电渣重熔用渣系发展趋势及含MgO渣系开发应用

温秋林 王宇 韩智 李瑞新 马琳琳 王璨 张海军

(中国机械总院集团沈阳铸造研究所有限公司,辽宁 沈阳 110022)

随着现代工业技术的飞速发展,电力、石化、船舶、铁路、矿山、军工等领域的高端装备对其核心部件质量、综合性能指标、可靠性及使用寿命的要求日趋提升,例如采用耐高温高速钢、耐蚀轴承钢材料制备的航空、兵器、舰船等装备用轴承、丝杆、活塞、阀芯、阀套、汽轮机转子,热作模具钢制备的热挤压模具、压铸模具、热锻模和热冲孔模具,高温合金材料制造的航空发动机、燃气轮机等。由于电渣重熔较传统电炉冶炼工艺相比具有金属纯净、组织致密、成分均匀、夹杂物细小且弥散分布等诸多优点,成为生产高端高性能材料的重要手段[1]。

1 电渣重熔及渣系发展

电渣冶金技术起源于20世纪30年代美国[2-3],于50年代由苏联实现了现代电渣冶金技术的工业化应用[4-5],经历短暂蛰伏期后,随着西方冶金工作者认识到电渣重熔的技术优势,电渣重熔技术于60～80年代迎来快速发展,电渣冶金设备数量和生产能力大幅增加,装备水平明显提高,大型电渣炉相继建成[6-9]。近几十年来,随着计算机全过程工艺控制、自动化工艺过程以及电渣工艺技术不断优化创新,电渣重熔(ESR)冶金技术逐渐成熟,并在高端产品制造方面得到大量应用[10-14]。

电渣重熔是在水冷结晶器内电流通过液态渣池产生电阻热将金属自耗电极熔化,熔化的金属在电极端头汇集成熔滴滴落,穿过渣层进入金属熔池后于水冷结晶器中结晶凝固成钢锭的过程。由于电渣重熔过程金属熔滴与液态熔渣接触,产生强烈的渣-金反应,吸附金属熔滴中的夹杂物,因此电渣重熔过程可显著降低钢中的非金属夹杂物含量、提升纯净度,进而提高钢材冲击韧性、延长使用寿命。电渣重熔精炼钢液主要通过熔渣对非金属夹杂物的吸附作用实现的,因此电渣重熔渣系的组成及其对钢中夹杂物的吸附能力对电渣重熔钢液纯净化起着至关重要的作用。

熔渣在电渣冶金中起到发热、精炼、成型、绝缘和导热的作用[15],电渣重熔用渣系的选择对电渣产品的质量、技术经济指标和操作的顺行及安全性影响很大,而熔渣的物理化学性质起到了决定性作用,电渣重熔过程中与渣有关的现象与炉渣性质关系如图1所示[16]。

图1 电渣重熔过程中与渣有关的现象与炉渣性质关系Figure 1 The relation between slag related phenomena and slag properties in electroslag remelting process

由于电渣重熔最早起步发展于西方,早期的电渣重熔渣系多由欧美国家开发,我国在引进消化国外电渣重熔渣系基础上也开发了相应渣系,目前国内外常见电渣重熔渣系成分如表1[17]所示。

表1 常用电渣重熔渣系成分(质量分数,%)Table 1 The composition of commonly used electroslag remelting slag system(mass fraction,%)

由表1可知,目前常用电渣重熔渣系由以CaF2为主的氟化物为基础,配入适当的Al2O3、CaO、SiO2、MgO等氧化物组成,其中最具代表性应用最广泛的电渣重熔渣为AHΦ-6渣(70%CaF2-30%Al2O3),其具有较好的综合工艺性能及一定的有害元素、夹杂物及气体元素的脱除能力,但在使用过程中会出现如下问题[18]:①由于重熔用渣系电阻较低,熔渣发热量不足而导致重熔电耗较高;②由于熔渣挥发性较高导致重熔过程中渣系成分不稳定,导致重熔工艺稳定性降低;③由于现行电渣重熔用渣含有较高的Al2O3,导致重熔钢中非金属夹杂物以脆性铝酸盐及Al2O3为主,严重影响重熔钢锭的塑韧性;④由于重熔用渣含有大量的以氟化钙为主的氟化物,随着重熔不断进行持续产生大量有害的氟化物气体严重污染环境,而且对操作人员健康不利。由于AHΦ-6渣存在上述问题,因此冶金工作者不断研究在其基础上添加氧化钙、二氧化硅、氧化镁等开发多元渣系,以便更好地降低钢中夹杂物含量,提升电渣熔铸钢锭综合性能。

