降低電渣重熔鋼非金屬夾雜物的措施探討

李春江

摘 要：為了生產大厚度、大單重、好氧化物評級和高潔凈度的優質鋼材，合理將理論研究與實際應用效果相結合，認真分析電渣重熔鋼非金屬夾雜物形成過程與去除抑制措施方法，具有非常大的工程實踐應用研究意義。

關鍵詞：電渣重熔鋼；非金屬夾雜物；自耗電極

工程使用的高強高韌性鋼，其對鋼材純凈度有著非常嚴格的要求。非金屬夾雜物其彈性模量、變形能力等指標性能均與高溫合金基體有很大差別，在實際工程應用中容易出現應力過度集中，會產生疲勞裂紋的發生和擴展，有的甚至會引起惡性安全事故發生。因此，高強高韌性鋼對非金屬夾雜物成分含量控制要求非常苛刻。電渣重熔是目前優質鋼生產制造工藝中廣泛采用的一種重熔工藝，不僅可以實現近平衡凝固，增強鋼錠凝固優越性，同時還可以有效去除鋼熔煉過程中非金屬夾雜物、改善其在鋼體組織中的分布，有效提高鋼材的強度、韌性和耐腐蝕性，對提高合金鋼的機械性能具有非常明顯的效果。

1 電渣重熔鋼工藝非金屬夾雜物的產生機理

在電渣重熔冶金工藝中，自耗電極熔化成金屬熔池過程大致可以劃分為三個階段，即：自耗電極端頭形成金屬熔滴、熔滴從自耗電極端頭脫落到達到熔渣層、熔滴進入金屬熔池中三個階段。

1.1 電渣重熔鋼工藝中非金屬夾雜物成分

從大量工程實踐可知，電渣母材的脫氧制度和重熔渣系對高強高韌性鋼冶煉過程中的非金屬夾雜物控制和疲勞壽命性能影響非常大。采用Al脫氧的電渣母材時，無論采用堿性渣還是酸性渣進行重熔，其在冶金過程中形成的非金屬夾雜物均以脆性的Al2O3為主。而采用Ca-Si和Ca-Si+Fe-Si脫氧的電渣母材時，若采用堿性渣系進行重熔時，其在冶金過程中形成的非金屬夾雜物依然以脆性的Al2O3為主；若采用酸性渣系進行重熔時，其在冶金過程中形成的非金屬夾雜物則以S化物和硅酸鹽為主的塑性夾雜物，其對鋼材的疲勞壽命有著重大影響。從大量文獻和實踐冶金成果研究表明：（1）電渣母材采用不同脫氧制度，其在自耗電極熔煉過程中產生的非金屬夾雜物的種類、成分和含量是不同的；（2）不同脫氧制度和渣系，其在重熔鋼中產生的非金屬夾雜物不同，對鋼材性能影響較大。

1.2 電渣重熔鋼工藝中氧含量

根據自耗電極中的氧含量高低，大致可以劃分為高氧含量自耗電極（氧含量>30×10-6）和低氧含量自耗電極（氧含量<10×10-6），其在電渣重熔過程中，電渣鋼基本都保持在穩定范圍（15×10-6<氧含量<30×10-6），也就是說：若采用低氧含量自耗電極重熔，則電渣冶煉過程中就是“增氧玷污”過程，經電渣重熔后期鋼錠中的氧含量將有所上升；若采用高氧含量自耗電極重熔，則電渣冶煉過程中就是“降氧凈化”過程。影響重熔過程中氧含量的主要成分為αFeO的指標，而自耗電極自身氧含量對電渣鋼中含氧量影響程度較小，在重熔過程中電渣氧含量均能維持在（15～30）×10-6穩定范圍。另外，在電極制造和重熔過程中，自耗電極表面形成的氧化表層、造渣過程中帶入的不穩定氧化物、電渣重熔過程中的氣氛環境等均可能影響重熔鋼的氧含量。

1.3 電渣重熔中產生的新夾雜物

電渣在重熔前后，其鋼中所含的非金屬夾雜物種類、尺寸、含量、分布等均在發生變化。同時，在重熔氧化物夾雜物去除過程中，還會在鋼中產生SiO2、Fe2O3、Cr2O3、MnO等新生夾雜物。

