18CrNiMo7-6鋼電渣重熔工藝研究

莫光有

(廣州市冶金工業(yè)研究所，廣東510440)

齒輪鋼18CrNiMo7-6具有強(qiáng)度高、韌性好和淬透性優(yōu)異等非常理想的綜合性能，主要用于制造高速、重載火車的電力機(jī)車、動車上的齒輪、齒輪軸、輪轂及左右聯(lián)軸器等零部件。

18CrNiMo7-6生產(chǎn)制備過程中是通過添加微合金元素，形成難溶的碳化物、氮化物來釘扎奧氏體晶界，阻止晶界的推移，從而細(xì)化奧氏體晶粒。在生產(chǎn)中通常是在冶煉時控制鋼中的Al、N含量，生產(chǎn)細(xì)小彌散的AlN，針扎晶界達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。當(dāng)鋼中Al含量較高，但N含量較低時，則不能形成足夠的AlN使其均勻的分布于奧氏體晶界。AlN數(shù)量較少必然導(dǎo)致其分布較多的位置使釘扎晶界作用明顯，分布較少的位置則不能釘扎晶界阻止奧氏體晶粒的長大，這也是產(chǎn)生混晶，即晶粒局部異常長大的主要原因。因此采用AlN細(xì)化晶粒時應(yīng)該選用適當(dāng)?shù)腁l/N比，從而獲得晶粒度級別較高、晶粒細(xì)小均勻的微觀組織。

18CrNiMo7-6電渣錠質(zhì)量缺陷主要有表面螺紋、氣孔、疏松、補(bǔ)縮位縮孔較深、Al含量燒損嚴(yán)重等。為了避免因各類質(zhì)量缺陷的出現(xiàn)導(dǎo)致錠的成材率不高甚至錠報廢的現(xiàn)象，在制定18CrNiMo7-6電渣重熔工藝方案時需要綜合考慮影響電渣錠質(zhì)量的各方面因素，針對各種影響因素確定相對應(yīng)的措施。

1 與電渣錠質(zhì)量有關(guān)的主要因素

1.1 渣系及渣量

1.1.1 渣系

合適的渣系對于電渣錠質(zhì)量及冶煉經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)有很大影響。渣系與電渣錠表面質(zhì)量關(guān)系如下：

(1)熔渣應(yīng)有一定的電阻，以保證較高的渣溫。

(2)渣熔點(diǎn)最好較合金鋼熔點(diǎn)低100～150℃，以利于金屬熔池對原始渣皮具有一定的再加工能力，使重熔錠表面光滑。

(3)有適當(dāng)?shù)碾妼?dǎo)。渣系選擇有幾種，如：CaF2-NaF、CaF2-CaO、CaF2-Al2O3、CaF2-Al2O3-CaO等，在選擇渣系時，需考慮到渣系應(yīng)該有適當(dāng)?shù)碾妼?dǎo)，有較低的熔點(diǎn)和粘度。相關(guān)資料表明，一般常用的二元渣系為“三七渣”(即70%CaF2+30%Al2O3)，“三七渣”渣系具有較好的電導(dǎo)，適度的熔點(diǎn)和粘度，可以提高生產(chǎn)效率，降低電耗，改善電渣錠表面質(zhì)量。

1.1.2 渣量

(1)渣量的影響。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(zhì)量都有很大影響。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(yīng)的減少，因而，使金屬熔池的深度變淺。過分增加渣池深度，會導(dǎo)致金屬熔池的體積過小和金屬熔池溫度降低，影響電渣精煉效果并造成電渣錠表面出現(xiàn)螺紋現(xiàn)象等。相反，渣量過少，則達(dá)不到電渣重熔的精煉效果。

(2)渣料組成。為了降低生產(chǎn)成本，部分企業(yè)往往會采用一定量的回爐渣，即電渣重熔完畢后，將渣頭破碎重新使用。使用一定比例的回爐渣，不會導(dǎo)致電渣錠內(nèi)部質(zhì)量出現(xiàn)較大變化，但要注意：只能選用渣頭四周的回爐渣，中間夾雜物較多的部分不宜使用；回爐渣比例不宜超過總渣量的30%；采用回爐渣后，因渣料組成的比例發(fā)生改變，會使渣料的熔點(diǎn)發(fā)生改變，渣液的流動性和粘度也會發(fā)生改變，應(yīng)做相應(yīng)的工藝調(diào)整，以免出現(xiàn)表面夾渣或者導(dǎo)致熔速過快而出現(xiàn)缺陷。

(3)渣量計算經(jīng)驗(yàn)。電渣渣頭厚度要求：(1/3～1/2)D結(jié)，D結(jié)<25 cm時取上限值，D結(jié)>35 cm時取下限值。按實(shí)際生產(chǎn)過程總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，渣頭厚度與結(jié)晶器小頭直徑比約0.3即可，渣頭密度約2750 kg/m3。

