CN106834731A - 一种用于电渣重熔高钛低铝型钢种的重熔渣系与冶炼工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电渣重熔高钛低铝型钢种的重熔渣系与冶炼工艺，解决了电渣重熔中铝钛沿电渣锭轴向的成分不均匀性问题。本发明的基渣采用不含TiO₂的低CaO渣系，其成分范围为CaF₂:Al₂O₃:CaO:MgO＝(65％～70％):(18％～22％):(0％～5％):(6％～10％)，其中SiO₂<0.8％，FeO<0.2％。首先在初始渣系中，利用熔渣与钢液中Al、Ti平衡的原理，在目标钢种的液相线温度下对初渣中TiO₂的含量进行确定；其次在重熔初期的熔渣升温阶段内，向渣中持续均匀地补加额外的TiO₂，其总补加量为在1677℃和目标钢种的液相线温度下计算得到的平衡时TiO₂含量的差值。本发明使得钢液中的Al、Ti在重熔初期的升温阶段与熔渣接近热力学平衡状态，降低铝钛间的相互反应，改善铝钛沿电渣锭轴向的成分均匀性，提高产品的成分合格率和成材率。

Description

一种用于电渣重熔高钛低铝型钢种的重熔渣系与冶炼工艺

技术领域

本发明属于电渣冶金技术领域，涉及一种用于电渣重熔高钛低铝型钢种的重熔渣系与冶炼工艺。

背景技术

高钛低铝型钢种(例如1Cr21Ni5Ti、1Cr18Ni9Ti)是钛稳定化的双相不锈钢，为了保证良好的耐晶间腐蚀性，对钢中的Al、Ti含量的控制范围具有严格的要求。电渣重熔作为高钛低铝型钢种的二次熔炼技术，虽然可使钢种得到进一步精炼，达到脱硫和去除夹杂物的效果，但在Al、Ti成分均匀性控制方面仍然是国内外的一大难题。目前，在电渣重熔高钛低铝型钢种的过程中，渣系设计的不合理性、熔渣中的不稳定氧化物、金属与熔渣反应温度的不断变化，使得电渣锭出现烧钛增铝，烧钛烧铝，烧铝增钛等现象，铝钛烧损无规律可循，出现铝钛成分超出上下限导致电渣锭报废。电渣重熔是一个先升温再恒温的过程，其温度变化简图如图1所示。

在电渣重熔初期的升温阶段，由于熔渣温度的不断上升，使得铝钛反应式如下：4Al+3TiO₂＝2Al₂O₃+3Ti(1)

其平衡状态不断发生改变，铝钛成分也相应发生改变，最终导致铝钛含量在电渣锭底部成分波动大，降低电渣锭的成材率。虽然有很多文献对含铝钛钢种的成分控制进行了报道，但无论是在烧损机理上，还是在渣系设计和工艺制定上仍没有取得突破与进展，高钛低铝型钢种的铝钛烧损问题已成为此类钢种生产中的共性问题。

发明内容

为了克服现有技术中存在的电渣重熔高钛低铝型钢种过程中铝钛成分不均匀性问题，本发明提供了一种用于电渣重熔高钛低铝型钢种的重熔渣系与冶炼工艺。该渣系及其冶炼工艺能够保证电渣重熔过程中Al、Ti含量的均匀性，尤其是在重熔初期升温阶段(即电渣锭底部)的Al、Ti含量的成分均匀性。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于电渣重熔高钛低铝型钢种的重熔渣系，其基础渣系采用低CaO渣系，低CaO渣系各个组元的重量百分比为：

其中TiO₂的加入量采用如下方法计算：

根据熔渣与钢液中Al、Ti平衡的原理，在MoSi₂电阻炉内某一固定温度下进行渣金平衡实验，其中温度为1800～1900K；根据实验结果，平衡时态下钢中的Al、Ti以及渣中的Al₂O₃和TiO₂具有如下关系：

其中，分别是渣中TiO₂和Al₂O₃的摩尔分数；分别是渣中TiO₂和Al₂O₃的活度系数；f_Ti，f_Al分别是钢中Ti和Al的活度系数。

对公式(2)中的活度系数项进行修正，并采用公式(2)求得在目标钢种液相线温度下的渣中TiO₂的含量。

由于熔渣中的CaO与TiO₂能够结合为CaTiO₃，大大降低了TiO₂的活度；但CaO对Al₂O₃的活度影响相比TiO₂却小得多，因此CaO可以降低的值，具体论述请参考文献：Dong Hou,Zhouhua Jiang,Yanwu Dong,et al:‘Thermodynamic design ofelectroslag remelting slag for high titanium and low aluminum stainless steelbased on IMCT’.Ironmaking&Steelmaking.2016,vol.43,no.7,pp.517-525.—侯栋,姜周华,董艳伍:“基于炉渣分子离子共存理论进行电渣重熔高钛低铝型钢种的渣系设计”。

