電渣重熔10Ni3MnCuAl鋼中Al元素的均勻性控制

張 勇，單海歐，白憲超，孫常亮，楊 松

（1.撫順特殊鋼股份有限公司第三煉鋼廠，遼寧撫順 113001；2.遼寧石油化工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，遼寧撫順 113001；3.撫順特殊鋼股份有限公司總工辦，遼寧撫順 113001）

1 引言

10Ni3MnCuAl（相當(dāng)于日本NAK80）屬于Ni-Al-Cu時(shí)效硬化型模具鋼，用于大型塑料模具，具有良好的鏡面加工性和放電加工性。經(jīng)電渣重熔后，純凈度得到進(jìn)一步提升，性能穩(wěn)定，有很好的拋光性能與雕飾性。是高性能、高精度、高級(jí)鏡面塑料模具鋼[1～2]。

10Ni3MnCuAl 生產(chǎn)工藝路線為：電爐+LF+VD 冶煉電極經(jīng)電渣重熔后鍛造成材。該鋼在電渣重熔過(guò)程中存在Al元素?zé)龘p嚴(yán)重的問(wèn)題，導(dǎo)致重熔后電渣錠頭尾Al 成分差異明顯，分布不均，影響鍛造成材率及成材性能。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 母材選用

電爐+LF+VD 冶煉的電極棒，試驗(yàn)電極的化學(xué)成分控制按GB/T1299-2014條件進(jìn)行控制，具體化學(xué)成分如表1所示。

表1 10Ni3MnCuAl電極的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2.2 渣系選擇

10Ni3MnCuAl 電渣重熔的渣系采用二元預(yù)熔渣，渣量為130kg，渣系主要化學(xué)成分如表2所示。

表2 10Ni3MnCuAl渣系的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2.3 電渣重熔條件及方式的確定

試驗(yàn)爐臺(tái)選用單支臂3t 普通（非保護(hù)氣氛）電渣爐冶煉。結(jié)晶器尺寸：φ610mm×2,000mm，電極規(guī)格：φ420×2,800mm。采用一支電極重熔一支電渣錠的方式，電渣錠錠重為3t。冶煉電壓58～66V，冶煉電流10,000～13,000A。首批試驗(yàn)重熔4 支電渣錠，渣中及重熔過(guò)程中未加入任何附加劑。相同電極對(duì)比試驗(yàn)重熔4 支電渣錠，渣中及重熔過(guò)程中加入一定量Al粉。試驗(yàn)的8支電渣錠均在錠身頭、中、尾3點(diǎn)取樣化學(xué)分析主要元素含量。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 未加入Al粉進(jìn)行電渣重熔

未加入Al 粉進(jìn)行電渣重熔后各元素化學(xué)成分的平均值如表3 所示。由表3 可見，在未加入任何附加劑的情況下，電渣重熔后電渣錠頭部、中部及尾部主要元素化學(xué)成分的平均值情況。其中Al 元素?zé)龘p情況如表4所示。

表3 未加入附加劑進(jìn)行電渣重熔后主要化學(xué)成分平均值情況 %

表4 未補(bǔ)加Al粉時(shí)Al燒損情況

由表4 可見，渣中及重熔過(guò)程中未加入任何附加劑的4 支電渣錠，鋼錠尾部Al 含量下降較多，鋼錠尾部Al 含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）在0.79%～0.84%，燒損率在20.75%～25.47%之間。鋼錠頭部（充填端）Al 含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）在0.90%～0.94%，燒損率在11.32～15.09%之間，頭尾Al含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）平均差值0.1%，電渣錠尾部Al成分燒損更為嚴(yán)重，頭尾成分差異明顯。

3.2 補(bǔ)加Al粉進(jìn)行電渣重熔

渣中及重熔過(guò)程中補(bǔ)加Al粉后電渣錠頭部、中部及尾部Al 燒損情況如表5 所示。由表5 可見，在渣中按噸鋼0.8～1kg 加入Al 粉及重熔過(guò)程按噸鋼0.3～0.5kg均加Al粉后，鋼錠尾部Al含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）0.91～0.98%，尾部Al燒損率7.55%～14.15%。燒損嚴(yán)重情況得到改善。鋼錠頭部Al 含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）0.97%～1.02%，頭部Al 燒損率3.77%～9.43%。頭尾Al 含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）平均差值0.0425%，鋼錠Al含量的均勻性得到很大改善。

表5 補(bǔ)加Al粉時(shí)Al燒損情況

3.3 分析與討論

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果表明10Ni3MnCuAl

經(jīng)電渣重熔后元素的燒損主要是Al 元素的燒損較為嚴(yán)重，這主要是因?yàn)榕c鋼中其它元素相比，Al 在重熔過(guò)程中更易被氧化，這也與其和氧的親和力有關(guān)，與氧親和力大的元素更易被氧化[3～4]。

根據(jù)相關(guān)研究表明在電渣重熔過(guò)程中氧的來(lái)源主要有電極中溶解的氧及不穩(wěn)定的非金屬氧化物、電極表面的氧化鐵皮、渣料中的不穩(wěn)定變價(jià)氧化物以及重熔過(guò)程中的氣相傳氧。氣相傳氧的過(guò)程主要依靠渣中不穩(wěn)定變價(jià)氧化物轉(zhuǎn)移到金屬熔池中[5]，這個(gè)過(guò)程的傳氧機(jī)理如圖1所示。

圖1 氧化鐵傳氧機(jī)理示意圖

在電渣重熔初期，渣料中的雜質(zhì)（SiO2）以及不穩(wěn)定氧化物（MnO）、（FeO）與Al 的氧化作用導(dǎo)致鋼錠尾部Al燒損嚴(yán)重，冶煉中后期渣池組分趨于穩(wěn)定，Al的燒損主要是不穩(wěn)定變價(jià)氧化物如氧化鐵傳氧所引起的氧化作用，體系中物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能如表6所示[6]。

表6 體系中物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能

在試驗(yàn)中，通過(guò)在渣中及重熔過(guò)程中補(bǔ)加一定量的Al粉提高了渣池中Al的含量。一方面通過(guò)Al與不穩(wěn)定變價(jià)氧化物的反應(yīng)去除了渣池中的變價(jià)氧化物，進(jìn)而減少了鋼錠尾部Al 的燒損；另一方面，由于渣池中變價(jià)氧化物的去除也降低了金屬熔池中氧的濃度，使得電渣重熔后鋼錠Al的含量更接近母電極中Al的含量，結(jié)合以上兩個(gè)方面在電渣重熔的整個(gè)過(guò)程中由于對(duì)電極中Al 元素?zé)龘p的有效控制，最終使得10Ni3MnCuAl鋼錠中Al元素分布更加均勻，含量更加接近于電極Al含量。

4 結(jié)論

（1）鋼錠頭、尾部Al 元素?zé)龘p嚴(yán)重且成分不均的主要原因是：渣料中的不穩(wěn)定變價(jià)氧化物以及重熔過(guò)程中的氣相傳氧導(dǎo)致Al的氧化反應(yīng)。

（2）通過(guò)在渣中及電渣重熔過(guò)程中補(bǔ)加Al粉可有效控制電渣重熔過(guò)程中Al 元素的燒損，鋼錠尾部Al燒損率7.55%～14.15%，鋼錠頭部Al 燒損率3.77%～9.43%。頭尾Al含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）平均差值0.043%，鋼錠Al含量的均勻性得到很大改善。