电渣重熔冷轧辊坯的质量控制

贾建平，张英杰，董艳伍，姜周华

(1.中钢集团 邢台机械轧辊有限公司，邢台 054025;2.东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110004)

电渣重熔冷轧辊坯的质量控制

贾建平1，张英杰1，董艳伍2，姜周华2

(1.中钢集团 邢台机械轧辊有限公司，邢台 054025;2.东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110004)

针对本厂电渣重熔生产锻钢冷轧辊坯的生产实践进行了冷轧辊坯质量控制的研究工作.对渣系选择、预熔渣的工业应用及冷轧辊坯内部质量控制等方面进行了深入的剖析.结果表明，酸性渣和碱性渣都可以用于重熔生产，但比较而言，碱性渣更好，多元渣系对质量控制更有利，预熔渣比非预熔渣对质量控制、降低成本更有利.控制合理的熔化速度是控制钢锭内部质量的重要因素.

电渣重熔;酸性渣;预熔渣;夹杂物;质量控制

近年来，随着工业的发展，电渣冶金在我国特种钢材的生产中发挥着越来越重要的作用.邢机是专业的轧辊生产企业，所生产的轧辊包括铸钢轧辊、铸铁轧辊、锻钢轧辊等多个品种及不同的规格.其中锻钢轧辊都采用电渣重熔作为辊坯的最终冶炼方法.本文根据现场生产经验阐述电渣重熔生产冷轧辊坯的质量控制.

1 渣系的研究

电渣重熔技术产生早期的小吨位电渣炉以“三七”渣(m(Al2O3)∶m(CaF2)=3∶7)作为常用渣系，然而“三七”渣比电阻较低，电耗高.大吨位电渣炉由于钢液的局部凝固时间长，钢锭的表面及内在质量相对难于控制.渣系的选择通常是以m(CaF2)∶m(CaO)∶m(Al2O3)=6∶2∶2 碱性渣系为基进行，由于CaO含量较高，脱硫效果良好，但它具有较高的透气性，使钢中气体含量增高，而且钢中非金属夹杂物坚硬、不易变形，在钢的锻造过程中容易构成应力集中，影响钢的塑韧性.而在渣系中适当添加SiO2和MgO可以降低渣系的透气性，改善钢中夹杂物的性质，并且有利于降低重熔电耗，提高钢锭的整体质量.渣中含有适当的MgO将会在渣池表面形成一层半凝固膜，可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，从而使铸锭中氧、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.但是MgO容易使熔渣的黏度提高，所以渣中MgO的质量分数一般不超过15%.

对于酸性渣，我们也做过相关的研究工作［1］.酸性渣中的CaO含量低，渣系透气性差，有利于钢中氢含量的控制，采用酸性渣重熔比采用碱性渣重熔具有渣皮薄、电耗低的特点.但是采用酸性渣重熔比碱性渣重熔时钢中O含量增高，夹杂物总量增加.另外，由于酸性渣中SiO2高，并且在重熔过程中采用Al脱氧，重熔后钢锭中Si含量略有升高，因此采用酸性渣重熔时自耗电极中Si含量要进行合理的控制.

2 预熔渣的应用

由于使用新配制渣料进行电渣重熔时，存在钢锭底部质量难于保证，并且底部气体含量较高等问题，虽然采用渣料烘烤等方法可以降低钢锭底部的气体含量，但上述问题仍然难以解决，使用预熔渣生产是解决上述问题的有效方法.国外的电渣冶金企业早就开始使用预熔渣进行电渣钢的生产，然而国内对预熔渣的认识不足，使用量很少.为了提高电渣锭冷辊坯的冶金质量，2009年采用预熔渣进行了多炉次的电渣重熔冷轧辊坯的工业试验研究.

(1)电耗情况:对同炉次同材质预熔渣电渣锭和非预熔渣电渣锭进行电耗对比，从整体情况看，预熔渣电耗相对较低;

(2)渣皮情况:预熔渣生产的电渣锭表面质量合格、渣皮薄、过程稳定;

(3)表面质量:预熔渣呈小粒状、降低了粉尘飞扬，避免了大块白灰卡渣料现象;预熔渣焰气小，降低了对环境的影响;预熔渣蹦渣次数降低，安全系数提高;

(4)气体检测内容:预熔渣比非预熔渣辊坯中气体［H］、［O］大大降低，如表1所示;

表1 9支预熔渣和同期非预熔渣钢锭的平均气体含量(质量分数/10－6)Table 1 Average gas content of nine ingot produced by fresh and premelted slag 10－6

3 冷轧辊坯的内部质量研究

早期，电渣冶金工作者往往通过控制金属熔池的形状来控制铸锭的凝固质量，认为金属熔池越浅，钢锭质量越好，然而经过深入的研究，Ballantyne［2］指出，电渣重熔钢锭组织决定于局部凝固时间，而不是决定于金属熔池的形状，而长期以来冶金工作者都是试图通过控制金属熔池形状控制铸锭的结晶组织.Ballantyne认为局部凝固时间与熔化速率之间并不存在线形关系.

Flemings［3］对金属的凝固理论进行过大量的研究，曾提出局部凝固时间与枝晶间距之间的关系.在本文中依据所建立的模型，计算出铸锭凝固过程的局部凝固时间，进而计算出铸锭凝固的枝晶间距，以枝晶间距大小作为衡量铸锭的凝固质量的依据之一.

高铬冷辊坯中碳和合金含量较高，易生成液析碳化物，由于递减功率熔炼电渣炉设备本身特点，冶炼过程重量和时间没有形成函数关系.在熔炼过程中，在半径方向上铸锭的温度场分布是表面温度低，中心温度高;在高度方向上，下面温度低，靠近金属熔池部分温度高，如图1所示.