1.2 電壓

1.2.1 冶煉電壓和爐口電壓

冶煉電壓是指電渣重熔時的工作電壓和線路電壓降之和。工作電壓(一般稱爐口電壓)接近于渣層電壓，它比較確切的代表了冶煉過程中實(shí)際電壓的大小。而線路電壓降包括變壓器引出板、短網(wǎng)、導(dǎo)線、接點(diǎn)、卡頭及電渣爐爐口以上的自耗電極等部位的電壓降。

爐口電壓是電渣重熔過程中最重要的工藝參數(shù)之一，爐口電壓的大小，應(yīng)使自耗電極有合適的埋入深度，以保證高溫渣區(qū)能大體鋪滿金屬熔池表面，有利于鋼錠的軸向結(jié)晶，保證鋼錠表面質(zhì)量。當(dāng)爐口電壓過高時，自耗電極埋入渣池深度過淺，電渣過程會變得不穩(wěn)定。由于自耗電極漂浮在渣面上，電流大幅度波動，渣面溫度過高，致使鋼錠中氣體和夾雜物增加，同時造成鋼錠的表面成型不良。反之，爐口電壓過低時，自耗電極埋入的渣池深度過大，金屬熔池深度過大，不利于鋼錠的軸向結(jié)晶，同時由于渣溫低，冶金反應(yīng)不能充分進(jìn)行，導(dǎo)致非金屬夾雜物偏聚，數(shù)量增加，嚴(yán)重時會產(chǎn)生表面螺紋。

1.2.2 工作電壓影響

當(dāng)輸入功率和渣層厚度一定時，工作電壓過高，電流波動大，電渣過程不穩(wěn)定，渣層溫度高，金屬熔池淺，熔化速度快。電壓過低時電流增大，渣層溫度低，金屬熔池加深，熔化速度減慢。冶煉電壓對渣層溫度的影響如圖1所示。從圖1可以看出，隨工作電壓升高，渣層溫度升高，導(dǎo)致重熔速度加快和冶煉電耗增加。

圖1 冶煉電壓對渣層溫度的影響Figure 1 Effect of smelting voltage on slag layer temperature

1.2.3 爐口電壓計算經(jīng)驗(yàn)

在渣系、鋼種一定的情況下，工作電壓取決于錠型的大小，可按經(jīng)驗(yàn)公式確定：

U=0.5D+B

式中，U為工作電壓，單位為V；D為結(jié)晶器平均直徑，單位cm；B為常數(shù)，其值波動在32～42 V之間。

1.3 冶煉電流

1.3.1 冶煉電流

冶煉電流是電渣過程的重要參數(shù)之一。電渣重熔過程中，隨電流增加，自耗電極埋入渣池深度增加，極間距減小，金屬熔池深度增加。當(dāng)電流過大時，由于金屬熔池過深，不利于鋼錠軸向結(jié)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(zhì)量，形成螺紋鋼錠。

1.3.2 冶煉電流計算

冶煉電流I主要按自耗電極斷面積和電流密度來確定，即：

I=Fi

式中，F(xiàn)為自耗電極的橫斷面積，單位為mm2；i為電流密度，單位為A/mm2，可參考經(jīng)驗(yàn)公式i=56/d-0.05進(jìn)行選擇，其中d為自耗電極直徑。

在實(shí)際生產(chǎn)中，我所采用的電流經(jīng)驗(yàn)計算公式為：

I=(15～22)D結(jié)

式中，I為冶煉電流，單位為A；D結(jié)為是指結(jié)晶器直徑，單位為mm。

1.4 熔速控制

增加熔速能夠大幅度降低電耗，而且實(shí)際生產(chǎn)中也往往采用這種方法作為節(jié)能省耗的主要措施。但是，熔速的增加不是無止境的，它受到眾多外部因素的限制，只有合理的增加熔速，使其不超過某一熔速上限時才能達(dá)到既節(jié)電又能確保鋼錠質(zhì)量的效果。隨著熔化速度的增加，輸入渣池的功率增加，導(dǎo)致熔池深度增加，結(jié)晶角迅速減小，其最終結(jié)果是使鋼錠徑向結(jié)晶的趨勢增加，嚴(yán)重破壞電渣重熔鋼錠趨于軸向結(jié)晶的有利條件。同時，由于熔池變深，凝固時間增加，偏析、夾雜等凝固缺陷發(fā)生的可能性增加，鋼錠的表面質(zhì)量也會變壞。

熔化速度是電渣重熔工藝的重要參數(shù)，為了最大限度地降低電耗，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)低耗的目標(biāo)，合理的熔化速度應(yīng)該滿足如下的特征：

