電渣重熔10Ni3MnCuAl鋼中Al元素的均勻性控制

張 勇，單海歐，白憲超，孫常亮，楊 松

（1.撫順特殊鋼股份有限公司第三煉鋼廠，遼寧撫順 113001；2.遼寧石油化工大學信息與控制工程學院，遼寧撫順 113001；3.撫順特殊鋼股份有限公司總工辦，遼寧撫順 113001）

1 引言

10Ni3MnCuAl（相當于日本NAK80）屬于Ni-Al-Cu時效硬化型模具鋼，用于大型塑料模具，具有良好的鏡面加工性和放電加工性。經電渣重熔后，純凈度得到進一步提升，性能穩定，有很好的拋光性能與雕飾性。是高性能、高精度、高級鏡面塑料模具鋼[1～2]。

10Ni3MnCuAl 生產工藝路線為：電爐+LF+VD 冶煉電極經電渣重熔后鍛造成材。該鋼在電渣重熔過程中存在Al元素燒損嚴重的問題，導致重熔后電渣錠頭尾Al 成分差異明顯，分布不均，影響鍛造成材率及成材性能。

2 試驗材料及方法

2.1 母材選用

電爐+LF+VD 冶煉的電極棒，試驗電極的化學成分控制按GB/T1299-2014條件進行控制，具體化學成分如表1所示。

表1 10Ni3MnCuAl電極的主要化學成分（質量分數） %

2.2 渣系選擇

10Ni3MnCuAl 電渣重熔的渣系采用二元預熔渣，渣量為130kg，渣系主要化學成分如表2所示。

表2 10Ni3MnCuAl渣系的主要化學成分（質量分數） %

2.3 電渣重熔條件及方式的確定

試驗爐臺選用單支臂3t 普通（非保護氣氛）電渣爐冶煉。結晶器尺寸：φ610mm×2,000mm，電極規格：φ420×2,800mm。采用一支電極重熔一支電渣錠的方式，電渣錠錠重為3t。冶煉電壓58～66V，冶煉電流10,000～13,000A。首批試驗重熔4 支電渣錠，渣中及重熔過程中未加入任何附加劑。相同電極對比試驗重熔4 支電渣錠，渣中及重熔過程中加入一定量Al粉。試驗的8支電渣錠均在錠身頭、中、尾3點取樣化學分析主要元素含量。

3 試驗結果與分析

3.1 未加入Al粉進行電渣重熔

未加入Al 粉進行電渣重熔后各元素化學成分的平均值如表3 所示。由表3 可見，在未加入任何附加劑的情況下，電渣重熔后電渣錠頭部、中部及尾部主要元素化學成分的平均值情況。其中Al 元素燒損情況如表4所示。

表3 未加入附加劑進行電渣重熔后主要化學成分平均值情況 %

表4 未補加Al粉時Al燒損情況

由表4 可見，渣中及重熔過程中未加入任何附加劑的4 支電渣錠，鋼錠尾部Al 含量下降較多，鋼錠尾部Al 含量（質量分數）在0.79%～0.84%，燒損率在20.75%～25.47%之間。鋼錠頭部（充填端）Al 含量（質量分數）在0.90%～0.94%，燒損率在11.32～15.09%之間，頭尾Al含量（質量分數）平均差值0.1%，電渣錠尾部Al成分燒損更為嚴重，頭尾成分差異明顯。

3.2 補加Al粉進行電渣重熔

渣中及重熔過程中補加Al粉后電渣錠頭部、中部及尾部Al 燒損情況如表5 所示。由表5 可見，在渣中按噸鋼0.8～1kg 加入Al 粉及重熔過程按噸鋼0.3～0.5kg均加Al粉后，鋼錠尾部Al含量（質量分數）0.91～0.98%，尾部Al燒損率7.55%～14.15%。燒損嚴重情況得到改善。鋼錠頭部Al 含量（質量分數）0.97%～1.02%，頭部Al 燒損率3.77%～9.43%。頭尾Al 含量（質量分數）平均差值0.0425%，鋼錠Al含量的均勻性得到很大改善。

表5 補加Al粉時Al燒損情況

3.3 分析與討論

根據以上試驗結果表明10Ni3MnCuAl

經電渣重熔后元素的燒損主要是Al 元素的燒損較為嚴重，這主要是因為與鋼中其它元素相比，Al 在重熔過程中更易被氧化，這也與其和氧的親和力有關，與氧親和力大的元素更易被氧化[3～4]。

根據相關研究表明在電渣重熔過程中氧的來源主要有電極中溶解的氧及不穩定的非金屬氧化物、電極表面的氧化鐵皮、渣料中的不穩定變價氧化物以及重熔過程中的氣相傳氧。氣相傳氧的過程主要依靠渣中不穩定變價氧化物轉移到金屬熔池中[5]，這個過程的傳氧機理如圖1所示。

圖1 氧化鐵傳氧機理示意圖

在電渣重熔初期，渣料中的雜質（SiO2）以及不穩定氧化物（MnO）、（FeO）與Al 的氧化作用導致鋼錠尾部Al燒損嚴重，冶煉中后期渣池組分趨于穩定，Al的燒損主要是不穩定變價氧化物如氧化鐵傳氧所引起的氧化作用，體系中物質的標準吉布斯自由能如表6所示[6]。

表6 體系中物質的標準吉布斯自由能

在試驗中，通過在渣中及重熔過程中補加一定量的Al粉提高了渣池中Al的含量。一方面通過Al與不穩定變價氧化物的反應去除了渣池中的變價氧化物，進而減少了鋼錠尾部Al 的燒損；另一方面，由于渣池中變價氧化物的去除也降低了金屬熔池中氧的濃度，使得電渣重熔后鋼錠Al的含量更接近母電極中Al的含量，結合以上兩個方面在電渣重熔的整個過程中由于對電極中Al 元素燒損的有效控制，最終使得10Ni3MnCuAl鋼錠中Al元素分布更加均勻，含量更加接近于電極Al含量。

4 結論

（1）鋼錠頭、尾部Al 元素燒損嚴重且成分不均的主要原因是：渣料中的不穩定變價氧化物以及重熔過程中的氣相傳氧導致Al的氧化反應。

（2）通過在渣中及電渣重熔過程中補加Al粉可有效控制電渣重熔過程中Al 元素的燒損，鋼錠尾部Al燒損率7.55%～14.15%，鋼錠頭部Al 燒損率3.77%～9.43%。頭尾Al含量（質量分數）平均差值0.043%，鋼錠Al含量的均勻性得到很大改善。