電渣爐渣皮形成機理研究

孟慶虎，許立偉，牛瑞新

(太原鋼鐵 (集團)有限公司，太原 030003)

電渣重熔的優點之一是可以獲得光滑的鋼錠表面.鋼錠表面光滑的原因，是由于金屬在凝固前被凝固的渣皮包覆著.電渣渣皮形成對鋼錠表面質量有著直接的影響，國內文獻對電渣渣皮形成機理有所研究，并提出“環形小熔池”理論［1～5］.

本文對渣皮形成后，沿端面橫切面方向成分變化進行研究，并結合文獻所述，提出渣皮厚度控制要素及方法，并進行了實驗驗證.

1 渣皮成分研究實驗

1.1 實驗方法

電渣重熔實驗所采用的工藝條件如表1所示，共冶煉4 爐(編號為 a、b、c、d).冶煉后，渣皮較厚，達到6～7mm.發現渣皮具有分層現象，渣皮兩側為白色，中間為灰色.分別取兩側及中間粉末進行成分對比，位置(見表2)分別對應編號:1、2、3.對各爐次渣皮不同位置的厚度比和化學成分變化進行檢驗.

表1 電渣重熔工藝條件Table 1 The conditions of electroslag remelting process

表2 渣皮檢驗方案與厚度比Table 2 The testing plan and thickness ratio of slag skin

1.2 結果與分析

渣皮沿端面橫切面方向成分不同位置的厚度比見表2.由于水冷結晶器的強制冷卻，分層渣皮中，靠近結晶器一側的厚度比占了50%.

不同爐次，不同位置處，渣皮中 CaF2和Al2O3在不同位置處的質量分數如表3和表4所示.爐次a的各位置處CaF2和Al2O3變化趨勢如圖1所示.

表3 CaF2檢驗結果Table 3 The testing results of CaF2 %

表4 Al2O3檢驗結果Table 4 The testing results of Al2O3 %

經檢驗分析發現，渣皮靠近結晶器一側Al2O3含量(質量分數)達到78.5%左右，靠近鋼錠一側Al2O3含量達到70%左右(與配渣成分近似).

通過查閱X射線對晶體分析的相關文獻發現，此兩側以高熔點相，長條狀剛玉(α－Al2O3，熔點2 050～2 080℃)為主體，少量玻璃相填充兩相中間.中間相以低熔點相螢石(CaF2，熔點1 360℃)為主體，少量細長條狀六鋁酸鈣嵌在螢石主體上.從渣皮結晶的取向性可以判斷渣皮結晶時熱量散發方向，即由結晶器和鋼錠表面進行熱量輸出，同時驗證了文獻中“環形小熔池”的形成機理.

所以，并非僅由結晶器熱量輸出導致渣池過冷形成渣皮，此種說法難以解釋渣皮中的分層現象.由此，提出渣皮形成過程:

(1)渣液在結晶器壁處產生過冷，渣皮中高熔點相剛玉及低熔點相螢石依次快速析出，形成初始渣皮，在此環節，過冷度越大，形成剛玉層及螢石層將會越厚;

圖1 爐次a的各位置處CaF2和Al2O3變化趨勢Fig.1 The changing trends of CaF2and Al2O3in different location for furnace

(2)熔池在上升過程中會對初始渣皮形成“沖刷”，熔池溫度一般為1 600～1 700℃，會重新熔化低熔點相，并減薄高熔點相，此時，熔池溫度越高，即輸入功率越大，對初始渣皮沖刷越厲害，第一層高熔點相厚度就越薄;

(3)第三層(即靠近鋼錠一側)厚度與鋼錠收縮率有著直接關系.待鋼錠溫度降低時第三層渣皮開始形成，其初始形成時緊貼鋼錠表面，鋼錠收縮越大，造成第三層與第一層間距越大，渣皮也就越厚.此時第一層與第三層之間存在尚未凝固的低熔點相，即產生“環形小熔池”，隨著鋼錠溫度下降，小熔池逐漸凝固，渣皮中層被填充.

通過上述推斷，說明影響渣皮厚度的主要因素有:結晶器水溫、輸入功率及鋼錠收縮率.

2 渣皮厚度對比試驗

為了驗證以上推斷，在不同的結晶器水溫、輸入功率及鋼錠收縮率的條件下進行重熔實驗，以考察各因素對渣皮厚度的影響.

2.1 實驗方法

渣皮厚度影響因素對比試驗各工藝參數見表5.

表5 對比試驗各工藝參數Table 5 The process parameters of the contrast experiments

2.2 結果與分析

使用相同渣系，分別對比不同收縮率鋼種、不同輸入功率、不同結晶器水溫來驗證渣皮厚度是否與以上因素有關，試驗結果如表6所示.

通過表6可以看出，對比1、2號試驗，發現輸入功率大渣皮會有明顯降低，但是對內部組織及后期縮孔有著不良影響;對比2、3號試驗，發現結晶器水溫提高，有利于減薄渣皮，且對比組織情況，相差不大;對比2、4號試驗，鋼錠收縮率小的鋼種渣皮厚度有著大幅度下降，可見收縮率是此幾種因素中最為重要的影響因素.

所以，結晶器水溫在一定范圍內越高、鋼錠收縮率越小、輸入功率越大會使渣皮越薄，其中收縮率是影響渣皮厚薄的最關鍵因素.

表6 對比試驗對應渣皮厚度Table 6 The slag thickness in the contrast experiments

3 結論

(1)通過對渣皮成分研究和結合文獻分析，驗證了“環形小熔池”理論;該理論提出了渣皮形成詳細過程以及結晶器水溫、鋼錠收縮率、輸入功率是影響同一種渣系下冶煉渣皮厚度的關鍵影響因素的假設，并進行了試驗論證.

(2)相關文獻表明，渣料自身性質，即過冷度大、熔點低的渣系易產生薄渣皮，此理論與本文的結論相一致.

(3)結晶器水溫在一定范圍內越高、鋼錠收縮率越小、輸入功率越大會使渣皮越薄，其中收縮率是影響渣皮厚薄的最關鍵因素.

［1］李正邦.電渣熔鑄［M］.北京:國防工業出版社，1982.(LI Zheng－bang.Electroslag casting［M］.Beijing:Defense Industry Press，1982.)

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(YAO Jun－ping.An analysis on formation of ANF－6 electroslag fluxes skin of electroslag remelting ingot［J］.Special Steel，2004，25(2):25 －26.)

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