第七章 电渣重熔用渣

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(4) MgO
渣中含有适当的MgO将会在渣池表面形成一层半
凝固膜，可防止渣池吸氧及防止渣中变价氧化物 向金属熔池传递供氧，从而使铸锭中氧、氢、氮 含量降低，同时这层凝固膜可减少渣表面向大气 辐射的热损失。但是MgO容易使熔渣的粘度提高，
所以渣中含MgO一般不超过15％。
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电渣重熔的基本原理
由于电极熔化、金属液滴形成、滴落过程中金属熔池内 的金属和炉渣之间要发生一系列的物理化学反应，从而 可去除金属中有害杂质元素和非金属夹杂物。钢锭由上 而下逐渐凝固，金属熔池和渣池就不断向上移动，上升 的渣池使结晶器内壁和钢锭之间形成一层渣壳，它不仅 使钢锭表面平滑光洁，而且降低了径向导热，有利于自
50F/25/0/25 40F/30/0/30 20F/40/0/40
80 70
50 40 20 33.3 35
10 15
25 30 40 33.3 33 33 25 20 17 12 28 45
10 15
25 30 40 33.3 32 17 25 30 33 18 42 35
粘度、表面张力和电导率。特别是当炉渣的 熔点需要降低到比使用CaF2时更低时使用氟 化镁。
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液渣离子类型和半径
阳离子 种类 Ca2+ Al3+ Mg2+ Fe2+ Fe3+ Mn2+ 离子半径 0,99 Å 0,58 Å 0,80 Å 0,82 Å 0,68 Å 0,72 Å 02FAlO3
34-
阴离子 种类 离子半径 1,32 Å 1,33 Å --1,75 Å --
Al2O5 S2-
SiO4 4-
Mn3+ Si4+
Ti4+ Ti2+
0,52 Å 0,40 Å
---
OHNOTiO4TiXOYZ-
-----
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ESR炉渣分类1：组元简称＋数字
简称C－ CaO；A－ Al2O3；F－ CaF2；S－ SiO2；M－ MgO；T－TiO2 数字：以10％为1，如果数字是一个或者两个成分,其他的 以1:1 (或1:1:1 )比率； CAF 3：含30%萤石，CaO和Al2O3 各35 %； CAF 217：含20%石灰, 10%的氧化铝和70%的萤石； CAFM 1：含10% MgO，CaO， Al2O3 和 CaF2各30%； CAFM 41：含10% MgO, 40%的CaF2， CaO和Al2O3 各 25% 。
CaF2 ， 16% CaO，8% SiO2和42%的TiO2。其它 氧化物，例如: ZrO2和TiO2所用甚少，而应放置在 SiO2之后并各加后缀Zr和 Ti
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ANF-6渣（70%CaF2+30%Al2O3 ，三七渣）
早期电渣重熔最广泛使用的渣系，它具有较好的综合工艺 性能及一定的脱硫、去除夹杂物的能力，但在使用过程中 存在一些缺点： 渣的比电阻低，熔渣发热量不足，重熔电耗高； 重熔过程中熔渣成分不稳定，影响重熔工艺稳定性； 因含有大量的CaF2，在重熔过程中产生大量有害的氟化物 气体，不仅有害操作人员健康，而且严重污染环境； 由于含有Al2O3，重熔钢中非金属夹杂物以脆性铝酸盐及刚 玉为主，影响钢的塑韧性。
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常用渣系成分（三元系）
CaF2
FC2 CAF7 AF7 CAF6
CAF3
CAF1 CaO Al2O3
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国别
中国 苏联
渣号
CaF2 SR-3 AHΦ-8 65 60
渣成分，％
Al2O3 25 20 CaO 10 20
美国
英国
US Pat.No.3857702
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渣的组元
常用渣系的基本形态是以CaF2为基础，配入适 当的CaO、Al2O3、MgO、SiO2、TiO2等氧化物 组成的，各组元成分在渣中有各自的作用。 CaF2－Al2O3 CaF2－CaO－Al2O3 CaF2－Al2O3－CaO－SiO2 CaF2－Al2O3－CaO－MgO
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自下而上的顺序凝固条件保证了重熔金属锭 结晶组织均匀致密
