電渣重熔大型高品質(zhì)鋼錠脫氧制度研究

溫培建　向大林

(浙江電渣核材有限公司，浙江314300)

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電渣重熔大型高品質(zhì)鋼錠脫氧制度研究

溫培建向大林

(浙江電渣核材有限公司，浙江314300)

摘要：大型電渣錠在長(zhǎng)達(dá)數(shù)十小時(shí)冶煉過(guò)程中，渣、氣、鋼三相接觸反應(yīng)，使熔渣氧化性不斷增加。為了防止鋼中元素?zé)龘p，保證熔渣始終為還原性，必須制定和執(zhí)行嚴(yán)格的脫氧制度。根據(jù)渣、氣、鋼三相平衡的熱力學(xué)原理，研究電渣重熔過(guò)程中熔渣氧化物組元的變化規(guī)律，確定脫氧制度。自主設(shè)計(jì)的130 t電渣爐成功電渣重熔了數(shù)十根大型高品質(zhì)電渣錠，證明脫氧制度是合理的。

關(guān)鍵詞：電渣重熔；脫氧制度；電渣錠

電渣重熔技術(shù)是生產(chǎn)大型高品質(zhì)鍛件用鋼錠的有效方法。尤其是近幾年來(lái)，隨著核電的快速發(fā)展，第三代核電站服役壽命由40年增加到60年，被稱為核島“主動(dòng)脈”的主管道由原來(lái)的鑄件改為鍛件。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明，主管道用鋼錠需要采用電渣錠才能滿足產(chǎn)品要求。隨著電渣錠重量的增加，工藝也越來(lái)越復(fù)雜。制定合理的技術(shù)方案是電渣重熔高品質(zhì)電渣錠的基礎(chǔ)和前提。其中脫氧制度是電渣重熔大型高品質(zhì)電渣錠的重要技術(shù)之一。

大型電渣錠電渣重熔具有以下特點(diǎn)：鋼錠尺寸大，渣氣兩相的接觸反應(yīng)界面大，氣相對(duì)熔池的影響大，電渣重熔時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)十小時(shí)，渣系平衡控制困難，渣中不穩(wěn)定氧化物特別是FeO發(fā)生以下反應(yīng)，見(jiàn)式(1)～式(2)。

2FeO+1/2O2=Fe2O3

(1)

Fe2O3+Fe+3FeO

(2)

渣中FeO含量不斷增高，熔渣的還原性不斷減弱，氧化性不斷增強(qiáng)，熔池中元素?zé)龘p不斷嚴(yán)重，使鋼錠成分發(fā)生波動(dòng)，鋼錠軸向均勻性差，嚴(yán)重者甚至造成鋼錠成分不合格而報(bào)廢。為了防止這種情況的發(fā)生，電渣重熔大型電渣錠過(guò)程中必須對(duì)熔渣進(jìn)行連續(xù)脫氧操作，使熔渣始終具有還原性，從顏色上看始終為白色。但是，如果脫氧制度不當(dāng)，不但達(dá)不到脫氧的目的，還會(huì)引起相反的作用。例如脫氧過(guò)量，會(huì)使脫氧劑或渣中被還原的元素進(jìn)入熔池從而對(duì)鋼液造成污染。因此，確定合理的脫氧制度是電渣重熔大型高品質(zhì)電渣錠的重要保證[1]。

1脫氧制度的確定

脫氧制度包括脫氧元素的選擇和脫氧元素用量的確定兩個(gè)方面。

1.1脫氧元素的選擇

電渣重熔過(guò)程中持續(xù)加脫氧劑是為了脫掉進(jìn)入渣池和熔池中的氧。脫氧元素加入后，難免有一部分穿過(guò)渣池進(jìn)入熔池。因此希望進(jìn)入熔池的脫氧元素能優(yōu)先并基本上被鋼中的氧所氧化，既起到脫除鋼中氧的作用，又對(duì)鋼錠成分影響最小。

脫氧元素優(yōu)先被氧化的前提條件是：當(dāng)鋼中要求的該元素含量平衡時(shí)，鋼中氧的活度值最小。

鋼中某元素[M]與[O]發(fā)生反應(yīng)，見(jiàn)式(3)～式(4)。

x[M]+y[O]=MxOy

(3)

(4)

反應(yīng)平衡時(shí)鋼中氧的活度值見(jiàn)式(5)。

(5)

由式(3)可見(jiàn)，平衡時(shí)氧的活度與氧化物的生成自由能有關(guān)，與該元素在鋼中的含量有關(guān)，還與渣中該氧化物的活度有關(guān)[2]。

