溫培建　向大林

(浙江電渣核材有限公司，浙江314300)

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電渣重熔大型高品質鋼錠脫氧制度研究

溫培建向大林

(浙江電渣核材有限公司，浙江314300)

摘要：大型電渣錠在長達數(shù)十小時冶煉過程中，渣、氣、鋼三相接觸反應，使熔渣氧化性不斷增加。為了防止鋼中元素燒損，保證熔渣始終為還原性，必須制定和執(zhí)行嚴格的脫氧制度。根據(jù)渣、氣、鋼三相平衡的熱力學原理，研究電渣重熔過程中熔渣氧化物組元的變化規(guī)律，確定脫氧制度。自主設計的130 t電渣爐成功電渣重熔了數(shù)十根大型高品質電渣錠，證明脫氧制度是合理的。

關鍵詞：電渣重熔；脫氧制度；電渣錠

電渣重熔技術是生產大型高品質鍛件用鋼錠的有效方法。尤其是近幾年來，隨著核電的快速發(fā)展，第三代核電站服役壽命由40年增加到60年，被稱為核島“主動脈”的主管道由原來的鑄件改為鍛件。經生產實踐證明，主管道用鋼錠需要采用電渣錠才能滿足產品要求。隨著電渣錠重量的增加，工藝也越來越復雜。制定合理的技術方案是電渣重熔高品質電渣錠的基礎和前提。其中脫氧制度是電渣重熔大型高品質電渣錠的重要技術之一。

大型電渣錠電渣重熔具有以下特點：鋼錠尺寸大，渣氣兩相的接觸反應界面大，氣相對熔池的影響大，電渣重熔時間長達數(shù)十小時，渣系平衡控制困難，渣中不穩(wěn)定氧化物特別是FeO發(fā)生以下反應，見式(1)～式(2)。

2FeO+1/2O2=Fe2O3

(1)

Fe2O3+Fe+3FeO

(2)

渣中FeO含量不斷增高，熔渣的還原性不斷減弱，氧化性不斷增強，熔池中元素燒損不斷嚴重，使鋼錠成分發(fā)生波動，鋼錠軸向均勻性差，嚴重者甚至造成鋼錠成分不合格而報廢。為了防止這種情況的發(fā)生，電渣重熔大型電渣錠過程中必須對熔渣進行連續(xù)脫氧操作，使熔渣始終具有還原性，從顏色上看始終為白色。但是，如果脫氧制度不當，不但達不到脫氧的目的，還會引起相反的作用。例如脫氧過量，會使脫氧劑或渣中被還原的元素進入熔池從而對鋼液造成污染。因此，確定合理的脫氧制度是電渣重熔大型高品質電渣錠的重要保證[1]。

1脫氧制度的確定

脫氧制度包括脫氧元素的選擇和脫氧元素用量的確定兩個方面。

1.1脫氧元素的選擇

電渣重熔過程中持續(xù)加脫氧劑是為了脫掉進入渣池和熔池中的氧。脫氧元素加入后，難免有一部分穿過渣池進入熔池。因此希望進入熔池的脫氧元素能優(yōu)先并基本上被鋼中的氧所氧化，既起到脫除鋼中氧的作用，又對鋼錠成分影響最小。

脫氧元素優(yōu)先被氧化的前提條件是：當鋼中要求的該元素含量平衡時，鋼中氧的活度值最小。

鋼中某元素[M]與[O]發(fā)生反應，見式(3)～式(4)。

x[M]+y[O]=MxOy

(3)

(4)

反應平衡時鋼中氧的活度值見式(5)。

(5)

由式(3)可見，平衡時氧的活度與氧化物的生成自由能有關，與該元素在鋼中的含量有關，還與渣中該氧化物的活度有關[2]。

通常，鋼中含有Si、Mn、Ti等易氧化元素。根據(jù)動力學原理，必有某一與氧親和力強的元素控制著鋼中最低氧含量，即與它平衡時氧活度最低。重熔過程中當鋼中的氧含量增加時，這種元素就首先被氧化而起到脫氧的效果。薩爾鋼廠生產超低鋁(Al≤0.010%)低壓轉子用鋼，所采用的辦法是利用含Al量為0.035%的電極并同時向熔渣不斷加入還原劑，利用電極自身的Al作為還原劑，這里Al就是控制鋼中最低氧含量的元素。因此，以這種元素作為脫氧劑最為合適。