铸模里大量的钢液同时凝固导致了偏析，偏析的程 度取决于多相组织凝固的结晶行为，局部非金属夹 杂的累积及显微缝隙和缩孔是不可避免的。 在电渣重熔过程中电极的熔化和熔融金属的结晶是 同时进行的。钢锭的上端始终有液态金属熔池和发 热的渣池，既保温又有足够的液态金属填充凝固过 程中因收缩产生的缩孔，可以有效的消除一般钢锭 常见的疏松和缩孔。同时金属液中的气体和夹杂也 易于上浮，所以钢锭的组织致密、均匀。
电渣重熔的基本原理
在铜制水冷结晶器中加入固态或液态炉渣，将自耗电极 的端部插入其中。当自耗电极、炉渣和底水箱通过短网 与变压器形成供电回路时，便有电流从变压器输出，通 过液态熔渣。由于上述供电回路中，熔渣的电阻相对较 大，占据了变压器二次电压的大部分压降，从而在渣池 中产生了大量的焦耳热，使其处于高温熔融状态。由于 渣池的温度远大于金属的熔点，从而使自耗电极的端部 逐渐加热熔化，熔化的金属聚集成液滴，在重力的作用 下金属熔滴从电极端头脱落，穿过渣池进入金属熔池， 由于水冷结晶器的强制冷却，液态金属逐渐凝固成钢锭， 在正常重熔期，电流从电极进入渣池后，要通过金属熔 池和凝固钢锭再由底水箱和短网返回变压器。
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ESR炉渣分类2：aF/b/c/d/e
60F/10/10/10/10：60%氟化钙和10% 其余各成分 50F/20/0/30：50%氟化钙， 20%石灰，没有镁砂 和30%的氧化铝，而这完全描述了组成，没有必 要用零来代表二氧化硅含量
34F/16/0/0/8/42Ti（俄罗斯引弧渣）：含有34%的
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(2) CaO
渣中加入CaO将增大渣的碱度，提高脱硫效
率，在CaO加入量为40％情况下，脱硫率最 高可达到85％；而且CaO的加入能够降低渣 的电导率。但是CaO吸水性强，易带入氢和 氧，造成钢增氢增氧。
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(3) Al2O3
能明显降低渣的电导率，减少电耗，提高生产率。 例如CaF290％+ Al2O310％，在1650℃时，电导率 降为3.34Ω-1· cm-1；如果Al2O3增加到30％，电导率 将降为1.75Ω-1· cm-1。但是渣中Al2O3增加，将使渣 的熔化温度和粘度升高，并将降低渣的脱硫效果， 另外会使重熔过程难以建立和稳定。一般Al2O3的 含量不大于50％。
下而上的顺序结晶，改善了钢锭内部的结晶组织。
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电渣重熔的特点
金属的熔化、浇铸和凝固均在一个较纯净的环境中 实现
整个过程始终在液态渣层下进行而与大气隔绝，因而最大 限度的减轻了大气对钢液的污染，减少了钢液的氢、氮的 增加量和钢的二次氧化，而且现在有的电渣重熔在冶炼过 程中实行干燥空气的保护，进一步减少了增氢的可能性。 另外，由于熔化和凝固均在水冷铜质结晶器中完成，因而 没有普通冶炼方法由于耐火材料造成对钢液的污染的缺点。
CaF2－Al2O3－CaO－SiO2－MgO
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(1) CaF2
能降低渣的熔点、粘度和表面张力。但和其他组
元相比，CaF2的电导率较高，纯CaF2在1650℃时 电导率达 4.54 Ω-1.cm-1；渣中CaF2含量高，熔炼 中易放出有害气体和烟尘，造成环境污染。
Northeastern University
第七章 电渣重熔用渣
主讲人：龚
伟
钢 铁 冶 金 研 究 所
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电渣重熔的基本原理
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基本原理
所谓的电渣重熔 （ESR）可以看作是 利用电加热的熔渣 精炼金属的一种方 法。
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在水冷结晶器与钢锭之间形薄而均匀的渣壳 保证了重熔钢锭的表面光洁。
在电渣重熔过程中，由于结晶器壁的强制冷却，使 渣池侧面形成凝固渣壳。在合理的电渣工艺制度下， 金属熔池具有圆柱部分。熔池在上升过程中由于金 属液体上升接触到凝固的渣皮时会使部分凝固的渣 皮重新熔化，使渣皮薄而均匀，金属在这层渣皮的 包裹中凝固，电渣锭会十分光洁。另外，渣皮的存 在能减小径向传热，有利于形成轴向结晶条件。
