（钢铁冶金专业论文）抽锭式电渣重熔过程新渣系的开发研究.pdf

_ - _ _ _ _ _ _ _ 一 ad i s s e r t a t i o ni nf e r r o u sm e t a l l u r g y d e v e l o p m e n t a n dr e s e a r c ho fn e w s l a g so f 一一e l e c t r o s l a gr e m e l t i n gp r o c e s sw i t hw i t h d r a w i n g o fi n g o t b yp e n gh a o s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rj i a n gz h o u h u a n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 ，lj 弋卜r * 一r l 义 _，1lfp 一 莨， j 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 寸l 髫 多弓办 e t期沙扩7 、7 2 - 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： _ 1 u _ 1 ， ， 东北大学硕士学位论文 摘i - 抽锭式电渣重熔过程新渣系的开发研究 摘要 降低电耗、减少污染、提高生产率及提高铸锭质量是电渣重熔技术的发展 趋势，而新渣系的开发和应用是解决上述问题的关键。 本课题在查阅电渣冶金相关文献的基础上，针对抽锭式电渣重熔过程，包 括电渣连铸工艺和大型板坯电渣重熔工艺设计出实验型新渣系，然后在实验条 件下测试新渣系的熔化温度特性，粘度特性和结晶温度；并采用经验公式计算 出新渣系的密度、光学碱度等物理化学性质参数，对测试和计算的结果进行综 合分析，并结合实际生产的反馈情况，对渣系的组成进行调整，从而开发出有 实际生产意义的抽锭式电渣重熔用新渣系。 ( 1 ) 电渣连铸的新渣系开发 电渣连铸过程中，为解决表面质量问题，夹杂物超标和耗电量过多问题。 设计新渣系l 1 、l 2 、l 3 、l 4 。通过对设计和研究的四组渣系物性参数的测算 和分析，渣系l l 、l 3 、l 4 的熔点比传统电渣重熔用渣a n f 6 的熔点低；l 1 、 l 2 、l 4 渣系的高温粘度稳定性好于a n f 6 渣系，其中l 1 ，l 4 属于长渣渣系； 四组渣系与a n f 6 渣系的密度相差不大；四组渣系的光学碱度均比a n f 6 渣 系稍大；四组渣系电导率都低于a n f 6 渣。经分析，l 1 、l 4 渣系能满足生产 要求。选择l l 渣系进行工业实验，生产出的圆坯表面光滑。低倍检验中各缺 陷均符合国家标准，钢锭成分，夹杂物亦满足产品要求。 ( 2 ) 大型板坯电渣重熔用渣系开发 大型板坯电渣重熔过程中，存在铸锭氢含量超标，表面有缺陷等问题。本 课题针对大型板坯电渣生产设计渣系s 1 、s 2 、s 3 、s 4 并测试和计算其物理化 学性能，并与传统a n f 6 渣比较。四组渣系的熔点都低于a n f 一6 渣；四组新 渣系在13 5 0 - - 15 0 0 范围内粘度稳定性好于a n f 6 渣系，但s1 渣系的粘度一 温度拐点较明显；四组渣系在密度方面与a n f 一6 渣系相差不大；四组渣系在密 度方面与a n f 一6 渣系相差不大；四组渣系的光学碱度均比e s r 常用渣a n f - 6 高；s 3 、s 4 渣系结晶开始温度较低，较适合大型板坯电渣重熔。综合考虑，s 3 、 s 4 渣系能满足生产要求。选择s 3 渣系进行工业实验，结果所设计的新渣系不 i i 东北大学硕士学位论文 摘要 仅能够满足实际生产要求，而且新渣系的采用大大的提高了电渣钢锭的探伤合 格率；使铸锭表面质量也得到了很大改善。冶炼钢锭的低倍组织和夹杂物符合 国家标准、偏析在允许范围内。 关键词：渣系；熔化温度；电渣重熔；粘度；电渣连铸；大型板坯 i i i d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho f n e w s l a g so f e l e c t r o s l a gr e m e l t i n gp r o c e s sw i t hw i t h d r a w i n g ori n g o t a bs t r a c t d e c r e a s i n gp o w e rc o n s u m p t i o n ，r e d u c i n gt h ep o l l u t i o n ，r a i s i n gp r o d u c t i v i t y a n