電渣重溶過程凝固數(shù)學模擬及新渣系研究.pdf

1、由于電渣重熔鋼錠具有組織致密、成分均勻、表面光潔和成材率高等優(yōu)點，因此從電渣重熔技術(shù)產(chǎn)生之后，就成為生產(chǎn)某些特殊材料的重要手段。長期以來，電渣重熔工藝制度往往憑經(jīng)驗制定，缺乏理論指導，雖然也有許多研究者通過建立數(shù)學模型的方法描述電渣重熔過程，并探索最優(yōu)的工藝，但仍然有許多需要研究的內(nèi)容。電渣重熔技術(shù)產(chǎn)生以后，開發(fā)出了許多渣系用于電渣重熔生產(chǎn)，但往往電耗較高，目前國內(nèi)某廠電渣重熔冷軋輥用鋼時噸鋼電耗在1500～1600kWh。同時，電渣重

2、熔后鋼中增氫嚴重，電渣鋼錠需要進行長期的擴氫處理，以降低鋼中的氫含量。在應用電渣重熔生產(chǎn)某些易偏析鋼種時，鋼中析出的有害相含量較高，有待于通過研究進行控制。本文從上述電渣重熔過程所存在的問題出發(fā)，對其進行了相關(guān)的研究，旨在提高鋼錠質(zhì)量、降低電耗，探索降低鋼中氣體含量方法和控制鋼中有害相析出含量的途徑。
　　 針對電渣重熔電耗較高等問題，在現(xiàn)場原用三七(L0)渣系基礎(chǔ)上，添加了降低渣系電導率的氧化物組元，開發(fā)了L1、L2和L3渣系

3、，并與傳統(tǒng)的電渣重熔用L0渣系進行了對比研究。對新設(shè)計渣系進行的熔點、粘度、堿度、密度和電導率等的測算結(jié)果表明，新設(shè)計渣系完全滿足電渣重熔用渣要求，并且新設(shè)計的渣系電導率更低，更有利于降低電耗。
　　 對渣系滲透性的研究結(jié)果表明，L0渣系的滲透率最低，這與眾多文獻資料報道的使用L0渣系重熔后鋼中增氫量最小的結(jié)果相一致。本文所測得的L0渣系滲透率數(shù)值為0.48×10-6mol·cm-1·min-1。L2渣系對氫的滲透率比L0渣稍大

4、，滲透率為0.98×106mol.cm-1.min-1，同樣具有較低的氫滲透率，適合于生產(chǎn)冷軋輥用鋼等氫敏感鋼種，而其他渣系的氫滲透率相對較高。影響渣系氫滲透率的因素比較多，首先，光學堿度對渣系氫滲透率有重要的影響，總體趨勢是光學堿度越大氫滲透率越大。其次，雖然CaO具有較大的水容量，但CaO含量過高更有利于向鋼液中滲氫，而Al2O3作為酸性氧化物而存在，有利于阻止氫的滲透。研究表明，本文中所提出的渣系氫滲透率衡量指數(shù)EH越大，氫的滲透

5、率越小。
　　 使用各渣系在實驗室所進行的電渣重熔實驗研究表明，重熔初期鋼中氫含量最高，此時鋼中氫含量豐要受渣系中含有水分、渣系氫滲透率、自耗電極中氫含量和大氣濕度所控制，而重熔中后期鋼中氫含量基本恒定，此時鋼中氫含量受渣系氫滲透率、自耗電極中氫含量和大氣濕度所影響。使用滲透率最低的L0渣系在大氣下重熔后，鋼中增氫量很小，使用滲透率較低的L2渣系大氣下重熔后，鋼中增氧量也不大，而其他滲透率較高的渣系大氣下重熔后，鋼中氫含量較高。

