电渣重熔工艺技术

电渣重熔工艺姜周华东北大学2010年3月电渣重熔工艺„电渣重熔原理和特点„电渣炉电气原理„电渣重熔渣系„电渣工艺制定的基本原则„电渣工艺参数的分类„钢锭结晶质量的衡量方法„工艺参数对目标参数的影响„电渣重熔参数的优化匹配„ESR过程工艺参数的变化及工艺控制模型1.电渣重熔原理和特点电渣重熔（ESR）是在水冷结晶器中利用电流通过熔渣时产生的电阻热将金属或合金重新熔化和精炼，并顺序凝固成钢锭或铸件的一种特种冶金方法。最显著特点是生产的金属纯净、成分和组织均匀，结构致密----产品性能优异电渣重熔的基本原理„在铜制水冷结晶器中加入固态或液态炉渣，将自耗电极的端部插入其中。当自耗电极、炉渣和底水箱通过短网与变压器形成供电回路时，便有电流从变压器输出，通过液态熔渣。由于上述供电回路中，熔渣的电阻相对较大，占据了变压器二次电压的大部分压降，从而在渣池中产生了大量的焦耳热，使其处于高温熔融状态。由于渣池的温度远大于金属的熔点，从而使自耗电极的端部逐渐加热熔化，熔化的金属聚集成液滴，在重力的作用下金属熔滴从电极端头脱落，穿过渣池进入金属熔池，由于水冷结晶器的强制冷却，液态金属逐渐凝固成钢锭，在正常重熔期，电流从电极进入渣池后，要通过金属熔池和凝固钢锭再由底水箱和短网返回变压器。电渣重熔的基本原理„由于电极熔化、金属液滴形成、滴落过程中金属熔池内的金属和炉渣之间要发生一系列的物理化学反应，从而可去除金属中有害杂质元素和非金属夹杂物。钢锭由上而下逐渐凝固，金属熔池和渣池就不断向上移动，上升的渣池使结晶器内壁和钢锭之间形成一层渣壳，它不仅使钢锭表面平滑光洁，而且降低了径向导热，有利于自下而上的顺序结晶，改善了钢锭内部的结晶组织。电渣重熔的特点„1）金属的熔化、浇铸和凝固均在一个较纯净的环境中实现„2）具有良好的冶金反应的热力学和动力学条件„3）自下而上的顺序凝固条件保证了重熔金属锭结晶组织均匀致密„4）在水冷结晶器与钢锭之间形薄而均匀的渣壳保证了重熔钢锭的表面光洁成分和组织的均匀，结构致密是ESR的最显著特点传统浇铸法与电渣重熔钢锭结构的比较传统的浇铸法和ESR方法生产H13热模具钢中铬和钼的偏析ESR锭，直径2300mm，重80t模铸钢锭，直径2000mm，重100t汽轮机转子用特大型钢锭（26NiCrMoV115）模铸钢锭中心碳偏析实测值的比较模铸锭与电渣重熔钢锭质量比较钢锭中心二次晶距（模铸与电渣比较）传统的浇铸法和ESR方法生产H13热模具钢中铬和钼的偏析Mo微观偏析对电渣重熔AISIH11(X38CrMoV5-1)横向韧性性能影响38NiCrMo4冲击韧性at750N/mm2(直径750mm)电渣炉电气原理图2电渣炉电气原理大电流回路中产生电感的原理交流电渣炉电气特性方程rRXU2电渣炉电气特性曲线渣池的电位分布与发热场渣池的流动3.电渣重熔渣系3.1熔渣在ESR过程中有三个作用1)发热体作用；2)成型作用，即钢水在渣皮的包覆中凝固成型；3)净化作用，即去除钢中夹杂物，脱硫和控制元素成分等。通常情况下，电渣重熔渣系以CaF2-Al2O3系为主，根据需要适当添加CaO、MgO、TiO2等组元，一般要求渣系中SiO2含量要低，而渣中FeO和P、S杂质也要尽可能少。ESR过程中和渣有关的现象与渣性质的关系3.2ESR渣系分类„按照渣系酸碱性分类，电渣重熔用渣可分为酸性渣和碱性渣。„按照炉渣组元划分可分为二元、三元、四元、五元炉渣。„按照其组元是否含有CaF2划分可分为含氟渣和无氟渣。渣的组元„常用渣系的基本形态是以CaF2为基础，配入适当的CaO、Al2O3、MgO、SiO2、TiO2等氧化物组成的，各组元成分在渣中有各自的作用。„CaF2－Al2O3„CaF2－CaO－Al2O3„CaF2－Al2O3－CaO－SiO2„CaF2－Al2O3－CaO－MgO„CaF2－Al2O3－CaO－SiO2－MgO(1)CaF2„能降低渣的熔点、粘度和表面张力。