电渣重熔过程中夹杂物的控制-耿鑫

第44卷第12期2009年12月钢铁IronandSteelVol.44,No.12December2009,,,(东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳110004):电渣重熔过程中非金属夹杂物的去除主要发生在自耗电极端头熔滴形成期以及熔滴滴落穿过熔渣层阶段。电渣重熔过程中原生夹杂物去除的同时将产生新的夹杂物,为了有效地控制电渣锭中的夹杂物,使用复合脱氧剂对自耗电极进行终脱氧,采用合理的重熔速度、熔渣的化学组成和供电制度,以及严格控制电渣炉内氧位。:电渣重熔;夹杂物;动力学;比接触面积:TF744:A:04492749X(2009)1220042204ControlofNon2metallicInclusioninESRProcessGENGXin,JIANGZhou2hua,LIUFu2bin,LIANGLian2ke(SchoolofMaterialsandMetallurgy,NortheasternUniversity,Shenyang110004,Liaoning,China)Abstract:Theremovalofnon2metallicinclusionduringremeltingoccurredmainlyinstagesofformationofdropetsontheconsumableelectrodetipanddropetsfallingthroughtheslag.ThedynamicsviewpointofthelagerSpecificContactAreacanbeusedtodiscussit.Therewillproducenewinclusionwiththeremovaloforiginalinclusion.Therefore,toeffectivelycontrolinclusionsinESRingots,compounddeoxidizershouldbeusedasthefinaldeoxidi2zer,usingreasonableremeltingspeed,compositionofslag,powersupplysystemandtheoxygenpotentialinelec2troslagfurnaceshouldbestrictlycontrolled.Keywords:ESR;non2metallicinclusion;dynamics;specificcontactarea:耿鑫(19792),男,博士生;E2mail:[e-mail];:2009203222大量的研究工作[1~5]指出,电渣重熔的显著优点之一就是可显著降低电渣钢中非金属夹杂物并改善其在钢中的分布。在M.M.K½Ð¶³等人[1]的工作中,用AHÆ25、AHÆ26、AHÆ21‘和AHÆ229炉渣,对š—15、š—15“T、ŸŠ961、ŸŠ481、—189、ŸŠ847、ŸŠ851等钢种的自耗电极,进行电渣重熔精炼,对自耗电极及重熔钢的锻材或轧材进行了金相分析研究,从其测试结果中可以看出,除ŸŠ961钢种外,其它钢种经电渣重熔后钢材中氧化物和球状夹渣物的评级比自耗电极均降低了1/3~2/3。在 .ƒ.±m±Ë等人的工作中[2],也得出了类似的结果。用AHÆ21‘、AHÆ26和AHÆ229渣,电渣重熔了š—15“T滚珠钢。自耗电极及重熔钢材用金相法检验了夹杂物的评级,其结论是,同一钢种经不同渣系重熔后,其氧化物、硅酸盐、硫化物和球状夹杂物评级均有所降低。同时还看出,当渣中含有CaO时去除硫化物夹杂能力最强。1电渣冶金过程中非金属夹杂物可普遍地降低,但夹杂物的排除机理却分歧较大。在电渣冶金过程中,自耗电极熔化成金属熔池过程可分为3个阶段,如图1所示。第一阶段:自耗电极端头在渣池中形成熔滴;第二阶段:脱落的熔滴穿过熔渣层;第三阶段:熔滴形成金属熔池。