高合金鎳鋼電渣工藝的探索與優(yōu)化

王 瑤 王高宏 吳小海 嚴 洋 黃 勝

(武漢重工鑄鍛有限責任公司特殊鋼廠)

25CrNi3MoVE是一種高合金鎳鋼，其力學性能具有超高強度與韌性的特點，被廣泛應用于各類軸系鍛件上，具有較高的經(jīng)濟價值和市場價值。為降低鋼中夾雜，提高鋼錠內在質量及力學性能，得到各方面性能均合格的產(chǎn)品，我廠采用了電渣重熔的工藝方式，為后道工序提供更優(yōu)質的母材。

煉鋼廠目前有一臺30 t龍門交替式電渣爐，可生產(chǎn)各類軋輥用鋼及各類鎳鋼、不銹鋼等電渣鋼錠。25CrNi3MoVE電渣鋼錠由于自身鋼種特點，容易產(chǎn)生表面裂紋、中心疏松等缺陷，因此在重熔過程中，應當充分考慮電流電壓對整個過程中的熱傳導作用，降低功率損耗，改善表面質量。文中對冶煉過程中的難點及重點進行了分析。

1 自耗電極的制備

1.1 化學成分

25CrNi3MoVE的化學成分范圍限定比較窄，其中有害元素Pb范圍非常小，對配料要求極高，其氣體成分要求也非常高，O元素含量更是要求不高于25×10-6，既對鋼中氣體夾雜物含量做了高要求，更是對脫氧效果提出了嚴峻考驗；除必須將成分調整在驗收范圍內，還需要對成分范圍做進一步的控制，因此按驗收成分的中線值對自耗電極的成分進行內控?；瘜W成分控制要求見表1。

1.2 力學性能指標

25CrNi3MoVE的力學性能要求較高，既要滿足高強度要求，又要滿足產(chǎn)品-30℃的沖擊吸收能量值要求，還有超聲檢測的要求，因此，前期鋼錠內在質量的好壞與純凈度的高低直接影響到后期鍛壓難度，選擇合適的煉鋼工藝路線及煉鋼參數(shù)非常重要。

1.3 工藝路線的確定

通過工藝小組的評審，綜合以上考慮，最終決定采用EF+LFV+下注(Ar保)+自耗電極退火+自耗電極切頭切尾+車削帶白或打磨表層氧化皮+ESR+退火的工藝路線。

1.4 冶煉自耗電極

為了得到純度更高的自耗電極，提高電渣鋼錠的內在質量，通過以下措施可以有效地減少鋼中夾雜物的存在，提高鋼水的純凈度。

(1)優(yōu)化配料工藝，配料時選用優(yōu)質料頭，并配入足量生鐵，保證原材料的純凈度，減少外來夾雜的產(chǎn)生機會。

(2)電爐冶煉時使用碳氧槍噴粉造渣，保證化清前后全過程均為泡沫渣狀態(tài)，出鋼時應在爐中預留足量鋼水，避免氧化渣混入。

(3)精煉時必須造白渣精煉，同時加強Ar攪拌，促進鋼中夾雜物上浮。

(4)細化喂絲制度，根據(jù)鋼水量和爐中鋼水成分調整喂絲重量。真空前必須喂Al絲脫氧，溫度達到1660℃左右進入真空工位，真空度133 Pa以下保持15 min。

(5)確保錠模系統(tǒng)及流鋼系統(tǒng)的清潔干燥，用Ar氣保護澆注，減少二次氧化機會。

1.5 自耗電極的化學成分

通過上述措施的控制，冶煉了兩爐自耗電極，化學成分合格(見表2)且外觀平整，收縮良好。

表1 化學成分要求(質量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition requirements(mass fraction,%)

表2 化學成分檢測結果Table 2 Test results of chemical compositions

2 重熔前準備

2.1 自耗電極退火

煉鋼廠有18 t、19 t、20 t三種規(guī)格的專用電渣模，其最大內徑分別為：?760 mm、?840 mm、?950 mm。按照鋼錠直徑，鋼廠根據(jù)之前冶煉其他鋼錠的退火工藝制定了圖1所示的退火曲線。

圖1 自耗電極退火曲線Figure 1 Self-consumable electrode annealing curve

但具體到該鋼種，考慮到其Ni含量較高，熱脆性差，不能直接升溫退火，必須保持一段時間后方能繼續(xù)升溫，因此，及時調整了退火工藝，調整后的退火工藝見圖2。

確定退火工藝后，自耗電極脫模后就直接紅送入退火爐退火，減少溫降帶來的不利影響。退火后，將自耗電極切除冒口，再通過車削帶白和打磨表層氧化鐵皮，得到表面干凈的自耗電極。