但和其他组元相比，CaF2的电导率较高，纯CaF2在1650℃时电导率达4.54Ω-1.cm-1；渣中CaF2含量高，熔炼中易放出有害气体和烟尘，造成环境污染。(2)CaO„渣中加入CaO将增大渣的碱度，提高脱硫效率，在CaO加入量为40％情况下，脱硫率最高可达到85％；而且CaO的加入能够降低渣的电导率。但是CaO吸水性强，易带入氢和氧，造成钢增氢增氧。(3)Al2O3„能明显降低渣的电导率，减少电耗，提高生产率。例如CaF290％+Al2O310％，在1650℃时，电导率降为3.34Ω-1.cm-1；如果Al2O3增加到30％，电导率将降为1.75Ω-1.cm-1。但是渣中Al2O3增加，将使渣的熔化温度和粘度升高，并将降低渣的脱硫效果，另外会使重熔过程难以建立和稳定。一般Al2O3的含量不大于50％。(4)MgO„渣中含有适当的MgO将会在渣池表面形成一层半凝固膜，可防止渣池吸氧及防止渣中变价氧化物向金属熔池传递供氧，从而使铸锭中氧、氢、氮含量降低，同时这层凝固膜可减少渣表面向大气辐射的热损失。但是MgO容易使熔渣的粘度提高，所以渣中含MgO一般不超过15％。(5)SiO2„渣中加入少量SiO2，可以降低渣的熔点，提高渣的高温塑性，使铸锭表面光洁，而且也能降低渣的电导率。SiO2的加入还可以改变钢中夹杂物的形态，由铝酸盐夹杂变为硅酸盐夹杂，使钢材易于加工变形。但是渣中SiO2含量过多，则有反应2CaF2+SiO2＝2CaO+SiF4↑发生，造成渣中CaF2挥发损失，另外SiO2高还将使金属中SiO2含量增加。(6)TiO2„在重熔含Ti的钢及合金时，渣中加入一定量的TiO2可以抑制钢中钛的烧损；另外，常采用CaF2+TiO2型导电渣作引燃剂；TiO2是变价氧化物，它对金属熔池起传递供氧作用。MgF2„类似CaF2作为助剂，以降低渣的液线温度、粘度、表面张力和电导率。特别是当炉渣的熔点需要降低到比使用CaF2时更低时使用氟化镁。液渣离子类型和半径阳离子阴离子种类离子半径种类离子半径Ca2+0,99Å02-1,32ÅAl3+0,58ÅF-1,33ÅMg2+0,80ÅAlO33---Fe2+0,82ÅAl2O54---Fe3+0,68ÅS2-1,75ÅMn2+0,72ÅSiO44---Mn3+0,52ÅOH---Si4+0,40ÅNO---Ti4+--TiO4---Ti2+--TiXOYZ---ESR炉渣分类1：组元简称＋数字„简称C－CaO；A－Al2O3；F－CaF2；S－SiO2；M－MgO；T－TiO2„数字：以10％为1，如果数字是一个或者两个成分,其他的以1:1(或1:1:1)比率„CAF3：含30%萤石，CaO和Al2O3各35%„CAF217：含20%石灰,10%的氧化铝和70%的萤石.„CAFM1：含10%MgO，CaO，Al2O3和CaF2各30%„CAFM41：含10%MgO,40%的CaF2，CaO和Al2O3各25%ESR炉渣分类2：aF/b/c/d/e„氟化钙列在首位,其百分比组成后是字母F,其余的成分(即氧化物)以石灰,氧化镁,氧化铝,二氧化硅的顺序排列,是降低碱度的顺序,只给出他们的百分比组成„a=%calciumfluoride氟化钙„b=%lime石灰„c=%magnesia氧化镁„d=%alumina氧化铝„e=%silica二氧化硅ESR炉渣分类2：aF/b/c/d/e„60F/10/10/10/10：60%氟化钙和10%其余各成分„50F/20/0/30：50%氟化钙,20%石灰,没有镁砂和30%的氧化铝,而这完全描述了组成，没有必要用零来代表二氧化硅含量„34F/16/0/0/8/42Ti（俄罗斯引弧渣）：含有34%的CaF2,16%CaO，8%SiO2和42%的TiO2。