电渣重熔过程中氧的控制

电渣重熔过程中氧的控制
电渣重熔作为一种精炼手段在生产优质钢的方面具有独特的优点，它的优点之一就是能够有效的去除钢中的非金属夹杂物。

实践表明，在重熔过程中，自耗电极中的原始夹杂可以去除，重熔钢中的夹杂主要是金属熔池冷却结晶过程中新生成的。

由于非金属夹杂物的存在，严重的影响了钢的强度、塑性等力学性能。

大量实践表明，钢中的氧化物夹杂与氧含量有着直接的关系（如图），氧化和还原是化学反应的两个方面，一个元素被氧化，必然伴随着一个元素的还原，在重熔过程中，钢中活泼元素如Al、Ti、Ce、B等，经常会因为氧化而损失。

如何防止活泼元素的氧化，是电渣重熔的重要冶金问题之一。

一、电渣过程中氧的来源
电渣重熔过程中氧通过下述途径进入熔渣及钢液[1]：
（1）原始电极钢中溶解的氧及电极中不稳定的氧化物在高温时分解放出的氧
（2）电极表面生成的氧化铁皮随电极的重熔带入渣中的氧
（3）氧直接从大气中通过渣池转移到金属熔池
（4）渣中不稳定氧化物带入金属熔池中的氧
二、熔渣的传氧
实践表明，当原始电极中的氧含量较低时，电渣冶金实际是一个增氧过程，增氧的程度与渣系的选择密切相关。

W.W.Holzgruber等人通过对惰性气体保护下用不同氧分压及不同渣系分别重熔304不锈钢的含氧对比试验的结果进行分析后得出结论，大气中的氧能透过渣层进入金属中，其氧含量随大气中氧分压的增加而增加，另外不同的渣对氧有不同的透气性，并且其透气性与渣的稳定性相一致，即在惰性气氛下重熔时，钢中氧含量高的渣，其透气性也高。

许多实验已证明，由稳定性低的氧化物所组成的渣重熔的钢含氧量高；而由稳定性高的氧化物所组成的渣重熔的钢含氧量低。

熔渣的传氧方式主要由渣中不稳定的变价氧化物传递，如Fe、Ti、Mn 、Cr 等低价氧化物，在渣池表面吸收大气中的氧，形成高价氧化物。

这些元素的高价氧化物在渣池和金属熔池界面放出氧，变成低价氧化物，氧从而进入钢中，这一反应是一个循环过程。

以Fe的氧化物为例，其全部化学反应如下：
2（FeO）+1/2 O2→(Fe2O3)
(Fe2O3)+[Fe]→3(FeO)
(FeO)→[Fe]+[O]
这些元素的低价氧化物都是传氧物质，不断地将空气中的氧送入金属熔池，起到了“气筒”的作用
为了准确理解熔渣在电渣过程与氧含量的关系，排除空气在实验过程中的影响，有人在保护气氛下做了如下电渣重熔实验1（如图1）
[2]。

实验采用4种渣系，分别为：
①四元渣系1( CaF2-Al203-CaO-SiO2 )；
②四元渣系2( CaF2-A1203-CaO-SiO2)；
③五元渣系1( CaF2-Al203-CaO-SiO2-MgO)；
④五元渣系2( CaF2-Al203-CaO-SiO2-MgO)；
实验用电极采用 CrNiMo 低合金钢，采用转炉冶炼，经LF + VD精炼后再进行连铸。

在连铸坯上切下部分坯料再锻造成Φ50mm的圆棒作为电极。

在电渣重熔之前，将电极的表面进行打磨，去掉表面的氧化铁皮，以减少对实验结果的影响。

实验采用冷启动法，重熔过程中没有添加任何脱氧剂。

的氧进行了分析。

同时也分析了重熔锭中的Si和Al的变化（如表一）。

从表1可以看出，经过电渣重熔以后，锭中的氧( 质量分数) 都比电极中的氧高，同时不同渣系氧的增量不同。

由于实验是在完全气体
保护下进行，可以排除大气中的氧的影响，并且重熔过程中也没有
添加任何的脱氧剂。

因此电渣锭中氧含量的增量完全取决于渣系的选择。

将不同渣系的碱度( B= W (CaO)／w(SiO2 ) )与重熔后铸锭中氧(全氧)质量分数W [ O ] 的关系作图，如图2所示。

W [ 0 ] 与熔渣中Al 203含量(质量分数％)的关系如图3所示:
从上图可以看出，随着碱度的增加，氧含量逐渐降低，碱度为5时，W[ 0 ]为2 4*1 0-6 ,碱度为1.5时，W [ 0 ] 为5 3*1 0 - 6。

