電渣重熔渣系知識(shí)總匯
電渣重熔渣系(slags electroslag remelting)
含有CaO、CaF2、Al2O3、MgO、SiO2等成分在高溫下具有適當(dāng)電導(dǎo)率并具有脫硫、脫磷、去除非金屬夾雜物等能力的堿性熔體。熔融渣池是電渣重熔工藝的核心部分，它在金屬的熔化、精煉、凝固過(guò)程中起著極為重要的作用。
渣的功能
電渣重熔渣的功能如下：(1)作為重熔熱源。它把電能轉(zhuǎn)化為電阻熱，金屬電極依靠熔渣的電阻熱進(jìn)行熔化，并滿足熔煉溫度的需要。(2)作為凈化劑。重熔過(guò)程中熔化的金屬形成金屬熔滴穿過(guò)渣池時(shí)，渣與金屬液滴接觸面積很大，利用渣的化學(xué)特性可以有效地去除鋼中有害元素硫、磷等，去除有害氣體氫、氧、氮等，吸收、溶解熔融金屬與渣界面的非金屬夾雜物，使金屬得到提純、凈化。(3)作為保護(hù)劑。它在鑄錠和結(jié)晶器間形成一層渣皮，這層渣皮起到了絕緣、隔熱、潤(rùn)滑作用’，使金屬不與結(jié)晶器直接接觸，防止了電分流，使熱流主要向底水箱方向傳導(dǎo)，結(jié)晶趨向縱軸方向，并有利于鑄錠和結(jié)晶器壁的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。另外，在金屬熔池上方的熔融渣池使金屬液避免直接與大氣接觸，起到了防止金屬氧化及貯熱保溫作用。在電渣重熔過(guò)程中，金屬始終在渣的包覆下熔化、凝固。
渣的選擇
電渣重熔渣系、配比和渣量的選擇對(duì)-電渣鋼的冶金質(zhì)量、熔煉技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)以及環(huán)境保護(hù)具有重大的影響。為了滿足各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的要求，必須從熔點(diǎn)、電導(dǎo)、黏度、堿度、表面張力、比熱、蒸汽壓、透氣度等各項(xiàng)物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行綜合考慮，才能選出合理的渣型。
熔點(diǎn) 渣的熔點(diǎn)應(yīng)低于重熔金屬熔點(diǎn)，熔渣成分力求選在低熔共晶點(diǎn)附近，這樣可以減少渣皮凝固時(shí)的偏析，防止渣成分的變化造成工藝參數(shù)難以穩(wěn)定的現(xiàn)象。通常渣的熔點(diǎn)應(yīng)比重熔金屬的熔點(diǎn)低100～200℃。
電導(dǎo)率熔渣應(yīng)具有適當(dāng)?shù)碾妼?dǎo)率，以產(chǎn)生足夠的熱量，保證金屬熔化、過(guò)熱及精煉的進(jìn)行，并提高電渣重熔的電效率，降低電耗。一般要求在2000℃時(shí)，熔渣的電導(dǎo)k≤3Ω-1•cm-1。
黏度
熔渣應(yīng)有適當(dāng)?shù)酿ざ?，并且在高溫下黏度值隨溫度變化越小越好。具有良好流動(dòng)性的渣才能保證高溫下渣池?zé)釋?duì)流，使鑄錠徑向溫度均勻，利于去氣脫硫等物化反應(yīng)的進(jìn)行，利于形成薄渣皮，提高鑄錠表面質(zhì)量。一般熔渣在1800℃時(shí)，黏度η≤0.5Pa•s。
堿度為了保證重熔過(guò)程脫硫良好，熔渣應(yīng)具有較高的堿度，一般堿度B>1，B=CaO／(SiOz+1/2Al2O3)。
表面張力 熔渣與熔融金屬之間應(yīng)有足夠大的表面張力，以有助于渣殼分離，防止熔渣卷入金屬內(nèi)；而熔渣與非金屬夾雜物之間的表面張力越小越好，以利于熔渣對(duì)非金屬夾雜物的浸潤(rùn)、吸附和溶解。
其他特性
