電渣重熔渣系

電渣重熔渣系是含有CaO、CaF2、Al2O3、MgO、SiO2等成分在高溫下具有適當電導率並具有脫硫、脫磷、去除非金屬夾雜物等能力的鹼性熔體。熔融渣池是電渣重熔工藝的核心部分，它在金屬的熔化、精煉、凝固過程中起著極為重要的作用。

基本介紹

• 中文名：電渣重熔渣系
• 外文名：slags electroslag remelting
• 學科：冶金工程
• 常用渣系：CaF2-Al2O3渣
• 作用：作為重熔熱源
• 影響因素：熔點、電導、黏度

渣的功能

電渣重熔渣的功能如下：（1）作為重熔熱源。它把電能轉化為電阻熱，金屬電極依靠熔渣的電阻熱進行熔化，並滿足熔煉溫度的需要。（2）作為淨化劑。重熔過程中熔化的金屬形成金屬熔滴穿過渣池時，渣與金屬液滴接觸面積很大，利用渣的化學特性可以有效地去除鋼中有害元素硫、磷等，去除有害氣體氫、氧、氮等，吸收、溶解熔融金屬與渣界面的非金屬夾雜物，使金屬得到提純、淨化。（3）作為保護劑。它在鑄錠和結晶器間形成一層渣皮，這層渣皮起到了絕緣、隔熱、潤滑作用，使金屬不與結晶器直接接觸，防止了電分流，使熱流主要向底水箱方向傳導，結晶趨向縱軸方向，並有利於鑄錠和結晶器壁的相對運動。另外，在金屬熔池上方的熔融渣池使金屬液避免直接與大氣接觸，起到了防止金屬氧化及貯熱保溫作用。在電渣重熔過程中，金屬始終在渣的包覆下熔化、凝固。

渣的選擇

電渣重熔渣系、配比和渣量的選擇對電渣鋼的冶金質量、熔煉技術經濟指標以及環境保護具有重大的影響。為了滿足各項技術經濟指標的要求，必須從熔點、電導、黏度、鹼度、表面張力、比熱、蒸汽壓、透氣度等各項物理化學性質進行綜合考慮，才能選出合理的渣型。

熔點 渣的熔點應低於重熔金屬熔點，熔渣成分力求選在低熔共晶點附近，這樣可以減少渣皮凝固時的偏析，防止渣成分的變化造成工藝參數難以穩定的現象。通常渣的熔點應比重熔金屬的熔點低100～200℃。

電導率 熔渣應具有適當的電導率，以產生足夠的熱量，保證金屬熔化、過熱及精煉的進行，並提高電渣重熔的電效率，降低電耗。一般要求在2000℃時，熔渣的電導率k≤3Ω·cm。

黏度 熔渣應有適當的黏度，並且在高溫下黏度值隨溫度變化越小越好。具有良好流動性的渣才能保證高溫下渣池熱對流，使鑄錠徑向溫度均勻，利於去氣脫硫等物化反應的進行，利於形成薄渣皮，提高鑄錠表面質量。一般熔渣在1800℃時，黏度η≤0.5Pa·s。

鹼度 為了保證重熔過程脫硫良好，熔渣應具有較高的鹼度，一般鹼度B>1，B=CaO/（SiO₂+

表面張力 熔渣與熔融金屬之間應有足夠大的表面張力，以有助於渣殼分離，防止熔渣捲入金屬內；而熔渣與非金屬夾雜物之間的表面張力越小越好，以利於熔渣對非金屬夾雜物的浸潤、吸附和溶解。

其他特性 熔渣中不應含有高蒸氣壓組元，不應含有不穩定氧化物及變價氧化物，以防止熔渣揮發、金屬增氧及元素燒損。同時，渣在固態時應具有一定的抗濕性，不易發生水合作用。高溫時的熔渣應具有較小的透氣性，防止周圍氣氛中的氮、氫、氧進入金屬熔池；當鑄錠與結晶器相對移動時，為保證渣皮不破裂，獲得良好的鑄錠表面，要求渣皮在高溫時具有一定的強度和塑性等。此外，選擇渣系要注意安全性和經濟性，熔渣應不析出或儘量少析出危害操作人員健康、污染環境的有害氣體和灰塵，並儘量因地制宜、選用價格低廉的原料。

渣的組元

常用渣系的基本形態是以CaF₂為基礎，配入適當的CaO、Al₂O₃、MgO、SiO₂、TiO₂等氧化物組成的，各組元成分在渣中有各自的作用。

（1）CaF₂：能降低渣的熔點、黏度和表面張力。但和其他組元相比，CaF的電導率較高，純CaF₂在1650℃時電導率達4.54Ω-1·cm；渣中CaF含量高，熔煉中易放出有害氣體和煙塵，造成環境污染。

（2）CaO：渣中加入CaO將增大渣的鹼度，提高脫硫效率，在CaO加入量為40%情況下，脫硫率最高可達到85%；而且CaO的加入能夠降低渣的電導率。但是CaO吸水性強，易帶入氫和氧，造成鋼增氫增氧。

（3）Al₂O₃：能明顯降低渣的電導率，減少電耗，提高生產率。例如CaF₂ 90%+Al₂O₃ 10%，在 1650℃時，電導率降為 3.44Ω- ·cm；如果Al₂O₃增加到30%，電導率將降為1.75Ω-·cm-1。但是渣中Al₂O₃增加，將使渣的熔化溫度和黏度升高，並將降低渣的脫硫效果，另外會使重熔過程難以建立和穩定。一般Al₂O₃的含量不大於50%。

