CN103334015B

CN103334015B - 一种用于抽锭式电渣重熔制取空心锭的低污染节能渣系

Info

Publication number: CN103334015B
Application number: CN201310239951.XA
Authority: CN
Inventors: 姜周华; 陈旭; 刘福斌; 臧喜民
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2033-06-18
Also published as: CN103334015A

Abstract

一种用于抽锭式电渣重熔制取空心锭的低污染节能渣系，其成分按重量百分比为Al₂O₃15~25%，CaO30~40%，SiO₂8~14%，MgO1~3%，Na₂O0~3%，余量为CaF₂及不可避免杂质；其二元碱度CaO/SiO₂为2.5~5.0。本发明的渣系通过优化渣系组元，进一步改善渣系的相关性能，满足电渣重熔制取空心锭生产工艺的要求，保证重熔过程中钢元素的化学成分的稳定，良好的去除夹杂物能力，以及低的环境污染和低的电耗，即达到节能减排的效果。

Description

一种用于抽锭式电渣重熔制取空心锭的低污染节能渣系

技术领域

本发明涉及一种用于制取空心锭的预熔渣，特别涉及一种用于抽锭式电渣重熔制取空心锭的低污染节能渣系。

背景技术

随着核电、火电、水电、石化等工业的迅速发展，对筒形大锻件的尺寸要求越来越大、对质量要求越来越高；对厚壁管，特别是中、大口径无缝厚壁管、特厚壁管的需求也不断增加。传统上，这些空心锻件通常是通过对普通钢锭进行冲孔、扩孔等工序来获得，但这种做法工序复杂，锻造材料收得率低，造成大量的材料浪费。采用大型抽锭式电渣重熔炉可直接重熔出多种不同直径规格、长度可达6000mm甚至更长的空心钢锭，可节约材料费15%，加热费50％和锻造费30%。生产高合金大口径厚壁钢管一般采用“钢锭（坯）→冲孔→穿孔→轧管”的工艺线；如果采用空心钢锭，则可以形成“空心钢锭→空心锻制→轧管”的新工艺线，解决了高合金无缝钢管在皮尔格轧机直接穿孔，轧管难度大的技术难题。此举可大幅度降低大口径厚壁合金钢管的生产成本和生产周期；因此，采用电渣重熔生产大型空心钢锭的新技术应运而生。

采用抽锭式电渣炉不同于普通电渣炉，抽锭式电渣炉在重熔过程中结晶器与空心钢锭要持续作相对移动，熔渣既要起到精炼的作用又要起到润滑的功能；而普通电渣炉在重熔过程中结晶器是固定不动的，结晶器与钢锭之间没有相对运动，因此熔渣主要起到精炼作用。而用抽锭方式生产空心电渣钢锭，由于其与同等外径的实心钢锭相比，冷却强度大，凝固速度快，拉速增加，尤其是对壁厚较薄的空心锭来说，其拉速更快；另外，由于空心钢锭重熔时与普通实心钢锭的抽锭工艺相比，由于存在内结晶器，其钢锭凝固收缩形成对内结晶器的抱紧力，加上上述提及的拉速快等原因，抽锭式电渣重熔生产空心锭时产生的钢锭与内外结晶器的摩擦阻力大幅度提高，因此，对渣系性能的要求不仅有别于普通的固定式电渣炉，而且也有别于生产实心锭的抽锭式电渣炉生产工艺。

