電渣爐渣皮形成機(jī)理研究

孟慶虎，許立偉，牛瑞新

(太原鋼鐵 (集團(tuán))有限公司，太原 030003)

電渣重熔的優(yōu)點(diǎn)之一是可以獲得光滑的鋼錠表面.鋼錠表面光滑的原因，是由于金屬在凝固前被凝固的渣皮包覆著.電渣渣皮形成對(duì)鋼錠表面質(zhì)量有著直接的影響，國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)對(duì)電渣渣皮形成機(jī)理有所研究，并提出“環(huán)形小熔池”理論［1～5］.

本文對(duì)渣皮形成后，沿端面橫切面方向成分變化進(jìn)行研究，并結(jié)合文獻(xiàn)所述，提出渣皮厚度控制要素及方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

1 渣皮成分研究實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

電渣重熔實(shí)驗(yàn)所采用的工藝條件如表1所示，共冶煉4 爐(編號(hào)為 a、b、c、d).冶煉后，渣皮較厚，達(dá)到6～7mm.發(fā)現(xiàn)渣皮具有分層現(xiàn)象，渣皮兩側(cè)為白色，中間為灰色.分別取兩側(cè)及中間粉末進(jìn)行成分對(duì)比，位置(見(jiàn)表2)分別對(duì)應(yīng)編號(hào):1、2、3.對(duì)各爐次渣皮不同位置的厚度比和化學(xué)成分變化進(jìn)行檢驗(yàn).

表1 電渣重熔工藝條件Table 1 The conditions of electroslag remelting process

表2 渣皮檢驗(yàn)方案與厚度比Table 2 The testing plan and thickness ratio of slag skin

1.2 結(jié)果與分析

渣皮沿端面橫切面方向成分不同位置的厚度比見(jiàn)表2.由于水冷結(jié)晶器的強(qiáng)制冷卻，分層渣皮中，靠近結(jié)晶器一側(cè)的厚度比占了50%.

不同爐次，不同位置處，渣皮中 CaF2和Al2O3在不同位置處的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表3和表4所示.爐次a的各位置處CaF2和Al2O3變化趨勢(shì)如圖1所示.

表3 CaF2檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 The testing results of CaF2 %

表4 Al2O3檢驗(yàn)結(jié)果Table 4 The testing results of Al2O3 %

經(jīng)檢驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，渣皮靠近結(jié)晶器一側(cè)Al2O3含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))達(dá)到78.5%左右，靠近鋼錠一側(cè)Al2O3含量達(dá)到70%左右(與配渣成分近似).

通過(guò)查閱X射線對(duì)晶體分析的相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，此兩側(cè)以高熔點(diǎn)相，長(zhǎng)條狀剛玉(α－Al2O3，熔點(diǎn)2 050～2 080℃)為主體，少量玻璃相填充兩相中間.中間相以低熔點(diǎn)相螢石(CaF2，熔點(diǎn)1 360℃)為主體，少量細(xì)長(zhǎng)條狀六鋁酸鈣嵌在螢石主體上.從渣皮結(jié)晶的取向性可以判斷渣皮結(jié)晶時(shí)熱量散發(fā)方向，即由結(jié)晶器和鋼錠表面進(jìn)行熱量輸出，同時(shí)驗(yàn)證了文獻(xiàn)中“環(huán)形小熔池”的形成機(jī)理.

所以，并非僅由結(jié)晶器熱量輸出導(dǎo)致渣池過(guò)冷形成渣皮，此種說(shuō)法難以解釋渣皮中的分層現(xiàn)象.由此，提出渣皮形成過(guò)程:

(1)渣液在結(jié)晶器壁處產(chǎn)生過(guò)冷，渣皮中高熔點(diǎn)相剛玉及低熔點(diǎn)相螢石依次快速析出，形成初始渣皮，在此環(huán)節(jié)，過(guò)冷度越大，形成剛玉層及螢石層將會(huì)越厚;

圖1 爐次a的各位置處CaF2和Al2O3變化趨勢(shì)Fig.1 The changing trends of CaF2and Al2O3in different location for furnace