通过公式(2)可知，低CaO的渣系可以降低渣中TiO₂的用量，能够保证电渣锭具有“高钛低铝”的特性；同时TiO₂用量的降低，在电渣重熔过程中，随着钢中Ti氧化为TiO₂，渣中的TiO₂在较小的范围内变化就能够快速促进铝钛反应的热力学平衡，提高铝钛反应的稳定性。为考虑熔渣脱S作用，渣中的CaO变化范围为0％～5％，同时增加MgO含量辅助脱S并调节渣系的物化性能。

一种采用上述的重熔渣系冶炼高钛低铝型钢种的工艺，在电渣重熔初期熔渣升温阶段，持续均匀地补加额外的TiO₂，其总补加量为根据公式(2)计算得到1677℃下的渣中TiO₂的含量和目标钢种液相线温度下的渣中TiO₂的含量的差值。使得冶炼过程中钢中的Al、Ti接近热力学平衡状态，保证初期升温阶段钢中Al、Ti含量的稳定性，改善铝钛成分的均匀性，提高成材率。

电渣重熔初期是熔渣升温的阶段，渣金反应温度从目标钢种的液相线升高到约1677℃。根据公式(2)可知，随着温度的不断升高，为保证自耗电极中的Al、Ti的稳定性，其所需TiO₂的用量也相应增加。通过在电渣重熔初期升温阶段内持续均匀地补加额外的TiO₂，保证了在电渣重熔过程中熔渣与钢液始终接近热力学反应平衡状态，提高铝、钛含量的稳定性，最终获得成分均匀的电渣锭。本发明对高钛低铝型钢种的重熔渣系及其冶炼工艺进行了开发，可使得电渣锭沿纵向方向的Al、Ti含量均匀。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明公开了用于电渣重熔高钛低铝型钢种的基础渣系，解释了采用低CaO渣系的优越性与合理性，并从热力学平衡角度对初始渣系中的TiO₂含量进行了确定，其根据渣金平衡实验对公式(2)中的活度系数项进行修正后，通过计算得到在目标钢种的液相线温度下的平衡时TiO₂含量，即初渣中TiO₂的加入量。

本发明制定了电渣重熔高钛低铝型钢种的渣系设计原则及其冶炼工艺，包括采用低CaO渣系，初始渣中TiO₂的确定方法，重熔初期升温阶段内TiO₂的补加方法。保证整个冶炼过程熔渣与金属间Al、Ti接近热力学平衡状态，从而获得成分均匀的电渣锭。

附图说明

图1为熔渣温度随电渣重熔冶炼时间的变化示意图。

图2为实施例1中的TiO₂含量确定图。

图3为实施例2中的TiO₂含量确定图。

图4为实施例3中的TiO₂含量确定图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

实施例1：

针对1Cr21Ni5Ti不锈钢，采用本发明所建立的方法，根据自耗电极的成分特点，确定基渣成分为：CaF₂:Al₂O₃:CaO:MgO＝65:20:5:10。向基渣中分别加入2％、5％、10％的TiO₂进行MoSi₂电阻炉中的1577℃下的渣金平衡实验，分别记为T1、T2、T3。采用炉渣分子离子共存理论进行作用浓度的计算，结合渣金平衡实验结果中平衡时态下的钢中的Al、Ti以及渣中的Al₂O₃和TiO₂含量，进行活度系数项的修正，利用公式(2)得到TiO₂含量，如图2所示。

当要求电渣锭中Ti含量在0.60，Al含量在0.04时，通过该图计算得到在钢种的液相线1477℃下初渣中TiO₂用量为8％。重熔初期升温阶段内TiO₂的添加总量为1677℃和1477℃的计算得到的差值，6％。

使用该渣料在容量为50kg、结晶器内径为13cm的电渣炉上，电流、电压分别为3000A、38V，电极直径6cm，用渣量为3.2kg。重熔初期升温阶段的电渣锭高度为14cm，在此期间持续均匀的补加TiO₂，TiO₂的补加总量为200g。重熔50kg的1Cr21Ni5Ti的电渣锭后，合金锭轴向Al、Ti含量偏差很小：Al含量的波动范围为0.036％～0.045％；钛含量的波动范围为0.57％～0.63％。典型炉次电渣锭轴向的Al、Ti成分如下表所示。

实施例2：

针对1Cr21Ni5Ti不锈钢，采用本发明所建立的方法，根据自耗电极的成分特点，确定基渣成分为CaF₂:Al₂O₃:CaO:MgO＝65:20:5:10。向基渣中分别加入2％、5％、10％的TiO₂进行MoSi₂电阻炉中的1577℃下的渣金平衡实验，分别记为T1、T2、T3。采用炉渣分子离子共存理论进行作用浓度的计算，结合渣金平衡实验结果中平衡时态下的钢中的Al、Ti以及渣中的Al₂O₃和TiO₂含量，进行活度系数项的修正，利用公式(2)得到TiO₂含量，如图3所示。

当要求电渣锭中Ti含量在0.45，Al含量在0.06时，通过该图计算得到在钢种的液相线1477℃下初渣中TiO₂用量为3％。重熔初期升温阶段TiO₂的添加量为1677℃和1477℃的计算得到的差值，4％。