Al2O3含量对钢锭中的氧也有很大的影响，随着熔渣中Al2O3含量的增加W [O]也增加。

三、电极表面状态、填充比及氩气流量对氧含量的影响
为了考察电渣重熔过程中影响氧含量的因素，充分发挥电渣重熔的优势，试验通过改变电极表面状态、填充比以及保护气氛下氩气的流量进行电渣锭的生产，并对结果进行了分析[3]
从图中可以看出，电极表面经过剥皮处理后有利于获得头部氧含量较低的钢锭，而对钢锭尾部无太大的影响
填充比是电极的截面积与结晶器的平均截面积之比，在结晶器横截面积不变的情况下，增大填充比就是增大了电极的截面积，当电极的表面积增加后，降低了电极表面与氧接触的面积，所以适当的增加填充比有利于获得氧含量较低的钢锭
在保护气氛下进行电渣重熔时，随着氩气流量的增加，结晶器内氧的浓度逐渐的降低，减轻了电极表面的氧化，因此钢锭中的氧含量逐渐减少，尤其是压气流量较大时更是如此。

在实验1中，通过对电渣重熔后的钢锭进行显微分析后发现，虽然重熔后锭中的氧含量增高，但是电渣锭中的夹杂物尺寸较小（<5μm）且分布弥散,而电极的中的夹杂物最大为275µm。

这说明电极中的大颗粒夹杂物在重熔后已不复存在，重熔后的夹杂物是在金属熔池凝固过程中重新形成的，呈弥散、细小状分布，是其他精炼方法所达不到的。

四、氧的控制
由于过去炼钢水平较低，在钢中氧含量较低的情况下，电渣重熔过程之所以能够去氧的原因在于：金属元素与熔渣的反应没有达到平衡，反应向脱氧、生成氧化物的方向进行，从而降低了电渣锭中的氧化物夹杂;而目前炼钢水平大幅提高，钢中氧较低的情况下，金属元素与熔渣的反应也没有达到平衡，但是反应的方向发生了逆转，向着熔渣氧化物分解的方向进行，从而导致了电渣锭氧含量的增高，所以在生产过程中应该尽量控制氧的各种来源，尽量使氧含量降到最低。

通过对上述实验的结果，并结合电极的生产工艺和电渣冶炼过程的渣-金反应分析可以得到以下几种降低氧含量的方法[4]：
（1）降低自耗电极中的原始氧含量
A.脱氧剂的使用
因为用Al终脱氧生产的自耗电极所产生的夹杂物在电渣重熔过程中不易析出，所以采用复合脱氧剂如Si-Ca代替Al进行终脱氧，实验表明使用复合脱氧剂产生的夹杂物熔点低、颗粒大，易于从钢液
中排除，被熔渣吸收。

B.去除表面的氧化铁皮
使用经硫酸酸洗后并进行表面剥皮后的电极立即进行重熔，钢中氧含量就会降低，对于特殊要求的钢种，可在剥皮后进行涂层，涂层料采用粉掺和金属铝粉并用水玻璃进行调和。

（2）降低渣中的氧含量
通过渣-金之间的反应，可以得出:AL-O之间的反应是电渣过程的控制反应，电极中AL含量和渣中AL2O3含量决定了锭中的氧含量，因此，在生产中为了获得较低的氧含量，应该减少渣中的AL2O3的活度，同时在重熔过程中连续向渣池添加脱氧剂。

此外，炉渣应进行预先处理，尽量降低渣中带来的不稳定的氧化物的含量。

（3）适当的增加炉渣碱度
实验表明，在一定范围内增加炉渣碱度有利于降低氧含量，但碱度太高，熔渣的透气性则会增加，会带来增氢等行为。

（4）适当提高填充比
填充比的增加降低了电极表面与氧的接触面积，从而降低了钢锭中的氧含量，但填充比比不宜过大一般在0.4~0.6之间。

（5）采用保护气氛
采用保护气氛进行电渣重熔，降低了气体中氧的分压，能有效的降低氧含量。

（6）合理的渣料烘烤制度
重熔过程中加入的物料，有的会含有结晶水，料中的结晶水在重熔过程中高温下被分解为[H]和[0]，所以建立合理的烘烤制度，这也是很关键的因素。

（7）严格的质量把关
电渣母材本身的优劣是电渣重熔氧来源的很关键因素，在前一个冶炼状态，比如前期电炉一精炼炉一铸锭，连铸的后期过程中氧含量处理的合理流程，到最后钢中氧含量是否在成为电渣母材时氧含量真正在一个好的区间之内，这又关系到合理的检验与进锭时的把关问题。

所以在重熔前要对电极母材进行严格的质量把关。

参考文献
[1]电渣冶金的理论与实践李正邦
[2]电渣冶金过程中氧含量变化的研究杨海森，常立忠，李正邦等
[3]高碳铬轴承钢电渣重熔过程中的氧及其控制刘胜国，徐明德等
[4]电渣重熔金属元素烧损原因中氧元素的追溯考虑陈青。