電渣重熔鋼錠中氫的控制

電渣重熔鋼錠中氫的控制

電渣重鉻技術(shù)是一種用于提取優(yōu)質(zhì)鋼腐件的手段。它的良好的金銀反應條件和特殊的精煉和結(jié)晶方法具有無法替代的其他生產(chǎn)工藝。但在電渣重熔過程中,氫含量對其產(chǎn)品性能的影響極為敏感,要求其錠中氫含量越低越好。氫是金屬材料中極為有害的氣體,一般要求不超過3×10-6(質(zhì)量分數(shù),下同),對于大截面金屬制件,則不容許超過2×10-6的氫,鋼中氫含量達到一定值([H]=1~2cm3/100g)后,能顯著降低鋼材的力學性能——產(chǎn)生氫脆缺陷;會使鋼液流動性下降;可導致鋼材的強度極限下降,塑性亦下降。而且鋼中氫是白點產(chǎn)生的主要原因,M.Nishiwaki等指出在電渣重熔截面為510mm×2400mm的板坯錠時,氫含量大于1×10-6即可出現(xiàn)白點缺陷,實驗結(jié)果如圖1所示。1電渣錠中氫含量的影響電渣重熔鋼錠中氫的來源很復雜,經(jīng)研究認為電渣錠中氫含量主要與自耗電極中的原始氫含量、電渣重熔用渣料帶入的水分及其水合物和電渣重熔過程中氣氛中的水分有關(guān)。1.1電渣重熔前后鋼絞線氫含量的變化榤井明等用不同氫含量的自耗電極進行電渣重熔實驗時指出:高氫含量(如3.1×10-6)自耗電極經(jīng)電渣重熔后其鋼錠中氫含量降至(1.9~2.0)×10-6;而極低氫含量的自耗電極經(jīng)電渣重熔后其氫含量有所提高,其氫主要來源于渣料和氣氛中。李慧等通過實驗也驗證了高氫含量的自耗電極經(jīng)電渣重熔后其鋼錠中氫含量會下降的觀點,實驗測定了22Mn-13Cr-5Ni-0.25N奧氏體鋼電渣重熔前后氫含量變化,發(fā)現(xiàn)其氫含量從6×10-6降至3.5×10-6。L.Rohde和D.Lohr在電渣重熔直徑為1340mm的電渣錠時發(fā)現(xiàn),采用嚴格烘烤后的渣料在保護氣氛下進行電渣重熔,錠中氫含量與自耗電極中的原始氫含量幾乎完全相等,其實驗結(jié)果見表1所示。從以上的資料可以看出,雖然各個研究者的研究結(jié)果有所不同,但其結(jié)論大致是相同的,即自耗電極中的原始氫大部分被保留在電渣錠中。1.2鋼渣重熔過程中氫含量的變化電渣重熔用渣料若烘烤不嚴格,就會帶入大量的水分,如渣料中的石灰通常含有4%~6%的水分。N.M.Chuiko等通過實驗和理論分析認為,電渣重熔用渣料組分所帶入的水分是電渣錠中氫的主要來源之一。榤井明等通過實驗得出以下結(jié)論,實驗結(jié)果如圖2中所示。從圖2中可以看出,用經(jīng)過800~900℃烘烤后的渣料進行重熔時(其錠中氫含量用“○”表示),在錠高500mm前鋼錠中氫含量很高,但隨著重熔過程的進行,氫含量降低地很快,當錠高500mm后,氫含量達到較低值,且保持基本不變。當用返回渣進行重熔時(其錠中氫含量用“●”表示),開始時氫含量有少許提高,但后來其含量降低地很快,并達到一個較低的平衡值。當用經(jīng)烘烤后的新渣重熔到約錠高200mm時,向爐內(nèi)加入未經(jīng)烘烤的新渣(其錠中氫含量用“×”表示),此時,鋼錠中氫含量急劇增加,隨著電渣重熔的進行,氫含量不斷下降,并最終達到一平衡值。YutakaHirose等通過實驗發(fā)現(xiàn),在900℃下烘烤6h的重熔渣中氫含量遠低于未經(jīng)烘烤的渣中氫含量,而返回渣中氫含量低于烘烤過的渣中氫含量,其實驗結(jié)果如圖3所示。1.3鋼錠中氫含量的控制氣氛中的水蒸氣吸附在渣層表面,進而滲透過渣層,又擴散入金屬熔池,造成鋼錠增氫。在電渣重熔初期,由爐料帶入的水分引起的鋼錠增氫很快降低,而后鋼錠中氫含量進入較低的穩(wěn)定態(tài),此時鋼錠中氫含量主要受重熔過程中氣氛中的PH2O控制,經(jīng)研究,對于一定的鋼種、一定的渣系,其錠中氫濃度與氣氛中PH2O????√ΡΗ2Ο成正比,如圖4所示(圖4中f為重熔速度)。在此基礎上,中村泰、原島和海通過實驗發(fā)現(xiàn),進入穩(wěn)定態(tài)后,電渣錠中氫濃度除與自耗電極初始氫含量([H]0)有關(guān)外,還與氣氛中PH2O????√ΡΗ2Ο有關(guān),其實驗結(jié)果如圖5所示。