6、研究發(fā)現(xiàn)，使用保護氣氛和預熔渣重熔，效果最佳，不僅重熔初期鋼中氫含量較低，而且重熔中后期鋼中增氫量也最低，因為此時鋼中氫含量已經(jīng)基本排除了重熔初期渣系中所含有的水分的影響，也排除了大氣濕度對鋼中氫含量的影響。對應用各渣系重熔后的鋼錠分析后發(fā)現(xiàn)，L0和L3渣系重熔后鋼中夾雜物總量較低，而L2稍高，L1渣系重熔后鋼中夾雜物最高，并且顆粒較大，在L1和L3渣系重熔后的鋼中發(fā)現(xiàn)大量的氮化物夾雜，這與L1和L3渣系滲透率較高密切相關(guān)。
　　

7、 工業(yè)實驗的研究結(jié)果表明L1渣系與L0渣系電耗情況相當，而L2渣系可大幅度的降低電耗，噸鋼電耗比L0渣系降低了近200kWh，鋼中氫含量小于2ppm，同時新渣系的使用，大大提高了產(chǎn)品的合格率，為企業(yè)帶來了更大的經(jīng)濟效益。
　　 在前人研究的基礎(chǔ)上，從電磁場方程、流體流動方程和熱量傳輸方程出發(fā)，建立了電渣重熔數(shù)學模型，并以重熔體系的溫度場分布作為考查的重點，將鑄錠凝固過程的局部凝固時間與枝晶間距聯(lián)系起來，進而通過控制二次枝晶間距

8、來控制鑄錠的凝固質(zhì)量。研究表明，電渣重熔渣池中心的最高溫度達到1800℃以上，直徑950mm的重熔鋼錠鑄錠中心的局部凝固時間最長，達到2300s以上，對應的枝晶間距最大，所檢測出的二次枝晶間距的大小在500μm左右，而鑄錠邊緣部位的局部凝固時間較短，在600s左右，對應的二次枝晶間距相對較小，只有200μm左右，從鑄錠邊緣到中心，枝晶間距逐漸增大，而鑄錠的凝固質(zhì)量也從邊緣到中心逐漸變差。
　　 模型經(jīng)過驗證后，使用數(shù)學模型對φ1

9、30mm結(jié)晶器的電渣重熔工藝制度進行了優(yōu)化設(shè)計，并以IN718合金為研究鋼種進行了重熔實驗，實驗發(fā)現(xiàn)，電渣重熔后，IN718合金中的夾雜物含量大幅度的降低，通過合理的控制重熔工藝制度，可以有效的控制IN718合金的凝固質(zhì)量，使其鑄錠表面光潔、成分均勻、無宏觀缺陷，降低鑄錠中的脆性Laves相的析出含量，并降低合金元素的偏析程度。通過實驗分析，還提出了φ130mm結(jié)晶器的最佳控制熔速為66kg/h。對應的鑄錠中心局部凝固時間為375s，凝

10、固速度（鑄錠上漲速度）為10.1mm/min。
　　 在實驗室所進行的電渣重熔Cr5冷軋輥用鋼的實驗研究進一步表明，模型計算可以為工藝的制定提供理論依據(jù)，通過采用合理的工藝制度可以有效控制電渣重熔鋼錠的由于偏析所析出的有害相含量，從而提高鋼錠質(zhì)量。
　　 在現(xiàn)場的電渣重熔實驗表明，模型計算的金屬熔池形狀和深度與硫印實測情況吻合較好，說明模型是比較準確的。對現(xiàn)場實驗的Cr5冷軋輥電渣鋼錠進行解剖分析后發(fā)現(xiàn)，電渣鋼錠的大部分

11、元素宏觀偏析率基本能夠控制在0.95～1.05范圍內(nèi)，氣體含量也較低，滿足鋼種的要求。由鋼錠的邊緣到中心，鋼錠的二次枝晶間距不斷增大，所檢驗出最大二次枝晶間距為557μm。Cr5冷軋輥用鋼電渣鋼錠中所出現(xiàn)的碳化物相含量由鑄錠的邊緣到中心不斷增多，并且顆粒度也逐漸加大，這與枝晶間距的增大息息相關(guān)。因此，以枝晶間距大小作為衡量鑄錠凝固質(zhì)量的一個標準是可行的。經(jīng)過SEM分析發(fā)現(xiàn)，Cr5電渣鋼錠中所析出的碳化物豐要為M7C3和MC型碳化物。