電極插入深度對電渣重熔過程的重要性

劉樹杰

(無錫富勞德風能設備有限公司，江蘇 無錫 214181)

電極插入深度對電渣重熔過程的重要性

劉樹杰

(無錫富勞德風能設備有限公司，江蘇 無錫 214181)

電極插入渣池的深度，對電渣重熔過程起著至關重要的作用，控制好電極的插入深度，不僅可以實現不同電渣爐設備生產過程的穩定一致，而且還可以對整個電渣重熔過程進行有效的控制.本文主要從對電極插入深度的控制實現不同電渣爐設備生產過程的穩定一致，以及電極插入深度對電渣重熔過程產生的影響進行總結和論述.

電極;插入深度;電渣重熔;熔化速度;穩定性;元素燒損

電渣鋼以其優良的品質和較長的使用壽命，越來越多地被人們應用到各個領域.我國電渣鋼的產量也有了飛速增長，幾乎各個特殊鋼廠都建有電渣爐.但是電渣爐的冶煉具有一些特殊性，不同的爐子在冶煉中所使用的冶煉工藝不相同.尤其是冶煉時的電參數，即使是同樣規格的結晶器，在冶煉時相同的電參數所得到的結果也不相同.人們在生產時感覺冶煉工藝不好確定，尤其是新建電渣爐和剛剛接觸電渣冶煉的人員，總感覺無從下手.本文通過大量電渣爐在生產實踐中表現的一些特性，對電渣爐冶煉時的電參數進行總結，發現電極插入深度對整個電渣重熔過程起著至關重要的作用;控制好電極的插入深度就可以實現電渣重熔過程的穩定一致;并且電極的插入深度還極大地影響著電渣重熔的其他各個方面.

1 如何通過控制電極插入深度實現對冶煉電參數的調整

1.1 電極熔化速度的決定因素

電極的熔化速度在電渣重熔過程中起著關鍵作用，不僅影響到鋼錠內部組織的結晶狀態，還影響著夾雜物的去除，并與鋼錠的偏析、疏松等內部質量有著直接關系.因此控制好電極的熔化速度是生產高質量電渣錠的前提.

電極的熔化速度取決于冶煉的電流和電壓，以及渣系的配比，其中電流和電壓對熔化速度起決定作用.如何確定合理的電參數對電渣錠的質量起著決定作用.電渣爐冶煉具有特殊性，冶煉時間長，熔化速度慢.即使是相同的結晶器，在不同的供電短網條件下，即使采用相同的電流和電壓，其熔化速度也是不相同的，甚至相差很大.如何實現相同的結晶器在不同的電渣爐上具有相同而穩定的熔化速度是我們要解決的問題.

通過對數臺電渣爐熔化速度和電參數的對比，我們發現要想實現相同的結晶器在不同電渣爐上具有相同而穩定的熔化速度，就要設法實現電極插入深度穩定一致.為此我們在不同的廠家進行了試驗，表1是試驗廠家和結晶器及自耗電極規格.

表1 試驗的不同廠家結晶器及自耗電極規格Table 1 Specification of consumable electrode and mould made by different plant

可以看出這4個廠家使用的結晶器和自耗電極的規格相差不大.試驗時全部采用w(Al2O3)=30%、w(CaF2)=70%的渣，渣層厚度都是180 mm.

對這4個廠家的冶煉參數、電極插入深度和對應的電極熔化速度進行了記錄和對比，每一家都選取了3爐做比較，其結果如表2所示.

表2 不同電渣爐上電流、電壓與熔化速度的對比Table 2 Comparison of current，voltage and melting rate of different ESR furnace

從表2中可以看出，電極的熔化速度與采用的電流、電壓之間沒有什么規律可循，也就是說在不同的電渣爐上，電流、電壓對電極熔化速度的影響效果是不相同的.這主要是因為短網損失不同造成的.