di m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fi n g o t sa r et h et r e n do fd e v e l o p m e n to fe l e c t r o s l a g r e m e l t i n gt e c h n o l o g y t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h en e ws l a g sa r et h e k e yt os o l v et h ep r o b l e m sa b o v e b a s e do nc o n s u l t i n gal o to fr e f e r e n c e sa b o u te l e c t r o s l a gr e m e l t i n g ，t h en e w e x p e r i m e n ts l a gs y s t e m sa r ed e s i g n e df o re l e c t r o s l a gp r o c e s sw i t hw i t h d r a w i n go f i n g o t ，i n c l u d i n ge l e c t r o s l a gr e m e l t i n g o f l a r g e s l a b i n g o t s a n d e l e c t r o s l a g c o n t i n u o u sc a s t i n g ( e s c c ) t e c h n o l o g y t h et e s td e v i c e so fm e l t i n gt e m p e r a t u r e ， v i s c o s i t yp r o p e r t i e sa n dc r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r em a d eb yt h e f e r r o u sm e t a l l u r g y i n s t i t u t e ，n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y ，w e r eu s e dt om e a s u r et h em e l t i n gt e m p e r a t u r e ， v i s c o s i t yp r o p e r t i e sa n dc r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r eo ft h en e wa n do r i g i n a ls l a g s t h ep a r a m e t e r so fp h y s i c a lc h e m i s t r yp r o p e r t i e so ft h en e wa n do r i g i n a ls l a g ss u c h a st h ed e n s i t ya n do p t i c a lb a s i c i t yw e r ec a l c u l a t e db yt h ee m p i r i c a le q u a t i o n s a f t e r a n a l y z i n gt h em e a s u r e da n d c a l c u l a t e dv a l u e s ，c o m b i n i n gw i t ht h ee f f e c to f p r a c t i c a lp r o d u c t i o n ，t h ec o m p o s i t i o no ft h es l a g sw a sa d j u s t e dt od e v e l o pt h e n e w s l a g sf o rp r a c t i c a lp r o d u c t i o n ( 1 ) d e v e l o p m e n to f t h es l a g sf o rt h ee s c cp r o c e s s t h e r ew e r es o m ep r o b l e m ss u c ha ss u r f a c eq u a l i t y ，o v e r p r o o fo fi n c l u s i o n s a n dh i g hp o w e rc o n s u m p t i o ni ne s c cp r o c e