（4）MgO：渣中含有適當的MgO將會在渣池表面形成一層半凝固膜，可防止渣池吸氫及防止渣中變價氧化物向金屬熔池傳遞供氧，從而使鑄錠中氧、氫、氮含量降低。同時，這層凝固膜可減少渣表面向大氣輻射的熱損失。但是MgO容易使熔渣的黏度提高，所以渣中含MgO一般不超過15%。

（5）SiO₂：渣中加入少量SiO₂，可以降低渣的熔點，提高渣的高溫塑性，使鑄錠表面光潔，而且也能降低渣的電導率。SiO₂的加入還可以改變鋼中夾雜物的形態，由鋁酸鹽夾雜變為矽酸鹽夾雜，使鋼材易於加工變形。但是渣中SiO₂含量過多，則有反應2CaF₂+SiO₂=2CaO+SiF₄↑發生，造成渣中CaF₂的揮發損失，另外SiO₂高還將使金屬中SiO₂含量增加。

（6）TiO2：在重熔含Ti的鋼及合金時，渣中加入一定量的TiO₂，可以抑制鋼中鈦的燒損；另外，常採用CaF₂-TiO₂型導電渣作引燃劑；TiO₂是變價氧化物，它對金屬熔池起傳遞供氧作用。

常用渣系

最廣泛使用的渣系是CaF₂-Al2O₃渣，其代表成分是CaF₂ 70%+Al₂O₃ 30%。這種渣綜合工藝性能較好，適應不同工藝條件，具有一定的脫硫及去夾雜能力，適用於重熔滾珠軸承鋼、合金結構鋼、高速工具鋼、模具鋼及不銹耐熱鋼等。但這種渣存在著一些缺點，如渣成分不在低熔共晶點上，熔點偏高；渣的電導率高，重熔電耗高；渣中CaF₂含量高，熔煉中易污染環境；鋼中夾雜物以脆性鋁酸鹽及剛玉為主，影響鋼的塑性和韌性等。

表1 CaF2-Al2O3-CaO渣系成分

為了避免CaF₂-Al₂O₃渣系的上述缺點，近年來開發了CaF₂-CaO-Al₂O₃三元渣系，CaF₂-CaO-Al₂O₃-MgO四元渣系及CaF₂-CaO-Al₂O₃-MgO-SiO₂五元渣系等（見表1～表3）。這些渣系的成分基本選擇在三元共晶線上，渣的熔點較低，渣皮凝固時偏析現象較輕微，渣成分穩定，鑄錠表面光潔，成型良好。而且這些渣系具有較低的電導率，提高了電效率，因渣中CaF₂減少，造成的污染也有所減輕，渣中含少量MgO或SiO₂，防止了鋼液吸氣，使鑄錠表面光潔。這些渣系的缺點是含有CaO，易於吸水，因此必須十分注意保持渣料的乾燥，以防止鋼水吸氫增氧。

表2 CaF2-Al2O3-CaO-MgO渣系成分

表3 CaF2-Al2O3-CaO-MgO-SiO2渣系成分

長期以來，電渣重熔一直沿用鹼性渣及中性渣，對渣中SiO₂含量予以限制。為了適當降低CaF₂-Al₂O₃-CaO渣系熔渣氧離子活度，防止吸氫增氧，近年來開始在渣中加入SiO₂，採用酸性渣以滿足工業發展的需要，其成分見表5。鹼性渣脫磷脫硫效果良好，但它具有較高的透氣性，不可避免地將提高鋼中含氫量。隨著電渣重熔錠型的日益大型化，渣池與大氣接觸面積增加，電渣錠去氫問題日益尖銳。酸性渣雖不利於脫硫脫磷，但由於透氣性差，利於除氫。對於50～300 t重的直徑1000～3000 mm的大錠採用酸性渣（B<1）重熔，防止鋼中增氫效果明顯。用鹼性渣重熔，氫會增至8cm/100g，而用酸性渣重熔，則鋼中氫含量不超過2cm3/100g。另外，採用酸性渣重熔，可以改變鋼中非金屬夾雜物形態。用鹼性渣重熔，鋼中夾雜物以剛玉為主（Al₂O₃ 60%～90%，SiO₂<20%），若用酸性渣重熔，鋼中夾雜物以矽酸鹽為主（SiO₂ 40%～60%，Al₂O₃15%～20%），為塑性夾雜物，而易於加工。但是，使用酸性渣必須解決其電導率低引起電渣過程不穩，以及重熔含有易氧化元素的鋼時其合金元素的燒損問題。

電渣重熔含Ti鋼和含Mg鋼等特殊用鋼，常常在渣中加入一定量的TiO₂或MgO，從而達到抑制鋼中鈦或鎂的燒損，提高其收得率的目的。前蘇聯用AHΦ-21渣（CaF₂50%+Al₂O₃ 25%+TiO₂25%）重熔含Ti鋼、美國採用CaF₂ 70%+Al₂O₃ 20%+TiO₂ 10%渣重熔馬氏體時效鋼等，Ti的收得率均大於90%。前蘇聯用AHΦ-9渣（CaF₂65%～75%+MgO 25～35%）、中國用CaF₂ 55%+Al₂O₃ 25%+MgO 10%+CaO 10%渣系冶煉含鎂合金，均起到了“平衡渣”的作用。

另外，人們對渣中添加少量稀土氧化物以降低渣的氧化勢和熔點，增加渣的穩定性，減少鋼中活潑金屬的氧化損失等，也進行了一定的探討，由於稀土氧化物價格偏高而未能廣泛套用。