電渣重熔冶金過(guò)程爐渣黏度性能研究

供稿|李小孟， 劉立，趙俊學(xué)，李獻(xiàn)民，丁五洲，陳峰，陳健 / LI Xiao-meng, LIU Li, ZHAO Jun-xue,LI Xian-min, DING Wu-zhou,CHEN Feng, CHEN Jian

電渣重熔法(Electro Slag Remelting)是在水冷結(jié)晶器中，利用熔渣的電阻發(fā)熱來(lái)重熔自耗電極，生產(chǎn)高質(zhì)量合金的一種方法。目的是在初煉的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提純合金并改善合金的結(jié)晶組織，從而獲得高質(zhì)量的合金。這種方法廣泛應(yīng)用于高質(zhì)量合金的生產(chǎn)，產(chǎn)品涉及不銹鋼、耐熱鋼、高溫合金、精密合金、耐蝕合金、電熱合金等400多個(gè)品種，產(chǎn)品遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)，在航空、航天、石油化工、鐵路部門、能源工業(yè)、輕工業(yè)等諸多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。其生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品具有性能優(yōu)越、純度高、含硫量低、非金屬夾雜物少、鋼錠表面光滑、結(jié)晶均勻致密、金相組織和化學(xué)成分均勻等特性[1-3]。

電渣冶金，CaF2-CaO-Al2O3-SiO2-MgO五元渣系在連鑄保護(hù)渣、電渣重熔、有色冶金等高溫熔煉過(guò)程都有著很廣泛的應(yīng)用。但是目前關(guān)于該渣系的系統(tǒng)研究很少，尤其是爐渣黏度研究更是匱乏?；诖?，本文通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，設(shè)計(jì)16組不同組元的爐渣成分，試圖勾勒出CaF2-CaO-Al2O3-SiO2-MgO渣系的黏度隨溫度變化的規(guī)律，從而為其在電渣冶金的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中提供理論依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料選用購(gòu)買的分析純?cè)噭?，?jiàn)表1，CaO(白色或微黃色的不定形或顆粒狀粉末)、SiO2、Al2O3、MgO(白色軟質(zhì)粉末)、CaF2(白色結(jié)晶性粉末)。進(jìn)行物理混合后，在球磨機(jī)上球磨2 h，達(dá)到充分的混勻。

實(shí)驗(yàn)方法

采用東北大學(xué)研發(fā)的RTW-10型熔體物性綜合測(cè)定儀測(cè)定電渣重熔爐渣的黏度。按照正交實(shí)驗(yàn)法五因素四水平配比16組不同組元的CaF2-CaO-Al2O3-SiO2-MgO五元爐渣，采用旋轉(zhuǎn)柱體法測(cè)定熔體的黏度。

1) 測(cè)定黏度使用石墨坩堝，要保證坩堝位于爐子的恒溫帶內(nèi)，渣熔化后渣層高度約為40 mm。每次所稱量渣料大概在140～150 g，部分渣料樣品見(jiàn)圖1。

表1 分析純?cè)噭┏煞?/p>

圖1 實(shí)驗(yàn)渣樣實(shí)物圖

表2 正交實(shí)驗(yàn)因素及水平表

2) 通過(guò)程序控溫，熔化渣樣。 當(dāng)實(shí)測(cè)爐溫到達(dá)1500℃時(shí)，恒溫30 min，用鉬絲進(jìn)行攪拌，控制爐體位置至轉(zhuǎn)頭停止在距離坩堝底部10 mm的位置上。待熔渣的溫度穩(wěn)定，成分均勻后，進(jìn)行黏度測(cè)量，直至熔渣黏度過(guò)大無(wú)法繼續(xù)測(cè)量為止(不大于10 Pa·s)。

3) 為了保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，可以多測(cè)定幾個(gè)值，在測(cè)定值穩(wěn)定后，通過(guò)求平均值來(lái)確定樣品的黏度值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

正交實(shí)驗(yàn)因素及水平表見(jiàn)表2，正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，以黏度為指標(biāo)的方差分析見(jiàn)表4。由極差分析可以看出，當(dāng)以黏度為考察指標(biāo)時(shí)，SiO2含量＞CaO含量＞CaF2含量＞Al2O3含量＞MgO含量，各個(gè)因素的影響程度相差較大。

