電渣重熔冷軋輥坯的質(zhì)量控制

賈建平，張英杰，董艷伍，姜周華

(1.中鋼集團(tuán) 邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司，邢臺(tái) 054025;2.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽(yáng) 110004)

電渣重熔冷軋輥坯的質(zhì)量控制

賈建平1，張英杰1，董艷伍2，姜周華2

(1.中鋼集團(tuán) 邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司，邢臺(tái) 054025;2.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽(yáng) 110004)

針對(duì)本廠電渣重熔生產(chǎn)鍛鋼冷軋輥坯的生產(chǎn)實(shí)踐進(jìn)行了冷軋輥坯質(zhì)量控制的研究工作.對(duì)渣系選擇、預(yù)熔渣的工業(yè)應(yīng)用及冷軋輥坯內(nèi)部質(zhì)量控制等方面進(jìn)行了深入的剖析.結(jié)果表明，酸性渣和堿性渣都可以用于重熔生產(chǎn)，但比較而言，堿性渣更好，多元渣系對(duì)質(zhì)量控制更有利，預(yù)熔渣比非預(yù)熔渣對(duì)質(zhì)量控制、降低成本更有利.控制合理的熔化速度是控制鋼錠內(nèi)部質(zhì)量的重要因素.

電渣重熔;酸性渣;預(yù)熔渣;夾雜物;質(zhì)量控制

近年來(lái)，隨著工業(yè)的發(fā)展，電渣冶金在我國(guó)特種鋼材的生產(chǎn)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用.邢機(jī)是專(zhuān)業(yè)的軋輥生產(chǎn)企業(yè)，所生產(chǎn)的軋輥包括鑄鋼軋輥、鑄鐵軋輥、鍛鋼軋輥等多個(gè)品種及不同的規(guī)格.其中鍛鋼軋輥都采用電渣重熔作為輥坯的最終冶煉方法.本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)闡述電渣重熔生產(chǎn)冷軋輥坯的質(zhì)量控制.

1 渣系的研究

電渣重熔技術(shù)產(chǎn)生早期的小噸位電渣爐以“三七”渣(m(Al2O3)∶m(CaF2)=3∶7)作為常用渣系，然而“三七”渣比電阻較低，電耗高.大噸位電渣爐由于鋼液的局部凝固時(shí)間長(zhǎng)，鋼錠的表面及內(nèi)在質(zhì)量相對(duì)難于控制.渣系的選擇通常是以m(CaF2)∶m(CaO)∶m(Al2O3)=6∶2∶2 堿性渣系為基進(jìn)行，由于CaO含量較高，脫硫效果良好，但它具有較高的透氣性，使鋼中氣體含量增高，而且鋼中非金屬夾雜物堅(jiān)硬、不易變形，在鋼的鍛造過(guò)程中容易構(gòu)成應(yīng)力集中，影響鋼的塑韌性.而在渣系中適當(dāng)添加SiO2和MgO可以降低渣系的透氣性，改善鋼中夾雜物的性質(zhì)，并且有利于降低重熔電耗，提高鋼錠的整體質(zhì)量.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，可防止渣池吸氧及防止渣中變價(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MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不超過(guò)15%.

對(duì)于酸性渣，我們也做過(guò)相關(guān)的研究工作［1］.酸性渣中的CaO含量低，渣系透氣性差，有利于鋼中氫含量的控制，采用酸性渣重熔比采用堿性渣重熔具有渣皮薄、電耗低的特點(diǎn).但是采用酸性渣重熔比堿性渣重熔時(shí)鋼中O含量增高，夾雜物總量增加.另外，由于酸性渣中SiO2高，并且在重熔過(guò)程中采用Al脫氧，重熔后鋼錠中Si含量略有升高，因此采用酸性渣重熔時(shí)自耗電極中Si含量要進(jìn)行合理的控制.

2 預(yù)熔渣的應(yīng)用

由于使用新配制渣料進(jìn)行電渣重熔時(shí)，存在鋼錠底部質(zhì)量難于保證，并且底部氣體含量較高等問(wèn)題，雖然采用渣料烘烤等方法可以降低鋼錠底部的氣體含量，但上述問(wèn)題仍然難以解決，使用預(yù)熔渣生產(chǎn)是解決上述問(wèn)題的有效方法.國(guó)外的電渣冶金企業(yè)早就開(kāi)始使用預(yù)熔渣進(jìn)行電渣鋼的生產(chǎn)，然而國(guó)內(nèi)對(duì)預(yù)熔渣的認(rèn)識(shí)不足，使用量很少.為了提高電渣錠冷輥坯的冶金質(zhì)量，2009年采用預(yù)熔渣進(jìn)行了多爐次的電渣重熔冷軋輥坯的工業(yè)試驗(yàn)研究.