通常，鋼中含有Si、Mn、Ti等易氧化元素。根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理，必有某一與氧親和力強(qiáng)的元素控制著鋼中最低氧含量，即與它平衡時(shí)氧活度最低。重熔過(guò)程中當(dāng)鋼中的氧含量增加時(shí)，這種元素就首先被氧化而起到脫氧的效果。薩爾鋼廠生產(chǎn)超低鋁(Al≤0.010%)低壓轉(zhuǎn)子用鋼，所采用的辦法是利用含Al量為0.035%的電極并同時(shí)向熔渣不斷加入還原劑，利用電極自身的Al作為還原劑，這里Al就是控制鋼中最低氧含量的元素。因此，以這種元素作為脫氧劑最為合適。

同時(shí)，脫氧元素的選擇還要考慮爐渣的堿度，用不同的脫氧元素去平衡渣池中FeO、Al2O3、CaO的含量和渣池中的堿度。堿度高時(shí)，選用Ca-Si；堿度低時(shí)，選用Ca-Al。

1.2脫氧劑用量的確定

脫氧劑用量對(duì)鋼錠重熔影響很大。脫氧不充分，鋼中某些元素被燒損。脫氧劑用量太大，渣中某些金屬被還原進(jìn)入熔池，鋼中成分發(fā)生變化，甚至不合格。合適的脫氧劑用量指的是所加脫氧劑剛好把進(jìn)入渣鋼中的氧脫除而自身也全部被氧化。因此，確定脫氧劑用量的關(guān)鍵在于求出脫氧時(shí)單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入鋼、渣中的氧總量。

1.2.1重熔過(guò)程中氧的主要來(lái)源及其存在的形式

大型電渣重熔過(guò)程中氧的主要來(lái)源是大氣中的氧氣和電極表面的氧化層。這些氧含量很難直接求出。但在冶煉條件和工藝穩(wěn)定的情況下，在一定時(shí)間里，進(jìn)入鋼渣的總氧量穩(wěn)定于某一數(shù)值。這些氧進(jìn)入渣鋼中與脫氧元素和鋼中活潑元素發(fā)生反應(yīng)，生成氧化物進(jìn)入渣池。鋼中同時(shí)存在幾種活潑元素，如Al、Si、Mn等，氧化反應(yīng)可能首先開(kāi)始于下列某一反應(yīng)，見(jiàn)式(6)～式(8)。

[Mn]+[O]=MnO

(6)

[Si]+2[O]=SiO2

(7)

2[Al]+3[O]=Al2O3

(8)

而當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到一定程度，可能有兩個(gè)或更多的氧化反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行。由于單位時(shí)間進(jìn)入鋼渣中的氧含量是一定的，因此這時(shí)渣中的各氧化物的變化必然要滿足一定的比例關(guān)系。例如當(dāng)Si、Mn的氧化反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行時(shí)，他們各自的反應(yīng)速度受到下列反應(yīng)的限制，見(jiàn)式(9)。

2[Mn]+SiO2=[Si]+2MnO

(9)

Mn和SiO2含量按一定比例在變化，并且這兩種氧化物變化時(shí)所需要的氧含量等于進(jìn)入渣鋼的總氧量。

這樣，單位時(shí)間進(jìn)入渣鋼中的總氧量經(jīng)氧化反應(yīng)后便以一定的比例存在于渣池的各氧化物組元中。只需求出渣中各氧化物的變化率，便可推算出單位時(shí)間進(jìn)入渣鋼中的總氧量。

1.2.2渣中氧化物隨時(shí)間的變化率

為了計(jì)算出單位時(shí)間進(jìn)入渣鋼中的總氧量，首先需了解渣中各氧化物的變化規(guī)律。

定義單位時(shí)間進(jìn)入渣中的總氧量為熔渣吸氧速率。熔渣吸氧速率與冶煉環(huán)境和工藝條件有關(guān)，如爐內(nèi)氧分壓、渣系和渣量、電極氧化程度等。但在這些參數(shù)穩(wěn)定時(shí)，吸氧速率基本穩(wěn)定，是個(gè)常數(shù)。其數(shù)值為：

吸氧速率=單位時(shí)間渣池中增加的氧化物含量的氧量+單位時(shí)間產(chǎn)生的渣皮中氧化物所含的氧量

渣池中氧化物主要有CaO、Al2O3、SiO2、MnO、FeO等。當(dāng)工藝條件穩(wěn)定時(shí)，這些氧化物的變化率也穩(wěn)定不變。

1.2.3脫氧劑用量和加入方式

氧化物MxYy是由式(1)反應(yīng)生成的，根據(jù)吸氧率計(jì)算出某氧化物變化所需的氧量。根據(jù)質(zhì)量守恒方程，計(jì)算出脫氧劑用量。

電渣重熔把熔煉與凝固兩道工序合二為一[3、4]，熔煉和凝固兩個(gè)矛盾的過(guò)程在電渣重熔中達(dá)到一種平衡。開(kāi)始時(shí)，冷卻效果好，輸入功率大，熔化速率快；逐漸冷卻與熔煉達(dá)到一種平衡，熔化速率保持不變；慢慢進(jìn)入補(bǔ)縮階段，輸入功率逐漸變小，熔化速率逐漸變慢，熔池深度逐漸變淺。脫氧劑的加入量與氧化物MxOy成正比關(guān)系，所以脫氧劑的加入量是熔化速率的函數(shù)，與熔化速率息息相關(guān)。