传统电渣重熔渣系，如70%CaF₂+30%Al₂O₃（ANF-6）、60%CaF₂+20%CaO+20%Al₂O₃和40% CaF₂+30%CaO+30%Al₂O₃等，由于上述渣系在冷却降温过程中产生结晶，由于结晶而导致其高温韧性很差；另外，在熔化温度附近其粘度随温度的降低会突然增加，因而称之为“短渣”，而抽锭式电渣重熔制取空心钢锭时，由于摩擦表面积增加，抽锭摩擦力大幅度增加，且渣皮不能在抽锭过程中起到足够的润滑作用，当抽锭速度过快时容易出现漏渣或漏钢现象，传统渣系不适合用于抽锭式电渣重熔的工艺条件。因此为了适合抽锭式电渣重熔工艺，在渣系中添加少量的SiO₂可以显著改善抽锭方式生产的电渣实心钢锭的表面质量和工艺操作的稳定性，避免钢锭表面出现明显的渣沟和结瘤，重皮等缺陷，开发一种新渣系，其熔化温度较低、粘度随温度变化小、具有较好的高温塑性以在抽锭过程中起到润滑作用减少摩擦力、防止漏渣和漏钢问题的出现、同时保证空心钢锭具有良好的内外表面质量是目前急需解决的问题。

发明内容

针对现有渣系存在的上述问题，本发明提供一种用于抽锭式电渣重熔制取空心锭的低污染节能渣系，通过调整渣系的成分，使渣系的粘度随温度的变化速率更小和具有良好的高温塑性等特点，且熔化温度较低，同时能够在使用过程中降低电能消耗、减少环境污染。

本发明的一种用于抽锭式电渣重熔制取空心锭的低污染节能渣系的成分按重量百分比为Al₂O₃15~25%，CaO30~40%，SiO₂8~14%，MgO1~3%，Na₂O0~3%，余量为CaF₂及不可避免杂质；其二元碱度CaO/SiO₂为 2.5~5.0。

上述的用于抽锭式电渣重熔制取空心锭的低污染节能渣系的熔化温度为1250~1320℃。

上述的用于抽锭式电渣重熔制取空心锭的低污染节能渣系在1600℃的电阻率为0.435~0.683Ω·cm。

本发明的用于抽锭式电渣重熔制取空心锭的低污染节能渣系的制备方法是采用萤石、石灰、工业氧化铝、电熔镁砂、硅石和碳酸钠为原料，混合后熔化并搅拌均匀，在1550~1580℃下精炼至少30分钟；然后浇铸，再冷却凝固至室温，粉碎至粒度为1~10mm，制成上述成分含量的用于抽锭式电渣重熔制取空心锭的低污染节能渣系。

本发明的用于抽锭式电渣重熔制取空心锭的低污染节能渣系的使用方法为：在电渣重熔过程中，将用于抽锭式电渣重熔制取空心锭的低污染节能渣系在1650~1680℃熔化制成液态炉渣，将液态炉渣浇注到内、外结晶器之间的空腔中，对内、外结晶器通电，将待重熔的自耗电极插入内外结晶器的空腔中，当自耗电极与液态炉渣接触后形成通电回路，即开始进行抽锭式电渣重熔过程，以制取空心锭。

理论分析和研究结果表明：在电渣重熔渣系中，当SiO₂含量增加时，可减小摩擦阻力，其原因是SiO₂在渣中是酸性，能形成复杂的阴离子团，抑制冷却过程中结晶现象的发生，使渣的粘度随温度下降不发生突变，使渣的特性变成“长渣”；提高渣中SiO₂含量还能提高炉渣的高温塑性和强度，在抽锭时渣皮不易破裂，而且连续和均匀；另外，传统的高CaF₂渣系由于电阻率低，导热系数小和粘度小，重熔电耗高，其烟气中氟的含量高，对环境造成较多污染；本发明是在CaF₂含量较低的传统渣系（40%CaF₂+30%CaO+30%Al₂O₃）基础上，添加SiO₂，使渣系转变为:“长渣”，并具较好的润滑性能，有利于减少与结晶器之间的摩擦阻力，同时具有较高的高温强度和塑性，防止在抽锭过程中渣皮破裂而导致漏渣和漏钢问题，防止钢锭表面产生结疤和重皮等缺陷，因而可以稳定重熔工艺，防止连续的漏渣和漏钢导致的生产中断事故的发生，最终获得良好内外表面质量的空心电渣钢锭。

