1RK91不銹鋼電渣重熔過程中Ti含量控制研究

王育飛 李瑞杰 徐梓真 張福利 徐于斌 王博祥

(河鋼材料技術研究院,河北 石家莊 052160)

1RK91馬氏體時效不銹鋼是瑞典山特維克(Sandvik)公司于20世紀90年代初研制的超高強度、高韌性超馬氏體不銹鋼,是在馬氏體時效鋼基礎上發展起來的高強度不銹鋼,是通過固溶處理獲得超低碳板條馬氏體基體,經冷變形初步強化,后經時效析出金屬間化合物進行強化的超高強度鋼,具有良好的塑性,優異的斷裂韌性、焊接性能、耐蝕性能和抗過時效性能,目前主要用于制造電動剃須刀網孔刀片,醫用縫合針、手術刀片、鉆孔器、剪刀、銼刀、夾鉗、沖子、導向器等外科醫療器械[1]。

電渣重熔是制備1RK91不銹鋼的關鍵冶煉工藝[2-4]。利用真空-電渣雙聯工藝冶煉1RK91鋼時發現,Ti收得率在真空冶煉環節能夠準確控制,但在電渣重熔過程中很難控制,Ti燒損嚴重,Ti含量波動較大,甚至偏離標準下限,造成電渣錠產品成材率低,嚴重時整支電渣錠直接報廢[5-8]。Ti元素波動嚴重影響材料的性能穩定性[9],因此在電渣冶煉1RK91鋼時應盡可能降低Ti元素的損失,實現Ti含量的精準控制。

1 Ti元素燒損及控制機制分析

1.1 Ti元素燒損機制

電渣冶煉的關鍵是“渣洗”,自耗電極的端部被熔渣加熱熔化,形成金屬熔滴,然后金屬熔滴脫落,穿過渣池進入金屬熔池,由于水冷結晶器強制冷卻作用,液態金屬迅速凝固形成鋼錠。電渣重熔Ti元素的燒損主要發生在“渣洗”過程,該過程中Ti極易被氧化。電極、渣中的氧在冶煉過程中通過以下途徑進入熔渣及鋼液:(1)原始電極鋼中溶解的氧及電極中不穩定的氧化物在高溫時分解出氧;(2)電極氧化鐵皮帶入渣中的氧;(3)渣中不穩定氧化物FeO、MnO、SiO2、Cr2O3等帶入金屬熔池的氧;(4)渣中變價氧化物傳遞供氧作用,如渣中Fe、Ti、Mn、Cr等低價氧化物,在渣池表面吸收大量的氧,形成高氧化物,這些高價氧化物在渣池和金屬熔池界面釋放氧,變成低價氧化物,從而氧進入鋼中,這是一個循環反應[10-12]。

電渣冶煉不同階段Ti的燒損機制不同。由于渣中不穩定氧化物SiO2、FeO、Al2O3含量較高,TiO2含量較低,化渣期Ti的燒損主要是由于Ti與渣中不穩定氧化物反應;重熔初期,結晶器內渣面較低,采用氬氣保護,加之揮發的爐氣不斷逸出,結晶器內形成正壓,不利于大氣向渣面供氧,自耗電極中Ti的損失主要是由于表面氧化皮帶入;重熔后期,渣中TiO2含量增多,在渣金界面,渣中高價氧化物TiO2和金屬[Ti]反應,生成低價氧化物Ti3O5,渣中Ti3O5與環境中氧接觸后,又生成TiO2,并再次轉移到渣金界面,使[Ti]氧化,如圖1所示[13-14]。

圖1 電渣重熔過程中氧傳遞示意圖Fig.1 Schematic diagram of oxygen transfer during electroslag remelting

1.2 Ti含量控制機制

通過調控渣系可以控制Ti、Al、TiO2、Al2O3之間的化學平衡關系,實現Ti含量的精準控制[15-17]。向渣系中加入一定量的TiO2、MgO和Al,可實現對鋼中Ti含量的穩定控制。

渣系中加入TiO2可抑制鋼中Ti的燒損,特別是重熔前期效果更明顯。但由于TiO2是變價氧化物,控制不當會起傳遞供氧作用與[Ti]反應從而導致鋼中Ti燒損[16-18],如式(1)、式(2)所示:

3[Ti]+2(Al2O3)3(TiO2)+[Al]

(1)

1/2[Ti]+5/2(TiO2)(Ti3O5)

(2)

渣系中加入一定量的Al粉可抑制重熔前期Ti與渣中Al2O3反應,還原渣中TiO2,減少Ti的損失;Al粉與環境中O2反應,從而抑制(Ti3O5)+1/2(O2)3(TiO2)反應的進行。但Al粉添加量不宜過多,否則會導致渣中新生A12O3增多,造成鑄錠中Al含量增加[12-13]。

渣系中加入一定量的MgO會在渣池表面形成一層半凝固膜,可防止渣池吸氧及防止渣中變價氧化物向金屬熔池傳遞供氧,且能提高渣中Al2O3和Ti3O5的活度系數,降低TiO2活度系數,抑制重熔后期TiO2傳遞供氧作用。但MgO易使熔渣的黏度提高,因此綜合考慮,本文渣中MgO質量分數控制在5%左右[12]。

