直流供電模式下渣系組成對電渣重熔鋼錠潔凈度的影響

趙 磊 ，王 宇 ，王冰杰 ，常立忠 ，施曉芳

(安徽工業(yè)大學 冶金工程學院, 安徽 馬鞍山 243032)

電 渣 重熔(electroslag remelting，ESR)技 術 從1958 年工業(yè)化至今約有65 年的發(fā)展歷程，是當今世界上采用最廣泛的二次精煉冶金技術，主要用于特殊鋼和合金生產。電渣重熔能獲得比傳統(tǒng)冶金更高實物質量的材料，產品具有純凈度高、組織致密、力學性能優(yōu)異等特點，被越來越廣泛地用于軍工、航空航天、能源、交通、海工、環(huán)保和石化等高端裝備制造領域[1-3]。但電渣重熔技術存在電耗較高、批量少、生產效率低等局限性，且隨著市場對高品質精細鋼材的需求不斷增加，迫切要求電渣重熔技術不斷創(chuàng)新和發(fā)展。因此，開展不同供電模式下渣系組成對電渣重熔鋼錠質量的影響具有較大的現實意義。

電渣重熔過程中，選擇合適的電渣重熔渣系組成至關重要，直接影響電渣錠中易燒損元素控制及夾雜物的去除效果[4-5]。部分學者使用Factsage 對渣系組成進行熱力學及相圖計算[6-8]，發(fā)現氧化鋁在不同渣系中表現出不同的特征，濃度低時會增加渣系黏度，濃度高時則降低渣系黏度；爐渣中二氧化硅濃度不變的情況下，用氧化鈣取代氧化鎂會增加爐渣的黏度。部分學者采用不同渣系進行電渣重熔實驗，崔利民等[9]選用75% CaF2-15% Al2O3-5%CaO-5% TiO2渣 系 替 代70% CaF2-30% Al2O3渣 系冶煉GH2132 合金，可將電渣錠中D 類夾雜物控制在0.5 級以下，Ti 的燒損量降至0.19%～0.34%；肖愛平等[2]研究發(fā)現，新型55% CaF2-25% Al2O3-15%CaO-5% MgO 電渣重熔渣系可使GCr15 軸承鋼中氧含量大幅降低，有效改善鋼中大尺寸夾雜物；Wang 等[10]、Gao 等[11]研究在渣系中加入適量的稀土對鋼中夾雜物的影響，發(fā)現稀土處理后鋼中夾雜物尺寸變小、潔凈度增加。

良好的電渣爐設備是獲得質量優(yōu)異電渣重熔鋼錠的關鍵。常用的電渣重熔爐主要有單相單極電渣爐、同軸導電電渣爐、雙極串聯電渣爐、三相電渣爐等[12]。國內的電渣爐以單相單極為主，主要采用單相工頻的供電方式，這種供電方式會造成較大的能量損耗，電渣重熔過程中供電電源輸出大電流形成較強的磁場，變壓器輸出端到電渣爐間引線較長，致使短網的電阻和電抗增大，導致短網壓降增大，運行時無功容量增加，降低電渣爐供電系統(tǒng)的功率因數；同時，單相電源不能保證電力系統(tǒng)的三相平衡，會導致嚴重的諧波污染[13-14]，致使電渣重熔爐的效率下降、能耗增加，且發(fā)生震動，導致電渣重熔鋼錠的冶金質量下降。相比于工頻供電模式，采用直流供電模式可減少輸電過程中功率和能量的消耗，加之直流輸電線本身不存在交流輸電固有的穩(wěn)定問題，輸送距離和功率也不受電力系統(tǒng)同步運行穩(wěn)定性的限制，直流輸電線的功率和電流的調節(jié)控制容易且迅速，容易實現各種調節(jié)、控制，在實驗過程中可以更加便捷的控制電渣重熔爐，從而提高電渣重熔鋼錠的質量[15-17]。然而，關于直流供電模式下不同渣系對電渣錠中夾雜物的影響的研究較少。為此，采用2 種常用的重熔渣系，即30% Al2O3+70% CaF2和20% Al2O3+20% CaO+60% CaF2，分析在直流供電模式下渣系組成對電渣錠中夾雜物的影響，以期為電渣重熔技術的不斷改進發(fā)展提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