(1)電耗情況:對(duì)同爐次同材質(zhì)預(yù)熔渣電渣錠和非預(yù)熔渣電渣錠進(jìn)行電耗對(duì)比，從整體情況看，預(yù)熔渣電耗相對(duì)較低;

(2)渣皮情況:預(yù)熔渣生產(chǎn)的電渣錠表面質(zhì)量合格、渣皮薄、過(guò)程穩(wěn)定;

(3)表面質(zhì)量:預(yù)熔渣呈小粒狀、降低了粉塵飛揚(yáng)，避免了大塊白灰卡渣料現(xiàn)象;預(yù)熔渣焰氣小，降低了對(duì)環(huán)境的影響;預(yù)熔渣蹦渣次數(shù)降低，安全系數(shù)提高;

(4)氣體檢測(cè)內(nèi)容:預(yù)熔渣比非預(yù)熔渣輥坯中氣體［H］、［O］大大降低，如表1所示;

表1 9支預(yù)熔渣和同期非預(yù)熔渣鋼錠的平均氣體含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/10－6)Table 1 Average gas content of nine ingot produced by fresh and premelted slag 10－6

3 冷軋輥坯的內(nèi)部質(zhì)量研究

早期，電渣冶金工作者往往通過(guò)控制金屬熔池的形狀來(lái)控制鑄錠的凝固質(zhì)量，認(rèn)為金屬熔池越淺，鋼錠質(zhì)量越好，然而經(jīng)過(guò)深入的研究，Ballantyne［2］指出，電渣重熔鋼錠組織決定于局部凝固時(shí)間，而不是決定于金屬熔池的形狀，而長(zhǎng)期以來(lái)冶金工作者都是試圖通過(guò)控制金屬熔池形狀控制鑄錠的結(jié)晶組織.Ballantyne認(rèn)為局部凝固時(shí)間與熔化速率之間并不存在線(xiàn)形關(guān)系.

Flemings［3］對(duì)金屬的凝固理論進(jìn)行過(guò)大量的研究，曾提出局部凝固時(shí)間與枝晶間距之間的關(guān)系.在本文中依據(jù)所建立的模型，計(jì)算出鑄錠凝固過(guò)程的局部凝固時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算出鑄錠凝固的枝晶間距，以枝晶間距大小作為衡量鑄錠的凝固質(zhì)量的依據(jù)之一.

高鉻冷輥坯中碳和合金含量較高，易生成液析碳化物，由于遞減功率熔煉電渣爐設(shè)備本身特點(diǎn)，冶煉過(guò)程重量和時(shí)間沒(méi)有形成函數(shù)關(guān)系.在熔煉過(guò)程中，在半徑方向上鑄錠的溫度場(chǎng)分布是表面溫度低，中心溫度高;在高度方向上，下面溫度低，靠近金屬熔池部分溫度高，如圖1所示.

圖1 鑄錠中溫度場(chǎng)的分布Fig.1 Temperature distributions in ingot

對(duì)鑄錠從表面到中心的二次枝晶間距大小如圖2所示［4］，鑄錠表面由于冷卻強(qiáng)度大，兩相區(qū)較小，鋼液凝固時(shí)間短，因此對(duì)應(yīng)的枝晶間距較小;而鑄錠中心兩相區(qū)寬度大，對(duì)應(yīng)的局部凝固時(shí)間最長(zhǎng)，也是元素最容易發(fā)生偏析的地方.圖中C2、C3、C4、C5和 C6分別是距鑄錠底部 0.1 m、0.35 m、0.6 m、0.85 m和1.1 m的位置.圖3是上述各個(gè)位置鋼錠表面、1/2半徑和鋼錠中心位置的碳化物含量情況，從圖中可以明顯的看出，各試樣鑄錠中心處所析出的碳化物含量基本相當(dāng)，而隨著鑄錠高度的增加，鋼錠1/2半徑和邊緣位置的碳化物含量呈增加趨勢(shì).

圖2 鑄錠從表面到中心的局部凝固時(shí)間變化Fig.2 Change of secondary interdendritic spacing in radius direction

圖3 鑄錠不同位置的碳化物含量Fig.3 Carbide content of different position specimen

Cr5電渣鋼錠的組織主要由珠光體和碳化物構(gòu)成，在分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，Cr5電渣錠主要存在兩種碳化物:一種是塊狀的碳化物，這種碳化物屬于初生碳化物，是在鋼液凝固的過(guò)程中，從液態(tài)直接析出的高熔點(diǎn)碳化物;另外一種是屬于液態(tài)鋼液凝固后期發(fā)生共晶反應(yīng)析出的共晶碳化物，這種碳化物往往呈現(xiàn)網(wǎng)狀或者針狀.

