非保護氣氛電渣重熔降低30CrNiMo8氧含量措施

李建軍， 張錦文

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術(shù)中心， 山西 太原 030003）

德國DIN標(biāo)準(zhǔn)中的30CrNiMo8是一種典型的調(diào)質(zhì)鋼，相當(dāng)于我國的30Cr2Ni2Mo。該鋼具有較高的屈服強度、抗拉強度和疲勞強度，還有較好的塑形和韌性，綜合性能較好。30CrNiMo8應(yīng)用廣泛，主要用于壓力較高且波動頻繁的高壓化工容器，還用于壓力管道、塑料模具、重要構(gòu)件等，如汽輪機廠風(fēng)力發(fā)電機組的主軸由30CrNiMo8鍛件制造。由于30CrNiMo8對純凈度、組織致密性和成分的均勻性要求較嚴(yán)，故30CrNiMo8通常需要電渣重熔，以滿足用戶要求。

1 試驗情況

1.1 自耗電極的規(guī)格及成分

本次試驗采用φ550 mm×2 840 mm的自耗電極，成分見表1。

表1 30CrNiMo8自耗電極的化學(xué)成分 %

從表1看，化學(xué)成分控制得較好，P、S含量較低，其他成分基本控制在中限，這為滿足成品力學(xué)性能提供了成分保證。w（O）含量較低，為 13×10-6，滿足電渣的需要。

1.2 結(jié)晶器的規(guī)格

本次選用的5 t結(jié)晶器，規(guī)格為710/740 mm×2 000 mm。

1.3 渣系和渣量

本次冶煉選用的渣系為ANF-6預(yù)熔渣，即70%3CaF2+30%Al2O3（均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)），渣量為180 kg。

1.4 冶煉過程工藝制度

化渣期間工藝：采用65 V電壓，0～5 000 A電流，起弧后先采用小電流，然后電流逐漸增大，最后采用5 000 A的電流將固體渣全部化清后轉(zhuǎn)到熔煉階段。本次冶煉采用以功率控制為主，功率控制與熔速控制相結(jié)合的方法。初期冶煉采用最高功率，隨后逐步下降，補縮前達到最低功率，過程平穩(wěn)下降。電渣生產(chǎn)的工藝制度要求見表2。

表2 30CrNiMo8電渣重熔工藝

2 試驗結(jié)果

電渣重熔結(jié)束后進保溫坑保溫，加熱后鍛造，對成品化學(xué)成分、低倍和夾雜物進行了檢驗。檢驗結(jié)果見表3、表4和表5。

表3 30CrNiMo8鍛材成品化學(xué)成分 %

表4 30CrNiMo8鍛材成品低倍檢驗結(jié)果 級

由表3可知：與自耗電極相比，C、P、O等元素含量升高；Si、S 等元素含量降低；Mn、Ni、Cr、Mo 等元素基本不變。這些元素除氧為外，全部合格。

由表4可看出，低倍組織結(jié)果較好，除了一般疏松、中心疏松為0.5級外，其余均為0級，符合電渣鋼的組織特征。

表5 30CrNiMo8鍛材成品夾雜物檢驗結(jié)果 級

3 氧含量超標(biāo)原因分析

經(jīng)分析，30CrNiMo8經(jīng)電渣后，鋼中氧含量增加，超過用戶的要求，電渣重熔過程中氧通過以下途徑進入熔渣和鋼液[1]。

1）原始電極中溶解的氧及鋼中不穩(wěn)定氧化物在高溫分解放出氧；自耗電極氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13×10-6，這些氧一部分進入鋼水。

2）渣中不穩(wěn)定氧化物如 FeO、MnO、SiO2等所含的氧：

FeO=O＋Fe

3）冶煉過程中渣面上方電極坯與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)生成氧化皮帶入渣中的氧：

4Fe＋3O2=2Fe2O3，2Fe＋O2=2FeO

4）空氣中的氧在渣池表面吸附，進而通過自擴散或與不穩(wěn)定的變價氧化物反應(yīng)傳遞氧[2]。過程如下：

在渣池表面：{O2}→（O2）吸附（O2）吸附+4e=2（O2-）

渣池內(nèi)部：Al2O3+O2-=2AlO2-

在鋼渣界面：2AlO2-=Al2O3+O2-，O2--2e=[O]

這樣，AlO2-氧化物就起了一個媒介的作用，不斷地將空氣中的氧送入金屬熔池，導(dǎo)致鋼中的氧增加。

因此，只要切斷氧的來源，就可以最大限度地防止增氧，從氧的來源看，1）中的氧含量主要由上工序決定，分析電極坯中的氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)果為13×10-6，與電渣過程沒有關(guān)系，本次研究不予以考慮。應(yīng)主要考慮 2）、3）、4）帶來的氧。

4 改進措施

經(jīng)分析，電渣重熔過程中氧的增加主要是由于渣中的氧或空氣中的氧進入鋼中所致，因此，采取以下措施。

4.1 選用不穩(wěn)定氧化物低的渣系

試驗采用的熔渣配比，m（CaF2）∶m（Al2O3）=7∶3，但是，還有其他物質(zhì)，經(jīng)分析，w（SiO2）為0.6%，w（FeO）為0.8%，這些物質(zhì)均可通過渣進入鋼中，致使鋼中增氧。選用 60F 渣系，即 m（CaF2）:m（Al2O3）∶m（CaO）=6∶2∶2，該渣中不穩(wěn)定氧化物低，w（SiO2）為 0.45%，w（FeO）為0.4%，有利于防止鋼液增氧。

4.2 增加渣量

如果輸入功率相同，向渣池輸入的總的熱量相同，增加渣量，會降低渣溫，電極的氧化就會減弱，從而減少氧的來源。

4.3 適當(dāng)降低電壓，增加電流

空氣中的氧進入渣中后，如果將渣表面溫度降低，一方面會導(dǎo)致渣的黏度提高，從而降低氧的擴散速度；另一方面，溫度降低后，不穩(wěn)定氧化物分解速度降低，從而減少增氧。電壓降低電流增加后，電極插入渣池的深度增加，熱區(qū)下移，渣池表面溫度降低，降低了氧的擴散，具體重熔工藝如下。

4.3.1 渣系和渣量

選用60F預(yù)熔渣，即60%CaF2+20%Al2O3+20%CaO（均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)），渣量為200～210 kg，渣中添加1 kg鋁粉。

4.3.2 改進后的電渣工藝（見表6）

表6 改進后電渣工藝制度

5 改進后試制結(jié)果

改進后，試驗了3爐，氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為12×10-6、15×10-6、17×10-6，平均值為 14.7×10-6。

1）電渣后氧含量超標(biāo)是因為電渣過程中鋼中的氧、渣中氧、空氣中氧進入鋼中所致。

2）通過選用不穩(wěn)定氧化物低的渣系、增加渣量、適當(dāng)降低電壓增加電流等措施，30CrNiMo8電渣后氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)可穩(wěn)定控制在20×10-6以內(nèi)。