降低电渣重熔钢非金属夹杂物的措施探讨

李春江

摘 要：为了生产大厚度、大单重、好氧化物评级和高洁净度的优质钢材，合理将理论研究与实际应用效果相结合，认真分析电渣重熔钢非金属夹杂物形成过程与去除抑制措施方法，具有非常大的工程实践应用研究意义。

关键词：电渣重熔钢；非金属夹杂物；自耗电极

工程使用的高强高韧性钢，其对钢材纯净度有着非常严格的要求。非金属夹杂物其弹性模量、变形能力等指标性能均与高温合金基体有很大差别，在实际工程应用中容易出现应力过度集中，会产生疲劳裂纹的发生和扩展，有的甚至会引起恶性安全事故发生。因此，高强高韧性钢对非金属夹杂物成分含量控制要求非常苛刻。电渣重熔是目前优质钢生产制造工艺中广泛采用的一种重熔工艺，不仅可以实现近平衡凝固，增强钢锭凝固优越性，同时还可以有效去除钢熔炼过程中非金属夹杂物、改善其在钢体组织中的分布，有效提高钢材的强度、韧性和耐腐蚀性，对提高合金钢的机械性能具有非常明显的效果。

1 电渣重熔钢工艺非金属夹杂物的产生机理

在电渣重熔冶金工艺中，自耗电极熔化成金属熔池过程大致可以划分为三个阶段，即：自耗电极端头形成金属熔滴、熔滴从自耗电极端头脱落到达到熔渣层、熔滴进入金属熔池中三个阶段。

1.1 电渣重熔钢工艺中非金属夹杂物成分

从大量工程实践可知，电渣母材的脱氧制度和重熔渣系对高强高韧性钢冶炼过程中的非金属夹杂物控制和疲劳寿命性能影响非常大。采用Al脱氧的电渣母材时，无论采用碱性渣还是酸性渣进行重熔，其在冶金过程中形成的非金属夹杂物均以脆性的Al2O3为主。而采用Ca-Si和Ca-Si+Fe-Si脱氧的电渣母材时，若采用碱性渣系进行重熔时，其在冶金过程中形成的非金属夹杂物依然以脆性的Al2O3为主；若采用酸性渣系进行重熔时，其在冶金过程中形成的非金属夹杂物则以S化物和硅酸盐为主的塑性夹杂物，其对钢材的疲劳寿命有着重大影响。从大量文献和实践冶金成果研究表明：（1）电渣母材采用不同脱氧制度，其在自耗电极熔炼过程中产生的非金属夹杂物的种类、成分和含量是不同的；（2）不同脱氧制度和渣系，其在重熔钢中产生的非金属夹杂物不同，对钢材性能影响较大。

1.2 电渣重熔钢工艺中氧含量

根据自耗电极中的氧含量高低，大致可以划分为高氧含量自耗电极（氧含量>30×10-6）和低氧含量自耗电极（氧含量<10×10-6），其在电渣重熔过程中，电渣钢基本都保持在稳定范围（15×10-6<氧含量<30×10-6），也就是说：若采用低氧含量自耗电极重熔，则电渣冶炼过程中就是“增氧玷污”过程，经电渣重熔后期钢锭中的氧含量将有所上升；若采用高氧含量自耗电极重熔，则电渣冶炼过程中就是“降氧净化”过程。影响重熔过程中氧含量的主要成分为αFeO的指标，而自耗电极自身氧含量对电渣钢中含氧量影响程度较小，在重熔过程中电渣氧含量均能维持在（15～30）×10-6稳定范围。另外，在电极制造和重熔过程中，自耗电极表面形成的氧化表层、造渣过程中带入的不稳定氧化物、电渣重熔过程中的气氛环境等均可能影响重熔钢的氧含量。

1.3 电渣重熔中产生的新夹杂物

电渣在重熔前后，其钢中所含的非金属夹杂物种类、尺寸、含量、分布等均在发生变化。同时，在重熔氧化物夹杂物去除过程中，还会在钢中产生SiO2、Fe2O3、Cr2O3、MnO等新生夹杂物。