圖4是對(duì)網(wǎng)狀碳化物的分析結(jié)果，從分析結(jié)果來(lái)看，網(wǎng)狀碳化物的Cr含量并不高，而C和Fe含量較高，合金元素Si、V和Mo含量也比平均成分高，碳化物的成分以(Si、V、Mo)C型為主，同時(shí)也含有一定量的(Fe、Cr)7C3型的碳化物.圖5是應(yīng)用SEM對(duì)塊狀整體碳化物的分析，在這種碳化物中，C含量和Cr含量都較高，主要是Cr7C3型碳化物，同時(shí)也含有一定量的(Si、V、Mo)C型碳化物.

無(wú)論那種類(lèi)型的碳化物在生產(chǎn)中的冶煉環(huán)節(jié)都是要盡量避免它的析出，因?yàn)榇髩K的碳化物在后續(xù)的熱處理過(guò)程中不容易完全溶解，并且大塊碳化物的存在，使 C、Cr、Si、V、Mo 等碳化物形成元素過(guò)分聚集，容易使其他部位 C、Cr、Si、V、Mo等元素貧化，從而影響最終產(chǎn)品的性能.在電渣重熔生產(chǎn)冷軋輥用鋼時(shí)，大顆粒的碳化物是最不希望得到的.碳化物的含量越高，說(shuō)明鑄錠中元素的偏析程度越大，因此應(yīng)該采用一些措施，降低所析出碳化物的含量和粒度.

經(jīng)過(guò)眾多的現(xiàn)場(chǎng)研究表明，熔化率較高將增加熔池深度，從而消弱了電渣淀結(jié)晶器側(cè)壁的冷卻效果，對(duì)結(jié)晶的生長(zhǎng)方向造成影響，進(jìn)而影響到電渣錠和輥坯的質(zhì)量.熔化率降低后，金屬熔池變淺、體積變小，金屬熔池的深淺直接影響到電渣錠的質(zhì)量［5］，因此要根據(jù)鋼種和設(shè)備情況合理選擇熔化速度.

圖5 塊狀的碳化物SEM分析Fig.5 Analysis of network carbide by SEM

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)多年對(duì)電渣重熔冷軋輥坯的渣系、工藝、質(zhì)量控制的實(shí)際研究，在渣系選擇和使用、質(zhì)量控制等方面已經(jīng)具有一定的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，并將相關(guān)的結(jié)果應(yīng)用到本廠冷軋輥坯生產(chǎn)中，保證了本廠電渣重熔冷軋輥坯的質(zhì)量.

［1］賈建平，史夢(mèng)健，姜周華，等.酸性渣系在電渣重熔中的應(yīng)用［C］//全國(guó)電渣冶金學(xué)術(shù)會(huì)議.太原:東北大學(xué)出版社，2008:110－113.

［2］Hernandez M B，Mitchell A.Review of mathematical models of fluid flow，heat transfer，and mass transfer in electroslag remelting process［J］.Ironmaking and Steelmaking，1999，26(6):423－438.

［3］Flemings M C，“Solidification Processing”，McGraw －Hill，New York，NY，1974

［4］Yanwu Dong，Zhouhua Jiang，Zhengbang Li.Investigation on solidification quality of industrial－scale ESR ingot［C］//TMS2009－InternationalSymposium onLiquidMetal Processing and Casting.Santa Fe，New Mexico，2009.9:36－43.

［5］董艷伍，姜周華，肖志新，等.電渣重熔工藝對(duì)鋼錠凝固質(zhì)量影響研究［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，30(11):1598－1602.

Quality control of cold roll steel produced by electroslag remelting process

JIA Jian-ping1，ZHANG Ying-jie1，DONG Yan-wu2，JIANG Zhou-hua2

(1.SINOSteel Xingtai Machinery ＆Mill Roll Co.，Ltd，Xingtai 054025，China;2.School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110004，China)

Our factory is a professional manufacturer of roll，in this paper some investigation about producing forged steel cold roll ESR billet has been done.Selection of slag，industrial application of premelted slag and internal quality control of cold roll and other aspects have been analyzed.Results showed that both acid slag and basic slag can be used for producing cold roll billets，but relatively speaking，basic slag is better.More constituents are better.Premelted slag is better than non －premelted slag for controlling the ingot quality and reducing cost.Rational melting rate is an important reason for controlling internal quality of ingot.

electroslag remelting;acidic slag system;premelted slag;inclusion;quality control

TF 142

A

1671-6620(2011)S1-0082-04

2010-10-15.

賈建平 (1963—)，男，河北邢臺(tái)人，教授高級(jí)工程師，E－mail:jiajpasinosteel.com.