2 电渣重熔渣系中MgO对夹杂物去除研究

Dong等[19]研究了不同渣系对CR-5A电渣锭夹渣物特性影响,结果表明使用70%CaF2-30%Al2O3重熔后,电渣锭以Al2O3夹杂为主,部分夹杂物以聚集态存在,当重熔渣系中添加5%MgO后,电渣锭中夹杂物以小尺寸MgO·Al2O3为主,分析其机理由于MgO·Al2O3与钢的界面能较小使得MgO·Al2O3更倾向以零散的状态分布在钢锭中,而Al2O3与钢的界面能相对较大导致Al2O3更倾向于聚集并以大颗粒夹杂形式存在,这对钢的性能危害很大。因此相较于Al2O3夹杂物,MgO·Al2O3夹杂危害性更小。Radwitz等[20]对重熔渣中MgO含量对21CrMoV5-7钢中非金属夹杂物存在的形貌、尺寸和数量的影响进行了研究,结果表明随着MgO在电渣重熔用渣中的加入,电渣锭中大尺寸夹杂物的数量降低明显。电渣锭中小尺寸夹杂物(<4 μm)数量随着渣中MgO含量增加而明显增加。当渣中w(MgO)=15%时,大尺寸夹杂物(>6 μm)基本被去除。针对冷轧辊钢电渣重熔,于昂等[21]研究结果表明,原始电极中的CaO·MgO·Al2O3·SiO2夹杂物及氧硫复合夹杂物在电渣重熔后转变为单一形式存在的MgO·Al2O3夹杂物与Al2O3夹杂物。采用五元CaF2-CaO-Al2O3-MgO-SiO2渣重熔的钢中以MgO·Al2O3夹杂为主,采用三七渣重熔的钢中以Al2O3夹杂为主,五元渣重熔的钢中大尺寸夹杂物的数量比三七渣少。针对渗碳轴承钢电渣重熔,Li等[22]研究了熔渣成分对钢中夹杂物的影响规律,结果表明:重熔用渣成分为65.70%CaF2-28.58%Al2O3-4.42%CaO时,钢以纯Al2O3夹杂物为主;重熔用渣成分为40.62%CaF2-36.95%Al2O3-16.83%CaO-4.87%MgO时,电渣锭中会发现大尺寸的球状CaO·2Al2O3夹杂物(>5 μm)。针对42CrMoA曲轴钢电渣重熔,巨建涛等[23]研究了不同电渣重熔渣对电渣锭夹杂物影响,研究结果表明采用二元渣70%CaF2-30%Al2O3时,电渣锭中夹杂物主要为Al2O3和MnS夹杂物。当重熔渣系成分分别为60%CaF2-20%Al2O3-20%CaO和60%CaF2-20%Al2O3-10%CaO-10%MgO时,随着CaO和MgO的加入,电渣锭中夹杂物会以镁铝钙尖晶石形式存在。当重熔渣成分为40%CaF2-20%Al2O3-10%CaO-10%MgO-20%SiO2时,由于渣中存在SiO2,会与夹杂物中Al2O3、CaO及硫化物反应生成硅铝锰与硫化锰复合夹杂物,同时少量夹杂物以纯SiO2形式存在。研究表明[24-25],钢中镁铝尖晶石类夹杂物多以细小形态弥散均匀分布在钢锭中,这种夹杂物相比于铝酸盐、刚玉、硅酸盐夹杂物细小得多,且镁铝尖晶石类夹杂物较为坚硬,在后续处理及使用过程中不变形,对钢的力学性能就不造成任何危害。相较于Al2O3夹杂,MgO·Al2O3夹杂更不容易聚集长大,更有利于钢中奥氏体和碳化物非均质形核,可以实现晶粒和碳化物的细化。夹杂物细化有利于碳化物向球形或近球形转变,避免加工变形过程中棱形夹杂物划伤钢的基体,提高了钢的综合力学性能[26]。

总体来说,电渣钢对由于非金属夹杂物的存在而产生的交变应力非常敏感,在加工或使用过程中夹杂物的存在易使钢的基体组织间产生间隔,从而破坏基体的连续性而产生缺陷。通常夹杂物尺寸越大、数量越多、离材料表面越近,对钢的力学性能和综合服役性能的影响也越大[27]。尽管电渣重熔过程能够显著提升重熔金属的洁净度,但电渣锭中仍存在相当数量的夹杂物[28]。电渣重熔钢锭中,以脆性铝酸盐(CaO·Al2O3)及刚玉(Al2O3)为主要非金属夹杂物严重影响钢的塑韧性[19,29-33],球状CaO·Al2O3在后处理和使用过程中容易在其周围产生“空洞”,从而导致应力集中,影响钢的使用寿命[34]。Al2O3夹杂通常形状不规则,且不易变形,在后处理和使用过程中容易划伤钢基体本身[35]。

3 总结及展望

为了提高铸锭的内部质量,就要尽量降低铸锭中的夹杂物的尺寸、数量和形貌,一是降低夹杂物的尺寸和数量,特别是降低非金属氧化物夹杂的尺寸和数量;二是改善夹杂物存在的形态,尽量使夹杂物以细散、圆滑的形态分布于电渣锭中。电渣冶金技术虽然经过了多年的发展,采用电渣重熔工艺可以解决成分均匀化和结晶组织致密性问题,但受到现有电渣冶金工艺局限性限制,对高端钢材的高纯净化指标尚无明显改善,甚至出现局部指标恶化现象。尽管已知电渣重熔渣系中MgO的加入可有效减少钢中夹杂物数量、降低夹杂物尺寸,使易聚集的CaO·Al2O3和Al2O3夹杂物转变为细小弥散均匀分布的MgO·Al2O3夹杂物,但含MgO电渣重熔渣系的开发应用程度依旧较低,目前开发的含MgO电渣重熔渣系MgO含量较低(普遍低于10%),未来高MgO含量电渣重熔渣系的开发或可成为电渣重熔发展提供新的方向和思路。