s s n e ws l a g s ，l 1 ，l 2 ，l 3 ，l 4w e r e d e s i g n e dt os o l v ea b o v ep r o b l e m s t h ep h y s i c a lc h e m i s t r yp r o p e r t i e so ft h en e w s l a gw e r eo b t a i n e dt h r o u g he x p e r i m e n tt e s t i n ga n dc a l c u l a t i o n t h em e l t i n gp o i n t s o fn e ws l a g sl 1 ，l 3 ，l 4w e r ea l ll o w e rt h a nt r a d i t i o n a la n f 一6s l a gs y s t e m i nh i g h i v 矗， 。 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t e m p e r a t u r e ，t h ev i s c o s i t ys t a b i l i t yo fa l lt h en e ws l a g sw e r eb e t t e rt h a na n f 6 ： e s p e c i a l l yl 1 ，l 4s l a gs y s t e m sw h i c hw e r el o n gs l a g s t h ed e n s i t i e so ff o u rs l a g s y s t e m sw e r es i m i l a rt oa n f 一6 t h eo p t i c a lb a s i c i t yo ff o u rs l a gs y s t e m sw a sa l i t t l eh i g h e rt h a nt h a to fa n f 一6 t h ec o n d u c t i v i t yo ff o u rs l a gs y s t e m sw a sl e s s t h a nt h a to fa n f - 6 l 1 ，l 4s l a g sw e r em o r es u i t a b l ef o rp r o d u c t i o n s ol 1 s l a g s h a v eb e e nu s e dt op r a c t i c a lp r o d u c t i o n t h es u r f a c eo f p r o d u c e dr o u n db i l l e tw a s s m o o t h t h em a c r o s c o p i ce x a m i n a t i o no fb i l l e tm e tn a t i o n a l s t a n d a r d s t h e c o m p o n e n ta n di n c l u s i o na l s om e tr e q u i r e m e n t s ( 2 ) d e v e l o p m e n to ft h es l a g sf o re l e c t r o s l a gr e m e l t i n go fl a r g es l a bi n g o t s t h e r ew e r es o m ep r o b l e m ss u c ha so v e r p r o o fo fh y d r o g e nc o n t e n ta n ds u r f a c e b l e m i s hi nt h ep r o c e s so fe l e c t r o s l a gr e m e l t i n go fl a r g es l a bi n g o t s n e w s l a g ss1 s 2 ，s 3 ，s 4w e r ed e s i g n e d ，t h ep h y s i c a lc h e m i s t r yp r o p e r t i e so fw h i c hw e r et e s t e d a n dc a l c u l a t e d c o m p a r e dt oa n f - 6 ，t h em e l t i n gp o i n t so fn e ws l a g sw e r el o w e r d u r i n g1 3 5 0 1 5 0 0 。