熔渣中不應(yīng)含有高蒸氣壓組元，不應(yīng)含有不穩(wěn)定氧化物及變價(jià)氧化物，以防止熔渣揮發(fā)、金屬增氧及元素?zé)龘p。同時(shí)，渣在固態(tài)時(shí)應(yīng)具有一定的抗?jié)裥?，不易發(fā)生水合作用。高溫時(shí)的熔渣應(yīng)具有較小的透氣性，防止周圍氣氛中的氮、氫、氧進(jìn)入金屬熔池；當(dāng)鑄錠與結(jié)晶器相對(duì)移動(dòng)時(shí)，為保證渣皮不破裂，獲得良好的鑄錠表面，要求渣皮在高溫時(shí)具有一定的強(qiáng)度和塑性等。此外，選擇渣系要注意安全性和經(jīng)濟(jì)性，熔渣應(yīng)不析出或盡量少析出危害操作人員健康、污染環(huán)境的有害氣體和灰塵，并盡量因地制宜、選用價(jià)格低廉的原料。
渣的組元
常用渣系的基本形態(tài)是以CaF2為基礎(chǔ)，配入適當(dāng)?shù)腃aO、Al2O3、MgO、SiO2、TiO2等氧化物組成的，各組元成分在渣中有各自的作用。(1)CaF2：能降低渣的熔點(diǎn)、黏度和表面張力。但和其他組元相比，CaF2的電導(dǎo)率較高，純CaF2在1650℃時(shí)電導(dǎo)率達(dá)4.54Ω-1•cm-1；渣中CaF2含量高，熔煉中易放出有害氣體和煙塵，造成環(huán)境污染。(2)CaO：渣中加入CaO將增大渣的堿度，提高脫硫效率，在CaO加入量為40％情況下，脫硫率最高可達(dá)到85％；而且ca0的加入能夠降低渣的電導(dǎo)率。但是Ca()吸水性強(qiáng)，易帶入氫和氧，造成鋼增氫增氧。(3)Al2O3能明顯降低渣的電導(dǎo)率，減少電耗，提高生產(chǎn)率。例如(CaF290％+AAl2O310％，在1650℃時(shí)，電導(dǎo)率降為3.44Ω-1•cm-1；如果Al2O增加到30％，電導(dǎo)率將降為1.75Ω-1•cm-1。但是渣中Al2O3增加，將使渣的熔化溫度和黏度升高，并將降低渣的脫硫效果，另外會(huì)使重熔過(guò)程難以建立和穩(wěn)定。一般Al2O3的含量不大于50％。(4)MgO渣中含有適當(dāng)?shù)腗gO將會(huì)在渣池表面形成一層半凝固膜，可防止渣池吸氫及防止渣中變價(jià)氧化物向金屬熔池傳遞供氧，從而使鑄錠中氧、氫、氮含量降低。同時(shí)，這層凝固膜可減少渣表面向大氣輻射的熱損失。但是MgO容易使熔渣的黏度提高，所以渣中含MgO一般不超過(guò)15％。(5)SiO2渣中加入少量SiO2，可以降低渣的熔點(diǎn)，提高渣的高溫塑性，使鑄錠表面光潔，而且也能降低渣的電導(dǎo)率。SiO2的加入還可以改變鋼中夾雜物的形態(tài)，由鋁酸鹽夾雜變?yōu)楣杷猁}夾雜，使鋼材易于加工變形。但是渣中SiO2含量過(guò)多，則有反應(yīng)2CaF2+SiO2＝2CaOS+SiF4↑發(fā)生，造成渣中CaF2的揮發(fā)損失，另外SiO2高還將使金屬中SiO2含量增加。(6)TiO2在重熔含Ti的鋼及合金時(shí)，渣中加入一定量的TiO2，可以抑制鋼中鈦的燒損；另外，常采用CaF2-TiO2型導(dǎo)電渣作引燃劑；TiO2是變價(jià)氧化物，它對(duì)金屬熔池起傳遞供氧作用。
常用渣系
最廣泛使用的渣系是CaF2-TiO2渣，其代表成分是CaF270％+Al2O330％。這種渣綜合工藝性能較好，適應(yīng)不同工藝條件，具有一定的脫硫及去夾雜能力，適用于重熔滾珠軸承鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、高速工具鋼、模具鋼及不銹耐熱鋼等。但這種渣存在著一些缺點(diǎn)，如渣成分不在低熔共晶點(diǎn)上，熔點(diǎn)偏高；渣的電導(dǎo)率高，重熔電耗高；渣中CaF2含量高，熔煉中易污染環(huán)境；鋼中夾雜物以脆性鋁酸鹽及剛玉為主，影響鋼的塑性和韌性等。
為了避免CaF2-Al2O3渣系的上述缺點(diǎn)，近年來(lái)開發(fā)了CaF2-CaO-Al2O3三元渣系，CaF2-CaO-Al2O3-MgO四元渣系及CaF2-CaO-Al2O3-MgO-SiO2五元渣系等(見表1～表3)。這些渣系的成分基本選擇在三元共晶線上，渣的熔點(diǎn)較低，渣皮凝固時(shí)偏析現(xiàn)象較輕微，渣成分穩(wěn)定，鑄錠表面光潔，成型良好。而且這些渣系具有較低的電導(dǎo)率，提高了電效率，因渣中CaF2減少，造成的污染也有所減輕，渣中含少量MgO或SiO2，防止了鋼液吸氣，使鑄錠表面光潔。這些渣系的缺點(diǎn)是含有CaO，易于吸水，因此必須十分注意保持渣料的干燥，以防止鋼水吸氫增氧。