同時，脫氧元素的選擇還要考慮爐渣的堿度，用不同的脫氧元素去平衡渣池中FeO、Al2O3、CaO的含量和渣池中的堿度。堿度高時，選用Ca-Si；堿度低時，選用Ca-Al。

1.2脫氧劑用量的確定

脫氧劑用量對鋼錠重熔影響很大。脫氧不充分，鋼中某些元素被燒損。脫氧劑用量太大，渣中某些金屬被還原進入熔池，鋼中成分發(fā)生變化，甚至不合格。合適的脫氧劑用量指的是所加脫氧劑剛好把進入渣鋼中的氧脫除而自身也全部被氧化。因此，確定脫氧劑用量的關鍵在于求出脫氧時單位時間內進入鋼、渣中的氧總量。

1.2.1重熔過程中氧的主要來源及其存在的形式

大型電渣重熔過程中氧的主要來源是大氣中的氧氣和電極表面的氧化層。這些氧含量很難直接求出。但在冶煉條件和工藝穩(wěn)定的情況下，在一定時間里，進入鋼渣的總氧量穩(wěn)定于某一數(shù)值。這些氧進入渣鋼中與脫氧元素和鋼中活潑元素發(fā)生反應，生成氧化物進入渣池。鋼中同時存在幾種活潑元素，如Al、Si、Mn等，氧化反應可能首先開始于下列某一反應，見式(6)～式(8)。

[Mn]+[O]=MnO

(6)

[Si]+2[O]=SiO2

(7)

2[Al]+3[O]=Al2O3

(8)

而當反應進行到一定程度，可能有兩個或更多的氧化反應同時進行。由于單位時間進入鋼渣中的氧含量是一定的，因此這時渣中的各氧化物的變化必然要滿足一定的比例關系。例如當Si、Mn的氧化反應同時進行時，他們各自的反應速度受到下列反應的限制，見式(9)。

2[Mn]+SiO2=[Si]+2MnO

(9)

Mn和SiO2含量按一定比例在變化，并且這兩種氧化物變化時所需要的氧含量等于進入渣鋼的總氧量。

這樣，單位時間進入渣鋼中的總氧量經氧化反應后便以一定的比例存在于渣池的各氧化物組元中。只需求出渣中各氧化物的變化率，便可推算出單位時間進入渣鋼中的總氧量。

1.2.2渣中氧化物隨時間的變化率

為了計算出單位時間進入渣鋼中的總氧量，首先需了解渣中各氧化物的變化規(guī)律。

定義單位時間進入渣中的總氧量為熔渣吸氧速率。熔渣吸氧速率與冶煉環(huán)境和工藝條件有關，如爐內氧分壓、渣系和渣量、電極氧化程度等。但在這些參數(shù)穩(wěn)定時，吸氧速率基本穩(wěn)定，是個常數(shù)。其數(shù)值為：

吸氧速率=單位時間渣池中增加的氧化物含量的氧量+單位時間產生的渣皮中氧化物所含的氧量

渣池中氧化物主要有CaO、Al2O3、SiO2、MnO、FeO等。當工藝條件穩(wěn)定時，這些氧化物的變化率也穩(wěn)定不變。

1.2.3脫氧劑用量和加入方式

氧化物MxYy是由式(1)反應生成的，根據(jù)吸氧率計算出某氧化物變化所需的氧量。根據(jù)質量守恒方程，計算出脫氧劑用量。

電渣重熔把熔煉與凝固兩道工序合二為一[3、4]，熔煉和凝固兩個矛盾的過程在電渣重熔中達到一種平衡。開始時，冷卻效果好，輸入功率大，熔化速率快；逐漸冷卻與熔煉達到一種平衡，熔化速率保持不變；慢慢進入補縮階段，輸入功率逐漸變小，熔化速率逐漸變慢，熔池深度逐漸變淺。脫氧劑的加入量與氧化物MxOy成正比關系，所以脫氧劑的加入量是熔化速率的函數(shù)，與熔化速率息息相關。