由圖2可見(jiàn)，在1463℃時(shí)，3#渣樣的黏度為0.036 Pa·s，爐渣的流動(dòng)性較好，并且隨著溫度的不斷下降，熔渣的黏度越來(lái)越大。在1300℃左右時(shí)，熔渣的黏度基本上達(dá)到了1.134 Pa·s。隨著溫度的繼續(xù)下降，到1256℃時(shí)，熔渣的黏度達(dá)到5.816 Pa·s，基本上處于凝固的狀態(tài)。從黏度的拐點(diǎn)即熔渣的突然凝固，同樣可以判斷出爐渣的熔化溫度也在1340℃附近。

由圖3可見(jiàn)，在1463℃，15#渣樣的黏度為0.029 Pa·s，爐渣的流動(dòng)性也屬于比較好，當(dāng)溫度降到1350℃左右時(shí)，爐渣的黏度出現(xiàn)比較大的增加，達(dá)到1.519 Pa·s，即開(kāi)始出現(xiàn)凝固，與該組分熔渣的

熔化溫度是吻合的。比較3#和15#爐渣在高溫1463℃下的黏度值可知，由于15#爐渣較3#爐渣CaF2含量高，其黏度值明顯較小。

表3 正交實(shí)驗(yàn)表

表4 以黏度為指標(biāo)的方差分析表

比較4#和6#熔渣(表3)，4#爐渣的SiO2含量高于6#而CaF2含量較低，其熔渣的黏度略小于6#熔渣，由此可以驗(yàn)證SiO2含量對(duì)熔渣黏度的影響大于CaF2含量的影響。由熔渣的熔體結(jié)構(gòu)理論[4-5]可知，隨著SiO2含量的增加，破壞了原來(lái)熔渣的大網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，熔渣流動(dòng)時(shí)黏滯阻力會(huì)減小，因此熔渣的黏度減小，流動(dòng)性較好。

由4#、6#、10#爐渣的黏度曲線圖圖4可以看出，該組渣樣的流動(dòng)性較好，在溫度低于1325℃時(shí)，三組爐渣的黏度值隨溫度的升高黏度值變化都不大，都低于0.5 Pa·s。隨著溫度的繼續(xù)降低，大約在1280℃左右時(shí)，三組爐渣的黏度開(kāi)始出現(xiàn)比較明顯的增大，其中4#渣樣的黏度值0.378 Pa·s，6#渣樣的黏度值為2.948 Pa·s，10#渣樣的黏度為3.851 Pa·s。

圖4 4#、6#、10#黏度曲線圖

綜上所述，幾組渣樣的流動(dòng)性都較好，符合隨溫度升高爐渣黏度下降的規(guī)律，并在一定的溫度區(qū)間黏度值發(fā)生大幅度降低，之后變化不大。

結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)五因素四水平正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了黏度曲線圖，得出CaF2-CaO-Al2O3-SiO2-MgO五元爐渣黏度值及各組元對(duì)黏度值影響的規(guī)律。

1) 在爐溫1500℃，渣溫1463℃時(shí)，五元爐渣的黏度值在0.021～0.129 Pa·s范圍內(nèi)。

2) 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：各組分對(duì)電渣重熔爐渣黏度影響的強(qiáng)弱順序?yàn)椋篠iO2＞CaO＞CaF2＞Al2O3＞MgO；極差分析結(jié)果和方差分析結(jié)果基本吻合。

3) 4#爐渣的SiO2含量高于6#而CaF2含量較低，其熔渣的黏度略小于6#熔渣，可以驗(yàn)證正交實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果，即SiO2含量對(duì)熔渣黏度的影響最大。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著溫度的升高，爐渣的黏度呈下降的趨勢(shì)，尤其是溫度在1280℃～1350℃時(shí)，爐渣黏度出現(xiàn)較大的下降。隨著溫度的繼續(xù)升高，黏度的變化不大。

[1] 丁永昌，徐增啟. 特種熔煉. 北京： 冶金工業(yè)出版社，1995.

[2] 李正邦. 電渣冶金原理及應(yīng)用. 北京： 冶金工業(yè)出版社，1996.

[3] 李正邦. 電渣重熔譯文集. 北京： 冶金工業(yè)出版社，1990.

[4] 豆志河，姚建明，張廷安，等. CaO-Al2O3-SiO2-CaF2渣系的黏度.東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008, 29(7)： 1000-1003.

[5] Dong Y W, Jiang Z H, Li Z B. Mathematical model for electroslag remelting process. Journal of Iron and Steel Research International,2007, 14(5) ： 7-12.