c ，v i s c o s i t ys t a b i l i t yo fn e ws l a g sw a sb e t t e rt h a na n f 6 b u t t h ec u r v eo fs1 i nt 1 - td i a g r a mt u r n e d s h a r p l y a tc e r t a i nt e m p e r a t u r e t h e d e n s i t i e so fn e ws l a g sw e r es i m i l a rt ot h a to fa n f 6 c o m p a r e dt o a n f 6 t h e o p t i c a lb a s i c i t yo fn e w s l a g s w a sh i g h e r t h e b e g i n n i n gt e m p e r a t u r e o f c r y s t a l l i z a t i o no fs 3 ，s 4w a sl o w e r ，w h i c hi sm o r es u i t a b l e t a k i n ga l li n t oa c c o u n t s 3 ，s 4w e r es u i t a b l e t h es 3s l a gh a sb e e nu s e dt op r a c t i c a l l yp r o d u c t i o n n o to n l y c o u l dt h es l a g sm e tt h en e e d s ，b u tr o s et h ep e r c e n to fp a s so fd e t e c t i o n a n dt h e s u r f a c eq u a l i t yw a si m p r o v e d t h em a c r o s c o p i ce x a m i n a t i o na n di n c l u s i o no ft h e i n g o tm e tt h en a t i o n a ls t a n d a r d s ，a n dt h es e g r e g a t i o nw a su n d e rc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：s l a gs y s t e m ；m e l t i n gp o i n t ；e l e c t r o s l a gr e m e l t i n g ；v i s c o s i t y ； e l e c t r o s l a gc o n t i n u o u sc a s t i n g ；l a r g es l a bi n g o t s v 一 东北大学硕士学位论文 目 录 目录 声明一i 摘要i i a b s t r a c t i v 第1 章绪论1 1 1 课题的背景1 1 2 课题的研究内容及意义2 第2 章文献综述j 3 2 1 电渣重熔的发展历史3 2 1 1 国外抽锭式电渣重熔技术发展3 2 1 2 国内抽锭式电渣重熔技术开发5 2 2 电渣重熔用渣系的研究现状9 2 2 1 渣系的分类9 2 2 2 渣系在电渣重溶过程中的冶金作用1 0 2 2 3 电渣冶金过程的有关现象与渣系的物理化学性质的关系1 1 2 2 4 无氟渣的开发与应用16 2 2 5 电渣重熔过程中的氢17 2 2 6 电渣重熔过程中易氧化元素的烧损问题19 2 2 7 电渣重熔过程中夹杂物的行为2 0 ”2 3 文献评述2 3 第3 章抽锭式电渣重熔渣系的设计原则2 4 3 1 电渣冶金过程对渣系的要求2 4 3 2 电渣重熔用渣其渣组元的确定2 4 3 3 电渣重熔用渣系各组元含量的确定2 6 第4 章电渣连铸的新渣系开发2 8 4 1 电渣连铸渣系设计中需考虑问题和开发依据2 8 4 2 设计和研究的渣系2 9 东北大学硕士学位论文目录 4 3 渣系物性测试、计算及结果分析2 9 4 3 1 渣系熔化温度特性的测试2 9 4 3 2 渣系粘度的测定3 2 4 3 3 渣系密度的计算3 6 4 3 4 渣系光学碱度的计算3 7 4 3 5 渣系电导率的计算3 8 4 4 渣系的工业试验4 0 4 4 1 电渣连铸钢锭的相关分析4 0 4 5 本章小结4 4 第5 章大型板坯电渣重熔用渣系开发4 5 5 1 大型板坯电渣重熔用渣系设计中需考虑问题和开发依据4 5 5 2 设计和研究的渣系4 6 5 3 渣系物性测试、计算及结果分析4 6 5 3 1 渣系熔化温度特性的测试4 6 5 3 2 渣系粘度的测定4 7 5 3 3 渣系密度的计算4 9 5 3 4 渣系光学碱度的计算4 9 5 3 5 渣系电导率的计算5 0 5 3 6 熔渣结晶温度的测定5 1 5 4 渣系的工业实验5 3 5 4 1 渣系的确定5 3 5 4 2 渣系应用结果5 4 5 5 本章小结5 9 第6 章结论6 0 参考文献6 2 二 致谢j 6 7 作者简介6 8 本论文包含图、表、公式及文献一6 9 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 课题的背景 第1 章绪论 随着科学技术和现代工业的发展，对各种金属材料的需求量日益增大，对 其质量和性能的要求也不断提高，在许多地方都要求使用优质合金钢或者特种 合金。