图1 铸锭中温度场的分布Fig.1 Temperature distributions in ingot

对铸锭从表面到中心的二次枝晶间距大小如图2所示［4］，铸锭表面由于冷却强度大，两相区较小，钢液凝固时间短，因此对应的枝晶间距较小;而铸锭中心两相区宽度大，对应的局部凝固时间最长，也是元素最容易发生偏析的地方.图中C2、C3、C4、C5和 C6分别是距铸锭底部 0.1 m、0.35 m、0.6 m、0.85 m和1.1 m的位置.图3是上述各个位置钢锭表面、1/2半径和钢锭中心位置的碳化物含量情况，从图中可以明显的看出，各试样铸锭中心处所析出的碳化物含量基本相当，而随着铸锭高度的增加，钢锭1/2半径和边缘位置的碳化物含量呈增加趋势.

图2 铸锭从表面到中心的局部凝固时间变化Fig.2 Change of secondary interdendritic spacing in radius direction

图3 铸锭不同位置的碳化物含量Fig.3 Carbide content of different position specimen

Cr5电渣钢锭的组织主要由珠光体和碳化物构成，在分析过程中发现，Cr5电渣锭主要存在两种碳化物:一种是块状的碳化物，这种碳化物属于初生碳化物，是在钢液凝固的过程中，从液态直接析出的高熔点碳化物;另外一种是属于液态钢液凝固后期发生共晶反应析出的共晶碳化物，这种碳化物往往呈现网状或者针状.

图4是对网状碳化物的分析结果，从分析结果来看，网状碳化物的Cr含量并不高，而C和Fe含量较高，合金元素Si、V和Mo含量也比平均成分高，碳化物的成分以(Si、V、Mo)C型为主，同时也含有一定量的(Fe、Cr)7C3型的碳化物.图5是应用SEM对块状整体碳化物的分析，在这种碳化物中，C含量和Cr含量都较高，主要是Cr7C3型碳化物，同时也含有一定量的(Si、V、Mo)C型碳化物.

无论那种类型的碳化物在生产中的冶炼环节都是要尽量避免它的析出，因为大块的碳化物在后续的热处理过程中不容易完全溶解，并且大块碳化物的存在，使 C、Cr、Si、V、Mo 等碳化物形成元素过分聚集，容易使其他部位 C、Cr、Si、V、Mo等元素贫化，从而影响最终产品的性能.在电渣重熔生产冷轧辊用钢时，大颗粒的碳化物是最不希望得到的.碳化物的含量越高，说明铸锭中元素的偏析程度越大，因此应该采用一些措施，降低所析出碳化物的含量和粒度.

经过众多的现场研究表明，熔化率较高将增加熔池深度，从而消弱了电渣淀结晶器侧壁的冷却效果，对结晶的生长方向造成影响，进而影响到电渣锭和辊坯的质量.熔化率降低后，金属熔池变浅、体积变小，金属熔池的深浅直接影响到电渣锭的质量［5］，因此要根据钢种和设备情况合理选择熔化速度.

图5 块状的碳化物SEM分析Fig.5 Analysis of network carbide by SEM

4 结语

通过多年对电渣重熔冷轧辊坯的渣系、工艺、质量控制的实际研究，在渣系选择和使用、质量控制等方面已经具有一定的经验和数据，并将相关的结果应用到本厂冷轧辊坯生产中，保证了本厂电渣重熔冷轧辊坯的质量.

［1］贾建平，史梦健，姜周华，等.酸性渣系在电渣重熔中的应用［C］//全国电渣冶金学术会议.太原:东北大学出版社，2008:110－113.

［2］Hernandez M B，Mitchell A.Review of mathematical models of fluid flow，heat transfer，and mass transfer in electroslag remelting process［J］.Ironmaking and Steelmaking，1999，26(6):423－438.

［3］Flemings M C，“Solidification Processing”，McGraw －Hill，New York，NY，1974

［4］Yanwu Dong，Zhouhua Jiang，Zhengbang Li.Investigation on solidification quality of industrial－scale ESR ingot［C］//TMS2009－InternationalSymposium onLiquidMetal Processing and Casting.Santa Fe，New Mexico，2009.9:36－43.

［5］董艳伍，姜周华，肖志新，等.电渣重熔工艺对钢锭凝固质量影响研究［J］.东北大学学报(自然科学版)，2009，30(11):1598－1602.

Quality control of cold roll steel produced by electroslag remelting process

JIA Jian-ping1，ZHANG Ying-jie1，DONG Yan-wu2，JIANG Zhou-hua2

(1.SINOSteel Xingtai Machinery ＆Mill Roll Co.，Ltd，Xingtai 054025，China;2.School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110004，China)

Our factory is a professional manufacturer of roll，in this paper some investigation about producing forged steel cold roll ESR billet has been done.Selection of slag，industrial application of premelted slag and internal quality control of cold roll and other aspects have been analyzed.Results showed that both acid slag and basic slag can be used for producing cold roll billets，but relatively speaking，basic slag is better.More constituents are better.Premelted slag is better than non －premelted slag for controlling the ingot quality and reducing cost.Rational melting rate is an important reason for controlling internal quality of ingot.

electroslag remelting;acidic slag system;premelted slag;inclusion;quality control

TF 142

A

1671-6620(2011)S1-0082-04

2010-10-15.

贾建平 (1963—)，男，河北邢台人，教授高级工程师，E－mail:jiajpasinosteel.com.