本发明要解决的另一个关键技术问题是：当渣系中SiO₂含量较高时，容易使钢中Al和Ti等易氧化元素烧损，并使脱硫和吸收夹杂物的效果下降。为此，本发明在设计渣系时充分考虑了渣系的二元碱度控制在较高的水平，达到2.5~5.0；这样渣中SiO₂的活度系数较小，活度下降，抑制了易氧化元素的烧损；同时，适当添加Na₂O以提高渣系整体的碱度，可提高脱硫和脱氧能力。

本发明的渣系中CaF₂含量较低，与传统渣系相比电阻率较高，有利于减少氟的排放并降低电耗；本发明的渣系熔化温度比ANF-6渣低很多（ANF-6的熔化温度接近1400℃），传统的ANF-6渣在1350~1470℃范围内，粘度随温度变化较大，仅在1500℃以上范围内粘度随温度变化较小，不利于保证电渣锭的表面质量；本发明的渣系的粘度数据也优于传统的ANF-6渣，粘度随时间变化的过渡非常平缓，尤其是温度达到1400℃以上时，粘度随温度变化非常小，这不但能够使渣皮具有合适和稳定的摩擦系数和强度，以保证渣皮厚度均匀且连续，从而改善电渣钢锭的表面质量，提高电渣钢的收得率和可加工性能，同时更能够大大减少抽锭过程中由于渣皮摩擦力过大而导致漏渣和漏钢等现象。

本发明的用于抽锭式电渣重熔制取空心锭的低污染节能渣系通过优化渣系组元，进一步改善渣系的相关性能，满足电渣重熔制取空心锭生产工艺的要求，其特点是：更具有“长渣”的特性，具有更高的高温塑性，同时要保证渣的化学性质，保证重熔过程中钢元素的化学成分的稳定，良好的去除夹杂物能力，以及低的环境污染和低的电耗，即达到节能减排的效果。

附图说明

图1为本发明实施例中的渣系与传统渣系的温度-粘度曲线对比图；图中S1为实施例1的产品，S2为实施例2的产品，S3为传统实心锭用抽锭渣系，ANF-6为传统70% CaF₂+30% Al₂O₃渣系；

图2为采用传统渣系进行抽锭式电渣重熔制取的空心锭端部表面照片图；

图3为采用本发明实施例1的产品进行抽锭式电渣重熔制取的空心锭端部表面照片图；

图4为采用传统渣系进行抽锭式电渣重熔制取的空心锭中部表面照片图；

图5为采用本发明实施例1的产品进行抽锭式电渣重熔制取的空心锭中部表面照片图。

具体实施方式

本发明实施例中采用的萤石为重量纯度≥97%的萤石粉或重量纯度≥97%的萤石块。

本发明实施例中采用的石灰中CaO的重量含量≥92%。

本发明实施例中采用的工业氧化铝中Al₂O₃的重量纯度≥99%。

本发明实施例中采用的电熔镁砂中MgO的重量纯度≥97%。

本发明实施例中采用的硅石中SiO₂的重量纯度≥98%。

本发明实施例中采用的碳酸钠为工业原料。

实施例1

采用萤石、石灰、工业氧化铝、电熔镁砂、硅石和碳酸钠为原料，将准备好的各原料混合后采用三相电弧炉熔化，物料全部熔化后搅拌均匀，在1550~1580℃下精炼30分钟；然后浇铸到底部厚度为100mm的铸铁盘内，再经4小时的冷却凝固至室温，采用破碎机粉碎并筛分出粒度为1~10mm的部分，获得用于抽锭式电渣重熔制取空心锭的低污染节能预熔渣，包装成20kg一袋，供电渣炉使用；上述预熔渣的成分按重量百分比为Al₂O₃15%，CaO37%，SiO₂14%，MgO1%，Na₂O3%，余量为CaF₂及不可避免杂质；二元碱度CaO/SiO₂为2.64，熔化温度为1250~1270℃，在1600℃的电阻率为0.512Ω·cm；其温度-粘度曲线如图1所示，由图可见当温度到达1400℃以上时，粘度随温度变化非常小；