电渣重熔工艺是目前生产特种合金和优质合金钢的常用手段，高温合金 和冷轧辊坯就是典型的应用例子。电渣重熔的优越性【l 】包括： ( 1 ) 性能的优越性。电渣产品金属纯净、组织致密、成分均匀、表面光洁， 产品使用性能优越。 ( 2 ) 生产的灵活性。电渣重熔可以生产圆锭、方锭、空心锭等。 ( 3 ) 工艺的稳定性。质量与性能再现性高。 ( 4 ) 经济的合理性。设备简单、操作方便、金属成材率高。 ( 5 ) 过程的可控性。过程控制参量少，目标参量易达到，便于自动化。对 产品微量化学成分、夹杂物的化学成分、夹杂物的形态和性质、晶粒尺寸、结 晶方向、显微偏析、碳化物颗粒度及结构都能不同程度予以控制。 综上可以看出电渣重熔技术在现代工业生产中有着不可取代的重要性。在 现代工业材质生产中，电渣重熔的优点得到了充分的发挥和利用。但是电渣重 熔也存在着局限性【1 1 ，概括如下： ( 1 ) 电耗较高。世界各国电渣重熔电耗一般为1 3 0 0 - 1 6 0 0 k w h t ，这大大 增加了钢材的生产成本。 ( 2 ) 氟的污染。电渣渣料中含较多的c a f 2 ，会逸出h f 、s i f 4 、s f 6 等有 害气体，危害工人健康，造成环境污染。 ( 3 ) 批量少，管理不便。电渣重熔一炉一个钢锭，批量小，检验量大，不 便管理。 如何发展电渣重熔技术的优越性，改进与消除其不足之处，一直是电渣重 熔技术发展道路上的主要课题。降低电耗、减少污染、提高生产率及提高铸锭 质量是电渣重熔技术发展的趋势，而新渣系的开发和应用是解决上述问题的关 键因素之一。 e s r 广泛使用的渣系是a n f 6 渣( 7 0 c a f 2 3 0 a 1 2 0 3 ) ，又称作“三七渣”， 它具有较好的综合工艺性能及一定的脱硫、去除夹杂物的能力，但在使用过程 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 中存在一些缺点【2 】： ( 1 ) 渣的比电阻低，熔渣发热量不足，重熔电耗高。 ( 2 ) 重熔过程中熔渣成分不稳定 ”，影响重熔工艺稳定性。 ( 3 ) 因含有大量的c a f 2 ，在重熔过程中产生大量有害的氟化物气体，不 仅有害操作人员健康，而且严重污染环境。 ( 4 ) 由于含有大量a 1 2 0 3 ，重熔钢中非金属夹杂物以脆性铝酸盐及刚玉为 主，影响钢的塑性和韧性。 正由于三七渣存在上述缺点，因此冶金工作者不断研究其它的二元渣系及 在二元渣系基础上添加c a o 、s i 0 2 、m g o 等，不断开发三元、四元、五元渣系， 探索综合性能更好的电渣重熔渣系。本课题就是针对电渣连铸工艺和大型板坯 电渣重熔过程，开发新的e s r 渣系。 1 2 课题的研究内容及意义 本课题的研究内容分为两部分： ( 1 ) 电渣连铸过程中，由于抽锭容易产生渣池中温度场波动，这种温度场 的变化是频繁发生，对渣皮厚度的均匀性将产生不利影响。此外，由于固态渣 皮承受着来自结晶器壁和钢锭表面两方面的摩擦阻力，在这个阻力作用下，渣 皮容易发生脆性断裂，使钢液从熔池流出，造成铸锭表面质量恶化。 针对电渣连铸工艺特点，开发出合理的渣系。在开发新渣系过程中，要对 所设计的渣系进行熔化温度、粘度、电导率、密度和碱度等相关物化参数的测 算，以保证所开发的渣系满足电渣连铸用渣的要求。 ( 2 ) 而在大型板坯电渣重熔产品中除了表面质量问题外，还存在氢渗透率 过高的问题。 根据大型板坯电渣重熔用渣系应具有的特点和目前存在的问题，确定渣系 组元，及各组元大致含量。然后对所开发渣系进行研究，主要从渣系的成分、 熔化温度、粘度、电导率、密度、结晶性能等物性参数进行综合考虑，开发出 合理的渣系。 2 东北大学硕士学位论文 第2 章文献综述 第2 章文献综述 2 1 电渣重熔的发展历史 电渣冶金发展史可追溯到美国霍普金斯( r k h o p k i n s ) 于19 4 0 年提出的“凯 洛电铸锭 专利( 美国专利号： n o 2 19 1 4 7 0 ) ，但由于独家封闭性生产，技术 落后，成分不均匀，一直未获推广【4 1 。19 5 8 年德聂泊尔特钢厂p 9 0 9 型工业电 渣炉( 1 t ) 投产并建车间【5 1 。