面光洁,而且也能降低渣的电导率。SiO2的加入还可以改变钢中夹杂物的形态,由铝酸盐夹杂变为硅酸盐夹杂,使钢材易于加工变形。但是渣中SiO2含量过多,则有反应2CaF2+SiO2=2CaOS+SiF4↑发生,造成渣中CaF2的挥发损失,另外SiO2高还将使金属中SiO2含量增加。(6)TiO2在重熔含Ti的钢及合金时,渣中加入一定量的TiO2,可以抑制钢中钛的烧损;另外,常采用CaF2-TiO2型导电渣作引燃剂;TiO2是变价氧化物,它对金属熔池起传递供氧作用。

常用渣系      
     *广泛使用的渣系是CaF2-TiO2渣,其代表成分是CaF270%+Al2O330%。这种渣综合工艺性能较好,适应不同工艺条件,具有一定的脱硫及去夹杂能力,适用于重熔滚珠轴承钢、合金结构钢、高速工具钢、模具钢及不锈耐热钢等。但这种渣存在着一些缺点,如渣成分不在低熔共晶点上,熔点偏高;渣的电导率高,重熔电耗高;渣中CaF2含量高,熔炼中易污染环境;钢中夹杂物以脆性铝酸盐及刚玉为主,影响钢的塑性和韧性等。
为了避免CaF2-Al2O3渣系的上述缺点,近年来开发了CaF2-CaO-Al2O3三元渣系,CaF2-CaO-Al2O3-MgO四元渣系及CaF2-CaO-Al2O3-MgO-SiO2五元渣系等(见表1~表3)。这些渣系的成分基本选择在三元共晶线上,渣的熔点较低,渣皮凝固时偏析现象较轻微,渣成分稳定,铸锭表面光洁,成型良好。而且这些渣系具有较低的电导率,提高了电效率,因渣中CaF2减少,造成的污染也有所减轻,渣中含少量MgO或SiO2,防止了钢液吸气,使铸锭表面光洁。这些渣系的缺点是含有CaO,易于吸水,因此必须十分注意保持渣料的干燥,以防止钢水吸氢增氧。
 
     上述渣系均含有CaF2,据测试CaF270%+Al2O330%和CaF220%+Al2O340%+CaO40%的渣,氟的发散量分别为30~35mg/m3和12~18mg/m3。为了防止重熔中氟的挥发对环境的污染,近年来各国都致力于无氟渣的开发,无氟渣基本上采用CaO-Al2O3渣系,有时加入少量的MgO。(表4)这种渣系具有较低的电导率,在1600℃时,其电导率仅为CaF2-CaO-Al2O3渣的1/5,熔化速率可提高20%~40%,其生产率高,电0.耗低,而且无氟渣去氧、脱硫效果良好。但是无氟渣也存在着一些操作上的问题,如无氟渣熔点高,导电率低,引燃困难,需要液渣引燃;无氟渣的成分在CaO-Al2O3。共晶点附近,该共晶点液相线陡升,液渣成分稍有波动,渣熔点变化即很显著,影响铸锭成型,要求电渣输入功率要稳定,工艺操作不如氟化物渣系易于控制;无氟渣的电导率低,重熔时需要较高的工作电压,影响炉前操作的安全,需采用大充填比重熔;另外无氟渣CaO含量高易吸水增氢等。因此,虽然无氟渣在防止污染和提高电渣重熔热效率方面具有突出的优越性,但仍处于试验阶段。
 
      长期以来,电渣重熔一直沿用碱性渣及中性渣,对渣中SiO2含量予以限制。为了适当降低CaF2-CaO-Al2O3渣系熔渣氧离子活度,防止吸氢增氧,近年来开始在渣中加入SiO2,采用酸性渣以满足工业发展的需要,其成分见表5。碱性渣脱磷脱硫效果良好,但它具有较高的透气性,不可避免地将提高钢中含氢量。随着电渣重熔锭型的日益大型化,渣池与大气接触面积增加,电渣锭去氢问题日益尖锐。酸性渣虽不利于脱硫脱磷,但由于透气性差,利于除氢。对于50~300t重的直径1000~3000mm的大锭采用酸性渣(B<1)重熔,防止钢中增氢效果明显。用碱性渣重熔,氢会增*8cm3/100g,而用酸性渣重熔,则钢中氢含量不超过2cm3/100g。另外,采用酸性渣重熔,可以改变钢中非金属夹杂物形态。用碱性渣重熔,钢中夹杂物以刚玉为主(Al2O360%~90%,SiO2<20%),若用酸性渣重熔,钢中夹杂物以硅酸盐为主(SiO240%~60%,Al2O315%~20%),为塑性夹杂物,而易于加工。但是,使用酸性渣必须解决其电导率低引起电渣过程不稳,以及重熔含有易氧化元素的钢时其合金元素的烧损问题。
 
     电渣重熔含Ti钢和含Mg钢等特殊用钢,常常在渣中加入一定量的TiO2或MgO,从而达到抑制钢中钛或镁的烧损,提高其收得率的目的。前苏联用AHφ-21渣(CaF250%+Al2O325%+TiO225%)重熔含Ti钢、美国采用CaF270%+Al2O320%+TiO210%渣重熔马氏体时效钢等,Ti的收得率均大于90%。前苏联用九AHφ-9渣(CaF265%~75%+MgO25~35%)、**用CCaF255%+Al2O325%+MgO10%+CaO10%渣系冶炼含镁合金,均起到了“平衡渣”的作用。
     另外,人们对渣中添加少量稀土氧化物以降低渣的氧化势和熔点,增加渣的稳定性,减少钢中活泼金属的氧化损失等,也进行了一定的探讨,由于稀土氧化物价格偏高而未能广泛应用。
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