2 进一步降低电渣重熔钢中非金属夹杂物的几点建议

采用电渣重熔工艺后，钢锭氧含量有明显下降，同时非金属夹杂物种类、成分、尺寸和分布等均有很大改善，可以有效提高合金钢的洁净度、性能和壽命。

2.1 合理选用复合脱氧剂，进一步降低自耗电极自身非金属夹杂物

从工程实践可知，自耗电极自身存在的非金属夹杂物，其绝大部分在电渣重熔过程中，尤其在形成金属熔滴和金属熔滴脱落过程中的第一和第二阶段被熔渣吸收而排除，少部分随熔滴进入金属熔池中，通过氧化作用形成新生夹杂物等存在于重熔钢锭中。因此，降低钢熔池中的氧含量，可以有效抑制自耗电极自身非金属夹杂物和新生夹杂物对重熔钢的影响。从实践应用表明：采用AMS和Ca-Si的复合脱氧剂，对自耗电极进行终脱氧处理后，可以有效降低自耗电极自身存在的非金属夹杂物含量。采用复合脱氧剂处理后的自耗电极，由于其脱氧产物熔点低、颗粒大，易从钢液中排除，进而被熔渣吸收而排除。采用经终脱氧的自耗电极，其电渣重熔后夹杂物含量可以下降55%以上，钢材性能和疲劳寿命可以得到有效提高。

2.2 改善钢熔池结晶条件，提高重熔钢纯洁度

金属熔池中的结晶条件，会影响到非金属夹杂物和新生非金属夹杂物的尺寸、分布和上浮排除条件，从而影响到重熔钢中非金属夹杂物的评级和纯洁度。当自耗电极重熔速度过大，则金属熔池深度就会越深，对应“凹度”会加深，氧化物评级就会升高；相反，自耗电极熔化速度越小，相应液态金属层就会越薄，非金属夹杂物尺寸相对就会越大，这样对去除重熔钢中的夹杂物就越有利。目前一些企业为了片面提高产量，将渣系从三元改为四元，这样虽然可以提高电渣的电阻比热提高熔化速度，但同时对重熔钢中的夹杂物去除是会产生较大影响的。

2.3 优选熔渣体系，便于脱硫去除夹杂物

从大量科学研究和工程实践应用效果表明：CaO-Al2O3-CaF2的“Ⅲ-1”系列渣，其去除重熔钢中的非金属夹杂物效果非常良好。同时，随着熔渣中的Al2O3含量的增加，相应夹杂物与熔渣间界面的张力会大大下降、熔渣阻力增大发热量增大，熔渣吸收非金属夹杂物的能力也会增强，相应重熔钢中氧化物、硫化物等夹杂物的去除率也会大大增加。另外，适当增加CaO的含量，也会有效降低电渣锭中的非金属夹杂物和氧含量，进而提高钢材的洁净度和疲劳寿命。

2.4 合理控制供电制度，提高电渣去除非金属夹杂物能力

虽然供电制度与重熔钢中的非金属夹杂物去除率间没有的定量的关系，但从大量研究和工程实践应用结果表明：同功率条件下，随供电电流的增加，电压会降低，电极端头插入到熔渣中锥体表面积会大大增加，相应氧化物评级会明显降低。工程中，推荐电极在熔渣中的插入深度以10mm～15mm为宜。

2.5 有效控制电渣钢中的氧含量，抑制重熔钢中的原生和新生夹杂物

推荐选用复合脱氧剂来对自耗电极进行终脱氧，控制电极中的原始氧含量，从源头降低重熔钢中的氧含量；对于采用酸洗后的自耗电极表面剥皮后应立即进行重熔处理，这样可以有效降低重熔后钢中的氧含量；在重熔过程中，要不断向渣熔池中加入适当的脱氧剂，也可以在重熔过程中不断向渣钢熔池表面加入Al粒/粉，进行脱氧处理，确保重熔钢中不稳定氧化物如：SiO2、Fe2O3、MnO等始终保持在稳定范围。合理采用氩气Ar、氮气N2等惰性气体，以改善重熔气氛，控制电渣重熔过程中的氧含量，抑制重熔钢中的原生和新生夹杂物产生。

3 结束语

电渣重熔过程中，第一和第二阶段是去除非金属夹杂物，提高钢材性能和疲劳使用寿命的关键阶段。通过采取合理终脱氧制度、优选重熔渣系、改善钢熔池结晶条件、合理控制供电制度和有效控制氧含量，可以有效排除重熔钢中的非金属夹杂物，降低氧化物评级和提高钢的纯净度，有效增强钢的性能和疲劳寿命。

参考文献

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[2]杨海森，常立忠，朱航宇，等.电渣冶金过程中氧含量变化的研究[J].材料与冶金学报，2011（10）：44-49.