2 試驗設備及方案

2.1 試驗設備

采用500 kg真空感應爐冶煉鑄錠自耗電極,重熔裝置為1 t保護氣氛電渣爐。冶煉鋼種為1RK91不銹鋼,化學成分如表1所示。

表1 1RK91不銹鋼的化學成分Table 1 Chemical composition of 1RK91 stainless steel

2.2 試驗方案

鑄錠尺寸為φ200 mm×1 500 mm,結晶器直徑為300 mm,熔速為4.5～5.0 kg/min,全流程采用恒定流量的氬氣保護,電渣重熔采用30 kg成分配比為55CaF2-22Al2O3-23CaO(質量分數,%,下同)的三元渣系,并在原渣系基礎上加入一定量的MgO、Al、TiO2,攪拌混勻后放入加熱爐烘烤備用,設計了10種不同渣系成分,如表2所示。

表2 電渣冶煉試驗方案Table 2 Scheme of electroslag smelting test

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果

電渣重熔1RK91鋼中Ti、Al成分要求分別為1.10～1.20Ti、0.2～0.3Al。1～10號方案真空冶煉和電渣重熔1RK91鋼錠的電感耦合等離子體質譜(inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS)檢測結果如表3所示,真空冶煉鑄錠檢測位置為頂部,電渣重熔錠檢測位置為底部、中部和頂部。

3.2 分析與討論

圖2、圖3分別為真空+電渣冶煉后Ti、Al含量檢測結果。由圖2可知,電渣冶煉后3～9號爐次Ti成分在目標范圍內,且6、7號最接近目標值。由圖3可知,電渣冶煉后3、6、9、10號爐次Al成分在目標范圍內,且3、6號最接近目標值。

結合圖2、圖3可知,與1號爐次基礎渣系相比,2號爐次渣中添加5%MgO和4%TiO2后,電渣錠Ti損失量明顯下降,底、中、頂部損失量分別下降了18.9%、12.9%、13.7%,Al燒損無明顯改善。其原因是渣中添加一定量的MgO會防止渣池吸氧,減少了Ti、Al的氧化燒損,但是TiO2的加入又增加了電極中Al的損失,即3[Ti]+2(Al2O3)3(TiO2)+[Al]反應向左進行。

表3 真空冶煉和電渣重熔1RK91鋼錠的ICP-MS檢測結果(質量分數)Table 3 ICP-MS test results of 1RK91 steel ingots after vacuum smelting and electroslag remelting (mass fraction) %

圖2 Ti含量檢測結果Fig.2 Test results of Ti content

圖3 Al含量檢測結果Fig.3 Test results of Al content

2、5、8號爐次渣中未添加Al粉,電渣錠中Ti含量減少,主要是因為基體中Ti與渣中不穩定氧化物SiO2、FeO、Al2O3等反應,造成Ti的損失;Al含量損失超出目標下限,且隨著渣中TiO2添加量的增大,Al損失增多。其原因主要是渣中TiO2與自耗電極中的Al反應,生成Al2O3和Ti,出現燒鋁增鈦的現象。4、7、10號爐次渣中添加0.8%的Al粉,4、7號爐次電渣錠中Al含量超出目標上限。其原因主要是原始渣中Al含量過高,導致電渣錠增鋁,10號爐次由于添加的TiO2達到10%,出現燒鋁增鈦的現象,所以終點Al含量達到目標要求,Ti含量超出目標上限。綜上分析,確定渣中Al粉添加量為0.4%。

3、6、9號爐次Al粉添加量為0.4%,電渣冶煉完成后,Ti、Al含量均控制在目標范圍內,隨著TiO2含量的增加,Ti燒損量減小,且9號爐次電渣錠中Ti質量分數從真空階段的1.16%升至1.18%,但Al燒損嚴重,Al質量分數從真空階段的0.28%降至0.23%,出現燒鋁增鈦現象。3號爐次渣中TiO2添加量為4%,電渣錠中Ti質量分數達到目標下限1.1%,Ti燒損量較大。其原因主要是原始TiO2添加量較小,渣系中Al2O3含量較高,3[Ti]+2(Al2O3)3(TiO2)+[Al]反應向右進行,造成Ti燒損。綜合3、6、9號爐次Ti、Al含量檢測結果,確定渣中TiO2添加量為7%。

綜上所述,6號爐次渣系最合適,Ti燒損量可控制在2.5%以內,實現了Ti元素的精準控制,確定渣中MgO添加量為5%、TiO2為7%、Al為0.4%。

4 結論

(1)在三元基礎渣系中添加5%MgO和4%TiO2,電渣錠Ti損失量下降了12.9%以上,Al燒損無明顯改善。

(2)在三元基礎渣系中添加5%MgO、未添加Al粉時,電渣錠Al含量損失超出目標下限,且隨著渣中TiO2添加量的增大,Al損失增多;當渣中Al粉添加量達到0.8%時,易造成電渣錠增Al。

(3)在三元基礎渣系中添加5%MgO、0.4%Al時,隨著渣中TiO2含量的增加,電渣錠Ti燒損量減小,且當渣中TiO2添加量達到10%時,出現燒鋁增鈦現象。

(4)試驗確定了電渣冶煉1RK91鋼的渣系調控方案,在基礎渣系中添加5%MgO、7%TiO2、0.4%Al粉,Ti燒損量可控制在2.5%以內,實現了Ti元素的精準控制。