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ESR炉渣分类2：aF/b/c/d/e
氟化钙列在首位, 其百分比组成后是字母F,其余的成 分(即氧化物)以石灰,氧化镁,氧化铝,二氧化硅的顺序 排列,是降低碱度的顺序,只给出他们的百分比组成
a = % calcium fluoride 氟化钙
b = % lime 石灰 c = % magnesia 氧化镁 d = % alumina 氧化铝 e = % silica 二氧化硅
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(6) TiO2
在重熔含Ti的钢及合金时，渣中加入一定量
的TiO2可以抑制钢中钛的烧损；另外，常采 用CaF2+TiO2型导电渣作引燃剂；TiO2是变 价氧化物，它对金属熔池起传递供氧作用。
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(7) MgF2
类似CaF2作为助剂，以降低渣的液线温度、
1)发热体作用； 2)成型作用，即钢水在渣皮的包覆中凝固成型； 3)净化作用，即去除钢中夹杂物，脱硫和控制元素成分 等。 通常情况下，电渣重熔渣系以 CaF2-Al2O3系为主，根据 需要适当添加 CaO 、 MgO 、 TiO2 等组元，一般要求渣系中 SiO2含量要低，而渣中FeO和P、S杂质也要尽可能少。
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具有良好的冶金反应的热力学和动力学条件
电渣重熔过程中渣池温度通常在 1750℃以上，而电极 下端至金属熔池中心区域的渣温度可达 1900℃左右。 因此重熔过程中渣的过热度可达600℃左右，钢液的过 热度可达450℃左右。高温的熔池促进了一系列的物理 化学反应的进行。 良好的动力学条件还表现在电渣重熔过程中钢渣能充 分接触。在电极熔化末端、熔滴滴落过程及金属熔池 的三个阶段中钢渣接触面积可达3200mm2/g以上，反应 进行得十分充分。同时在电磁力的作用下渣池被强烈 搅拌，不断更新钢渣接触面，强化了冶金反应，促进 了有害杂质元素和非金属夹杂物的排除。
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(5) SiO2
渣中加入少量SiO2，可以降低渣的熔点，提高渣 的高温塑性，使铸锭表面光洁，而且也能降低渣 的电导率。SiO2的加入还可以改变钢中夹杂物的 形态，由铝酸盐夹杂变为硅酸盐夹杂，使钢材易 于加工变形。但是渣中SiO2含量过多，则有反应 2CaF2+SiO2＝2CaO+SiF4↑发生，造成渣中CaF2 挥发损失，另外SiO2高还将使金属中SiO2含量增 加。
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电渣炉
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电渣炉
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电渣炉
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保护气氛电渣炉
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连铸式电渣炉和大型板坯电渣炉
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电渣重熔渣系
熔渣在ESR过程中有三个作用
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ESR过程中和渣有关的现象与渣性质的关系
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ESR渣系分类
按照渣系酸碱性分类，电渣重熔用渣可分为酸 性渣和碱性渣。
按照炉渣组元划分可分为二元、三元、四元、
五元炉渣。
按照其组元是否含有 CaF2 划分可分为含氟渣和
无氟渣。
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CaF2与其它组元的反应
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CaF2—A12O3—CaO 相图
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6/2/2 CaO/Al2O3=1:1 附近初晶成分在靠 近CaF2侧以CaF2为 主，靠近C12A7侧 以C11A7F1为主。
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