電渣熔鑄異型件熔渣內(nèi)溢現(xiàn)象

蔣國森，陳 瑞，王大威，王安國，王云霞，張家東

(沈陽鑄造研究所，沈陽 110022)

電渣熔鑄異型件熔渣內(nèi)溢現(xiàn)象

蔣國森，陳 瑞，王大威，王安國，王云霞，張家東

(沈陽鑄造研究所，沈陽 110022)

針對異型電渣熔鑄件生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的熔渣內(nèi)溢現(xiàn)象，分析探討了影響此現(xiàn)象形成因素，并從更換電極操作與熔鑄工藝進行改進優(yōu)化，實際生產(chǎn)效果良好.結果表明，更換電極中斷功率操作后，供電工藝參數(shù)與結晶器冷卻強度不匹配是導致結晶器內(nèi)熔渣溢流的主要原因.

電渣熔鑄;熔渣;內(nèi)溢現(xiàn)象

電渣熔鑄過程，冷凝于水冷結晶器壁上的那層渣殼起著爐襯和鑄造模壁的雙重作用［1］.可見，渣殼對鑄件表面和確保電渣熔鑄過程的順利進行起到了重要作用.

異型鑄件由于沿其高度方向上截面面積變化較大，使得電渣熔鑄中途更換電極繼續(xù)熔鑄成為必要的操作工序.更換電極操作時間過長，操作前后工藝參數(shù)的變化，以及結晶器冷卻強度變化，都將引起渣殼的返熔，造成鑄件與結晶器壁間渣膜不均勻，甚至渣殼發(fā)生破裂，從而引起熔渣與液態(tài)金屬溢入渣殼兩邊存在的氣隙中，影響鑄件的表面質(zhì)量.

為此，從電渣熔鑄工藝設計出發(fā)，結合生產(chǎn)實際，對熔渣內(nèi)溢流產(chǎn)生根源作深入分析，以便采取根本措施防止此類事故的產(chǎn)生.

1 異型鑄件幾何參數(shù)及熔渣溢流形態(tài)

實際生產(chǎn)的鑄件最大斷面等效直徑D=900 mm，毛坯重18 t(如圖1所示).渣料采用常用的ANF －6(w(Al2O3)=30%，w(CaF2)=70%)，更換電極操作后渣殼發(fā)生了破裂，引起熔渣與液態(tài)金屬溢入渣殼兩邊存在的氣隙中，形成“夾心”渣殼大塊，如圖2所示.從圖中可以看出，渣塊分為三層，經(jīng)化學成分檢驗，中心灰白色渣殼為正常熔鑄形成，兩邊深藍色渣殼為原初成分熔渣冷凝形成.

圖1 異型鑄件示意圖Fig.1 Diagram of deformed casting

圖2 溢流渣殼形態(tài)Fig.2 Appearance of overflowing slag skin

2 影響熔渣內(nèi)溢發(fā)生因素

2.1 工藝參數(shù)變化

從表1可以看出，鑄件截面積的變化陡急，導致結晶器和電極形狀隨之變化，相應的供電參數(shù)減小.但是由于更換電極中斷功率，渣池輻射出大量熱量，溫度降低，需要逐步增加渣池輸入功率，恢復渣池溫度并預熱新電極，使得熔鑄過程繼續(xù)進行.當后期輸入功率加大，尤其額定電壓過大，必將加速渣池中熔渣的運動速率，對已形成的渣殼沖刷破壞作用加強以至破碎.

2.2 渣池水平面的變化

更換電極，移出電極頭，必然引起渣池水平面下降，其結果是剩下一個向上直立的固體熔渣的邊緣，如圖3中a所示，渣殼在金屬液面上由于中斷功率將變厚.

表1 更換電極前后期工藝參數(shù)對比Table 1 Comparison of operating parameters before and after change electrode

插入電極恢復供電，熔化的熔渣要被排擠到邊緣的上部，如圖3中b所示，形成一個凝固的楔子渣環(huán).在這個階段存在著由于熱輸入的恢復使渣殼返熔的趨勢.

圖3 更換電極對渣池的影響Fig.3 The influence of slag pool for electrode changing

熔渣的流動速度在有功率輸入的情況下為7 cm/s到10 cm/s之間，一旦切斷功率立即降為1 cm/s［2］.電極移出后，熔渣的環(huán)流速度降低.當電極插入并且輸入功率時，渣溫逐漸升高，循環(huán)速度加快.當熔渣溫度達到其固相熔點溫度時，運動到固液界面時，渣殼可能返熔，其沖刷作用使渣殼厚度變薄以至破碎.

2.3 結晶器與渣殼和渣殼與鑄件之間空氣隙的形成

在整個渣池的高度上，渣殼與結晶器之間在金屬凝固前已經(jīng)出現(xiàn)氣隙，空氣隙往往在渣金界面以上的渣池區(qū)域.更換電極中斷功率后，渣殼的冷卻作用增加，較厚的渣殼馬上形成，原有的表面收縮，在切斷輸入功率不到幾分鐘內(nèi)即可觀察到明顯的縫隙.換電極時間越長，從結晶器壁收縮量越大，形成的縫隙越大，圖4所示.如果渣殼溫度降低200℃，引起的收縮率為1%，那么900 mm直徑的鑄件就要形成9.0 mm的縫隙，這恰與圖2渣殼厚度相符.