采用上述预熔渣电渣重熔48CrMoV钢，先将预熔渣在300±10℃条件下经过4小时烘烤，然后置于化渣炉内；给化渣炉通电将预熔渣熔化成液态炉渣，温度控制在1650~1680℃之间，然后化渣炉停电；将化渣炉内的液态炉渣注入内、外结晶器之间的空腔，通过变压器对内、外结晶器通电，将待重熔的自耗电极插入内外结晶器的空腔中，当自耗电极与液态炉渣接触后形成通电回路，即开始进行抽锭式电渣重熔过程，以制取空心锭；

电渣重熔时，预熔渣的用量以保证渣池高度为260~280mm计算，为240~260kg/炉钢，电压为63~68V，电流为18~20kA，熔化速率为800~970kg/h，采用的熔炼炉的控制抽取空心锭时的拉速为10~12 mm/min；其中自耗电极是采用EAF+LF+VD工艺生产并经轧制制成，直径Φ160mm；制取的空心锭尺寸为Φ650/Φ450mm，端部表面照片如图3所示，中部表面照片如图5所示，空心锭内、外表面质量良好，无渣沟、结瘤、重皮、褶皱、夹渣等缺陷，非金属夹杂物总重量含量降低69%；

传统渣系ANF-6其温度-粘度曲线如图1所示，在1350~1470℃范围内，粘度随温度变化较大，仅在1500℃以上范围内粘度随温度变化较小，传统渣系ANF-6的电阻率为0.312 Ω·cm；采用ANF-6重复上述试验，制取的空心锭端部表面照片如图2所示，中部表面照片如图4所示。

实施例2

采用萤石、石灰、工业氧化铝、电熔镁砂和硅石为原料，将准备好的各原料混合后采用三相电弧炉熔化，物料全部熔化后搅拌均匀，在1550~1580℃下精炼30分钟；然后浇铸到底部厚度为100mm的铸铁盘内，再经4.5小时的冷却凝固至室温，采用破碎机粉碎并筛分出粒度为1~10mm的部分，获得用于抽锭式电渣重熔制取空心锭的低污染节能预熔渣，包装成20kg一袋，供电渣炉使用；上述预熔渣的成分按重量百分比为Al₂O₃20%，CaO35%，SiO₂10%，MgO3%，余量为CaF₂及不可避免杂质；二元碱度CaO/SiO₂为3.5，熔化温度为1270~1280℃，在1600℃的电阻率为0.569Ω·cm；其温度-粘度曲线如图1所示，由图可见当温度到达1400℃以上时，粘度随温度变化非常小；

采用上述预熔渣电渣重熔35CrMo钢，方法同实施例1，不同点在于：

电渣重熔时，预熔渣的用量为360~380kg/炉钢，电压为62~66V，电流为22~24kA, 熔化率为850~950kg/h，采用的熔炼炉的控制抽取空心锭时的拉速为3~3.6 mm/min；制取的空心锭尺寸为Φ900/Φ200mm，空心锭内、外表面质量良好，无明显渣沟、结瘤等缺陷，非金属夹杂物总重量含量降低65%。

实施例3

采用萤石、石灰、工业氧化铝、电熔镁砂和硅石为原料，制备用于抽锭式电渣重熔制取空心锭的低污染节能预熔渣，方法同实施例2，其成分按重量百分比为Al₂O₃19%，CaO36%，SiO₂12%，MgO3%，余量为CaF₂及不可避免杂质；二元碱度CaO/SiO₂为 3，熔化温度为1260~1280℃，在1600℃的电阻率为0.603Ω·cm；

采用上述预熔渣电渣重熔高压锅炉用钢P91，方法同实施例1，不同点在于：

电渣重熔时，预熔渣的用量为300~350kg/炉钢，电压为72~76V，电流为20~22kA，熔化率为1000~1100kg/h，采用的熔炼炉的控制抽取空心锭时的拉速为5~6 mm/min；制取的空心锭尺寸为Φ900/Φ500mm，空心锭内、外表面质量良好，无明显渣沟、结瘤等缺陷，非金属夹杂物总重量含量降低62%。

