电极插入深度对电渣重熔过程的重要性

刘树杰

(无锡富劳德风能设备有限公司，江苏 无锡 214181)

电极插入深度对电渣重熔过程的重要性

刘树杰

(无锡富劳德风能设备有限公司，江苏 无锡 214181)

电极插入渣池的深度，对电渣重熔过程起着至关重要的作用，控制好电极的插入深度，不仅可以实现不同电渣炉设备生产过程的稳定一致，而且还可以对整个电渣重熔过程进行有效的控制.本文主要从对电极插入深度的控制实现不同电渣炉设备生产过程的稳定一致，以及电极插入深度对电渣重熔过程产生的影响进行总结和论述.

电极;插入深度;电渣重熔;熔化速度;稳定性;元素烧损

电渣钢以其优良的品质和较长的使用寿命，越来越多地被人们应用到各个领域.我国电渣钢的产量也有了飞速增长，几乎各个特殊钢厂都建有电渣炉.但是电渣炉的冶炼具有一些特殊性，不同的炉子在冶炼中所使用的冶炼工艺不相同.尤其是冶炼时的电参数，即使是同样规格的结晶器，在冶炼时相同的电参数所得到的结果也不相同.人们在生产时感觉冶炼工艺不好确定，尤其是新建电渣炉和刚刚接触电渣冶炼的人员，总感觉无从下手.本文通过大量电渣炉在生产实践中表现的一些特性，对电渣炉冶炼时的电参数进行总结，发现电极插入深度对整个电渣重熔过程起着至关重要的作用;控制好电极的插入深度就可以实现电渣重熔过程的稳定一致;并且电极的插入深度还极大地影响着电渣重熔的其他各个方面.

1 如何通过控制电极插入深度实现对冶炼电参数的调整

1.1 电极熔化速度的决定因素

电极的熔化速度在电渣重熔过程中起着关键作用，不仅影响到钢锭内部组织的结晶状态，还影响着夹杂物的去除，并与钢锭的偏析、疏松等内部质量有着直接关系.因此控制好电极的熔化速度是生产高质量电渣锭的前提.

电极的熔化速度取决于冶炼的电流和电压，以及渣系的配比，其中电流和电压对熔化速度起决定作用.如何确定合理的电参数对电渣锭的质量起着决定作用.电渣炉冶炼具有特殊性，冶炼时间长，熔化速度慢.即使是相同的结晶器，在不同的供电短网条件下，即使采用相同的电流和电压，其熔化速度也是不相同的，甚至相差很大.如何实现相同的结晶器在不同的电渣炉上具有相同而稳定的熔化速度是我们要解决的问题.

通过对数台电渣炉熔化速度和电参数的对比，我们发现要想实现相同的结晶器在不同电渣炉上具有相同而稳定的熔化速度，就要设法实现电极插入深度稳定一致.为此我们在不同的厂家进行了试验，表1是试验厂家和结晶器及自耗电极规格.

表1 试验的不同厂家结晶器及自耗电极规格Table 1 Specification of consumable electrode and mould made by different plant

可以看出这4个厂家使用的结晶器和自耗电极的规格相差不大.试验时全部采用w(Al2O3)=30%、w(CaF2)=70%的渣，渣层厚度都是180 mm.

对这4个厂家的冶炼参数、电极插入深度和对应的电极熔化速度进行了记录和对比，每一家都选取了3炉做比较，其结果如表2所示.

表2 不同电渣炉上电流、电压与熔化速度的对比Table 2 Comparison of current，voltage and melting rate of different ESR furnace

从表2中可以看出，电极的熔化速度与采用的电流、电压之间没有什么规律可循，也就是说在不同的电渣炉上，电流、电压对电极熔化速度的影响效果是不相同的.这主要是因为短网损失不同造成的.

1.2 电极熔化速度与插入深度的关系

从上面的表2中，我们几乎找不到电极熔化速度与电参数之间的特定关系，但是我们发现电极的熔化速度与插入深度之间有着较为一致的表现，即:在不同的电渣炉上，电极插入深度相同时，熔化速度也比较相近(如表中划“√”项).同时我们还发现一个现象，就是每一种结晶器都有一个插入深度的临界点，在这个临界点上，电极的熔化速度趋向于稳定一致，当插入深度增加或者减少时熔化速度的变化趋势都是先增加，然后再减小.