使用该渣料在容量为5t、结晶器内径为590mm的电渣炉上，电流电压分别为12000A、55V，电极直径为470mm，用渣量为110kg。重熔初期升温阶段电渣锭的高度为40cm，在此期间持续均匀地补加TiO₂，TiO₂的补加总量为4.4kg。重熔4t的1Cr21Ni5Ti的电渣锭后，合金锭轴向Al、Ti含量偏差很小：Al含量的波动范围为0.050％～0.061％；钛含量的波动范围为0.41％～0.49％。典型炉次电渣锭轴向的Al、Ti成分如下表所示。

实施例3：

针对1Cr18Ni9Ti不锈钢，采用本发明所建立的方法，根据自耗电极的成分特点，确定基渣成分为CaF₂:Al₂O₃:CaO:MgO＝65:25:0:10。向基渣中分别加入1.5％、2.5％、5.5％的TiO₂进行MoSi₂电阻炉中的1577℃下的渣金平衡实验，分别记为T1、T2、T3。采用炉渣分子离子共存理论进行作用浓度的计算，结合渣金平衡实验结果中平衡时态下的钢中的Al、Ti以及渣中的Al₂O₃和TiO₂含量，进行活度系数项的修正，利用公式(2)得到TiO₂含量，如图4所示。

当要求电渣锭中Ti含量在0.35，Al含量在0.05时，通过该图计算得到在钢种的液相线1483℃下初渣中TiO₂用量为1.7％。重熔初期升温阶段TiO₂的添加总量为1677℃和1477℃的计算得到的差值，4％。

使用该渣料在容量为4t、结晶器内径为550mm的电渣炉上，电流电压分别为11500A、65V，电极直径为300mm，用渣量为120kg。重熔初期升温阶段电渣锭高度为35cm，在此期间内持续均匀地补加TiO₂，TiO₂的补加总量为4.8kg。重熔4t的1Cr18Ni9Ti的电渣锭后，合金锭轴向Al、Ti含量偏差很小：Al含量的波动范围为0.049％～0.061％；钛含量的波动范围为0.31％～0.41％。典型炉次电渣锭轴向的Al、Ti成分如下表所示。

对比实施例：

针对1Cr21Ni5Ti不锈钢，采用目前通用的冶炼工艺，当要求电渣锭中Ti含量在0.50，Al含量在0.08时，选择渣系成分为CaF₂:Al₂O₃:CaO:MgO:TiO₂＝65:20:5:10:4，在容量为50kg、结晶器内径为13cm的电渣炉上，用渣量为3.2kg。电流、电压分别为3000A、38V，电极直径为6cm。重熔50kg的1Cr21Ni5Ti的电渣锭后，合金锭轴向Al含量偏差较大，尤其在电渣锭底部3～15cm内，电渣锭中的Al含量范围为0.066％～0.097％，波动大；钛含量波动范围为0.45％～0.54％。典型炉次电渣锭轴向的Al、Ti成分如下表所示。对比实施例证明了本发明提出的渣系及冶炼工艺对于改善铝含量成分均匀性的优越性。

Claims (2)

1.一种用于电渣重熔高钛低铝型钢种的重熔渣系，其特征在于，基础渣系采用低CaO渣系，其中各个组元的重量百分比为：

其中TiO₂的加入量采用如下方法计算：

根据熔渣与钢液中Al、Ti平衡的原理，在MoSi₂电阻炉内某一固定温度下进行渣金平衡实验，其中温度为1800～1900K；根据实验结果，平衡时态下钢中的Al、Ti以及渣中的Al₂O₃和TiO₂具有如下关系：

$\lg \frac{X_{{\mathrm{TiO}}_2}^3}{X_{{\mathrm{Al}}_2{O}_3}^2}=\lg \frac{{\&lsqb;Ti\&rsqb;}^3}{{\&lsqb;Al\&rsqb;}^4}+\lg \frac{f_{Ti}^3\&CenterDot;{\mathrm{\&gamma;}}_{{\mathrm{Al}}_2{O}_3}^2}{f_{Al}^4\&CenterDot;{\mathrm{\&gamma;}}_{{\mathrm{TiO}}_2}^3}-\frac{35300}{T}+9.94---\left(1\right)$

其中，分别是渣中TiO₂和Al₂O₃的摩尔分数；分别是渣中TiO₂和Al₂O₃的活度系数；f_Ti，f_Al分别是钢中Ti和Al的活度系数；

对公式(1)中的活度系数项进行修正，并采用公式(1)求得在目标钢种液相线温度下的渣中TiO₂的含量。

2.一种采用权利要求1所述的重熔渣系冶炼高钛低铝型钢种的工艺，其特征在于，在电渣重熔初期熔渣升温阶段，持续均匀地补加额外的TiO₂，其总补加量为根据公式(1)计算得到1677℃下的渣中TiO₂的含量和目标钢种液相线温度下的渣中TiO₂的含量的差值。