1Fig.1FormationprocessofESRmoltensteel1.1有学者[1,3]认为,在电渣重熔过程中钢液中非金属夹杂物的去除,主要是通过夹杂物自金属熔池第12期耿鑫等:电渣重熔过程中夹杂物的控制中上浮至渣相中而排出,其去除率取决于夹杂物与金属间的比重差、金属熔池的结晶速度和结晶前沿的方向及结构。 .ƒ.±m±Ë等人[2]还给出了夹杂物自金属熔池中上浮速度的Stokes公式:V=29g1Gr2(dM-dI)(1)式中,V为熔池中夹杂物上浮速度,cm/s;g为重力加速度,cm/s2;G为钢液的动力学粘度,g/(cm2#s);r为夹杂物的半径,cm;dM、dI为金属和夹杂物的密度,g/cm3。将上述各常数项近似选取为:G=0.0230g/(cm#s)(取自1610e下碳素钢);dM=7116g/cm3(1610e下铁的密度);dI=3.6g#cm3(取自30%SiO2260%Al2O3的硅酸铝玻璃的密度),将上述各值代入式(1)计算得V=33700r2(2)当已知夹杂物的直径为D时,则式(2)可写作V=8425D2(3)将夹杂物直径D的单位由cm转化为Lm,再将夹杂物上浮速度的单位由cm/s转化为m/h时,用式(3)可计算出不同直径D值与夹杂物上浮速度的关系。如图2所示,图中用细斜线表示钢锭重熔速度的范围。2Fig.2Relationshipbetweenrisingvelocityanddiameterofinclusions从图2中可以看出,在计算的条件下,当重熔速度为0.15m/h时,其夹杂物的直径D\7.25Lm才可上浮排除;当重熔速度为0.65m/h时,其夹杂物的直径D\15Lm才可上浮排除。夹杂物排除的这种机理仅应用于金属熔池中(图1中的第三阶段)。1.2自耗电极端头形成熔化层和熔滴及脱落的熔滴穿过熔渣的第一和第二阶段是去除夹杂物的更重要的途径。‚.†.‘±mÀ¿等人[4]指出,当含有直径在1.3~7.6Lm范围内这种小颗粒夹杂物的自耗电极,经电渣重熔后可去除63%~82%,而根据1.1节中 .ƒ.±m±Ë等人[2]给出的夹杂物上浮速度计算知,这样细小的夹杂物难以依靠比重差从金属熔池中上浮排除,这一结果表明依靠钢液中夹杂物上浮排除是难以实现的,而是在第一和第二阶段,熔渣吸收了钢液层和熔滴中的大量夹杂物,才可实现夹杂物的去除。在Š..„±Â¶³Ã¼»等人实验中发现,在电渣重熔过程中其夹杂物的去除主要发生在第一阶段和第二阶段,因为电极末端与熔渣接触很紧密和钢熔滴穿过熔渣层时有很强的洗渣作用。‚.‚.‘±¿un[3]和 .ƒ.±m±Ë等人的工作指出,自耗电极熔化的第三阶段中,钢液与熔渣接触时间最长;而电极末端钢的熔化层与熔滴的第一阶段,与熔渣接触时间约为0.33s;而钢熔滴穿过熔渣层到达金属熔池的第二阶段时间约为0.12~0.17s。从钢液与熔渣接触时间看,为什么第一阶段和第二阶段接触时间很短而夹杂物去除率又这么高?这要从/比接触面积0来分析,即钢液与熔渣间接触面积Fi与钢液体积Vi之比称作/比接触面积0:在实验条件下3个阶段的/比接触面积0分别为:第一阶段:FiVi=15.00,cm-1第二阶段:FiVi=5.90,cm-1第三阶段:FiVi=0.25,cm-1可见,第一阶段的/比接触面积0最大,第二阶段次之,第三阶段最小。所以第一和第二阶段去除夹杂物能力最强,去除量最大。曾乐,李正邦又进一步研究了电渣冶炼过程中夹杂物去除的机理。在Ar气保护下的电渣重熔过程中,快速把电极自渣中提出冷却,用金相法观测电极端部熔化区和未熔化区内单位面积中夹杂物面积和个数,其结果列入表1中。从表1数据可以看出,在实验条件下,熔化区中单位面积上的夹杂物个数减少了46.3%;单位面积上夹杂物所占面积减少了65.5%。