2.4 結晶器散熱量變化

熔融的金屬液在水冷結晶器的冷卻作用下，逐漸形成鑄件.金屬液與結晶器之間的熱傳遞可以借用下式描述［3］:

式中:q為熱流，J/(h·m2);h為結晶器換熱系數(shù)，J/(h·m2·℃);TLS為結晶器內(nèi)金屬液溫度，℃;TW為結晶器冷卻水溫度，℃;K，K1，K2，a為系數(shù);C為結晶器水流量，L/min;G為冷卻水比熱，J/kg·℃;TS為鑄件溫度，℃;S為鑄件斷面周長，mm;V為鑄件凝固速度，m/mim;ΔT為結晶器冷卻水溫差，℃;ρ為冷卻水密度;l為結晶器內(nèi)渣池高度，mm.

圖4 渣殼變化過程示意圖Fig.4 Diagram of slag skin change

當金屬液與結晶器進水之間的溫差一定時，結晶器換熱系數(shù)h愈大，金屬液與結晶器間的熱流愈大.渣殼的厚度隨結晶器內(nèi)冷卻強度增加而加厚，所以采取措施減緩結晶器傳熱是防止熔渣內(nèi)溢流的重要對策之一.

3 減少熔渣內(nèi)溢發(fā)生的措施

3.1 更換電極操作

電極交換通過臺車移動完成，為防止熔渣快速凝固，更換電極的時間應保證在5 min之內(nèi).

為了減少結晶器側(cè)面的散熱和渣面輻射熱損失，應及時調(diào)整電極在結晶器中心位置，觀察渣池表面情況，調(diào)整電流電壓，待渣溫升高，渣池四周表面無黑渣，流動性好后方可轉(zhuǎn)入正常熔鑄.

3.2 熔鑄供電參數(shù)的優(yōu)化

電極更換完后，由于溫度較低的金屬電極插入渣池中會大量吸熱，在更換電極后不能立即進入正常熔鑄，需要逐步增加渣池輸入功率以恢復渣池溫度并預熱電極.

因此，更換電極初期熔渣的狀態(tài)直接影響鑄件的表面質(zhì)量和熔鑄過程的繼續(xù)進行，為了彌補此操作過程中渣池、金屬熔池熱量的損失，需要加大電壓電流，迅速將渣池加熱到正常熔鑄時的溫度，保持3～5 min.更換電極完畢后，逐步適當加大電壓電流，確保金屬熔池形狀的平穩(wěn)過渡，進入正常熔鑄.

3.3 冷卻水強度控制

電渣熔鑄過程中，冷卻水溫度對電渣熔鑄件結晶質(zhì)量、渣層的熱消耗，特別對鑄件表面質(zhì)量有很大的影響.在正常熔鑄過程中，結晶器的進水溫度應控制在30℃左右，出水溫度應控制在40～60℃，循環(huán)水壓力為0.35 MPa.更換電極前后期適當降低冷卻水壓，減少熱量的傳導散失.

4 結語

渣殼是在緩慢的連續(xù)熔鑄的過程中形成的，任何部位的渣殼厚度，取決于環(huán)流狀熔渣和金屬輸入的熱量與主要通過結晶器壁散出的熱量兩者之間的平衡.

電渣熔鑄異型件生產(chǎn)，更換電極前后期水冷結晶器的冷卻強度和熔鑄電壓電流等工藝參數(shù)之間有著密切的關系，生產(chǎn)實際中及時調(diào)整，可以使渣殼保持適宜的厚度，從而可避免熔渣內(nèi)溢現(xiàn)象發(fā)生，改善鑄件表面質(zhì)量.

［1］施璇.電渣熔鑄質(zhì)量與成型規(guī)律的探討［J］.鋼鐵，1981，16(6):49－58.

［2］李正邦等譯.電渣重熔譯文集［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1990.11:223 －226.

［3］Carli.R.chlardi.Manging technological properties of mold fluxes［J］.Iron and steelmaker，1988(6):43.

The inward overflow analysis of molten slag of electro－slag casting for large－scale castings

JIANG Guo-sen，CHEN Rui，WANG Da-wei，WANG An-guo，WANG Yun-xia，ZHANG Jia-dong
(Shenyang Research Institute of Foundry，Shenyang 110022，China)

The inward overflow of molten slag appressed to water－cooled copper of electro－slag casting for largescale castings is very common.In this aritical，we analyse the causes，ameliorate the process of changing electrode and ameliorate the remelting parameters，the actual effect is good.The results show that the unmerited electric power and the cooling technology of water－ cooled copper is the main reason of the inward overflow of the molten slag.

electro－slag casting;molten slag;inward overflow

TF 142.4

A

1671-6620(2011)S1-0058-03

2010-10-15.

高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備科技重大專項資助 (2009ZX04006－032).

蔣國森 (1972—)，男，工程師，電話:024－89354095－523.