电渣重熔含硫钢的质量控制

电渣重熔含硫钢的质量控制

孙常亮^[1]  孙大力^[1]   马群^[2]   阎成汉^[3]

（[1]抚顺特殊钢股份有限公司技术处113001，

[2]抚顺特殊钢股份有限公司技术中心 113001，

[3]东北特钢集团军用钢办公室113001）

摘要：本文通过对不同电极氧含量、不同渣系、不同附加剂种类对含硫钢化学成分、钢中夹杂物级别的影响，明确了提高含硫电渣钢质量的控制方向。

关键词：电渣重熔，含硫钢，化学成分，夹杂物

Quality controlof sulf-steel by electro slag remelting

SunChangliang^[1]  Sun Dali^[1]   MaQun^[2]    Yan Chenghan^[3]

（[1]Technology Department of Fushun Special Steel Group Co., Ltd.113001  [2] Technology Center of FushunSpecial Steel Group Co., Ltd. 113001  [3]Military steel office of Dongbei Special Steel Group）

Abstract: Through the effects of sulf-steel, which remelting by differentoxygen content, different slag system and different types of additives. Resultsshow that the chemical composition and the content of inclusion in steel areinfluenced.

Keywords: Electro slag remelting, Sulf-steel, chemical composition, inclusion

1、  前言

电渣重熔具有精炼提纯和顺序凝固成形的双重功能，所生产的钢锭具有组织致密、成分稳定、表面光洁、夹杂物细小且分布均匀、材料性能较高等优点^[1]，电渣钢材被广泛应用于航空、航天、兵器、机械、模具、刃具等多个领域。一些钢种为提高钢的切削性能，会提高钢中硫元素的含量，电渣钢材的化学成分、夹杂物水平较难控制。抚顺特殊钢股份有限公司通过对以34CrNiMo6钢为代表的含硫钢化学成分、电渣渣系及电渣重熔过程附加剂进行调整，生产的含硫电渣钢化学成分满足用户要求，夹杂物水平达到进口同类钢材的相同水平。

2、钢种成分及试验方法

2.1钢种化学成分

电渣重熔34CrNiMo6钢，其重熔电极的化学成分见表1。

表1  34CrNiMo6电极的主要化学成分/%

Table1The main chemical composition of 34CrNiMo6 electrode

2.2试验方法

34CrNiMo6钢采用单支臂电渣炉重熔φ610mm电渣锭，电渣钢锭经过轧制后，在相当于电渣锭头尾部位的轧材上取样，进行化学成分、夹杂物检验。

3、检验数据与分析

3.1检验数据

对34CrNiMo6钢进行了不同电极氧含量、不同渣系、重熔过程不同附加剂使用种类对电渣钢化学成分、夹杂物级别的影响，其数据见表2、表3、表4。

表2  34CrNiMo6钢不同电极氧含量试验对比ppm

Table2 DifferentOxygen content in comparison of 34CrNiMo6

表3  34CrNiMo6钢不同渣系试验对比%

Table3 Differentslag system in comparison of 34CrNiMo6

表4  34CrNiMo6钢重熔过程不同附加剂使用种类试验对比

Table4 Differenttype of additives in comparison of 34CrNiMo6

3.2分析

3.2.1电极氧含量的影响

观察表2，不同氧含量的电极电渣重熔后，电渣锭中的S含量对比，采用氧含量低的电极棒重熔的电渣锭S含量较高，采用氧含量高的电极棒重熔的电渣锭S含量较低。夹杂物级别对比，采用氧含量低的电极棒重熔的电渣锭夹杂物级别优于采用氧含量高的电极棒重熔的电渣锭。

由于电渣重熔过程中去硫反应发生在以下几个阶段：（1）、电极熔化末端-熔滴形成阶段；（2）、金属熔滴穿过渣层进入金属熔池阶段；（3）、金属熔池和渣池界面上的物理化学反应；（4）、硫自渣向气相中转移。主要发生反应：

[S]+(O^2-)=(S^2-)+[O]                              （1）

(S^2-)+(O₂)=(SO₂)+(O²)                           （2）

电极棒中的氧含量越高，上述反应的动力学条件越充分，即式（1）、式（2）更易发生，促进脱硫。电渣重熔是提纯金属、去除夹杂的过程，但是重熔过程中电极棒中的氧会与金属发生反应：

x[Me]+[O]=Me_xO                              （3）

电极棒中的氧含量越高，式（3）越易发生，产生的氧化物越多，影响钢中夹杂物级别。

3.2.2不同渣系的影响

观察表3，采用二元渣系重熔的电渣锭，S含量较低，夹杂物级别较好；采用四元渣系重熔的电渣锭，S含量较高，夹杂物级别略差。

由于渣子脱硫需要具有较高的碱度，渣料碱度的计算公式是：碱度B=CaO/(SiO₂+1/2Al₂O₃)^[2]。二元渣系使用大量的CaF₂，CaF₂中含有一定量的CaO，且电渣重熔过程中会发生反应：