通过对多台电渣炉的统计比较，我们总结出如下规律:结晶器直径越小电极的插入深度就要越大，反之，结晶器直径越大，电极的插入深度也要适当减小，其次电极的插入深度还要考虑自耗电极的充填比大小.对于充填比≥0.60(自耗电极直径与结晶器直径的比值)的电渣炉，当结晶器直径≤800 mm时，电极插入深度的临界点为40 mm左右，当结晶器直径≥800 mm时，电极插入深度的临界点为30 mm左右.这也符合国外冶金工作者总结的熔化速度经验公式 V熔速=0.004лD结，并且我们通过对大量数据的比较总结出熔化速度的经验公式为V熔速=(0.70～0.80)D结，结晶器直径大的取下限，结晶器直径小的取上限.D结为结晶器直径(mm)，V熔速为电极熔化速度(kg/h).

2 电极插入深度对电渣锭质量的影响

2.1 对钢锭结晶方向的影响

因为电极的插入深度直接影响着金属熔池的形状，电极插入深时，熔池也比较深，电极插入浅时，熔池也比较浅.钢锭在冷却凝固时，结晶方向始终是垂直于固－液界面的方向;因此金属熔池的形状对钢锭的结晶方向有影响.我们把固－液界面切线方向与钢锭中心轴线之间的夹角θ称为结晶角，如图1所示.

当熔池形状变化时，结晶角θ也随着相应改变.当电极插入深时，金属熔池也深，会造成结晶角θ的减小;电极插入浅时，金属熔池也浅，结晶角变大.

通过对钢锭质量和力学性能的检测，发现钢锭的结晶方向对钢锭的质量有影响，特别是对钢锭的力学性能有一定的影响.钢锭在凝固结晶时，结晶角θ过大或者过小都不好，也就是说钢锭的结晶角θ有一个最佳点.有人通过试验发现，当结晶角θ为60(°)时，钢锭的各项力学性能达到最好，而且钢锭在各个方向上的力学性能均匀一致.

图1 结晶角示意图Fig.1 Schematic diagram of crystallization angle

我们根据抚顺特殊钢有限公司侯少良介绍的“电渣重熔金属熔池深度的实用测定方法”，对电极插入深度达到临界插入深度时金属熔池的深度和形状进行测量和计算，发现在电极插入深度为临界点时，钢锭的结晶角θ度也非常接近60(°)，这充分证明电极插入深度在临界点时冶炼的钢锭质量最好.

2.2 对元素烧损的影响

在电渣重熔过程中，自耗电极中一些易氧化元素如:Si，Al，Ti，Mn 等都会出现不同程度的烧损，烧损程度除了与加入的脱氧剂多少有关以外，还与电极的插入深度有着密切关系.通过观察发现，插入深度的临界点同时也是易氧化元素烧损大幅度增加的点，即当电极插入深度小于这个临界点时，元素的烧损量会明显增加.分析其原因主要是，当电极的插入深度小于临界点时，就会增加电极初始形成的融滴与空气的接触机会，导致一些元素迅速被空气所氧化.当电极插入深度比临界点减少10 mm时，自耗电极中的Si甚至会烧损40%，Al、Ti几乎全部烧损.

2.3 对气体含量的影响

电极的插入深度对重熔过程中钢液的吸气也有很大的影响，如果电极插入渣池的深度小于前面提到的临界点，随着电极插入深度的减小，钢液的吸气会加剧.我们在10 t电渣炉上做试验，结晶器采用900/950×2 500 mm，自耗电极采用630 mm，生产70Cr3NiMo冷轧辊用钢，共试验了10个炉次，其气体含量结果如表3所示.

由于测定H含量要在钢的液态下取样，在退火后的钢锭上取样的H含量没有代表性，而在电渣过程中取液态样不方便，所以在自耗电极和电渣锭上分别只取样检测O和N的含量进行对比.试验时在重熔过程加入Al粉进行脱氧，加入量都是0.5 kg/t钢.电极的插入深度是在交换电极时，在电极抬出结晶器后实际测量的.