(2)熔池在上升過(guò)程中會(huì)對(duì)初始渣皮形成“沖刷”，熔池溫度一般為1 600～1 700℃，會(huì)重新熔化低熔點(diǎn)相，并減薄高熔點(diǎn)相，此時(shí)，熔池溫度越高，即輸入功率越大，對(duì)初始渣皮沖刷越厲害，第一層高熔點(diǎn)相厚度就越薄;

(3)第三層(即靠近鋼錠一側(cè))厚度與鋼錠收縮率有著直接關(guān)系.待鋼錠溫度降低時(shí)第三層渣皮開始形成，其初始形成時(shí)緊貼鋼錠表面，鋼錠收縮越大，造成第三層與第一層間距越大，渣皮也就越厚.此時(shí)第一層與第三層之間存在尚未凝固的低熔點(diǎn)相，即產(chǎn)生“環(huán)形小熔池”，隨著鋼錠溫度下降，小熔池逐漸凝固，渣皮中層被填充.

通過(guò)上述推斷，說(shuō)明影響渣皮厚度的主要因素有:結(jié)晶器水溫、輸入功率及鋼錠收縮率.

2 渣皮厚度對(duì)比試驗(yàn)

為了驗(yàn)證以上推斷，在不同的結(jié)晶器水溫、輸入功率及鋼錠收縮率的條件下進(jìn)行重熔實(shí)驗(yàn)，以考察各因素對(duì)渣皮厚度的影響.

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

渣皮厚度影響因素對(duì)比試驗(yàn)各工藝參數(shù)見(jiàn)表5.

表5 對(duì)比試驗(yàn)各工藝參數(shù)Table 5 The process parameters of the contrast experiments

2.2 結(jié)果與分析

使用相同渣系，分別對(duì)比不同收縮率鋼種、不同輸入功率、不同結(jié)晶器水溫來(lái)驗(yàn)證渣皮厚度是否與以上因素有關(guān)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示.

通過(guò)表6可以看出，對(duì)比1、2號(hào)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)輸入功率大渣皮會(huì)有明顯降低，但是對(duì)內(nèi)部組織及后期縮孔有著不良影響;對(duì)比2、3號(hào)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)結(jié)晶器水溫提高，有利于減薄渣皮，且對(duì)比組織情況，相差不大;對(duì)比2、4號(hào)試驗(yàn)，鋼錠收縮率小的鋼種渣皮厚度有著大幅度下降，可見(jiàn)收縮率是此幾種因素中最為重要的影響因素.

所以，結(jié)晶器水溫在一定范圍內(nèi)越高、鋼錠收縮率越小、輸入功率越大會(huì)使渣皮越薄，其中收縮率是影響渣皮厚薄的最關(guān)鍵因素.

表6 對(duì)比試驗(yàn)對(duì)應(yīng)渣皮厚度Table 6 The slag thickness in the contrast experiments

3 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)渣皮成分研究和結(jié)合文獻(xiàn)分析，驗(yàn)證了“環(huán)形小熔池”理論;該理論提出了渣皮形成詳細(xì)過(guò)程以及結(jié)晶器水溫、鋼錠收縮率、輸入功率是影響同一種渣系下冶煉渣皮厚度的關(guān)鍵影響因素的假設(shè)，并進(jìn)行了試驗(yàn)論證.

(2)相關(guān)文獻(xiàn)表明，渣料自身性質(zhì)，即過(guò)冷度大、熔點(diǎn)低的渣系易產(chǎn)生薄渣皮，此理論與本文的結(jié)論相一致.

(3)結(jié)晶器水溫在一定范圍內(nèi)越高、鋼錠收縮率越小、輸入功率越大會(huì)使渣皮越薄，其中收縮率是影響渣皮厚薄的最關(guān)鍵因素.

［1］李正邦.電渣熔鑄［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1982.(LI Zheng－bang.Electroslag casting［M］.Beijing:Defense Industry Press，1982.)

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