电渣重熔冶金过程炉渣黏度性能研究

供稿|李小孟， 刘立，赵俊学，李献民，丁五洲，陈峰，陈健 / LI Xiao-meng, LIU Li, ZHAO Jun-xue,LI Xian-min, DING Wu-zhou,CHEN Feng, CHEN Jian

电渣重熔法(Electro Slag Remelting)是在水冷结晶器中，利用熔渣的电阻发热来重熔自耗电极，生产高质量合金的一种方法。目的是在初炼的基础上进一步提纯合金并改善合金的结晶组织，从而获得高质量的合金。这种方法广泛应用于高质量合金的生产，产品涉及不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金、耐蚀合金、电热合金等400多个品种，产品遍及国民经济的各个行业，在航空、航天、石油化工、铁路部门、能源工业、轻工业等诸多领域都有着广泛的应用。其生产出来的产品具有性能优越、纯度高、含硫量低、非金属夹杂物少、钢锭表面光滑、结晶均匀致密、金相组织和化学成分均匀等特性[1-3]。

电渣冶金，CaF2-CaO-Al2O3-SiO2-MgO五元渣系在连铸保护渣、电渣重熔、有色冶金等高温熔炼过程都有着很广泛的应用。但是目前关于该渣系的系统研究很少，尤其是炉渣黏度研究更是匮乏。基于此，本文通过正交实验设计法，设计16组不同组元的炉渣成分，试图勾勒出CaF2-CaO-Al2O3-SiO2-MgO渣系的黏度随温度变化的规律，从而为其在电渣冶金的实际应用过程中提供理论依据。

实验材料

实验材料选用购买的分析纯试剂，见表1，CaO(白色或微黄色的不定形或颗粒状粉末)、SiO2、Al2O3、MgO(白色软质粉末)、CaF2(白色结晶性粉末)。进行物理混合后，在球磨机上球磨2 h，达到充分的混匀。

实验方法

采用东北大学研发的RTW-10型熔体物性综合测定仪测定电渣重熔炉渣的黏度。按照正交实验法五因素四水平配比16组不同组元的CaF2-CaO-Al2O3-SiO2-MgO五元炉渣，采用旋转柱体法测定熔体的黏度。

1) 测定黏度使用石墨坩埚，要保证坩埚位于炉子的恒温带内，渣熔化后渣层高度约为40 mm。每次所称量渣料大概在140～150 g，部分渣料样品见图1。

表1 分析纯试剂成分

图1 实验渣样实物图

表2 正交实验因素及水平表

2) 通过程序控温，熔化渣样。 当实测炉温到达1500℃时，恒温30 min，用钼丝进行搅拌，控制炉体位置至转头停止在距离坩埚底部10 mm的位置上。待熔渣的温度稳定，成分均匀后，进行黏度测量，直至熔渣黏度过大无法继续测量为止(不大于10 Pa·s)。

3) 为了保证测试数据的准确性，可以多测定几个值，在测定值稳定后，通过求平均值来确定样品的黏度值。

实验结果分析

正交实验因素及水平表见表2，正交实验数据见表3，以黏度为指标的方差分析见表4。由极差分析可以看出，当以黏度为考察指标时，SiO2含量＞CaO含量＞CaF2含量＞Al2O3含量＞MgO含量，各个因素的影响程度相差较大。

由图2可见，在1463℃时，3#渣样的黏度为0.036 Pa·s，炉渣的流动性较好，并且随着温度的不断下降，熔渣的黏度越来越大。在1300℃左右时，熔渣的黏度基本上达到了1.134 Pa·s。随着温度的继续下降，到1256℃时，熔渣的黏度达到5.816 Pa·s，基本上处于凝固的状态。从黏度的拐点即熔渣的突然凝固，同样可以判断出炉渣的熔化温度也在1340℃附近。

由图3可见，在1463℃，15#渣样的黏度为0.029 Pa·s，炉渣的流动性也属于比较好，当温度降到1350℃左右时，炉渣的黏度出现比较大的增加，达到1.519 Pa·s，即开始出现凝固，与该组分熔渣的

熔化温度是吻合的。比较3#和15#炉渣在高温1463℃下的黏度值可知，由于15#炉渣较3#炉渣CaF2含量高，其黏度值明显较小。

表3 正交实验表

表4 以黏度为指标的方差分析表

比较4#和6#熔渣(表3)，4#炉渣的SiO2含量高于6#而CaF2含量较低，其熔渣的黏度略小于6#熔渣，由此可以验证SiO2含量对熔渣黏度的影响大于CaF2含量的影响。由熔渣的熔体结构理论[4-5]可知，随着SiO2含量的增加，破坏了原来熔渣的大网状结构，熔渣流动时黏滞阻力会减小，因此熔渣的黏度减小，流动性较好。

由4#、6#、10#炉渣的黏度曲线图图4可以看出，该组渣样的流动性较好，在温度低于1325℃时，三组炉渣的黏度值随温度的升高黏度值变化都不大，都低于0.5 Pa·s。随着温度的继续降低，大约在1280℃左右时，三组炉渣的黏度开始出现比较明显的增大，其中4#渣样的黏度值0.378 Pa·s，6#渣样的黏度值为2.948 Pa·s，10#渣样的黏度为3.851 Pa·s。

图4 4#、6#、10#黏度曲线图

综上所述，几组渣样的流动性都较好，符合随温度升高炉渣黏度下降的规律，并在一定的温度区间黏度值发生大幅度降低，之后变化不大。

结束语

根据五因素四水平正交实验数据绘制了黏度曲线图，得出CaF2-CaO-Al2O3-SiO2-MgO五元炉渣黏度值及各组元对黏度值影响的规律。

1) 在炉温1500℃，渣温1463℃时，五元炉渣的黏度值在0.021～0.129 Pa·s范围内。

2) 正交实验结果表明：各组分对电渣重熔炉渣黏度影响的强弱顺序为：SiO2＞CaO＞CaF2＞Al2O3＞MgO；极差分析结果和方差分析结果基本吻合。

3) 4#炉渣的SiO2含量高于6#而CaF2含量较低，其熔渣的黏度略小于6#熔渣，可以验证正交实验得出的结果，即SiO2含量对熔渣黏度的影响最大。

由实验结果可以看出，随着温度的升高，炉渣的黏度呈下降的趋势，尤其是温度在1280℃～1350℃时，炉渣黏度出现较大的下降。随着温度的继续升高，黏度的变化不大。

[1] 丁永昌，徐增启. 特种熔炼. 北京： 冶金工业出版社，1995.

[2] 李正邦. 电渣冶金原理及应用. 北京： 冶金工业出版社，1996.

[3] 李正邦. 电渣重熔译文集. 北京： 冶金工业出版社，1990.

[4] 豆志河，姚建明，张廷安，等. CaO-Al2O3-SiO2-CaF2渣系的黏度.东北大学学报(自然科学版)，2008, 29(7)： 1000-1003.

[5] Dong Y W, Jiang Z H, Li Z B. Mathematical model for electroslag remelting process. Journal of Iron and Steel Research International,2007, 14(5) ： 7-12.