电渣重熔过程中氢的传递行为

电渣重熔过程中氢的传递行为

重氮计作为一种精炼手段，在优质钢产量方面具有独特的优势。它以其优良的冶金反应条件及独特的凝固结晶过程,可以有效地去除金属中的各种有害夹杂,改善金属的凝固质量。但是,在电渣重熔过程中,对于氢情况却相反,不但不能有效地去除,而且还存在着增氢现象,特别是对于大型铸锭,这一现象更加严重。众所周知,氢在钢中有很大的危害,可以产生白点等缺陷,严重影响着钢材的性能。因此,必须弄清楚电渣重熔过程中氢的行为,找出相应的控制方法。1炉渣与铁边界层中氢的变化在电渣重熔过程中,铸锭中氢的增加受到大气-炉渣界面的影响。在大气-炉渣界面上形成的边界层中,大气中水蒸汽与渣中的氧离子反应形成的OH-通过边界层的扩散决定着钢中氢的变化。而氢在炉渣与液态金属中的分配基本上处于平衡状态,这主要是电极熔化形成的小液滴表面积很大,能够与炉渣充分地接触,因此氢在这两者之间基本上处于平衡状态。氢的反应模型如下。(1)oo2k1{H2O}+O2−⇔2(OH−)i(1)ai(OH−)=PH2O⋅αO2−×k1−−−−−−−−−−−−−−√(2){Η2Ο}+Ο2-⇔2(ΟΗ-)i(1)a(ΟΗ-)i=ΡΗ2Ο⋅αΟ2-×k1(2)如果渣中含有水分,也会发生这样的反应。(2)电渣过程中oh-的传递速率2(OH-)+Fe2+⇔Fe+2[O]+2[H](3)α(OH−)=αH⋅αO/k2⋅αFe2+−−−−−−−−−−√(4)α(ΟΗ-)=αΗ⋅αΟ/k2⋅αFe2+(4)Fe2++O2-⇔Fe+O(5)k0·αO2-=α0(6)在气-渣界面上,OH-的传递速率η:η=k·β·(S-s)(αiOH--αOH-)(7)β=w(OH-)/α(OH-)式中k——传质常数S——结晶器的截面积s——电极的截面积大气中的湿度或者炉渣中水分的高低决定了OH-的传递速率,也就决定了铸锭中的w(H)。氢在电渣重熔过程中的传递行为如图1所示。因此,电渣过程中氢的来源可以归纳为:1)电极中的w(H);2)渣中吸收的水分;3)大气中的水分;4)电极和结晶器冷表面上冷凝的水分。2电极中wh的影响H.Jaeger通过试验得出了电极中w(H)与铸锭中w(H)的关系,如图2所示。从图2中可以看出,当电极中的w(H)小于7×10-6时,重熔过程铸锭中的w(H)会增加,而当电极中的w(H)大于7×10-6时,这时电渣过程就是脱氢过程,重熔锭中的w(H)就会减少。在一般的炼钢过程中,电极经过脱气以后,w(H)都比较低,不会超过7×10-6,因此,电渣过程实际上就是一个增氢的过程,对于氢敏感的钢来说,这一点是非常不利的。3减少空气中的水分T.Niimi曾经研究了大气中不同的水分压下铸锭中的w(H)。发现在重熔过程中,金属熔池中的w(H)是渣池上面水的蒸汽压的函数。w(H)与蒸汽压的平方根成比例关系。当PH2O−−−−√ΡΗ2Ο为532～665Pa时,w(H)也是4×10-6～5×10-6。随着ΡH2O的降低,w(H)也随之降低。因此,为了防止重熔过程中氢的增加,减少空气中的水分(干燥空气或者其他气体保护重熔)是有效的措施。日本新日铁公司在重熔40t板锭时,曾对铸锭中氢的行为进行了仔细的研究,分3种情况对氢进行了分析:(1)在保护气体下重熔(新渣),用氩气或者氮气做保护气氛;(2)用返回渣进行重熔(CaF2-Al2O3-CaO-SiO2四元渣系);(3)在保护气体下用返回渣重熔。结果如图3所示,在冶炼开始阶段,铸锭中w(H)较高,经过一段时间以后,w(H)达到一个稳定的状态。在气体保护下(新渣)重熔时,金属熔池中初始w(H)最高,冶炼完成以后,w(H)仍然高于2×10-6。用返回渣重熔时次之,而在气体保护下用返回渣重熔时效果最佳,初始的w(H)就控制得较低,最终的w(H)可以控制在1×10-6以内,这足以满足大多数钢的需求。因此除了控制大气中的湿度以外,在重熔之前尽可能地去除渣中的水分是非常重要的。德国在用电渣重熔165t重的圆锭时,由于采取了适当的工艺措施,相对于电极而言,铸锭中的w(H)几乎没有增加。4渣中不同成分对氢脆的影响炉渣中不同的成分会对铸锭中的w(H)产生很大的影响。当渣中含有CaO时,渣中自由氧离子活度较高,并且CaO是易吸水物质,与大气中的水蒸汽,结晶器壁上的冷凝水及渣中结晶水反应形成负离子OH-溶于渣中,再进一步H溶于钢中。如图4所示,随着渣中w(CaO)的增加,铸锭中w(H)也增加,而渣中含有适当的SiO2时,则起到防氢的作用。因此,在电渣重熔过程中,搞清楚组元的成分对氢行为的影响至关重要。文献中也介绍了渣中不同成分对氢的影响,如图5所示。在该渣系中靠近高碱度即高w(CaO)的区域具有高的水容量,而当w(SiO2)增加时水容量减少。因此当渣中的w(CaO)高时,必然增大渣的水容量,从而增加铸锭的w(H)。在生产中,应该尽量控制渣中石灰的用量,特别是在潮湿地区。5减少电极重熔大气湿度、渣中的水分、电极的w(H)及炉渣成分对铸锭中的氢有重要的影响。为了防止重熔过程中氢的增加,应该采取以下措施:(1)尽量降低电极中的原始w(H),有