本文所用的自耗電極材料為304 L 奧氏體不銹鋼，采用EAF-AOD-LF-CC 工藝生產，將304 L 不銹鋼連鑄坯鍛造成自耗電極用于電渣重熔。其主要成分(質量分數)為C 0.019%，Si 0.41%，Mn 1.18%，P 0.037%，S 0.002 5%，Cr 18.27%，Ni 8.10%，Al 0.010%，O 0.002 5%，N 0.079%，Fe 余 量。采 用w(Al2O3)≥99%的氧化鋁、w(CaO)≥98%氧化鈣和w(CaF2)≥98%螢石粉3 種試劑，配制30%(質量分數，下同)Al2O3+70% CaF2和20% Al2O3+20% CaO+60% CaF2渣系，每爐渣的質量均為1 200 g。

1.2 實驗設備

使用1 種具有變頻功能的小型單相單級電渣爐，既可輸出工頻模式，也可輸出低頻模式，還可輸出直流模式。變壓器容量為100 kVA，輸入電壓380 V，輸出電壓為28，31，34，37，40 V 5 個等級，能夠處理Ф50～120 mm 范圍的電渣錠。電渣爐示意圖如圖1。

圖1 實驗用電渣爐示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental electroslag furnace

1.3 實驗過程

基于前期實驗的基礎[18]，固定電壓28 V 和電流1 800 A，通過調整直流電源的正負極和渣系來觀察電渣錠純凈度的變化，具體實驗方案見表1。

表1 實驗方案Tab.1 Experimental schemes

實驗前使用車床車削去除電極表面的氧化鐵皮，再用砂紙進行打磨，避免氧化鐵皮帶入。電極直徑為55 mm，結晶器直徑為100 mm，充填比為0.55。

重熔過程中保持冷卻水的壓力在0.2～0.3 MPa 范圍內。每爐的渣量為1 200 g，按表1 所示方案將不同種類渣料稱量并攪拌均勻，然后裝入石墨坩堝，并使用二硅化鉬管式爐將渣料加熱到1 650 ℃左右，待其熔化后供實驗使用。電渣重熔主電源送電前，將電源頻率設定為直流供電模式，實驗開始時將預熔的渣料快速倒入結晶器，同時啟動圖1 所示的重熔設備，自耗電極下降，重熔開始，隨后逐漸將電流增大至目標值進入正常重熔階段；待電渣錠達到規(guī)定的高度時切斷電源，重熔完成，待渣帽完全凝固后進行脫模操作。待電渣錠完全冷卻后在電渣錠頭部以下20 mm 處中心位置取樣，采用德國OBLF 公司的火花直讀光譜儀分析其化學組分，采用ELTRA OHN2000 氧氮氫分析儀檢測電渣錠中的氧、氮含量，采用ASPEX 夾雜物自動分析系統(tǒng)對掃描面積為64 mm2范圍內的夾雜物的數量、種類、尺寸分布等進行統(tǒng)計分析，同時采用JSM-6510LV 型掃描電鏡對夾雜物的形貌及元素分布進行分析。

2 結果與分析

2.1 重熔渣系對電渣錠中氧氮含量的影響

電渣重熔前后電渣錠中氧、氮含量的變化規(guī)律如圖2。

圖2 不同渣系下304 L 奧氏體不銹鋼中氧氮含量的變化Fig.2 Variation of oxygen and nitrogen content in 304 L stainless steel with different slags

由圖2(a)可知：304 L 奧氏體不銹鋼自耗電極中的氧含量較低，質量分數僅0.002 5%；電源供電模式為直流正接，分別采用30%Al2O3+70%CaF2二元渣系和20%Al2O3+20%CaO+60%CaF2三元渣系重熔時，電渣錠中氧的質量分數分別為0.015 4%，0.006 7%；電源供電模式為直流反接，分別采用二元渣系和三元渣系重熔時，電渣錠中氧的質量分數分別為0.010 6%，0.004 7%。由此可知，在同一供電模式下，重熔渣系的組成對電渣錠中氧含量的影響較大。由圖2(b)可知：采用直流正、反接供電模式電渣重熔時，不論是二元渣系還是三元渣系，電渣錠中氮含量變化很少，供電模式、重熔渣系對電渣錠中氮含量影響不大。