(1)鋼錠熔池形狀合適，錠中心熔池深度約等于錠直徑的1/2，熔池前沿形狀應(yīng)該是拋物線形。

(2)金屬熔池上部應(yīng)該出現(xiàn)圓柱段，且圓柱段高度不小于10 mm。

(3)鋼錠中無縮孔、疏松、偏析等凝固缺陷，鋼錠表面光潔。

根據(jù)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，熔速選取可參考公式：

V=(0.65～0.8)D結(jié)

式中，V為熔化速度，單位為kg/h；D結(jié)是指結(jié)晶器直徑，單位為mm。

1.5 水溫影響

電渣重熔過程，循環(huán)水水溫不穩(wěn)定，容易導(dǎo)致熔池溫度不穩(wěn)定，熔池溫度不穩(wěn)定則易導(dǎo)致鋼液結(jié)晶后出現(xiàn)偏析現(xiàn)象。

1.6 母電極質(zhì)量

母電極本身帶有的夾雜物多少，將影響電渣重熔過程的除雜效果。18CrNiMo7-6母電極采用的是連鑄方坯，為減少因連鑄方坯表面氧化而導(dǎo)致電渣重熔過程帶入過多的氧化物和易氧化元素的燒損，方坯電極需經(jīng)過表面打磨處理。

1.7 電渣重熔脫氧制度對電極中Al含量的影響

電渣錠中最終非金屬夾雜物含量與電渣重熔脫氧制度有關(guān)，不采用脫氧制度的電渣重熔提純效果最差，采用復(fù)合脫氧劑的電渣重熔提純效果好，因?yàn)椴捎脧?fù)合脫氧劑的脫氧生成物是顆粒較大的硅鈣酸鹽或鋁硅酸鹽夾雜，而大顆粒夾雜物在自耗電極分層熔化過程中容易暴露出來被高溫熔渣所吸收。此外，脫氧劑的使用，保護(hù)了鋼種易氧化元素的燒損，對于Al有一定含量要求的鋼種具有重要意義。

電渣重熔過程的脫氧可采用Si-Ca、Si-Fe或Si-Mn-Ca等復(fù)合脫氧劑，也可以采用工業(yè)鋁粉。在電渣重熔過程中分批次均勻撒在渣面上。

1.8 電渣錠補(bǔ)縮工藝

電渣重熔冶煉結(jié)束后，進(jìn)入補(bǔ)縮階段，補(bǔ)縮工藝的好壞，影響著電渣錠小頭補(bǔ)縮端的豐滿程度，好的補(bǔ)縮工藝能夠提高電渣錠的成品率。補(bǔ)縮好壞的標(biāo)準(zhǔn)是補(bǔ)縮端形成臺階、豐滿，縮孔越小越淺越好。完整的補(bǔ)縮工藝包括兩個階段，第一階段是補(bǔ)縮填充階段，第二階段是形成豐滿臺階的保溫階段。

1.9 出錠后緩冷方式

出錠后，為防止紅錠急冷或者受潮開裂，電渣錠應(yīng)該進(jìn)行緩冷，48 h后方可裝爐退火。

2 電渣重熔工藝方案確定

2.1 渣系

采用“三七渣”(即70%CaF2+30%Al2O3)，?700 mm規(guī)格錠各渣量配比為：瑩石粉為126 kg，Al2O3為54 kg。

2.2 渣料烘烤

為杜絕從渣料中帶入水汽，從而導(dǎo)致出現(xiàn)電渣錠頭部氣孔缺陷，要求所有渣料必須經(jīng)過高溫烘烤，渣料烘烤工藝為：650℃×8 h，100℃保溫放置。

2.3 熔速控制

18CrNiMo7-6電極熔速參考：460～530 kg/h。

2.4 電參數(shù)

?700 mm規(guī)格錠電參數(shù)：電壓為70～74 V，電流為15～10.5 kA。

2.5 措施

為減少18CrNiMo7-6鋼中Al含量的燒損，采取措施如下：

(1)結(jié)晶器內(nèi)化渣完畢前3 min，將2 kg鋁粒加入液渣中，并完成化渣；

(2)在電渣重熔過程中，前40 min內(nèi)不需要加鋁粒，從40 min后，每隔15 min，向電渣爐內(nèi)渣面均勻加入125 g鋁粒；

(3)進(jìn)入補(bǔ)縮階段，分3次均勻加入65 g鋁粒(進(jìn)入補(bǔ)縮后第5 min、10 min、30 min各加1次)；

(4)合計加入鋁粒量約8 kg。

2.6 補(bǔ)縮工藝

操作要點(diǎn)：在自動控制的補(bǔ)縮填充階段結(jié)束后，進(jìn)入手動操作的保溫階段，也就是在填充階段電流逐漸降為0后，停電一段時間，再手動送電增加電流3～4 kA，然后再使電流逐漸降為0，反復(fù)操作，保溫階段的時間控制在15 min左右。