脫氧劑須均勻持續(xù)地加入到渣池中，使脫氧元素與渣中的氧得到充分反應?？梢允褂脵C械自動加入，設定好參數(shù)，這種方式多用于單相電渣爐生產小型電渣錠。大型電渣錠橫截面大，脫氧劑加入要均勻撒開，靠機械難以保證，需采用人工加入的方式，設定每3 min~5 min加入一次。

2脫氧制度在工業(yè)上的使用及其效果

為了驗證上述方法的可靠性和制度的合理性，我們在自主研發(fā)的130 t電渣爐中生產了數(shù)十根大型高品質電渣錠，取得了非常理想的效果。

首先以生產的12個56 t~79 t 2.25Cr1Mo加氫反應器鍛件用電渣錠為例進行說明。結晶器直徑尺寸約為1 800 mm，電極直徑尺寸約為450 mm。根據(jù)上述的方法確定脫氧制度，利用Al和Ca-Si進行復合脫氧，加入Al(350～250)g/5 min，加入Ca-Si(100～50)g/5 min。脫模后，電渣錠本體取樣進行化學成分分析，電極與電渣錠化學成分對比見表1。

表1　電極與電渣錠化學成分分析(質量分數(shù), %)

由表1可以看出，脫氧效果非常好。

2014年~2015年生產了12個50 t~124 t SA376 TP316LN第三代核電主管道用電渣錠。結晶器直徑尺寸約為1 800 mm和2 000 mm，電極直徑尺寸約為450 mm和500 mm。利用Al和Ca-Si進行復合脫氧，加入Al(120～80)g/5 min，加入Ca-Si(150～100)g/5 min。脫模后，電渣錠本體頂部底部兩端取樣進行化學成分分析，電極與電渣錠化學成分對比見表2。

由表2可以看出，脫氧效果非常好，電渣錠的成分上下均勻，并且具有重復性。

表2　電極及電渣錠上、下部分的化學成分分析(質量分數(shù)，%)

3結論

為了防止鋼中元素燒損，保證熔渣始終為還原性，制定和執(zhí)行了嚴格的脫氧制度。利用渣、氣、鋼三相平衡的熱力學原理，研究出電渣重熔過程中熔渣氧化物組元的變化規(guī)律，確定了脫氧制度。當冶煉環(huán)境和工藝條件穩(wěn)定時，吸氧速率=單位時間渣池中增加的氧化物含量的氧量+單位時間產生的渣皮中氧化物所含的氧量。目前，自主設計的130 t電渣爐成功電渣重熔了數(shù)十根大型高品質電渣錠，證明脫氧制度的制定是合理的。

參考文獻

[1]向大林，等. 關于巨型鋼錠電渣技術之我見. 大型鑄鍛件，2010(4)：38-47.

[2]常立忠，等. 電渣重熔過程中的氧行為研究. 鋼鐵，2010(5)：30-35.

[3]向大林，等. 200 t大型電渣爐成分均勻性控制研究. 上海金屬，1994，16(3)：25-31.

[4]向大林.大型電渣重熔值得注意的幾個問題. 大型鑄鍛件，2011 (1) :26-35.

編輯李韋螢

Research on Deoxidization Technology of Electroslag

Remelting Process for Heavy Ingot with High Quality

Wen Peijian, Xiang Dalin

Abstract：During the several hours of smelting process for heavy ESR ingot, the oxidbillity of molten slag has been continuously increased with the contact reaction of slag, gas and steel. In order to prevent the elements of steel to be damaged by the fire and guarantee the reducibility of molten slag throughout, the deoxidization technology must be prepared and carried out strictly. Based on the thermodynamic principle of three-phase equilibrium with slag, gas and steel, the variation rule of oxide components during the electroslag remelting process has been studied, and the deoxidization technology has been determined. The self-designed 130 t electroslag remelting furnace has already manufactured dozens of heavy ESR ingot with high quality successfully. It turned out that this deoxidization technology was reasonable.

Key words：electroslag remelting; deoxidization technology; ESR ingot

收稿日期：2015—06—01

中圖分類號：TF14

文獻標志碼：B