(1)其它高[h]0鋼種的線性關(guān)系在圖5中是用同一渣系對不同初始氫含量([H]0)的鋼種進行電渣重熔。對于自耗電極中氫含量很低的鋼種(w([H]0)<0.3×10-6),其錠中氫濃度與氣氛中PH2O????√ΡΗ2Ο的線性關(guān)系幾乎是通過原點的。而其它高[H]0鋼種的線性關(guān)系的原點均在上方,原因是由于[H]0不同,即w([H]0)分別為<0.3×10-6,1.3×10-6,4.8×10-6。但是3條直線關(guān)系的斜率又相同,故其回歸式可寫為:w([H]S)=αPH2O????√+βw([H]0)(1)w([Η]S)=αΡΗ2Ο+βw([Η]0)(1)式中:w([H]S)為ESR進入恒態(tài)下錠中氫濃度,10-6;w([H]0)為自耗電極中氫原始含量,10-6;PH2O為氣相中水氣分壓,133.3Pa;α和β為爐渣成分的系數(shù)。對于初始氫含量([H]0)很低的情況下,則式(1)中的第二相可以忽略不計。(2)熔渣的界面反應氣相中水(H2O(g))向鋼液滲透氫的過程包括下列幾個步驟:第1步:氣相中水蒸氣(H2O(g))傳輸至氣-熔渣界面上,因為H2O(g)在氣相中傳輸速度較快,故不是控速環(huán)節(jié)。第2步:氣-熔渣界面上的界面反應,即H2O(g)+(O2?slag)=2(OH)?slag(2)Η2Ο(g)+(Οslag2-)=2(ΟΗ)slag-(2)最終H2O(g)以(OH)-形式溶入熔渣中。第3步:熔渣中(OH)-依靠濃度差向渣-鋼液界面的擴散過程。第4步:熔渣中(OH)-在渣-鋼界面上的反應為:2(OH)?slag+Mi2+slag=2[H]metal+2[O]metal+[Mi]metal(3)2(ΟΗ)slag-+Μislag2+=2[Η]metal+2[Ο]metal+[Μi]metal(3)第5步:渣-鋼界面上的[H]和[O]向鋼液內(nèi)傳輸。2電渣錠面的氫含量控制由上述可知,電渣重熔鋼錠中的氫主要來源于3個方面,即自耗電極中的原始氫、渣料帶入的水分及其水合物和電渣重熔過程中氣氛中的水分,所以為了有效地控制電渣錠中的氫含量,必須從上述3個方面著手。2.1脫氫或增氫通過如VD真空脫氣精煉、RH循環(huán)脫氣處理等爐外脫氣精煉手段,可有效地降低自耗電極中的原始氫含量。經(jīng)研究表明,在VD處理過程中,延長高真空度(≤66.7Pa)下的處理時間(20min以上),加大Ar氣攪拌量,可脫除鋼中[H]至1.5×10-6以下。在RH生產(chǎn)中,要在鋼水中獲得較低的氫含量,則必須在很高真空度下,脫氫效果才顯得好些。在一定的真空壓力下,鋼水經(jīng)過3~4次循環(huán),脫氫效率可達50%左右。另外要防止電極表面生銹,因為銹中的氫氧化物在高溫狀態(tài)下分解,使金屬熔池增氫。銹厚0.01mm可能使渣池增氫將近1×10-6。一旦生銹,必須將銹除盡。總之必須保證自耗電極中的氫含量在電渣錠準許的范圍內(nèi)。2.2電渣錠氫渣的重熔試驗要降低渣料帶入的水分,就必須對重熔用渣料進行嚴格的烘烤,一般情況下建議螢石、氧化鋁、鎂砂、硅石的烘烤溫度≥700℃,保溫時間≥8h。石灰烘烤溫度≥850℃,保溫時間≥10h,使用時溫度不低于200℃。應該指出的是,目前尚缺少一個對不同渣組成的科學的渣料烘烤制度。對于氫含量要求很高的鋼種最好采取返回渣和液渣啟動的方式進行重熔,這樣可以有效地降低電渣錠氫含量。但因為返回次數(shù)增多,渣子的破碎困難,去除夾雜物能力下降,重熔效果明顯不佳,所以返回渣僅可用3次,每次配入量分別為80%、70%、40%。另外,在采用液渣啟動的方式進行電渣重熔時,要注意在倒渣過程中產(chǎn)生的熔渣增氫。2.3控制氛圍中的水分一般采取經(jīng)干燥處理后的氣氛保護下進行電渣重熔的方法來控制氣氛中的水分。氣體干燥處理方式可以采用使氣體通過干燥吸附劑或冷凍去水的方式來減少氣氛中的水分,干燥的氣體再輸入到渣池上方。3循環(huán)脫氣和重熔(1)電渣錠中氫的來源主要有自耗電極中的原始氫、渣料帶入的水分及其水合物和電渣重熔過程中氣氛中的水分。(2)通過如VD真空脫氣精煉、RH循環(huán)脫氣處理等爐外脫氣精煉手段降低自耗電極中的原始氫含量,同時要防止電極