欧美各国发展电渣冶金先后均引进前苏联巴顿电焊研 究院的技术。 我国冶金工作者在电渣焊的基础上开发出电渣重熔技术，于19 5 8 年12 月 9 日炼成合金工具钢和高速钢锭，我国电渣冶金从此诞生【6 】。4 0 多年来，我国 电渣冶金规模不断扩大，技术不断创新。我国最早发明有衬电渣重熔炉，早在 19 6 7 年就已经掌握了电渣熔铸变断面铸件工艺；6 0 年代建成双支臂交替工作、 连续抽锭电渣重熔炉；19 8 1 年上海重型机械厂与北京钢铁学院合作建成2 0 0 吨 三相六电极电渣炉。此后还相继发明了感应电渣炉和感应电渣离心浇注技术 【7 9 】 o 到2 0 0 0 年我国所有特殊钢厂都有电渣重熔车间，冶金系统有工业电渣炉 8 6 台，年生产能力10 万吨：小型电渣炉遍及全国，从结晶器消耗推算其年产量 约3 万吨，我国电渣冶金产量在世界上名列前茅【10 1 。 2 1 1 国外抽锭式电渣重熔技术发展 快速电渣重熔是在早年t 形结晶器多流电渣重熔( m u l t i p l es t r a n dt m o u l d e s r ) 】基础上发展起来的，前苏联镰刀斧头厂采用多流电渣重熔，同时抽出 4 根15 0 m m 的轴承钢g c r l5 方坯【l2 1 ，美国c o n s a r c 公司多流电渣重熔同时抽出 3 根m 2 高速钢坯【1 1 ，1 3 。5 1 。当时着眼点是：用大断面铸锭作电极，一次重熔出 多根小断面坯，省去开坯工艺，而重熔速度提高幅度有限【lj 。 奥地利h o l z g r u b e rw 【1 6 】在a c c i a i e rv a l b u n a 进行大量试验，开发快速电渣 重熔技术，对1o o 3 0 0 m m 的小型铸坯，熔速提高到3 0 0 - - 10 0 0 k g h ，使熔速 与结晶器直径之比约为3 1o 。其原理如图2 1 所示，采用t 形结晶器，重熔 大断面电极，在结晶器壁上嵌入导电元件，使电源电流通过自耗电极一渣池流 3 东北大学硕士学位论文 第2 章文献综述 入一导电元件一返回变压器，如此改变了结晶器热分配。使钢一渣熔池界面远 离电极端头，熔化金属液滴温度是接近液相线滴汇聚于金属熔池，使金属熔池 深度与输入功率无关。此外铸锭自t 形结晶器中抽出，空气中受空气对流冷却。 而固定式结晶器重熔时，铸锭收缩与结晶器内壁形成气隙对冷却不利。 图2 1 电渣快速重熔原理 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fe s r r 2 0 0 2 年奥地利i n t e c o 公司在电渣快速重熔的基础上添加了一个特殊的自动 控制装置实现了连铸电渣快速重熔( c c e s r r ) 技术。根据钢水液面检测信 号来控制两个驱动辊和四个导向辊，可以实现连续拉坯。其原理如图2 2 所示。 黝 钞f 铹舻 铲 ：勰麓黔- _ h 棚h - 镕镡爱；麟 镕缓* ； 飞。 j 崧。 黧瓣爹二茹一影 ；搋 日i 嘲蜘档 i _ m ? m l 能女嘲 图2 2 连铸电渣快速重熔示意图 f i g 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fc c - e s r r 一4 东北大学硕士学位论文 第2 章文献综述 2 1 2 国内抽锭式电渣重熔技术开发 ( 1 ) 电渣连铸 随着电渣重熔技术的广泛应用，在熔炼小直径钢锭时其熔速低、成本高、 成材率低等主要缺点也逐步暴露出来。改善和消除其局限性，一直是电渣冶金 技术发展的主要课题。在传统的电渣重熔过程中，重熔速度是依据熔化速度与 重熔锭直径之比不超过1 的原则来控制的。对于一些易偏析合金，这一比值甚 至到了0 6 5 0 7 5 t 1 7 】。这样重熔小钢锭时熔炼速度就很慢，造成冶炼费用相当 高。在此基础上，电渣连铸技术和应运而生。 国内钢铁研究总院在9 0 年代曾采用t 形结晶器开发过快速电渣重熔技术， 在重熔过程中用金属探尺测金属液位，由于金属探尺信号受液滴带电滴落干扰， 滤波问题未最后解决而搁置【1 7 】。 2 0 0 2 年，东北大学钢铁冶金研究所在结合电渣重熔和连铸技术优点的基础 上，采用双极串联、放射线法监测钢水液面、连续拉坯等技术，在国内首次成 功地开发了电渣连铸( e s c c ) 技术【1 8 】。解决了电渣重熔钢锭直径小于3 0 0 m m 时“效率低、费用高”的难题。通过对实验用2 0 # 钢及不锈钢重熔小方坯的低 倍、高倍、夹杂物检验等分析表明，电渣连铸技术生产的方坯表面质量和内部 质量良好。其基本原理如图2 3 所示。因为电渣连铸省去了大锻造比的开坯的 过程，故每吨成本降低约3 0 0 0 元左右，若以我国每年生产1 万吨w 9 m 0 3 c r 4 v 钢来计算，如都改用电渣连铸生产，不仅可以获得较高质量产品，总共亦可以 节省成本约3 0 0 0 万元。 