電渣重熔冷軋輥坯的質量控制

賈建平，張英杰，董艷伍，姜周華

(1.中鋼集團 邢臺機械軋輥有限公司，邢臺 054025;2.東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110004)

電渣重熔冷軋輥坯的質量控制

賈建平1，張英杰1，董艷伍2，姜周華2

(1.中鋼集團 邢臺機械軋輥有限公司，邢臺 054025;2.東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110004)

針對本廠電渣重熔生產鍛鋼冷軋輥坯的生產實踐進行了冷軋輥坯質量控制的研究工作.對渣系選擇、預熔渣的工業應用及冷軋輥坯內部質量控制等方面進行了深入的剖析.結果表明，酸性渣和堿性渣都可以用于重熔生產，但比較而言，堿性渣更好，多元渣系對質量控制更有利，預熔渣比非預熔渣對質量控制、降低成本更有利.控制合理的熔化速度是控制鋼錠內部質量的重要因素.

電渣重熔;酸性渣;預熔渣;夾雜物;質量控制

近年來，隨著工業的發展，電渣冶金在我國特種鋼材的生產中發揮著越來越重要的作用.邢機是專業的軋輥生產企業，所生產的軋輥包括鑄鋼軋輥、鑄鐵軋輥、鍛鋼軋輥等多個品種及不同的規格.其中鍛鋼軋輥都采用電渣重熔作為輥坯的最終冶煉方法.本文根據現場生產經驗闡述電渣重熔生產冷軋輥坯的質量控制.

1 渣系的研究

電渣重熔技術產生早期的小噸位電渣爐以“三七”渣(m(Al2O3)∶m(CaF2)=3∶7)作為常用渣系，然而“三七”渣比電阻較低，電耗高.大噸位電渣爐由于鋼液的局部凝固時間長，鋼錠的表面及內在質量相對難于控制.渣系的選擇通常是以m(CaF2)∶m(CaO)∶m(Al2O3)=6∶2∶2 堿性渣系為基進行，由于CaO含量較高，脫硫效果良好，但它具有較高的透氣性，使鋼中氣體含量增高，而且鋼中非金屬夾雜物堅硬、不易變形，在鋼的鍛造過程中容易構成應力集中，影響鋼的塑韌性.而在渣系中適當添加SiO2和MgO可以降低渣系的透氣性，改善鋼中夾雜物的性質，并且有利于降低重熔電耗，提高鋼錠的整體質量.渣中含有適當的MgO將會在渣池表面形成一層半凝固膜，可防止渣池吸氧及防止渣中變價氧化物向金屬熔池傳遞供氧，從而使鑄錠中氧、氫、氮含量降低，同時這層凝固膜可減少渣表面向大氣輻射的熱損失.但是MgO容易使熔渣的黏度提高，所以渣中MgO的質量分數一般不超過15%.

對于酸性渣，我們也做過相關的研究工作［1］.酸性渣中的CaO含量低，渣系透氣性差，有利于鋼中氫含量的控制，采用酸性渣重熔比采用堿性渣重熔具有渣皮薄、電耗低的特點.但是采用酸性渣重熔比堿性渣重熔時鋼中O含量增高，夾雜物總量增加.另外，由于酸性渣中SiO2高，并且在重熔過程中采用Al脫氧，重熔后鋼錠中Si含量略有升高，因此采用酸性渣重熔時自耗電極中Si含量要進行合理的控制.

2 預熔渣的應用

由于使用新配制渣料進行電渣重熔時，存在鋼錠底部質量難于保證，并且底部氣體含量較高等問題，雖然采用渣料烘烤等方法可以降低鋼錠底部的氣體含量，但上述問題仍然難以解決，使用預熔渣生產是解決上述問題的有效方法.國外的電渣冶金企業早就開始使用預熔渣進行電渣鋼的生產，然而國內對預熔渣的認識不足，使用量很少.為了提高電渣錠冷輥坯的冶金質量，2009年采用預熔渣進行了多爐次的電渣重熔冷軋輥坯的工業試驗研究.