脫氧劑須均勻持續(xù)地加入到渣池中，使脫氧元素與渣中的氧得到充分反應(yīng)?？梢允褂脵C(jī)械自動(dòng)加入，設(shè)定好參數(shù)，這種方式多用于單相電渣爐生產(chǎn)小型電渣錠。大型電渣錠橫截面大，脫氧劑加入要均勻撒開(kāi)，靠機(jī)械難以保證，需采用人工加入的方式，設(shè)定每3 min~5 min加入一次。

2脫氧制度在工業(yè)上的使用及其效果

為了驗(yàn)證上述方法的可靠性和制度的合理性，我們?cè)谧灾餮邪l(fā)的130 t電渣爐中生產(chǎn)了數(shù)十根大型高品質(zhì)電渣錠，取得了非常理想的效果。

首先以生產(chǎn)的12個(gè)56 t~79 t 2.25Cr1Mo加氫反應(yīng)器鍛件用電渣錠為例進(jìn)行說(shuō)明。結(jié)晶器直徑尺寸約為1 800 mm，電極直徑尺寸約為450 mm。根據(jù)上述的方法確定脫氧制度，利用Al和Ca-Si進(jìn)行復(fù)合脫氧，加入Al(350～250)g/5 min，加入Ca-Si(100～50)g/5 min。脫模后，電渣錠本體取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，電極與電渣錠化學(xué)成分對(duì)比見(jiàn)表1。

表1　電極與電渣錠化學(xué)成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù), %)

由表1可以看出，脫氧效果非常好。

2014年~2015年生產(chǎn)了12個(gè)50 t~124 t SA376 TP316LN第三代核電主管道用電渣錠。結(jié)晶器直徑尺寸約為1 800 mm和2 000 mm，電極直徑尺寸約為450 mm和500 mm。利用Al和Ca-Si進(jìn)行復(fù)合脫氧，加入Al(120～80)g/5 min，加入Ca-Si(150～100)g/5 min。脫模后，電渣錠本體頂部底部?jī)啥巳舆M(jìn)行化學(xué)成分分析，電極與電渣錠化學(xué)成分對(duì)比見(jiàn)表2。

由表2可以看出，脫氧效果非常好，電渣錠的成分上下均勻，并且具有重復(fù)性。

表2　電極及電渣錠上、下部分的化學(xué)成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

3結(jié)論

為了防止鋼中元素?zé)龘p，保證熔渣始終為還原性，制定和執(zhí)行了嚴(yán)格的脫氧制度。利用渣、氣、鋼三相平衡的熱力學(xué)原理，研究出電渣重熔過(guò)程中熔渣氧化物組元的變化規(guī)律，確定了脫氧制度。當(dāng)冶煉環(huán)境和工藝條件穩(wěn)定時(shí)，吸氧速率=單位時(shí)間渣池中增加的氧化物含量的氧量+單位時(shí)間產(chǎn)生的渣皮中氧化物所含的氧量。目前，自主設(shè)計(jì)的130 t電渣爐成功電渣重熔了數(shù)十根大型高品質(zhì)電渣錠，證明脫氧制度的制定是合理的。

參考文獻(xiàn)

[1]向大林，等. 關(guān)于巨型鋼錠電渣技術(shù)之我見(jiàn). 大型鑄鍛件，2010(4)：38-47.

[2]常立忠，等. 電渣重熔過(guò)程中的氧行為研究. 鋼鐵，2010(5)：30-35.

[3]向大林，等. 200 t大型電渣爐成分均勻性控制研究. 上海金屬，1994，16(3)：25-31.

[4]向大林.大型電渣重熔值得注意的幾個(gè)問(wèn)題. 大型鑄鍛件，2011 (1) :26-35.

編輯李韋螢

Research on Deoxidization Technology of Electroslag

Remelting Process for Heavy Ingot with High Quality

Wen Peijian, Xiang Dalin

Abstract：During the several hours of smelting process for heavy ESR ingot, the oxidbillity of molten slag has been continuously increased with the contact reaction of slag, gas and steel. In order to prevent the elements of steel to be damaged by the fire and guarantee the reducibility of molten slag throughout, the deoxidization technology must be prepared and carried out strictly. Based on the thermodynamic principle of three-phase equilibrium with slag, gas and steel, the variation rule of oxide components during the electroslag remelting process has been studied, and the deoxidization technology has been determined. The self-designed 130 t electroslag remelting furnace has already manufactured dozens of heavy ESR ingot with high quality successfully. It turned out that this deoxidization technology was reasonable.

Key words：electroslag remelting; deoxidization technology; ESR ingot

收稿日期：2015—06—01

中圖分類號(hào)：TF14

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B