上述渣系均含有CaF2，據(jù)測(cè)試CaF270％+Al2O330％和CaF220％+Al2O340％+CaO40％的渣，氟的發(fā)散量分別為30～35mg／m3和12～18mg／m3。為了防止重熔中氟的揮發(fā)對(duì)環(huán)境的污染，近年來(lái)各國(guó)都致力于無(wú)氟渣的開發(fā)，無(wú)氟渣基本上采用CaO-Al2O3渣系，有時(shí)加入少量的MgO。(表4)這種渣系具有較低的電導(dǎo)率，在1600℃時(shí)，其電導(dǎo)率僅為CaF2-CaO-Al2O3渣的1/5，熔化速率可提高20％～40％，其生產(chǎn)率高，電0．耗低，而且無(wú)氟渣去氧、脫硫效果良好。但是無(wú)氟渣也存在著一些操作上的問(wèn)題，如無(wú)氟渣熔點(diǎn)高，導(dǎo)電率低，引燃困難，需要液渣引燃；無(wú)氟渣的成分在CaO-Al2O3。共晶點(diǎn)附近，該共晶點(diǎn)液相線陡升，液渣成分稍有波動(dòng)，渣熔點(diǎn)變化即很顯著，影響鑄錠成型，要求電渣輸入功率要穩(wěn)定，工藝操作不如氟化物渣系易于控制；無(wú)氟渣的電導(dǎo)率低，重熔時(shí)需要較高的工作電壓，影響爐前操作的安全，需采用大充填比重熔；另外無(wú)氟渣CaO含量高易吸水增氫等。因此，雖然無(wú)氟渣在防止污染和提高電渣重熔熱效率方面具有突出的優(yōu)越性，但仍處于試驗(yàn)階段。
長(zhǎng)期以來(lái)，電渣重熔一直沿用堿性渣及中性渣，對(duì)渣中SiO2含量予以限制。為了適當(dāng)降低CaF2-CaO-Al2O3渣系熔渣氧離子活度，防止吸氫增氧，近年來(lái)開始在渣中加入SiO2，采用酸性渣以滿足工業(yè)發(fā)展的需要，其成分見表5。堿性渣脫磷脫硫效果良好，但它具有較高的透氣性，不可避免地將提高鋼中含氫量。隨著電渣重熔錠型的日益大型化，渣池與大氣接觸面積增加，電渣錠去氫問(wèn)題日益尖銳。酸性渣雖不利于脫硫脫磷，但由于透氣性差，利于除氫。對(duì)于50～300t重的直徑1000～3000mm的大錠采用酸性渣(B<1)重熔，防止鋼中增氫效果明顯。用堿性渣重熔，氫會(huì)增至8cm3／100g，而用酸性渣重熔，則鋼中氫含量不超過(guò)2cm3／100g。另外，采用酸性渣重熔，可以改變鋼中非金屬夾雜物形態(tài)。用堿性渣重熔，鋼中夾雜物以剛玉為主(Al2O360％～90％，SiO2<20％)，若用酸性渣重熔，鋼中夾雜物以硅酸鹽為主(SiO240％～60％，Al2O315％～20％)，為塑性?shī)A雜物，而易于加工。但是，使用酸性渣必須解決其電導(dǎo)率低引起電渣過(guò)程不穩(wěn)，以及重熔含有易氧化元素的鋼時(shí)其合金元素的燒損問(wèn)題。
電渣重熔含Ti鋼和含Mg鋼等特殊用鋼，常常在渣中加入一定量的TiO2或MgO，從而達(dá)到抑制鋼中鈦或鎂的燒損，提高其收得率的目的。前蘇聯(lián)用AHφ-21渣(CaF250％+Al2O325％+TiO225％)重熔含Ti鋼、美國(guó)采用CaF270％+Al2O320％+TiO210％渣重熔馬氏體時(shí)效鋼等，Ti的收得率均大于90％。前蘇聯(lián)用九AHφ-9渣(CaF265％～75％+MgO25～35％)、中國(guó)用CCaF255％+Al2O325％+MgO10％+CaO10％渣系冶煉含鎂合金，均起到了“平衡渣”的作用。
另外，人們對(duì)渣中添加少量稀土氧化物以降低渣的氧化勢(shì)和熔點(diǎn)，增加渣的穩(wěn)定性，減少鋼中活潑金屬的氧化損失等，也進(jìn)行了一定的探討，由于稀土氧化物價(jià)格偏高而未能廣泛應(yīng)用。（來(lái)源：熱加工論壇）