(Ca²⁺)+(O^2-)=(CaO)                             （4）

使二元渣系具有一定碱度，具有一定的去硫能力，电极棒中的S在电渣重熔过程中被部分去除，电渣锭的S含量较低。四元渣系加入了一定量的SiO₂，降低了渣子的碱度，降低了去硫能力，电极棒中的S在电渣重熔过程中得以保留下来，电渣锭的S含量较高。

在电渣重熔过程中，渣中不稳定氧化物传递供氧，使金属元素氧化。熔渣传氧机理见图1，发生反应^[3]：

                      2(FeO)+[O]=(Fe₂O₃)                          （5）

(Fe₂O₃)+[Fe]=3(FeO)                          （6）

(FeO)=[Fe]+[O]                              （7）

图1 氧化铁传氧机理示意图

Fig.1 Schematic illustration of themechanisms of oxygen transfers in ESR process

SiO₂作为一种不稳定氧化物加入渣中，受热分解向渣池供氧，电渣过程中产生反应：

(SiO₂)=[Si]+2[O]                          （8）

x[Me]+[O]=Me_xO                          （3）

四元渣系中SiO₂含量较高，电渣重熔过程中向渣池供氧量较大，金属氧化形成的氧化物较多，影响钢中夹杂物级别。二元渣系中SiO₂含量较少，电渣重熔过程中向渣池供氧量较小，金属不易氧化，钢中夹杂物级别较好。

3.2.3不同附加剂使用种类的影响

观察表4，重熔过程使用FeS+Mn粉附加剂的电渣锭，S含量很高，底垫端已经超出标准范围，夹杂物级别较差；重熔过程使用Al粉附加剂的电渣锭，S含量适中，夹杂物级别较好。

电渣重熔的原理是自耗电极埋入高温熔渣的渣池中熔化，并形成熔滴，金属熔滴穿过渣池进入金属熔池，金属熔池在渣皮的保护下，在水冷结晶器和底水箱的强制冷却条件下，自下而上的凝固结晶成钢锭^[4]。其特点是边熔化边凝固。根据电渣重熔的原理和特点，大量加入附加剂可能会使电渣锭产生如下缺陷：（1）、改变渣系。电渣重熔时渣系的各种渣料成分配比是一定的，大量加入附加剂产生的氧化物、氟化物会改变渣子组员，相当于改变渣系，影响金属与渣子的物理化学反应。（2）、影响电渣锭的化学成分。目前我们使用的电渣炉不能保证附加剂加入的均匀性，也不能保证金属熔池凝固的均匀性，大量加入附加剂会造成电渣锭成分不均匀。（3）、会造成电渣钢夹杂。附加剂直接加入渣池，可能会有颗粒较大的未熔化进入金属熔池或产生的氧化物进入金属熔池，造成电渣钢夹杂。部分附加剂也会造成重熔过程电流、电压的异常波动，使电渣锭夹杂风险变大。

使用FeS+Mn粉附加剂的电渣锭，重熔过程发生反应：

                           (FeS)=[Fe]+[S]                        （9）

[S]+(O^2-)=(S^2-)+[O]                      （1）

                           [Fe]+[O]=(FeO)                       （10）

                           [Mn]+[O]=(MnO)                      （11）

                           [Mn]+[S]=(MnS)                       （12）

由于渣料本身具有一定的去硫作用，为保证钢中S含量合格，FeS+Mn粉附加剂使用量较大，造成电渣锭成分难以控制，钢中S含量容易超出标准范围。而且FeS+Mn粉附加剂在电渣重熔过程中形成的氧化物较多且复杂，电渣重熔过程不易去除，影响电渣钢夹杂物的级别。使用Al粉附加剂的电渣锭，重熔过程发生反应：

                                2[Al]+3[O]=(Al₂O₃)                      （13）

                                2[Al]+3(FeO)= (Al₂O₃)+3[Fe]              （14）

                                2[Al]+3(MnO)= (Al₂O₃)+3[Mn             （15）

形成的氧化物单一，容易被渣料吸附去除，电渣钢夹杂物级别较好。且Al作为强还原性金属优先与氧发生反应，降低S被氧化的几率，使钢中S含量稳定、可控。

4、结论

（1）、氧含量低的电极重熔的电渣锭S含量高，钢中夹杂物水平较好；氧含量高的电极重熔的电渣锭S含量低，钢中夹杂物水平略差。

（2）、采用二元渣系重熔的电渣锭S含量较低，钢中夹杂物级别较好；采用四元渣系重熔的电渣锭S含量较高，钢中夹杂物级别略差。

（3）、重熔过程使用FeS+Mn粉附加剂的电渣锭S含量不易控制，夹杂物级别较差；重熔过程使用Al粉附加剂的电渣锭S含量适中，夹杂物级别较好。

参考文献

[1]李正邦. 电渣熔铸[M], 北京: 国防工业出版社,  1979

[2]陈家祥. 钢铁冶金学[M]，北京，冶金工业出版社，2006

[3]李正邦. 电渣冶金的理论与实践[M], 北京: 冶金工业出版社, 2011

[4]姜周华. 电渣冶金的物理化学及冶金现象[M], 沈阳: 东北大学出版社,  2000.