2 進一步降低電渣重熔鋼中非金屬夾雜物的幾點建議

采用電渣重熔工藝后，鋼錠氧含量有明顯下降，同時非金屬夾雜物種類、成分、尺寸和分布等均有很大改善，可以有效提高合金鋼的潔凈度、性能和壽命。

2.1 合理選用復合脫氧劑，進一步降低自耗電極自身非金屬夾雜物

從工程實踐可知，自耗電極自身存在的非金屬夾雜物，其絕大部分在電渣重熔過程中，尤其在形成金屬熔滴和金屬熔滴脫落過程中的第一和第二階段被熔渣吸收而排除，少部分隨熔滴進入金屬熔池中，通過氧化作用形成新生夾雜物等存在于重熔鋼錠中。因此，降低鋼熔池中的氧含量，可以有效抑制自耗電極自身非金屬夾雜物和新生夾雜物對重熔鋼的影響。從實踐應用表明：采用AMS和Ca-Si的復合脫氧劑，對自耗電極進行終脫氧處理后，可以有效降低自耗電極自身存在的非金屬夾雜物含量。采用復合脫氧劑處理后的自耗電極，由于其脫氧產物熔點低、顆粒大，易從鋼液中排除，進而被熔渣吸收而排除。采用經終脫氧的自耗電極，其電渣重熔后夾雜物含量可以下降55%以上，鋼材性能和疲勞壽命可以得到有效提高。

2.2 改善鋼熔池結晶條件，提高重熔鋼純潔度

金屬熔池中的結晶條件，會影響到非金屬夾雜物和新生非金屬夾雜物的尺寸、分布和上浮排除條件，從而影響到重熔鋼中非金屬夾雜物的評級和純潔度。當自耗電極重熔速度過大，則金屬熔池深度就會越深，對應“凹度”會加深，氧化物評級就會升高；相反，自耗電極熔化速度越小，相應液態金屬層就會越薄，非金屬夾雜物尺寸相對就會越大，這樣對去除重熔鋼中的夾雜物就越有利。目前一些企業為了片面提高產量，將渣系從三元改為四元，這樣雖然可以提高電渣的電阻比熱提高熔化速度，但同時對重熔鋼中的夾雜物去除是會產生較大影響的。

2.3 優選熔渣體系，便于脫硫去除夾雜物

從大量科學研究和工程實踐應用效果表明：CaO-Al2O3-CaF2的“Ⅲ-1”系列渣，其去除重熔鋼中的非金屬夾雜物效果非常良好。同時，隨著熔渣中的Al2O3含量的增加，相應夾雜物與熔渣間界面的張力會大大下降、熔渣阻力增大發熱量增大，熔渣吸收非金屬夾雜物的能力也會增強，相應重熔鋼中氧化物、硫化物等夾雜物的去除率也會大大增加。另外，適當增加CaO的含量，也會有效降低電渣錠中的非金屬夾雜物和氧含量，進而提高鋼材的潔凈度和疲勞壽命。

2.4 合理控制供電制度，提高電渣去除非金屬夾雜物能力

雖然供電制度與重熔鋼中的非金屬夾雜物去除率間沒有的定量的關系，但從大量研究和工程實踐應用結果表明：同功率條件下，隨供電電流的增加，電壓會降低，電極端頭插入到熔渣中錐體表面積會大大增加，相應氧化物評級會明顯降低。工程中，推薦電極在熔渣中的插入深度以10mm～15mm為宜。

2.5 有效控制電渣鋼中的氧含量，抑制重熔鋼中的原生和新生夾雜物

推薦選用復合脫氧劑來對自耗電極進行終脫氧，控制電極中的原始氧含量，從源頭降低重熔鋼中的氧含量；對于采用酸洗后的自耗電極表面剝皮后應立即進行重熔處理，這樣可以有效降低重熔后鋼中的氧含量；在重熔過程中，要不斷向渣熔池中加入適當的脫氧劑，也可以在重熔過程中不斷向渣鋼熔池表面加入Al粒/粉，進行脫氧處理，確保重熔鋼中不穩定氧化物如：SiO2、Fe2O3、MnO等始終保持在穩定范圍。合理采用氬氣Ar、氮氣N2等惰性氣體，以改善重熔氣氛，控制電渣重熔過程中的氧含量，抑制重熔鋼中的原生和新生夾雜物產生。

3 結束語

電渣重熔過程中，第一和第二階段是去除非金屬夾雜物，提高鋼材性能和疲勞使用壽命的關鍵階段。通過采取合理終脫氧制度、優選重熔渣系、改善鋼熔池結晶條件、合理控制供電制度和有效控制氧含量，可以有效排除重熔鋼中的非金屬夾雜物，降低氧化物評級和提高鋼的純凈度，有效增強鋼的性能和疲勞壽命。

參考文獻

[1]尹安遠，吳素君.鋼中非金屬夾雜物的鑒定[J].理化檢驗-物理分冊，2007，43（8）：395.

[2]楊海森，常立忠，朱航宇，等.電渣冶金過程中氧含量變化的研究[J].材料與冶金學報，2011（10）：44-49.