CN109161696B - 一种电渣重熔渣系及用于电渣重熔Fe-Cr-Al合金低氧控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电渣重熔渣系及用于电渣重熔Fe‑Cr‑Al合金低氧控制方法，电渣重熔所采用渣系的各组分按重量百分比为RE2O3 20～30％，CaO 10～15％，MgO 10～15％，余量为CaF2。所述渣系在使用前需要进行烘烤，即取即用。电渣重熔过程中需要均匀加入铝粉，加入铝粉的总量是所述Fe‑Cr‑Al合金质量的0.7～0.9‰。本发明的低氧控制方法，具有减氧效果极佳，操作简单，能耗低，成本低。制备的重溶Fe‑Cr‑Al合金中氧含量低于25ppm，并且在强度、韧性、耐磨性和耐腐蚀性等性能表现优异。
Description
技术领域
本发明涉及电冶金技术领域，特别的涉及一种电渣重熔渣系及用于电渣重熔Fe-Cr-Al合金低氧控制方法。
背景技术
电渣重熔冶炼是以自耗电极熔化形成熔滴及在渣中过渡，以及处于金属熔池各阶段，液态金属与熔渣进行充分的冶金物化反应，在底部水冷和渣池保温的条件下钢液快速轴向凝固结晶，基于这个特点，确定了电渣重熔炼钢有以下四个方面的优点：钢渣间充分的物化反应，提高了钢液的纯净度；钢锭轴向结晶组织发展，提高钢的致密性和组织成分均匀性；渣皮保护钢锭表面良好；设备简单，操作方便。
然而，随着炼钢技术的进步，自耗电极中的氧含量和夹杂物含量都可以控制到很低的水平，这样的自耗电极在电渣重熔后，有时不但不能降低氧的含量，反而会出现一定的增氧。如钢研总院杨海森、常立忠等在Ar气密封保护气氛条件下通过实验发现，当电极中的氧含量较低时(18ppm)，电渣冶金过程中实际上是增氧过程，增氧量6～35ppm。《北京科技大学学报》2000第1期，傅杰老师等在GCr15轴承钢电渣重熔试验中发现，氧含量由重熔前10.2ppm增加至重熔后的32.5ppm。《真空》2012第5期，东北大学刘喜海等采用Ar气密封保护气氛电渣重熔Incone1718(Cr～Ni不锈钢)，氧含量由重熔前14.5ppm增加至重熔后的50ppm因为现有电渣冶炼工艺中，由于电渣重熔是在大气条件下进行，即使使用低氧含量的电极重熔也难保证电渣锭获得低氧钢，另外，通过查阅国内外电渣重熔过程氧含量的变化趋势看，不论是小锭还是重达几十吨的大锭，目前都存在增氧的问题。
在实际生产中，电渣重熔冶炼自耗电极中的原始夹杂可以去除，重熔钢中的夹杂主要是金属熔池冷却结晶过程中新生成的。由于非金属夹杂物的存在，严重的影响了重溶钢的质量。如当其中含氧量增加时，严重的影响了钢的强度、塑性等力学性能。另外，钢中夹杂的氧化物还使其耐磨性、耐腐蚀性等大大的降低。大量实践表明，钢中的氧化物夹杂与氧含量有着直接的关系。目前，在电渣重熔过程中仅通过定时定量连续加入微量的辅料如铝粒等进行脱氧作用，来抑制金属熔池中的含氧量，从而最终降低钢中的氧含量，但效果不佳。若要生产氧含量＜30ppm的电渣钢锭，一般采用真空电渣重熔，其次是Ar气密封保护气氛电渣重熔，虽该方法能达到低氧要求，但高昂的生产成本则让人却步。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种电渣重熔的低氧控制方法，解决现有电渣重熔过程中增氧，能耗高和成本高的问题，进而提高重熔钢的强度、韧性、耐磨性和耐腐蚀性等性能。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种电渣重熔渣系，包括以下重量份的组分：RE2O3(稀土氧化物)20～30份，CaO 10～15份，MgO 10～15份，余量为CaF2；所述CaF2化学成分的重量百分比为：CaF2≥98％，SiO2≤1.2％，FeO≤0.4％，MnO≤0.2％，H2O≤0.01％，Pb≤0.001％，P≤0.03％和不可避免的杂质。