其它氧化物,例如:ZrO2和TiO2所用甚少,而应放置在SiO2之后并各加后缀Zr和TiANF-6渣（70%CaF2+30%Al2O3，三七渣）早期电渣重熔最广泛使用的渣系，它具有较好的综合工艺性能及一定的脱硫、去除夹杂物的能力，但在使用过程中存在一些缺点：„（1）渣的比电阻低，熔渣发热量不足，重熔电耗高；„（2）重熔过程中熔渣成分不稳定，影响重熔工艺稳定性；„（3）因含有大量的CaF2，在重熔过程中产生大量有害的氟化物气体，不仅有害操作人员健康，而且严重污染环境；„（4）由于含有Al2O3，重熔钢中非金属夹杂物以脆性铝酸盐及刚玉为主，影响钢的塑韧性。CaF2与其它组元的反应CaF2—A12O3—CaO相图CaO/Al2O3=1:1附近初晶成分在靠近CaF2侧以CaF2为主，靠近C12A7侧以C11A7F1为主。6/2/24/3/3常用渣系成分（三元系）AlO23AF7FC2CaF2CaOCAF7CAF6CAF3CAF13.3ESR熔渣的物理性能„熔化温度特性„粘度„电导率„密度„表面张力和界面张力„导热系数„热容„黑度熔点„渣系熔点太低，会引起电导率上升，熔渣发热量不够，使钢锭产生空洞、气孔、夹杂物等缺陷；熔点过高，将降低电导率，增加渣系粘度，妨碍脱硫等物理化学反应，影响钢内在质量及表面质量，产生冶金缺陷„普遍认为渣系的熔点最好比重熔金属熔点低100~200℃。粘度„一是适当粘度的炉渣才具有良好的流动性，以利于传热；„二是炉渣流动性好，粘度随着温度的变化缓慢才能保证有良好的铸锭表面质量；„三是在冶金反应中，反应物到达反应区和生成物离开反应区都取决于它们在熔渣中的扩散速度，而扩散速度又是直接与熔渣粘度成反比„对电渣冶金来说，熔渣粘度还影响金属熔滴在渣中的停留时间，直接影响金属精炼效果，一般粘度小一些为好。渣系粘度随温度变化曲线图电导率„当电流、电压和面积一定的条件下，极间距大小与熔渣的电导率成正比。电导率越小，极间距越小，电极下方的发热密度越大，熔渣温度也越高，熔化速度也越高，生产率提高，电耗降低。„电导率过小，会导致极间距过小，金属熔滴短路，导致重熔过程不稳定。„电导率过大，会导致极间距过大，热损失加大，容易导致电极离开渣池表面明弧，重熔过程不稳定。温度对30%CaO,30%Al2O3和40%CaF2的渣电导率的影响向CaF2中添加各种氧化物、氟化物时电导率的变化表面张力和界面张力„为了使铸锭与渣皮之间能够容易分离，炉渣必须具有较大的界面张力，同时在高温下熔渣对非金属夹杂物应该具有良好的润湿、吸附及熔解能力熔渣吸收夹杂物的能力„取决于熔渣、钢液和夹杂物三者之间的界面张力的大小„钢液和夹杂物之间的界面张力越大，熔渣和夹杂物之间的界面张力越小，则夹杂物越容易从钢液中分离被熔渣所吸收钢液熔渣σs-iσm-iσm-s密度„电渣重熔过程中，密度是计算渣量的重要依据；„对于同样大小的金属熔滴来说，在电渣重熔过程中，金属熔滴穿过密度相对较大的渣系时，穿过渣池的时间对更长一些，有利于夹杂物的去除。(1)保证产品的冶金质量(2)生产过程操作平稳并确保安全各参数平稳，不发生大的波动不发生短路或明弧等不稳定状态不发生跑渣或跑钢等事故不发生安全事故(3)经济性生产率、电耗、水耗、渣耗4.电渣工艺制定的基本原则5.电渣工艺参数的分类(1)几何参数•结晶器直径、高度•电极直径、长度•充填系数或电极/结晶器的直径比„渣制度：渣系、渣量GS或渣池深度Hs„电制度：重熔电流、重熔电压„脱氧制度：重熔过程向结晶器中加入脱氧剂种类、数量和方法„冷却水制度：结晶器、底水箱冷却水的压力、流量、进水温度(2)基本控制参数„金属熔池形状及尺寸„极间距离Hem与电极埋入深度He„电极熔化速度Vm„渣池温度Tsl„渣皮厚度δs„电耗We„冷却水出口温度tw.o„局部冷却凝固时间LST„二次晶间距LⅡ(3)目标参数6.钢锭结晶质量的衡量方法(1)树枝晶间距lⅠlⅡLⅠ：一次晶间距LⅡ：二次晶间距枝晶间距越小，组织越致密，钢锭发生疏松、缩孔、偏析等凝固缺陷的可能性越小，晶粒度也越小，钢的机械性能也越好。树枝晶间距对元素偏析的影响理论导出以下关系：LST=alⅡ3LST——局部凝固时间（枝晶凝固时间）：某一点从钢的液相线