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抚钢保护气氛电渣炉重熔1Cr21Ni5Ti钢Ti烧损规律的探讨

王海江^[1]，孙常亮^[1]，徐朋^[1]，关旭东^[2]

([1]抚顺特殊钢股份有限公司技术中心113001  [2]抚顺特殊钢股份有限公司第三炼钢厂113001)

摘要：本文通过采用保护气氛电渣重熔试验，分析了1Cr21Ni5 Ti钢在不同的重熔条件下【Ti】的烧损情况，总结了保护气氛下电渣重熔1Cr21Ni5Ti钢【Ti】的烧损规律。

关键词：保护专氛电涪重熔；烧损

电渣重熔(简称ESR)是通过熔渣的电阻热使自耗电极熔化，金属熔滴穿过熔渣层而形成熔池，并在结晶器内重新结晶凝固成钢锭。在这个过程中，钢与渣进行充分的反应，钢中非金属夹杂及杂质减少，纯净度提高，得到的钢锭表面光滑、成分均匀、组织致密、偏析小、纯洁度高^[1]。因此，ESR生产的钢材已广泛用于航天、航空、舰艇、兵器、化工、模具制造等领域。自耗电极在熔化形成液滴——渣洗——凝固的过程中，发生多种复杂的冶金物化反应，不同钢种在不同的重熔工艺制度下，重熔前后的化学成份也将发生不同程度的变化。尤其是重熔含有Ti元素的钢种时，Ti在电渣重熔的过程中易氧化，造成电渣锭成份很难控制。抚钢股份公司采用从德国ALD公司引进的保护气氛电渣炉，该炉为“H”型双工位炉体旋转式结构，同轴导电设计，可最大限度的减少电能消耗和冶炼中的杂散磁场干扰；拥有高精度的称重系统，可准确进行熔速控制；惰性气体保护，可减少易氧化元素的烧损。通过对该钢种进行不同工艺的电渣试验，对保护气氛下电渣重熔时【Ti】的变化进行简要探讨，可以给保护气氛下含Ti钢的电渣重熔提供一些借鉴的经验。并且，通过降低Ti元素的烧损，可以有效节约生产成本。

1试验条件

1．1 1Cr21Ni5Ti钢的化学成分见表1。

1．2试验主要设备

电渣炉    IG ESR F 760／9／Ⅱ

变压器容量    2200 KVA

1．3  电渣重熔试验的基本工艺

自耗电极    φ50 mm

锭型    φ590 mm

锭重    3t

渣系    二元/三元/四元渣系

渣量    130 kg

船气流量    15~45 L／min

取样部位    大头距底部150 mm、小头距上端90 mm处钻样

2试验与分析

2．1试验情况

共进行了50炉试验，通过不同Ar气流量下【Ti】的变化、不同渣系下【Ti】的变化和电渣过程中均匀加入Al粉时【Ti】的变化，对保护气氛下1Cr21Ni5Ti钢中Ti的烧损规律进行探讨，试验数据见表2。

2．2分析

2．2．1  不同Ar气流量对Ti烧损的影响

Ti可以提高不锈钢的抗晶间腐蚀作用，但是必须使Ti含量与C含量达到Ti％≥﹡C％^[2]，才能保证1Cr21Ni5Ti钢具有良好的抗晶间腐蚀性能。而电渣过程中Ti极易被氧化，很容易造成电渣锭Ti不合，且50％以上的电渣重熔是在套模内完成的，目前还不能100％的保证隔离空气并灵活有效的控制渣上气氛^[3]。因此保护气氛电渣重熔时，采用多大的Ar气流量才可以保证Ti烧损较少，是我们必须考虑的问题。

从表2可以看出，保护气氛电渣重熔时的△【Ti】／％，呈由大头到小头增加的趋势；随着Ar气流量的增加，电渣锭大、小头△【Ti】／％也都呈现增加的趋势。说明在电渣重熔的过程中，Ti的烧损量由大头至小头逐渐降低。这是由于Ar气比重比空气大，电渣过程中Ar气下沉，起到隔绝空气的作用，Ar气流量越大隔绝空气效果越好，越靠近小头部分，Ar气浓度越高，降低了Ti的烧损。而采用35L／min和45L／min的Ar气流量重熔的钢锭Ti的烧损量相差不多，这说明Ar气流量增加到一定程度后，钢中Ti的烧损程度与Ar气流量无关。

2．2．2不同渣系对Ti烧损的影响

在电渣重熔的过程中，渣系是影响重熔效果的重要因素。电渣重熔渣系的各种特性，取决于其主要成分CaF₂、Al₂O₃、MgO等^[4]。针对含Ti钢的特点，分别使用二元渣(CaF₂、Al₂O₃)、三元渣(CaF₂、Al₂O₃、TiO₂)、四元渣(CaF₂、Al₂O₃、TiO₂、MgO)进行了试验。

从表3可以看出，二元渣重熔【Ti】的烧损最多，三元渣次之，四元渣烧损最少。由于Ar气保护并不能完全隔绝空气，电渣过程中依然会有O₂参与反应，且二元渣中没有与【Ti】平衡的熔渣所必须的(Ti₃O₅)，只能通过【Ti】被(Al₂O₃)、(FeO)等氧化而获得，所以【Ti】的烧损大，发生反应：

2[Ti]+[O₂]=(TiO₂)    (1)