表1 18CrNiMo7-6錠檢測結(jié)果統(tǒng)計表Table 1 Inspection results statistics of 18CrNiMo7-6 ingot

表2 電極原始成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Initial compositions of electrode (mass fraction, %)

表3 電渣錠頭尾取樣成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Sampling compositions at top and bottom of electroslag ingot (mass fraction, %)

圖2 補(bǔ)縮良好的錠Figure 2 Ingot of shrinkage in good condition

3 方案實(shí)施效果分析

3.1 檢測結(jié)果及分析

檢測結(jié)果統(tǒng)計見表1。

從統(tǒng)計結(jié)果看，電渣錠的檢測收得率基本在90%～94%范圍內(nèi)，但存在兩個值得進(jìn)一步改善的問題：

第一，頭部區(qū)域(即起弧端)不合格長度變動較大，范圍在50～110 mm之間，從檢測情況和頭部區(qū)域表面光滑情況看，這部分不合格區(qū)域的缺陷屬于輕度疏松缺陷，而造成這一缺陷的原因在于化渣時間過長，液渣溫度過高，導(dǎo)致電渣重熔時頭部熔速過快而出現(xiàn)此類缺陷，為此需要控制化渣時間，在現(xiàn)有化渣工藝基礎(chǔ)上，適當(dāng)降低3～5 min。

第二，尾部區(qū)域(即補(bǔ)縮端)不合格長度也比較大，范圍在80～120 mm之間，這部分不合格區(qū)域的缺陷亦屬于輕度疏松缺陷，而造成這一缺陷的原因在于電渣重熔過程越接近尾聲，結(jié)晶器直徑越小，維持同等熔速所需要的能量也越小，而電流下降幅度不足，則會導(dǎo)致熔速相對變快，從而出現(xiàn)此類缺陷。為此，在電渣重熔接近尾聲時，電流需要進(jìn)一步下降，讓尾部熔速保持在相對較低的范圍。

3.2 成分分析

為分析18CrNiMo7-6中Al含量燒損情況，以編號18Cr804277的錠為目標(biāo)進(jìn)行取樣分析。

電極原始成分見表2。

電渣錠頭尾取樣成分見表3。

Al含量燒損分析。從電渣錠頭尾部取樣結(jié)果看，頭部區(qū)域Al含量基本保持穩(wěn)定，但尾部區(qū)域Al含量燒損近50%。整體而言，Al含量控制在客戶要求的0.01%～0.03%范圍，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

圖3 補(bǔ)縮端面不良的錠Figure Ingot of shrinkage in bad condition

3.3 補(bǔ)縮效果分析

補(bǔ)縮效果良好的錠見圖2。

補(bǔ)縮不良的錠見圖3。

嚴(yán)格按照補(bǔ)縮工藝要求進(jìn)行操作，會得到比較理想的補(bǔ)縮效果，即補(bǔ)縮端面凸出，中心縮孔較淺，外表美觀。但操作不當(dāng)，則會得不到良好效果，一方面補(bǔ)縮部位容易形成螺紋，補(bǔ)縮端面出現(xiàn)密密麻麻的凝固的液滴狀，另一方面則會在補(bǔ)縮端面形成較深的縮孔。

4 結(jié)論

(1)18CrNiMo7-6鋼在電渣重熔過程中，如果不采取任何措施直接電渣重熔的話，鋼中的Al含量將燒損高達(dá)90%以上。故需要采取必要措施，降低Al元素的燒損，這樣才能保證適當(dāng)?shù)腁l/N比，從而獲得晶粒度級別較高、晶粒細(xì)小均勻的微觀組織。

(2)在制訂電渣重熔工藝的過程中，需要認(rèn)真分析可能影響電渣錠質(zhì)量的各個主要因素，并制訂相應(yīng)對策，才能夠避免出現(xiàn)較嚴(yán)重的質(zhì)量缺陷。

(3)在實(shí)際生產(chǎn)過程中，為進(jìn)一步提升18CrNiMo7-6鋼錠的收得率，需要在化渣階段控制好渣溫，以保證頭部質(zhì)量。在熔煉末期，需要進(jìn)一步降低熔速來保證尾部質(zhì)量。在補(bǔ)縮階段嚴(yán)格執(zhí)行補(bǔ)縮操作，減少縮孔，這樣才能夠進(jìn)一步提升18CrNiMo7-6錠的收得率，從而降低生產(chǎn)成本。