5 - 东北大学硕士学位论文 第2 章文献综述 l 一自耗电极；2 一水冷t 形结晶器；3 一渣池；4 一金属液面检测装置；5 一金属熔池；6 一 重熔方坯；7 一拉坯机构；8 一切割装置 图2 3 电渣连铸原理 f i g 2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fe s c c ( 2 ) 大型板坯电渣重熔 电渣重熔大型板坯产品市场需求19 1 。 1 ) 模具钢 目前，国内外高端模具钢大都采用双真空精炼、电渣重熔、钢锭高温均匀 化处理、大压下量多向锻造或多向轧制等先进工艺，但国内只有少数钢厂能够 生产。 模具钢市场年需求板材2 5 万吨。其中热作模具钢h 13 每年进口量约2 万吨， 塑料模具钢p 2 0 、7 1 8 每年进口量约6 万吨。 利用电渣重熔，生产顶替锻件的高端h 13 、p 2 0 、7 18 类模具板的厚度有望 达到4 1 0 r a m 。 2 ) 锅炉容器钢 目前，我国锅炉、压力容器制造企业年需钢材1o o 万吨，厚度15 0 m m 以上 钢板年需求量在10 万吨左右。有些高技术含量、高质量的低温钢、中温抗氢钢、 正火高强度钢在规格上无法满足用户需求，仍然依靠进口。其中s a 2 9 9 、b h w 3 5 6 东北大学硕士学位论文第2 章文献综述 钢板2 3 万吨，厚度1 0 0 m m 左右的临氢c r m o 钢，年需求量在3 0 0 0 一- - 6 0 0 0 吨。锅炉压力容器行业的特殊需求品种及规格见表2 1 。 表2 1 特殊需求品种及规格 t a b l e2 1v a r i e t i e sa n ds p e c i f i c a t i o n so fs p e c i a lr e q u i r e m e n t sf o rp r e s s u r ev e s s e la p p l i c a t i o n 利用电渣重熔，将能够生产单重达到3 6 吨的优质大单重钢板，满足锅炉容 器行业的需求。 3 ) 核电用钢 预测表明，在未来十几年里，中国的核发电容量将增加6 倍，核能发电比 例将从目前的1 6 扩大到4 ，即达到3 2 0 0 4 0 0 0 万千瓦。国内将陆续兴建百 万千瓦级核电站约31 座。核电站用钢的典型需求见表2 2 。 表2 2 核电站用钢的典型需求 t a b l e2 2t y p i c a lr e q u i r e m e n t so fs t e e lf o rn u c l e a rp o w e rs t a t i o n 核电站用钢年需求量在万吨以上。利用电渣重熔，将能够生产优质大单重 钢板，满足核电工程的需求，促进重大工程国产化的实现。 4 ) 军工用钢板 军船用钢板可分为水下潜艇用钢( 9 8 0 、9 2 1 a 、9 2 1 a 球扁钢、9 2 2 a 、9 2 3 a 等) 和水面舰艇用钢( 9 4 5 、9 4 5 球扁钢、9 0 7 a 、9 0 7 a 球扁钢和9 0 3 等) 。 潜艇耐压壳体的主要钢种有9 8 0 钢和9 10 0 钢。此类钢成品的年需求量约 4 0 0 0 吨，极限尺寸约为l2 0m m 3 5 0 0m m 12 0 0 0m m ，单重3 9 5 6 4 吨。拥有 7 东北大学硕士学位论文第2 章文献综述 电渣重熔生产线，可具备对类似潜艇用钢板的生产能力。 5 ) 其它大厚度大单重优质高性能钢板 对用于大型水电设备的钢板厚度3 5 0 m m 且要求s e l 0 7 2i 级的钢板，厚度 3 0 0 m m 且要求z 3 5 级z 向性能的钢板，单重大于2 5 吨的其它大单重钢板，及 厚度大于1 2 0 m m 的要求国标探伤i 级的特殊低合金钢板等，采用电渣重熔钢锭 来生产都是一条可行的工艺路线。 国内生产特厚板时存在以下问题： 1 ) 连铸坯无法满足厚度的需要。 2 ) 模铸扁锭虽然能够满足厚度的要求，但其凝固质量差，无法满足高质量 厚板的要求，由模铸生产的扁锭纯净度低，而且国内厚板轧机普遍存在着轧 制压力偏低，控温、控轧设备不完备，热处理设备不完善，造成钢板强度级 别不足，易出现钢板内部探伤缺陷不合。 3 ) 即使一般质量要求的特厚板，对于全连铸生产企业，单独建设模铸生产 线，由于产量低，也是不经济的。 基于上述原因，采用更合理的工艺技术生产特厚板势在必行。而电渣重熔 大板坯正好具有可以弥补以上不足的良好的优越性。 电渣重熔大型板坯技术的基本原理如图2 4 所示。与传统的电渣重熔技术 一样，在铜制水冷结晶器中加入固态或液态炉渣，将自耗电极的端部插入其中。 当自耗电极、炉渣、自耗电极通过短网与变压器形成供电回路时，将有电流从 变压器输出并通过熔渣。