9[Ti]+5(Al₂O₃)=3(Ti₃O₅)+10[Al]    (2)

3[Ti]+5(FeO)=( Ti₃O₅)+5[Fe]    (3)

三元渣中加入一定量的(TiO₂)，化渣时发生反应：

3(TiO₂)+C=(Ti₃O₅)+CO↑    (4)

渣中产生一定量(Ti₃O₅)与【Ti】平衡，故三元渣中【Ti】的烧损低于二元渣。但(TiO₂)含量不能过高，否则，它不但会增加【Ti】的烧损，还会使熔渣的粘度和熔点上升，恶化钢锭的表面质量。主要是过量的(TiO₂)发生反应：

5(TiO₂)+[Ti]=2(Ti₃O₅))    (5)

增加【Ti】的烧损。

四元渣中由于MgO的加入降低了(TiO₂)的氧化性，使反应：

5(TiO₂)+[Ti]=2(Ti₃O₅)    (6)

减弱MgO的加入减少了传递氧的媒介物(Ti₃O₅)的数量，使钢渣平衡所需的(Ti₃O₅)含量减少。其次MgO能提高高温熔渣的粘度，在渣池表面形成一层半凝固膜，从而减弱了(Ti₃O₅)被氧化的程度^[5]，使反应：

2(Ti₃O₅)+{O₂}=6(TiO₂)    (7)

减弱，故减少了【Ti】的烧损。

2．2．3重熔过程均匀加入Al粉对Ti烧损的影响

从表4可以看出，冶炼过程中均匀加入Al粉的工艺比不加Al粉的工艺Ti元素烧损少，且Ti元素的分布更为均匀。由于电渣重熔过程的高温液渣溶解吸收氧，随着电渣重熔过程的进行，氧不断向液渣传递，【Ti】与液渣中的氧形成钛的氧化物，这是构成电渣重熔含钛钢时【Ti】大量烧损的主要原因^[6]。其氧化反应式为：

[Ti]+O₂→(TiO₂)    (8)

5(TiO₂)+[Ti]→2(Ti₃O₅)    (9)

2(Ti₃O₅)+O₂→6(TiO₂)    (10)

在高温状态下，钛的初始氧化物TiO₂与【Ti】发生反应生产钛的复合氧化物，而弥散于液渣中的钛复合氧化物被液渣中的溶解氧再次氧化为TiO₂，TiO₂又氧化【Ti】，上述反应不断循环往复，便导致了电渣重熔1Cr18Ni9Ti钢时【Ti】被大量烧损。

由于在高温状态下，【Al】的氧化较【Ti】强。查氧势图与计算T=2023 K时(电渣重熔渣池温度一般为1750℃)，【Al】和【Ti】氧化的自由焓：

ΔGAl=﹣138．5577(KJ／molO)

ΔGTi=﹣100．338(KJ／molO)。

二者可发生如下反应：

3(TiO₂)+4[Al]→2(Al₂O₃)+3[Ti]    (11)

那么在电渣重熔过程中加Al粉便可以防止【Ti】被大量烧损。

2．3 1Cr21NiSTi钢生产实践

抚顺特钢白2011年开始使用6t保护气氛电渣炉重熔生产1Cr21Ni5Ti钢，通过上述含Ti钢工艺试验，确定生产工艺如下。

自耗电极：电弧炉生产的φ450mm电极

结晶器：φ590 mm铜质水冷固定式结晶器

渣系：含CaF₂、Al₂O₃、MgO、TiO₂的四元渣系

氩气流量：30 L／min

电渣重熔后电渣锭化学成分稳定，电渣锭5点化学成分从大头到小头统计结果见表5。

成品A、B、C、D类夹杂物评级均为0．5级，且成品晶间腐蚀以及脆化性能均满足技术条件要求，成品合格率达100％。

4  结论

(1)Ar气流量的大小影响着保护气氛电渣重熔1Cr21Ni5Ti钢中【Ti】烧损的多少，Ar气流量越大，钢中【Ti】烧损越少。

(2)渣系对钢中【Ti】的烧损有影响，对比试验渣系，采用CaF₂、Al₂O₃二元渣系重熔1Cr21Ni5Ti钢，【Ti】的烧损最多，采用CaF₂、Al₂O₃、TiO₂三元渣【Ti】的烧损次之，采用CaF₂、Al₂O₃、TiO₂、MgO四元渣，【Ti】的烧损最少。

(3)保护气氛电渣重熔过程中均匀加入Al粉脱氧，可以减少Ti元素的烧损，钢中Ti元素的分布更为均匀。

(4)抚钢通过调整Ar气流量，选择合适渣系，经保护气氛电渣炉生产的1Cr21Ni5Ti钢，化学成分控制理想，成品晶间腐蚀及脆化性能均满足技术指标要求，成品合格率达到100％。

参考文献

[1]李正邦，电渣熔铸理论与实践，高新技术应用出版社，1996

[2]肖纪美，不锈钢的金属学问题，冶金工业出版社，2006：51

[3]刘庆文，保护性气体下的电渣重熔，Special Steel Technology，第10卷第3期总第44期

[4]王宾，陈涛，李艳丽，电渣重熔渣系选择的工艺探索，四川冶金，2001年第5期

[5]丁永昌，钢与合金的特种熔炼，中国地质大学出版社，1989．7

[6]冶金工人技术理论培训教材——电渣重熔炉冶炼(中级本)．冶金工业部．1988