(1)電耗情況:對同爐次同材質預熔渣電渣錠和非預熔渣電渣錠進行電耗對比，從整體情況看，預熔渣電耗相對較低;

(2)渣皮情況:預熔渣生產的電渣錠表面質量合格、渣皮薄、過程穩定;

(3)表面質量:預熔渣呈小粒狀、降低了粉塵飛揚，避免了大塊白灰卡渣料現象;預熔渣焰氣小，降低了對環境的影響;預熔渣蹦渣次數降低，安全系數提高;

(4)氣體檢測內容:預熔渣比非預熔渣輥坯中氣體［H］、［O］大大降低，如表1所示;

表1 9支預熔渣和同期非預熔渣鋼錠的平均氣體含量(質量分數/10－6)Table 1 Average gas content of nine ingot produced by fresh and premelted slag 10－6

3 冷軋輥坯的內部質量研究

早期，電渣冶金工作者往往通過控制金屬熔池的形狀來控制鑄錠的凝固質量，認為金屬熔池越淺，鋼錠質量越好，然而經過深入的研究，Ballantyne［2］指出，電渣重熔鋼錠組織決定于局部凝固時間，而不是決定于金屬熔池的形狀，而長期以來冶金工作者都是試圖通過控制金屬熔池形狀控制鑄錠的結晶組織.Ballantyne認為局部凝固時間與熔化速率之間并不存在線形關系.

Flemings［3］對金屬的凝固理論進行過大量的研究，曾提出局部凝固時間與枝晶間距之間的關系.在本文中依據所建立的模型，計算出鑄錠凝固過程的局部凝固時間，進而計算出鑄錠凝固的枝晶間距，以枝晶間距大小作為衡量鑄錠的凝固質量的依據之一.

高鉻冷輥坯中碳和合金含量較高，易生成液析碳化物，由于遞減功率熔煉電渣爐設備本身特點，冶煉過程重量和時間沒有形成函數關系.在熔煉過程中，在半徑方向上鑄錠的溫度場分布是表面溫度低，中心溫度高;在高度方向上，下面溫度低，靠近金屬熔池部分溫度高，如圖1所示.

圖1 鑄錠中溫度場的分布Fig.1 Temperature distributions in ingot

對鑄錠從表面到中心的二次枝晶間距大小如圖2所示［4］，鑄錠表面由于冷卻強度大，兩相區較小，鋼液凝固時間短，因此對應的枝晶間距較小;而鑄錠中心兩相區寬度大，對應的局部凝固時間最長，也是元素最容易發生偏析的地方.圖中C2、C3、C4、C5和 C6分別是距鑄錠底部 0.1 m、0.35 m、0.6 m、0.85 m和1.1 m的位置.圖3是上述各個位置鋼錠表面、1/2半徑和鋼錠中心位置的碳化物含量情況，從圖中可以明顯的看出，各試樣鑄錠中心處所析出的碳化物含量基本相當，而隨著鑄錠高度的增加，鋼錠1/2半徑和邊緣位置的碳化物含量呈增加趨勢.

圖2 鑄錠從表面到中心的局部凝固時間變化Fig.2 Change of secondary interdendritic spacing in radius direction

圖3 鑄錠不同位置的碳化物含量Fig.3 Carbide content of different position specimen

Cr5電渣鋼錠的組織主要由珠光體和碳化物構成，在分析過程中發現，Cr5電渣錠主要存在兩種碳化物:一種是塊狀的碳化物，這種碳化物屬于初生碳化物，是在鋼液凝固的過程中，從液態直接析出的高熔點碳化物;另外一種是屬于液態鋼液凝固后期發生共晶反應析出的共晶碳化物，這種碳化物往往呈現網狀或者針狀.