2.2 重熔渣系對電渣錠中夾雜物分布的影響

2.2.1 夾雜物總量及尺寸的變化

采用不同供電模式(直流正接、直流反接)、不同渣系重熔的304 L 奧氏體不銹鋼中夾雜物數量分布如圖3。由圖3 可知：采用直流正接供電模式，二元渣系及三元渣系重熔時電渣錠中的夾雜物分別為2 529，956 個；采用直流反接供電模式，二元渣系及三元渣系重熔時電渣錠中的夾雜物分別為2 199，727 個。由此可看出采用三元渣系重熔后電渣錠中夾雜物的數量明顯減少，這圖2(a)中氧含量的變化一致。

圖3 不同供電模式下夾雜物數量分布Fig.3 Distribution of inclusion number under different power supply modes

影響鋼質量的因素除夾雜物的數量外，夾雜物的尺寸也是重要影響因素，大顆粒夾雜物的危害遠大于小顆粒夾雜物[19-20]。不同供電模式、不同渣系重熔后電渣錠中不同尺寸夾雜物的分布如圖4（X表示夾雜物的尺寸）。從圖4 可看出：不管何種直流供電模式，采用二元渣系或三元渣系重熔，電渣錠中的夾雜物均以細小夾雜物為主，最大的夾雜物尺寸不超過20 μm；對于尺寸大于12 μm 的較大夾雜物，三元渣系顯示出更好的精煉效果，如在直流正接條件下，三元渣系重熔時大于12 μm 的夾雜物僅2 個，而二元渣系重熔時7 個。

圖4 不同供電模式下夾雜物尺寸分布Fig.4 Distribution of inclusion size under different power supply modes

2.2.2 夾雜物種類分布及形貌

不同供電模式、不同渣系重熔的電渣錠中夾雜物的成分分析如表2。由表2 可發(fā)現：304 L 奧氏體不銹鋼中的夾雜物主要由氧化鋁夾雜物(w(Al)≥80%)、含鋁的復合氧化物(w(Al)≤80%)及少量的硫化物組成。原始電極的硫含量很低，經重熔后硫含量進一步降低，電渣錠中的硫化物夾雜較少，因此文中主要討論氧化物夾雜。

表2 不同供電模式下不同渣系電渣錠的主要化學成分Tab.2 Main chemical composition of electroslag ingots of different slag systems under different power supply modes

圖5 為直流正接模式下，二元渣系和三元渣系重熔后電渣錠中氧化鋁夾雜、含鋁復合氧化物的數量及含鋁復合氧化物中的鈣分布。由圖5(a)可看出：采用直流正接供電模式重熔時，二元渣系制備的電渣錠中氧化鋁夾雜的數量遠高于三元渣系，但三元渣系的電渣錠中含鋁的復合夾雜物的數量明顯高于氧化鋁雜物。由圖5(b)可看出：二元渣系重熔后電渣錠中的夾雜物數量較多，但鈣含量卻沒有三元渣系重熔的夾雜物高。

圖5 直流正接供電模式下電渣錠中不同種類夾雜物的分布Fig.5 Distribution of different inclusions in electroslag ingots under DC positive power supply mode

圖6 為直流反接模式下，二元渣系和三元渣系重熔后電渣錠中氧化鋁夾雜、含鋁復合氧化物數量及含鋁復合氧化物中的鈣分布。由圖6(a)可發(fā)現：采用直流反接供電模式重熔時，二元渣系制備的電渣錠中氧化鋁夾雜的數量仍遠高于三元渣系，但含鋁復合夾雜物的數量接近；對于含鋁復合夾雜物，三元渣系的夾雜物中鈣的質量分數平均為13.8%，而二元渣系為10.1%。

圖6 直流反接供電模式下電渣錠中不同種類夾雜物的分布Fig.6 Distribution of different inclusions in electroslag ingots under DC reverse power supply mode

從圖5，6 也可發(fā)現：采用直流正接時，電渣錠中夾雜物的數量明顯高于直流反接時電渣錠中夾雜物，直流正接對渣系中氧化物的電解趨勢更強。關于這點本課題組[21]已進行研究，本文在此不再贅述。

綜上分析發(fā)現：不論何種供電模式，或是何種渣系，電渣錠中的氧化鋁含量明顯較多，但二元渣系的氧化鋁數量明顯高于三元渣系；對于含鋁的復合氧化物，不論直流正接還是直流反接，三元渣系夾雜物中的鈣含量高于二元渣系。充分表明，在直流重熔過程中，渣系組成及直流供電模式對電渣錠中夾雜物的成分、數量和尺寸有較大影響。