RE2O3具有高稳定性氧化物，不会通过变价将空气中的氧带入金属熔池，并且能降低钢中氧化物的含量，细化晶粒提高钢的强度、韧性、耐磨性和耐腐蚀性等性能；CaF2能降低熔渣的熔点、黏度，使熔渣有良好的流动性，提高渣系的电导率，降低渣系的表面张力，有利于Fe-Cr-Al合金电渣重熔过程去除夹杂物；CaO能够增大电渣重熔渣系的碱度，降低合金中的氧含量，并且CaO与其它组分相配伍还带来了提高渣系的电阻、降低电导率、提高熔渣温度、降低渣的熔点、改善渣的流动性的作用，但CaO吸水性强，易带入氢和氧，造成钢的增氧、增氢，因此CaO的量不能过多；MgO会在渣池表面形成一层半凝固膜，防止渣池吸氧及防止渣中变价氧化物向金属熔池传递供氧，从而使重熔得到的钢锭中氧、氢、氮含量降低，同时这层凝固膜可减少渣表面向大气辐射的热损失，保证重熔中渣系热量稳定，但超过13％反而使熔渣的黏度增强。
进一步，所述RE2O3中的稀土元素为镧或铈。
一种电渣重熔Fe-Cr-Al合金低氧控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将上述电渣重熔渣系于200～300℃下烘烤4～8小时，在于900～1100℃下烘烤3～5h；
2)以Fe-Cr-Al合金作为自耗电极，装配好电渣重熔炉，向所述电渣重熔炉的结晶器中加入步骤1)烘烤好的电渣重熔渣，并加入铝粉进行预脱氧，设置电压60～78V、电流4000～5000A通电起弧，建立渣池；
3)步骤2)渣池建立后，调节电压45～58V、电流8000～9000A，在干燥氩气保护下对所述自耗电极进行电渣重熔，重熔过程匀速均匀加入铝粉。
这样，在熔炼过程中加入铝粉，保证了渣池的还原性，并设置高电压、低电流迅速化渣，提高了熔炼效率，自耗电极重熔冶炼过程中控制低电压、高电流，使合金钢熔速稳定，得到的合金锭性能更佳。
进一步，步骤2)和步骤3)加入铝粉的总量是所述Fe-Cr-Al合金质量的0.7～0.9‰；步骤1)中铝粉与步骤2)中铝粉的质量比为1～3:5～7。
进一步，所述自耗电极在使用前需将其折叠、裂纹夹渣清理干净，再将其表面砂磨光亮，然后在150～200℃保温烘烤3～5h。
进一步，在电渣重熔过程中通过熔渣脱氧控制SiO2含量≤1.2％，FeO含量≤0.4％。
进一步，所述铝粉在重熔过程匀速均匀加入。
本发明的作用原理：
1、由不稳定的变价氧化物传递氧。不稳定的变价氧化物之所以能传递氧气，是因为当其处于渣池表面时，低价氧化物被空气中的氧氧化成高价氧化物，当这些高价氧化物转移到渣-金属界面时，又与该金属作用转变成低价氧化物，从而使氧转入金属中。以Fe的氧化物为例，其全部化学反应如下：
在渣池表面：2(FeO)+1/2O2＝(Fe2O3)
在钢渣表面：(Fe2O3)+[Fe]＝3(FeO)
渣中(FeO)又与钢中[O]有一平衡：(FeO)＝[Fe]+[O]
即渣中FeO含量高时，钢中O金属含量也高。可以看出，这个变价的氧化铁起了一个像“气筒”的作用，通过变价过程将空气中的氧不断送入金属熔池。