2.2 結晶器的選擇

煉鋼廠目前有四種直徑規(guī)格的結晶器，?1000 mm、?1200 mm、?1300 mm，?1500 mm，根據(jù)電渣錠的錠型，選擇最合適的結晶器型號，選用不同直徑的結晶器，意味著選擇不同的熔速和電耗。結晶器與熔速、電耗的關系見表3。

從表3中可以看出，隨著錠型的增大，適宜選用直徑更大的結晶器。不同錠型自耗電極與結晶器的配比也遵循這一規(guī)律，詳見表4。

由表4可知15 t錠型的自耗電極，最適合選擇規(guī)格?1200 mm的結晶器。

圖2 調整后的退火工藝Figure 2 Adjusted annealing process

自耗電極直徑mm熔化速率kg∕h電耗kWh∕t?1000?1200?1300?15006607507808401660163015801560

表4 自耗電極與結晶器的配比關系Table 4 The matching relationship between consumable electrode and crystallizer

2.3 渣系的選擇

對于電渣重熔工序來說，預熔渣的重要性就如同汽車的方向盤一般，應根據(jù)不同鋼種的成分特點和要求，結合設備的具體情況，選擇合理的渣系配比。常用的渣系組成主要有CaF2、Al2O3、CaO、MgO、TiO2及SiO2六種，25CrNi3MoVE電渣重熔所用的渣系應滿足下述要求：

(1)滿足鋼錠成分要求。由于該鋼種O元素和S元素成分要求較高，因此必須在普通二元渣系的基礎上適當調整比例，MgO具有防止熔池吸氧及減少熱損失的功能，CaO可以增加渣的堿度，提高脫硫效率，因此需要用四元渣。

(2)較高的電導性。CaF2在高溫下具有較高的電導，隨渣系組成中CaF2含量增加，熔渣的電導增加，在以CaF2為基礎的渣系中加入Al2O3、CaO、MgO及SiO2后，熔渣的電導降低。由表5可知：當CaF2含量為60%時，電導率最大。

(3)具有較高的沸點。為保證電渣過程的穩(wěn)定，消除電弧放電的影響，渣系必須具有較高的沸點，在電渣重熔過程中，熔池可以達到1700～1800℃，如果渣系的沸點低于熔池的溫度，就會有大量的揮發(fā)氣體從熔池逸出，并引起飛濺，破壞重熔過程的穩(wěn)定性。由表6可知，CaF2含量較高時，沸點降低，因此60%的含量是最為合適的，Al2O3含量應當高于CaO或MgO的含量。

表5 幾種渣系的電導率Table 5 Conductivity of several slag systems

表6 常用渣系組成分的沸點(單位：℃)Table 6 Boiling points of components of common slag systems(unit: ℃)

(4)有較低的熔點和粘度。低熔點渣流動性好，有利于冶金反應的進行，熔池的建立和電渣過程的穩(wěn)定，以及鋼錠表面的結晶成形，一般要求渣系的熔點要低于金屬的熔點100～150℃。

(5)最終渣系選擇：綜上各項因素，最終選擇了60%CaF2、20%Al2O3、10%CaO與10%MgO配比的四元渣系方案。

2.4 渣量和熔池深度

渣量是重要的工藝參數(shù)之一，其渣量的多少對電渣過程的穩(wěn)定與否、熱能利用率的高低和產(chǎn)品質量都有很大影響，渣量是按渣池深度來確定的。公式如下：

G=πD2hγ4

式中，G是渣量(kg)；D是結晶器的平均直徑(m)；h是渣池深度(m)；γ是液態(tài)渣的比重(kgm3)。

渣池深度影響著金屬熔池深度。由于液態(tài)的金屬和熔渣在高溫下熱容量數(shù)值相差不大，在其他條件不變的情況下，金屬熔池和渣池深度之和，幾乎保持一個不變的數(shù)值，即渣量愈多，渣池深度愈深，渣池體積愈大，消耗于維持渣池處于熔化和過熱狀態(tài)的熱量就愈多，而維持金屬熔池處于熔化狀態(tài)的熱量相應地減少，因而，使金屬熔池的深度變淺。同時，增加渣池深度，可以獲得鋼錠柱狀晶沿軸向長大的效果。但是，過分增加渣池深度，會導致金屬熔池的體積過小和金屬熔池溫度降低，影響電渣重熔過程的精煉效果并造成鋼錠表面成型不良。相反，渣池深度過淺，就會失去電渣重熔軸向結晶的特點，而且，大氣中氧的氧化作用加劇，對重熔金屬冶煉質量同樣也是不利的。

圖3 最佳渣池深度與錠型的關系Figure 3 The relationship between the depth of the optimum slag pool and the ingot type