表3 电极插入深度与钢锭气体质量分数的对比Table 3 Comparison of electrode insert depth and gas content(mass fraction)of ingot

从检测结果可以很清楚的看到，随着电极插入深度的减小，气体含量的增加值会明显增大，尤其在电极插入深度小于其对应的临界点时，气体含量增加的幅度更大，但是当插入深度大于或等于临界点的深度时，再增加插入深度，其气体含量的增加没有明显的差别.

2.4 对电渣锭表面质量的影响

电极的插入深度极大地影响着渣池的温度场分布，并且对渣池的整体温度也有很大影响.对渣皮厚度也产生很大影响，渣温低，渣皮就厚.通过生产实践发现，当冶炼电流过大，电压较低时，电极插入渣池比较深，这时渣皮非常厚，最厚处可以达到20 mm以上，并且很不均匀，在电渣锭表面出现许多环形的皱褶，尤其在电渣锭底部和支臂交换处更加严重，极大地影响电渣锭的出材率和锻造质量.出现这种现象的原因主要是电极插入太深，造成渣池表面温度低，特别是靠近结晶器边缘的温度偏低造成的.我们在生产中发现，只要把电极的插入点提高到与结晶器对应的临界插入深度以上，也就是插入深度小于它所对应的临界点，电渣锭的表面就会明显改善.但是也不是插入深度越小越好.在生产中我们发现，冒口补缩时，有时因为进入补缩早了，电流已经降得很低，但是电极还有剩余，为了把电极全部化完，又重新增加电流，电极插入深度也随之增加，结果会出现电渣锭头部“戴帽”现象.电渣锭表面也会出现环形皱褶.这说明电极插入太浅时渣池的表面温度也是比较低的.

通过大量的生产实践，我们认为电极插入深度控制在结晶器所对应的临界插入深度附近时，电渣锭的表面质量最好.

3 结论

通过在生产实践中的总结和观察，我们得出以下结论:

(1)每种规格的结晶器在充填比一定时，都有一个插入深度临界点，在这一插入深度点可以实现不同电渣炉熔化速度的稳定一致.

(2)电极插入深度对电渣锭在结晶方向、元素烧损、气体含量、表面质量等各方面都有很大影响.

(3)在生产中要把电极的插入深度控制在所用结晶器对应的插入深度临界点，这样生产的电渣锭能够保证质量可靠，稳定一致.

［1］吴远飞，姜周华.电渣重熔过程中电极熔速的确定［J］.材料与冶金学报，2002，1(2).

［2］侯少良.电渣重熔金属熔池深度的实用测定方法［R］.抚顺特殊钢有限公司，2004.

［3］尧军平.调整工艺参数对ESR熔池深度的研究［J］.南昌航空工业学院学报，2004(3).

［4］李正邦.电渣冶金原理及应用［J］.北京:冶金工业出版社，1996.

［5］刘树杰.电极插入深度的控制及其对冶炼的影响［C］//2008年全国电渣冶金技术研讨会论文集.2008.12.

［6］李正邦、张家雯、林功文等译.电渣重熔译文集2［M］.北京:冶金工业出版社，1990.

Electrode insert into depth for electrical dregs weight rong importance in ESR course

LIU Shu-jie

(Wuxi Fu Lao De the Virtue Equipment Limited Company of Wind Energy，Wuxi 214181，China)

Electrode inserts into the depth of slag bath，for ESR course play a most important role，control electrode insert into depth，can not only realize different electrical dregs stove equipment production course stabilize consistent，and can still value for entire electrical dregs rong course carry out effective control.This paper major from the control for that electrode inserts into depth realization different electrical dregs stove equipment production course stabilize consistent，as well as electrode insert into depth for electrical dregs weight rong the influence that course produces summarize and narrate.

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TF 1424

A

1671-6620(2011)S1-0064-04

2010-10-15.

刘树杰 (1973—)，男，E－mail:liushujie9@126.com.