2、渣中氧化物的稳定性与钢中含氧量的关系。氧化物的稳定性，即氧化物标准生成自由能的高低。由稳定性低的氧化物所组成的渣重熔的钢含氧量高，而由稳定性高的氧化物组成的渣重熔的钢含氧量低。钢中氧含量随碱度的增大而下降，即钢中氧含量随稳定性高的CaO量的增加而下降，但随稳定性较CaO低的Al2O3的增加而增加。如果渣中含有更不稳定的SiO2、FeO等之类氧化物，则重熔钢中的含氧量将提高。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明所采用的电渣重熔渣系具有的低熔点、低粘度、良好的流动性、不稳定氧化物及变价氧化物含量极少、氧化物稳定性高和碱度大，能够大大的减少重熔钢中氧的含量，并且MgO会在渣池表面形成一层半凝固膜，防止渣池吸氧及防止渣中变价氧化物向金属熔池传递供氧，进一步的降低了重熔钢中氧的含量。实现了在常温常压制备氧含量在25ppm以下的Fe-Cr-Al合金。
2、本发明重熔渣成分合理，该渣系在使用过程渣系稳定，重熔化学成分稳定，铸锭表面光滑，制造工艺简单，且节能降耗效果好。
3、本发明电渣重熔的低氧控制方法中，具有减氧效果极佳，操作简单，能耗低，成本低。制备的重溶钢在强度、韧性、耐磨性和耐腐蚀性等性能表现优异。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。如下实施例中所用CaF2化学成分的重量百分比为：CaF2≥98％，SiO2≤1.2％,FeO≤0.4％,MnO≤0.2％，H2O≤0.01％,Pb≤0.001％,P≤0.03％和不可避免的杂质。
一、一种电渣重熔Fe-Cr-Al合金低氧控制方法
实施例1
1)配制电渣重熔渣系，其各组分按重量份为CaF2 55份，RE2O3 20份(其中稀土元素为铈)，CaO 15份和MgO 10份，并将上述渣系于200℃下烘烤4小时，再于1000℃下烘烤3h；
2)将1.1吨Fe-Cr-Al合金的的折叠、裂纹夹渣清除干净，再将其表面砂磨光亮，然后在200℃保温烘烤3小时，以处理后Fe-Cr-Al合金作为自耗电极，装配好电渣重熔炉，向所述电渣重熔炉的结晶器中加入步骤1)烘烤好的电渣重熔渣，并加入500g铝粉进行预脱氧，设置电压67V、电流5000A通电起弧，渣料熔化时间为50分钟，建立渣池；
3)步骤2)渣池建立后，调节电压56V、电流8500A，在干燥氩性气体保护下对所述自耗电极进行电渣重熔，重熔过程匀速均匀加入1.0kg铝粉。
在电渣重熔过程中通过熔渣脱氧控制SiO2含量≤1.2％，FeO含量≤0.4％。
实施例2
1)配制电渣重熔渣系，其各组分按重量份为CaF2 55份，RE2O3 20份(其中稀土元素为镧)，CaO 15份和MgO 10份，并将上述渣系于150℃下烘烤5小时，再于900℃下烘烤4h；
2)将1.5吨Fe-Cr-Al合金的的折叠、裂纹夹渣清除干净，再将其表面砂磨光亮，然后在170℃保温烘烤3小时，以处理后Fe-Cr-Al合金作为自耗电极，装配好电渣重熔炉，向所述电渣重熔炉的结晶器中加入步骤1)烘烤好的电渣重熔渣，并加入400g铝粉进行预脱氧，设置电压70V、电流4500A通电起弧，渣料熔化时间为40分钟，建立渣池；
3)步骤2)渣池建立后，调节电压53V、电流8800A，在干燥氩性气体保护下对所述自耗电极进行电渣重熔，重熔过程匀速均匀加入1.2kg铝粉。