1.2 電極熔化速度與插入深度的關系

從上面的表2中，我們幾乎找不到電極熔化速度與電參數之間的特定關系，但是我們發現電極的熔化速度與插入深度之間有著較為一致的表現，即:在不同的電渣爐上，電極插入深度相同時，熔化速度也比較相近(如表中劃“√”項).同時我們還發現一個現象，就是每一種結晶器都有一個插入深度的臨界點，在這個臨界點上，電極的熔化速度趨向于穩定一致，當插入深度增加或者減少時熔化速度的變化趨勢都是先增加，然后再減小.

通過對多臺電渣爐的統計比較，我們總結出如下規律:結晶器直徑越小電極的插入深度就要越大，反之，結晶器直徑越大，電極的插入深度也要適當減小，其次電極的插入深度還要考慮自耗電極的充填比大小.對于充填比≥0.60(自耗電極直徑與結晶器直徑的比值)的電渣爐，當結晶器直徑≤800 mm時，電極插入深度的臨界點為40 mm左右，當結晶器直徑≥800 mm時，電極插入深度的臨界點為30 mm左右.這也符合國外冶金工作者總結的熔化速度經驗公式 V熔速=0.004лD結，并且我們通過對大量數據的比較總結出熔化速度的經驗公式為V熔速=(0.70～0.80)D結，結晶器直徑大的取下限，結晶器直徑小的取上限.D結為結晶器直徑(mm)，V熔速為電極熔化速度(kg/h).

2 電極插入深度對電渣錠質量的影響

2.1 對鋼錠結晶方向的影響

因為電極的插入深度直接影響著金屬熔池的形狀，電極插入深時，熔池也比較深，電極插入淺時，熔池也比較淺.鋼錠在冷卻凝固時，結晶方向始終是垂直于固－液界面的方向;因此金屬熔池的形狀對鋼錠的結晶方向有影響.我們把固－液界面切線方向與鋼錠中心軸線之間的夾角θ稱為結晶角，如圖1所示.

當熔池形狀變化時，結晶角θ也隨著相應改變.當電極插入深時，金屬熔池也深，會造成結晶角θ的減小;電極插入淺時，金屬熔池也淺，結晶角變大.

通過對鋼錠質量和力學性能的檢測，發現鋼錠的結晶方向對鋼錠的質量有影響，特別是對鋼錠的力學性能有一定的影響.鋼錠在凝固結晶時，結晶角θ過大或者過小都不好，也就是說鋼錠的結晶角θ有一個最佳點.有人通過試驗發現，當結晶角θ為60(°)時，鋼錠的各項力學性能達到最好，而且鋼錠在各個方向上的力學性能均勻一致.

圖1 結晶角示意圖Fig.1 Schematic diagram of crystallization angle

我們根據撫順特殊鋼有限公司侯少良介紹的“電渣重熔金屬熔池深度的實用測定方法”，對電極插入深度達到臨界插入深度時金屬熔池的深度和形狀進行測量和計算，發現在電極插入深度為臨界點時，鋼錠的結晶角θ度也非常接近60(°)，這充分證明電極插入深度在臨界點時冶煉的鋼錠質量最好.

2.2 對元素燒損的影響

在電渣重熔過程中，自耗電極中一些易氧化元素如:Si，Al，Ti，Mn 等都會出現不同程度的燒損，燒損程度除了與加入的脫氧劑多少有關以外，還與電極的插入深度有著密切關系.通過觀察發現，插入深度的臨界點同時也是易氧化元素燒損大幅度增加的點，即當電極插入深度小于這個臨界點時，元素的燒損量會明顯增加.分析其原因主要是，當電極的插入深度小于臨界點時，就會增加電極初始形成的融滴與空氣的接觸機會，導致一些元素迅速被空氣所氧化.當電極插入深度比臨界點減少10 mm時，自耗電極中的Si甚至會燒損40%，Al、Ti幾乎全部燒損.