而电渣重熔过#43#钢铁第44卷1Table1Areaandnumberofinclusionsperunitareainmeltingzoneandunmeltingzoneofelectrodetip编号单位面积内夹杂物个数/(个#mm-2)单位面积内夹杂物面积/(Lm2#mm-2)未熔化区熔化区变化率/%未熔化区熔化区变化率/%014.5762.907-36.60.73850.3013-59.3022.9591.301-56.00.48800.1934-64.6030.63000.1700-73.0平均-46.3-65.5程中夹杂物总去除率仅为40%~70%,可见,夹杂物的去除主要发生在电极的末端。这是因为,电极末端呈锥体,表面积增大,与溶渣接触面积亦大,有利于吸收夹杂物。他们又用示波器测得了电极末端熔化层和熔滴的形成时间为0.23~0.37s;熔滴在熔渣中过渡时间,用粘滞液体自由落体公式计算得为0.08~0.11s,但其/比表面积0还是第一、二阶段最大。这些结果与‚.‚.‘±¿un[3]和 .ƒ.±m±Ë等人的结果相近。李正邦等人在其研究中,利用金相法,化学分析法及放射性同位素法测定各阶段提纯效果及夹杂物去向。研究得出结论:电渣重熔去除钢中非金属夹杂物主要发生在电极融化端头,并在工业实验中进一步验证了这一结论。2M.M.K½Ð¶³等人给出了电渣重熔前后ŸŠ961钢夹杂物总量的变化,同时还指出了电渣重熔前后钢中夹杂物成分在改变,尺寸在细化,分布在均匀化。在氧化物夹杂物去除的同时还要产生新的夹杂物,如SiO2、Fe2O3、Cr2O3和MnO含量在增加。傅杰、朱觉的工作也得出了类似结论,他们认为:在一定条件下,自耗电极原始夹杂可基本去除,重熔钢中氧化物夹杂主要是金属熔池冷却时钢中氧与合金元素作用而生产的。关于新生夹杂物的成因问题,可理解为金属熔池冷却结晶过程中,钢液中氧溶解度变小,则过饱和的氧与钢液中的某些合金元素相互作用产生新的氧化物,由于这些新生的氧化物尺寸小,钢熔池凝固速度又较快,导致这些氧化物难以自熔池中排除而成为重熔钢中的新生夹杂物。自耗电极中的夹杂物称为原生的夹杂物,这些夹杂物在电渣重熔过程中的第一和第二阶段大部分被熔渣吸收而排除,剩余的原生夹杂物进入钢熔池中,与新生夹杂物进一步相互作用,少量的通过自钢熔池中上浮而排除,大部分存在于重熔钢锭中。重熔钢锭中的夹杂物主要是由新生夹杂物构成的。所以降低重熔钢中夹杂物的有效途径之一是降低金属熔池中氧含量,才可减少新生夹杂物的产生。33.1在电渣重熔过程中夹杂物的去除效果如何,与自耗电极中的原生夹杂物的成分、分布和尺寸有关,而自耗电极中夹杂物的成分、分布和尺寸又与其终脱氧制度有关。不同终脱氧制度对夹杂物影响的实验结果如表2所示。2Table2Influenceofdifferentfinaldeoxidationsystemoninclusions自耗电极终脱氧制度自耗电极夹杂物类型(金相法)炉数/试样数夹杂物金相评级夹杂物电解(平均)氧化物硫化物炼前炼后变化率/%加Al1kg/t铝酸盐+刚玉12/600.9620.0200.01100.009-18加AMS1kg/t铝硅酸盐+锰橄榄石26/920.7830.0220.00990.00553-44加Ca2Si1kg/t钙硅酸盐3/450.6430.0180.01300.0053-59从表2的实验数据可以看出,用Al进行终脱氧生产的自耗电极,电渣重熔后夹杂物的去除率较低(-18%),其原因是Al脱氧产物Al2O3其熔点高,质点尺寸小,并呈絮状分布,故不易从钢液中析出,不能被熔渣吸收,另外,脱氧产物Al2O3使夹杂物与液态金属间的界面张力变小,亦不利于夹杂物从#44#第12期耿鑫等:电渣重熔过程中夹杂物的控制钢液中析出。而残留于钢液中的[Al]又会生成新生夹杂物。当改用复合脱氧剂AMS和Ca2Si,对自耗电极进行终脱氧后,电渣重熔后钢中夹杂物大幅度下降(-44%~59%),其原因是脱氧产物熔点低,颗粒大,从钢液中排出,被熔渣吸收而排除。所以推荐使用复合脱氧剂对自耗电极进行终脱氧。周德光等人在其工作中指出,Ca2Si和Ca2Si+Fe2Si脱氧的电渣母材,经酸性渣重熔后,钢中的夹杂物变成以硫化物和