重熔渣系對電渣錠中夾雜物形貌的影響如圖7。圖7(a)為典型的氧化鋁夾雜形貌，形狀不規(guī)則；圖7(b)為鈣鋁酸鹽夾雜物，其熔點較低，在鋼液中呈液態(tài)，因此夾雜物呈球形；圖7(c)為鎂鋁尖晶石類夾雜，鋁含量較高，鎂含量較少，在鋼液中呈固態(tài)，形狀不規(guī)則。由此可看出，渣系組成對重熔錠夾雜物形貌的影響不大。

圖7 典型夾雜物的形貌及元素分布Fig.7 Morphology and elemental distribution of typical inclusions

2.3 分析與討論

綜上可發(fā)現，在直流供電模式下，采用三元渣系重熔的電渣錠中氧含量明顯低于二元渣系，夾雜物數量也較少。2 種渣系的區(qū)別在于三元渣系中含質量分數為20%的CaO，而二元渣系則不含CaO，這是因為直流作用下CaO 的穩(wěn)定性更好，電解趨勢小于Al2O3，導致電渣錠的氧含量更低。本課題組[18]研究發(fā)現，采用低頻供電模式及30% Al2O3+70%CaF2二元渣系重熔時，電渣錠的氧含量明顯增加，說明Al2O3在高溫渣池中的穩(wěn)定性較差，易被電解。對于渣系組成與氧的關系，文獻[22]中采用渣系的化學穩(wěn)定度S表示渣系的穩(wěn)定性。S越大，渣系越穩(wěn)定，高溫渣池中越不易分解，同樣越不易被電解。S的計算方法為：先分析渣池中不同組成的穩(wěn)定系數MXaO2(如表3)，再根據式(1)計算S。

表3 不同氧化物的穩(wěn)定系數[22]Tab.3 Stability factors for different oxides[22]

式中nXaO2為XaO2的摩爾數。

在CaF2渣中存在 2CaF2+XaO2=2CaO+XaF4等重熔反應，其對氧勢的影響復雜，難以考慮CaF2對渣系穩(wěn)定性的影響，因此將CaF2的影響略去不計。根據式(1)及表3 可計算出30% Al2O3+70% CaF2渣系及20% CaO+20% Al2O3+60% CaF2渣系的S分別為1.61，1.97，三元渣系的S大于二元渣系，表明三元渣系的穩(wěn)定性更強，在直流作用下的電解趨勢更小。即使CaO 的穩(wěn)定性強于Al2O3，在直流電渣過程也會發(fā)生輕微的分解，從而導致夾雜物中的鈣含量有所增加，如圖5(b)、圖6(b)。直流正接對渣池中氧化物的電解作用高于直流反接，而Al2O3的穩(wěn)定性比CaO 的穩(wěn)定性差，因此直流正接對氧化鋁的電解趨勢相對于直流反接大，導致夾雜物中的Ca 含量更低。從圖5(b)，圖6(b)也可看出：即使渣中沒有CaO，夾雜物中仍含有一定的Ca 元素，這主要是由于熔煉過程發(fā)生的重熔反應所致。

3 結論

采用自制的小型變頻電渣爐，在直流供電模式下對二元渣系(30% Al2O3+70% CaF2)和三元渣系(20% Al2O3+20% CaO+60% CaF2)進行電渣重熔實驗，研究直流供電模式下不同渣系對電渣重熔鋼錠中夾雜物的分布、組成、尺寸等的影響規(guī)律，得出如下主要結論：

1) 不論是直流正接還是直流反接，采用30%Al2O3+70% CaF2二元渣系重熔的電渣錠中氧含量明顯高于采用20% CaO+20% Al2O3+60% CaF2三元渣系，夾雜物的數量明顯增加，但夾雜物的組成均以氧化鋁及含鋁的復合氧化物夾雜為主；采用直流正接制備的電渣錠中夾雜物的數量明顯高于直流反接，渣系組成對電渣錠中的氮含量影響不大。

2) 渣系穩(wěn)定是電渣錠氧含量、夾雜物變化的主要原因，在20% CaO+20% Al2O3+60% CaF2三元渣系中，由于存在穩(wěn)定性更強的CaO 組元，且相應減少了穩(wěn)定性較差的Al2O3含量，致使三元渣系的整體穩(wěn)定性更好、電解的趨勢更弱。

3) 直流正接對渣池中氧化物的電解作用高于直流反接，而Al2O3的穩(wěn)定性比CaO 的穩(wěn)定性差，故采用直流正接制備的電渣錠中夾雜物的鈣含量比直流反接更低。