由于熔渣具有一定的电阻，占据了大部分压降，从而 在渣池中形成大量的热量，将插入其中的金属电极熔化。熔化的金属液滴从电 极端部滴落，穿过渣池汇聚于金属熔池，在水冷结晶器的强制冷却下逐渐凝固 形成铸坯，同时结晶器被连续地抬起。 传统的特厚板生产是靠模铸得到钢锭，然后经过预热、锻造或初轧开坯， 热处理等工序最后进行轧制形成特厚板产品。传统的生产工艺已经越来越不能 满足以“提高质量、提高效率、降低成本”为目标的生产工艺要求，于是便开始 寻求新的生产工艺。由于采用电渣重熔大型板坯工艺生产大断面的钢锭，减去 了锻造或初轧开坯工序。 一8 - 东北大学硕士学位论文 第2 章文献综述 3 6 1 一自耗电极；2 一渣池：3 一金属熔池；4 一结晶器：5 一铸锭；6 一二次冷却装置 图2 4 大型板坯电渣重熔技术原理 f i g 2 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fe s r f o rs l a bi n g o t s 采用电渣重熔钢锭来生产大单重钢板，进行冶炼工艺技术研究，开发出一 套完善的工艺和设备运行参数，并尽快投入批量生产，生产出具有优异的表面 质量、内部质量、高的纯净度、高的成分及性能均匀性的新品种，对企业增加 经济效益和提高市场竞争能力都将起到至关重要的作用。 2 2 电渣重熔用渣系的研究现状 2 2 1 渣系的分类 按照渣系酸碱性分类，电渣重熔用渣可分为酸性渣和碱性渣。一般来说， 碱性渣由于c a o 含量较高，因此脱硫效果良好，但它具有较高的透气性，使钢 中气体含量增高。酸性渣对脱硫、去磷不利。更重要的是碱性渣系重熔出来的 钢，钢中非金属夹杂物粗大、坚硬、不易变形，在钢中构成应力集中影响钢的 塑韧性。而酸性渣重熔出来的钢，钢中非金属夹杂物具有塑性并能和金属在加 工过程中一起变形，不会导致局部应力集中，因此，非金属夹杂物对钢的物理 性能的影响酸性炉钢比碱性炉钢小。 按照炉渣组元划分可分为二元、三元、四元、五元炉渣。 按照其组元是否含有c a f 2 划分可分为含氟渣和无氟渣。 o 东北大学硕士学位论文第2 章文献综述 2 2 2 渣系在电渣重溶过程中的冶金作用 炉渣在电渣冶金中起着十分重要的作用【2 0 1 ，概括起来主要有以下几方面。 ( 1 ) 发热体的作用 在电渣炉通电工作时，渣池相当于一个电阻元件即发热体。变压器输出的 电能大部分在渣池中转变成热能，从而使渣池能保持很高的温度导致电极熔化。 另外，渣池对钢锭来说又是保温帽，为钢锭凝固创造顺序结晶条件，避免缩孔、 气孔和偏析等缺陷产生。为了保持合理的熔化速度和钢锭的内部与表面质量， 要求渣池的发热速度和传热速度均在一个合理的范围内变化。这不仅与电参数 有关，而且与炉渣的性质密切相关。炉渣的电导率对渣池发热量及发热密度分 布有重要影响，炉渣的粘度、导热系数和黑度对渣池的散热影响很大。因此， 要求渣池的电导率、粘度和导热系数有一定适宜值。 ( 2 ) 精炼作用 在电极熔化末端，熔滴形成和落下，渣池与金属熔池界面上，熔渣与金属 液之间要发生一系列的物理化学反应，如脱硫、去气和去非金属夹杂物，钢中 活泼元素的氧化或某些氧化物的还原等反应，从而对钢的洁净度和化学成分的 控制产生重要影响。炉渣的成分及其物理化学性质对渣一金之间的各种物理化 学反应起决定性作用。 ( 3 ) 成型作用 在电渣重熔过程中由于结晶器的强制水冷，在渣池与结晶器的交界处，熔 渣被冷却凝固成一个固态渣皮。这个固态渣皮的存在一方面起到绝缘作用，可 有效防止电流由渣池流向结晶器壁再从金属熔池和底水箱流出，从而提高电流 效率和防止结晶器壁打弧击穿，另一方面固态渣皮可以减少渣池、熔池和钢锭 的径向热损失，使热流和结晶趋向轴向发展，有利于提高钢的结晶质量。电渣 锭与结晶器之间的渣皮的存在不仅有利于保证钢锭表面光滑而且能起润滑作 用，对于脱锭特别是电渣抽锭工艺十分重要。熔渣粘度和熔化温度对渣皮厚度 起决定作用，而固态渣皮的导热系数和导电率对其隔热和绝缘效果有着至关重 要的影响，渣的粘度和界面性质与钢锭表面质量又密切相关。 以上作用对电渣钢的质量影响很大。而这些影响又与渣系的物理化学性质 密切相关。 1 0 东北大学硕士学位论文第2 章文献综述 2 2 3 电渣冶金过程的有关现象与渣系的物理化学性质的关系 日本学者荻野和巳总结了电渣重熔过程中和渣有关的现象与炉渣性质的关 系【20 1 ，如图2 5 所示。 电渣重熔过程可分为熔化、精炼、凝固三阶段。对于在熔渣中电极的熔化 过程来说，渣的电导率是最重要的影响因素，在熔滴的形成过程中，则与渣的 反应性能和界面性质有关。熔滴在渣中的滴落过程中，其运动则受渣的粘度、 界面能以及反应性能的影响。另外在渣壳的形成过程中，则与渣的粘度、界面 能、导热系数有关，在这种情况下，固体渣的性质也是很重要的。为了保证重 熔铸锭的质量、节约电耗，熔渣必须具备一些良好的物化性能。