在电渣重熔过程中通过熔渣脱氧控制SiO2含量≤1.2％，FeO含量≤0.4％。
实施例3
1)配制电渣重熔渣系，其各组分按重量份为CaF2 45份，RE2O3 30份(其中稀土元素为镧)，CaO 13份和MgO 12份，并将上述渣系于180℃下烘烤4.5小时，再于950℃下烘烤4.5h；
2)将1.7吨Fe-Cr-Al合金的的折叠、裂纹夹渣清除干净，再将其表面砂磨光亮，然后在150℃保温烘烤3.5小时，以处理后Fe-Cr-Al合金作为自耗电极，装配好电渣重熔炉，向所述电渣重熔炉的结晶器中加入步骤1)烘烤好的电渣重熔渣，并加入600g铝粉进行预脱氧，设置电压75V、电流4000A通电起弧，渣料熔化时间为45分钟，建立渣池；
3)步骤2)渣池建立后，调节电压50V、电流9000A，在干燥氩性气体保护下对所述自耗电极进行电渣重熔，重熔过程匀速均匀加入1.3kg铝粉。
在电渣重熔过程中通过熔渣脱氧控制SiO2含量≤1.2％，FeO含量≤0.4％。
二、性能检测
检测实施例1～3中的自耗电极在重熔前后的含氧量。结果如表1所示。
表1
从表1可以看出，Fe-Cr-Al合金经过电渣重熔后，含氧量明显降低，并且能够达到25ppm，从而进一步的使重溶钢在强度、韧性、耐磨性和耐腐蚀性也会有明显的增强。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种电渣重熔Fe-Cr-Al合金低氧控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将电渣重熔渣系于200～300℃下烘烤4~8小时，在于900～1100℃下烘烤3~5h；电渣重熔渣系，包括以下重量百分比的组分：Ce2O3 20～30%，CaO 10～15%，MgO 10～15%，余量为CaF2；所述CaF2化学成分的重量百分比为：CaF2≥98%，SiO2≤1.2%，FeO≤0.4%，MnO≤0.2%，H2O≤0.01%，Pb≤0.001%，P≤0.03%和不可避免的杂质；
2）以Fe-Cr-Al合金作为自耗电极，装配好电渣重熔炉，向所述电渣重熔炉的结晶器中加入步骤1）烘烤好的电渣重熔渣，并加入铝粉进行预脱氧，设置电压60~78V、电流4000 ~5000A通电起弧，建立渣池；
3）步骤2）渣池建立后，调节电压45 ~ 58V、电流8000 ~ 9000A，在干燥氩气保护下对所述自耗电极进行电渣重熔，重熔时间为40~50min，重熔过程匀速均匀加入铝粉。
2.根据权利要求1所述电渣重熔Fe-Cr-Al合金低氧控制方法，其特征在于，包括以下重量百分比的组分：RE2O3 20%，CaO 15%，MgO 10%，余量为CaF2。
3.根据权利要求1所述电渣重熔Fe-Cr-Al合金低氧控制方法，其特征在于，步骤2）和步骤3）加入铝粉的总量是所述Fe-Cr-Al合金质量的0.7~0.9‰；步骤1）中铝粉与步骤2）中铝粉的质量比为1~3:2~5。
4.根据权利要求1所述电渣重熔Fe-Cr-Al合金低氧控制方法，其特征在于，所述自耗电极在使用前需将其折叠、裂纹夹渣清理干净，再将其表面砂磨光亮，然后在150～200℃保温烘烤3~5h。
5.根据权利要求1所述电渣重熔Fe-Cr-Al合金低氧控制方法，其特征在于，在电渣重熔过程中通过熔渣脱氧控制SiO2含量≤1.2%，FeO含量≤0.4%。
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