圖4是對網狀碳化物的分析結果，從分析結果來看，網狀碳化物的Cr含量并不高，而C和Fe含量較高，合金元素Si、V和Mo含量也比平均成分高，碳化物的成分以(Si、V、Mo)C型為主，同時也含有一定量的(Fe、Cr)7C3型的碳化物.圖5是應用SEM對塊狀整體碳化物的分析，在這種碳化物中，C含量和Cr含量都較高，主要是Cr7C3型碳化物，同時也含有一定量的(Si、V、Mo)C型碳化物.

無論那種類型的碳化物在生產中的冶煉環節都是要盡量避免它的析出，因為大塊的碳化物在后續的熱處理過程中不容易完全溶解，并且大塊碳化物的存在，使 C、Cr、Si、V、Mo 等碳化物形成元素過分聚集，容易使其他部位 C、Cr、Si、V、Mo等元素貧化，從而影響最終產品的性能.在電渣重熔生產冷軋輥用鋼時，大顆粒的碳化物是最不希望得到的.碳化物的含量越高，說明鑄錠中元素的偏析程度越大，因此應該采用一些措施，降低所析出碳化物的含量和粒度.

經過眾多的現場研究表明，熔化率較高將增加熔池深度，從而消弱了電渣淀結晶器側壁的冷卻效果，對結晶的生長方向造成影響，進而影響到電渣錠和輥坯的質量.熔化率降低后，金屬熔池變淺、體積變小，金屬熔池的深淺直接影響到電渣錠的質量［5］，因此要根據鋼種和設備情況合理選擇熔化速度.

圖5 塊狀的碳化物SEM分析Fig.5 Analysis of network carbide by SEM

4 結語

通過多年對電渣重熔冷軋輥坯的渣系、工藝、質量控制的實際研究，在渣系選擇和使用、質量控制等方面已經具有一定的經驗和數據，并將相關的結果應用到本廠冷軋輥坯生產中，保證了本廠電渣重熔冷軋輥坯的質量.

［1］賈建平，史夢健，姜周華，等.酸性渣系在電渣重熔中的應用［C］//全國電渣冶金學術會議.太原:東北大學出版社，2008:110－113.

［2］Hernandez M B，Mitchell A.Review of mathematical models of fluid flow，heat transfer，and mass transfer in electroslag remelting process［J］.Ironmaking and Steelmaking，1999，26(6):423－438.

［3］Flemings M C，“Solidification Processing”，McGraw －Hill，New York，NY，1974

［4］Yanwu Dong，Zhouhua Jiang，Zhengbang Li.Investigation on solidification quality of industrial－scale ESR ingot［C］//TMS2009－InternationalSymposium onLiquidMetal Processing and Casting.Santa Fe，New Mexico，2009.9:36－43.

［5］董艷伍，姜周華，肖志新，等.電渣重熔工藝對鋼錠凝固質量影響研究［J］.東北大學學報(自然科學版)，2009，30(11):1598－1602.

Quality control of cold roll steel produced by electroslag remelting process

JIA Jian-ping1，ZHANG Ying-jie1，DONG Yan-wu2，JIANG Zhou-hua2

(1.SINOSteel Xingtai Machinery ＆Mill Roll Co.，Ltd，Xingtai 054025，China;2.School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110004，China)

Our factory is a professional manufacturer of roll，in this paper some investigation about producing forged steel cold roll ESR billet has been done.Selection of slag，industrial application of premelted slag and internal quality control of cold roll and other aspects have been analyzed.Results showed that both acid slag and basic slag can be used for producing cold roll billets，but relatively speaking，basic slag is better.More constituents are better.Premelted slag is better than non －premelted slag for controlling the ingot quality and reducing cost.Rational melting rate is an important reason for controlling internal quality of ingot.

electroslag remelting;acidic slag system;premelted slag;inclusion;quality control

TF 142

A

1671-6620(2011)S1-0082-04

2010-10-15.

賈建平 (1963—)，男，河北邢臺人，教授高級工程師，E－mail:jiajpasinosteel.com.