2.3 對氣體含量的影響

電極的插入深度對重熔過程中鋼液的吸氣也有很大的影響，如果電極插入渣池的深度小于前面提到的臨界點，隨著電極插入深度的減小，鋼液的吸氣會加劇.我們在10 t電渣爐上做試驗，結晶器采用900/950×2 500 mm，自耗電極采用630 mm，生產70Cr3NiMo冷軋輥用鋼，共試驗了10個爐次，其氣體含量結果如表3所示.

由于測定H含量要在鋼的液態下取樣，在退火后的鋼錠上取樣的H含量沒有代表性，而在電渣過程中取液態樣不方便，所以在自耗電極和電渣錠上分別只取樣檢測O和N的含量進行對比.試驗時在重熔過程加入Al粉進行脫氧，加入量都是0.5 kg/t鋼.電極的插入深度是在交換電極時，在電極抬出結晶器后實際測量的.

表3 電極插入深度與鋼錠氣體質量分數的對比Table 3 Comparison of electrode insert depth and gas content(mass fraction)of ingot

從檢測結果可以很清楚的看到，隨著電極插入深度的減小，氣體含量的增加值會明顯增大，尤其在電極插入深度小于其對應的臨界點時，氣體含量增加的幅度更大，但是當插入深度大于或等于臨界點的深度時，再增加插入深度，其氣體含量的增加沒有明顯的差別.

2.4 對電渣錠表面質量的影響

電極的插入深度極大地影響著渣池的溫度場分布，并且對渣池的整體溫度也有很大影響.對渣皮厚度也產生很大影響，渣溫低，渣皮就厚.通過生產實踐發現，當冶煉電流過大，電壓較低時，電極插入渣池比較深，這時渣皮非常厚，最厚處可以達到20 mm以上，并且很不均勻，在電渣錠表面出現許多環形的皺褶，尤其在電渣錠底部和支臂交換處更加嚴重，極大地影響電渣錠的出材率和鍛造質量.出現這種現象的原因主要是電極插入太深，造成渣池表面溫度低，特別是靠近結晶器邊緣的溫度偏低造成的.我們在生產中發現，只要把電極的插入點提高到與結晶器對應的臨界插入深度以上，也就是插入深度小于它所對應的臨界點，電渣錠的表面就會明顯改善.但是也不是插入深度越小越好.在生產中我們發現，冒口補縮時，有時因為進入補縮早了，電流已經降得很低，但是電極還有剩余，為了把電極全部化完，又重新增加電流，電極插入深度也隨之增加，結果會出現電渣錠頭部“戴帽”現象.電渣錠表面也會出現環形皺褶.這說明電極插入太淺時渣池的表面溫度也是比較低的.

通過大量的生產實踐，我們認為電極插入深度控制在結晶器所對應的臨界插入深度附近時，電渣錠的表面質量最好.

3 結論

通過在生產實踐中的總結和觀察，我們得出以下結論:

(1)每種規格的結晶器在充填比一定時，都有一個插入深度臨界點，在這一插入深度點可以實現不同電渣爐熔化速度的穩定一致.

(2)電極插入深度對電渣錠在結晶方向、元素燒損、氣體含量、表面質量等各方面都有很大影響.

(3)在生產中要把電極的插入深度控制在所用結晶器對應的插入深度臨界點，這樣生產的電渣錠能夠保證質量可靠，穩定一致.

［1］吳遠飛，姜周華.電渣重熔過程中電極熔速的確定［J］.材料與冶金學報，2002，1(2).

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［3］堯軍平.調整工藝參數對ESR熔池深度的研究［J］.南昌航空工業學院學報，2004(3).

［4］李正邦.電渣冶金原理及應用［J］.北京:冶金工業出版社，1996.

［5］劉樹杰.電極插入深度的控制及其對冶煉的影響［C］//2008年全國電渣冶金技術研討會論文集.2008.12.

［6］李正邦、張家雯、林功文等譯.電渣重熔譯文集2［M］.北京:冶金工業出版社，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.

劉樹杰 (1973—)，男，E－mail:liushujie9@126.com.