实施例4

采用萤石、石灰、工业氧化铝、电熔镁砂和硅石为原料，制备用于抽锭式电渣重熔制取空心锭的低污染节能预熔渣，方法同实施例2，其成分按重量百分比为Al₂O₃20%，CaO30%，SiO₂8%，MgO2%，余量为CaF₂及不可避免杂质；二元碱度CaO/SiO₂为 3.75，熔化温度为1250~1270℃，在1600℃的电阻率为0.435Ω·cm；

采用上述预熔渣电渣重熔耐蚀合金UNSNO8825，方法同实施例1，不同点在于：

电渣重熔时，预熔渣的用量为240~260kg/炉，电压为61~65V，电流为17~19kA，熔化速率为730~800kg/h，，采用的熔炼炉的控制抽取空心锭时的拉速为9~10 mm/min；其中自耗电极是采用VIM工艺生产并经轧制制成，直径Φ160mm；制取的空心锭尺寸为Φ650/Φ450mm，空心锭内、外表面质量良好，无明显渣沟、结瘤等缺陷，其中的Al和Ti元素得到很好控制，烧损率小于15%，而且沿空心锭高度方向成分均匀，非金属夹杂物总量降低50%；耐蚀合金UNSNO8825进行电渣重熔前的成分按重量百分比为Ni42.5%，Cr 21.3%，Mo 3.1%，C 0.02%，Mn0.95%， Si 0.45%，S 0.008%，Cu2.2%，Al 0.22%， Ti1.0%，余量为Fe；电渣重熔后的成分按重量百分比为Ni42.5%，Cr 21.2%，Mo 3.1%，C 0.02%，Mn0.93%， Si 0.48%，S 0.005%，Cu2.2%，Al 0.20%，Ti0.85%，余量为Fe。

实施例5

采用萤石、石灰、工业氧化铝、电熔镁砂、硅石和碳酸钠为原料，制备用于抽锭式电渣重熔制取空心锭的低污染节能预熔渣，方法同实施例1，其成分按重量百分比为Al₂O₃20%，CaO40%，SiO₂8%，MgO1%，Na₂O1%，余量为CaF₂及不可避免杂质；二元碱度CaO/SiO₂为5.0，熔化温度为1290~1310℃，在1600℃的电阻率为0.479Ω·cm；

采用上述预熔渣电渣重熔48CrMoV钢，方法同实施例1，获得的空心锭内、外表面质量良好，无渣沟、结瘤、重皮、褶皱、夹渣等缺陷，非金属夹杂物总重量含量降低68%。

实施例6

采用萤石、石灰、工业氧化铝、电熔镁砂、硅石和碳酸钠为原料，制备用于抽锭式电渣重熔制取空心锭的低污染节能预熔渣，方法同实施例4，其成分按重量百分比为Al₂O₃25%，CaO30%，SiO₂10%，MgO2%，Na₂O2%，余量为CaF₂及不可避免杂质；二元碱度CaO/SiO₂为 3，熔化温度为1280~1300℃，在1600℃的电阻率为0.683Ω·cm；

采用上述预熔渣电渣重熔48CrMoV钢，方法同实施例1，获得的空心锭内、外表面质量良好，无渣沟、结瘤、重皮、褶皱、夹渣等缺陷，非金属夹杂物总重量含量降低65%。

Claims

1.一种用于抽锭式电渣重熔制取空心锭的低污染节能渣系，其特征在于该渣系的成分按重量百分比为Al₂O₃15~25%，CaO 30~40%，SiO₂8~14%，MgO 1~3%，Na₂O 1~3%，余量为CaF₂及不可避免杂质；其二元碱度CaO/SiO₂为3~5.0；该渣系在1600℃的电阻率为0.435~0.683Ω·cm；该渣系的熔化温度为1250~1320℃；该渣系是采用萤石、石灰、工业氧化铝、电熔镁砂、硅石和碳酸钠为原料，混合后熔化并搅拌均匀，在1550~1580℃下精炼至少30分钟；然后浇铸，再冷却凝固至室温，粉碎至粒度为1~10mm制成。