實際生產(chǎn)經(jīng)驗表明，較合適的渣池深度一般為所用結晶器直徑的12～13，根據(jù)錠型的不同，選擇不同的渣池深度，一般為線性關系，見圖3。根據(jù)公式，計算出來的渣量為850 kg，故最終選擇的渣量范圍為650 kg～1000 kg。

3 電渣重熔

3.1 冶煉電壓及電流

電壓與電流都是電渣冶煉的重要參數(shù)，是熔池內部反應的外部體現(xiàn)。爐口電壓的選擇與渣系的種類、結晶器和自耗電極的斷面尺寸以及冶煉鋼種等因素都有很大關系。冶煉電流對產(chǎn)品質量和經(jīng)濟技術指標都有重要影響。配電制度不僅是重熔工藝的核心也是熔鑄指標的關鍵，體現(xiàn)在鋼錠內外質量上。

在電壓一定的情況下，增加電流，會使渣溫升高，具體情況如圖4所示。

由圖4可知，隨著電流增加，自耗電極埋入深度增加，極間距減小，金屬熔池深度增加。當電流過大時，由于金屬熔池過深，不利于鑄錠的軸向結晶；反之，如電流過小，由于自耗電極插入過淺，不能保證電渣過程的穩(wěn)定，將惡化鋼錠的表面質量。

而電壓相比電流，其對熔池、熔化速率甚至是表面質量的影響更大，因此在確定電制度后，一般較少使用電壓作為調控手段。

表7 成品氣體含量(×10-6)Table 7 Gas content of finished product(×10-6)

(a)電流過小(b)正常(c)電流過大

圖4 電流與渣溫的關系圖
Figure 4 The relationship between current and
slag temperature

表8 成品鋼錠化學成分(質量分數(shù)，%)Table 8 Chemical composition of finished ingot(mass fraction,%)

生產(chǎn)實踐證明，合適的冶煉電流應該保證自耗電極合適的埋入深度，同時使金屬熔池深度控制在較合理的范圍內，一般認為，金屬熔池深度以近于結晶器平均直徑的一半為佳。

3.2 熔速的控制

重熔過程不同于爐前冶煉，必須分配好各個階段的配電制度與熔速控制，前期熔速過快，重熔期穩(wěn)定熔速就越困難，前期熔速起不來，甚至會造成重熔失敗，而中期熔速控制不合理，后期補縮時就會難以控制。而熔速的控制主要依靠電壓或電流的調節(jié)，甚至是功率的調整。

前期為了提高化渣效率，可以增大功率，當熔速產(chǎn)生后，就要通過降低電壓，使熔速逐漸下降到需要控制的范圍內，在進入重熔期后就開始只使用電流進行調節(jié)，使熔速在3 h～4 h內穩(wěn)定在11 kgmin～14 kgmin的范圍內，熔速穩(wěn)定后，一般情況下不會產(chǎn)生較大波動。自耗電極剩余1.0 t～1.2 t時，開始進入補縮階段，補縮階段應分階段有目的地降低電壓，使熔速按照階梯級緩慢下降，最終控制熔速為4 kgmin～6 kgmin，熔煉15 min～30 min，停電結束冶煉。

3.3 氣體含量

重熔過程是氣體含量增加的過程，尤其是氧、氮含量的增加，鋼廠在冶煉時采用通氣煙罩通Ar氣保護的方式，減少氣體接觸時間，減少氮含量增加。同時采用了分批加入脫氧劑的辦法，少量多批加入，降低熔池中的氧含量，有條件的可以裝備氧勢儀。成品氣體含量見表7。

相比自耗電極，成品鋼錠中氣體含量均有增加，由于控制措施有效，均在內控范圍內。

4 成品鋼錠

(1)成品鋼錠化學成分見表8。

(2)鋼錠表面質量合格，錠身平滑整齊，無腰帶，帽口收縮好，無縮孔夾渣。

(3)鍛件成品各項性能合格，無損檢測合格。

(4)目前除生產(chǎn)該鋼種外，還在此基礎上成功開發(fā)34CrNiMo、34CrNi3Mo等其他高合金鎳鋼。

5 結論

(1)為了使成品鋼錠氣體成分合格，自耗電極的氣體成分應當盡量控制在較低范圍內，重熔過程中應保持密閉環(huán)境，可以適當加入脫氧劑降低熔池中氧勢水平，重熔前期化渣3 h內，按照15 min一次的頻率加渣。

(2)根據(jù)鋼種和錠型選擇合適的渣系與渣量，根據(jù)渣子的性能，確定化渣階段的功率，過高容易造成熔速偏快，后期冶煉造成困難，過低則會導致起弧失敗，增加電耗。

(3)電渣重熔前選擇合適的配電制度，調整熔速時調整電流優(yōu)于調整電壓。后期補縮時注意電流的減小是坡度形的，有利于帽口的收縮。

(4)該重熔工藝也可用于其他鎳鋼的冶煉。