電渣重熔過程中氫的傳遞行為

電渣重熔過程中氫的傳遞行為

重氮計作為一種精煉手段，在優(yōu)質鋼產量方面具有獨特的優(yōu)勢。它以其優(yōu)良的冶金反應條件及獨特的凝固結晶過程,可以有效地去除金屬中的各種有害夾雜,改善金屬的凝固質量。但是,在電渣重熔過程中,對于氫情況卻相反,不但不能有效地去除,而且還存在著增氫現象,特別是對于大型鑄錠,這一現象更加嚴重。眾所周知,氫在鋼中有很大的危害,可以產生白點等缺陷,嚴重影響著鋼材的性能。因此,必須弄清楚電渣重熔過程中氫的行為,找出相應的控制方法。1爐渣與鐵邊界層中氫的變化在電渣重熔過程中,鑄錠中氫的增加受到大氣-爐渣界面的影響。在大氣-爐渣界面上形成的邊界層中,大氣中水蒸汽與渣中的氧離子反應形成的OH-通過邊界層的擴散決定著鋼中氫的變化。而氫在爐渣與液態(tài)金屬中的分配基本上處于平衡狀態(tài),這主要是電極熔化形成的小液滴表面積很大,能夠與爐渣充分地接觸,因此氫在這兩者之間基本上處于平衡狀態(tài)。氫的反應模型如下。(1)oo2k1{H2O}+O2??2(OH?)i(1)ai(OH?)=PH2O?αO2?×k1??????????????√(2){Η2Ο}+Ο2-?2(ΟΗ-)i(1)a(ΟΗ-)i=ΡΗ2Ο?αΟ2-×k1(2)如果渣中含有水分,也會發(fā)生這樣的反應。(2)電渣過程中oh-的傳遞速率2(OH-)+Fe2+?Fe+2[O]+2[H](3)α(OH?)=αH?αO/k2?αFe2+??????????√(4)α(ΟΗ-)=αΗ?αΟ/k2?αFe2+(4)Fe2++O2-?Fe+O(5)k0·αO2-=α0(6)在氣-渣界面上,OH-的傳遞速率η:η=k·β·(S-s)(αiOH--αOH-)(7)β=w(OH-)/α(OH-)式中k——傳質常數S——結晶器的截面積s——電極的截面積大氣中的濕度或者爐渣中水分的高低決定了OH-的傳遞速率,也就決定了鑄錠中的w(H)。氫在電渣重熔過程中的傳遞行為如圖1所示。因此,電渣過程中氫的來源可以歸納為:1)電極中的w(H);2)渣中吸收的水分;3)大氣中的水分;4)電極和結晶器冷表面上冷凝的水分。2電極中wh的影響H.Jaeger通過試驗得出了電極中w(H)與鑄錠中w(H)的關系,如圖2所示。從圖2中可以看出,當電極中的w(H)小于7×10-6時,重熔過程鑄錠中的w(H)會增加,而當電極中的w(H)大于7×10-6時,這時電渣過程就是脫氫過程,重熔錠中的w(H)就會減少。在一般的煉鋼過程中,電極經過脫氣以后,w(H)都比較低,不會超過7×10-6,因此,電渣過程實際上就是一個增氫的過程,對于氫敏感的鋼來說,這一點是非常不利的。3減少空氣中的水分T.Niimi曾經研究了大氣中不同的水分壓下鑄錠中的w(H)。發(fā)現在重熔過程中,金屬熔池中的w(H)是渣池上面水的蒸汽壓的函數。w(H)與蒸汽壓的平方根成比例關系。當PH2O????√ΡΗ2Ο為532～665Pa時,w(H)也是4×10-6～5×10-6。隨著ΡH2O的降低,w(H)也隨之降低。因此,為了防止重熔過程中氫的增加,減少空氣中的水分(干燥空氣或者其他氣體保護重熔)是有效的措施。日本新日鐵公司在重熔40t板錠時,曾對鑄錠中氫的行為進行了仔細的研究,分3種情況對氫進行了分析:(1)在保護氣體下重熔(新渣),用氬氣或者氮氣做保護氣氛;(2)用返回渣進行重熔(CaF2-Al2O3-CaO-SiO2四元渣系);(3)在保護氣體下用返回渣重熔。結果如圖3所示,在冶煉開始階段,鑄錠中w(H)較高,經過一段時間以后,w(H)達到一個穩(wěn)定的狀態(tài)。在氣體保護下(新渣)重熔時,金屬熔池中初始w(H)最高,冶煉完成以后,w(H)仍然高于2×10-6。用返回渣重熔時次之,而在氣體保護下用返回渣重熔時效果最佳,初始的w(H)就控制得較低,最終的w(H)可以控制在1×10-6以內,這足以滿足大多數鋼的需求。因此除了控制大氣中的濕度以外,在重熔之前盡可能地去除渣中的水分是非常重要的。德國在用電渣重熔165t重的圓錠時,由于采取了適當的工藝措施,相對于電極而言,鑄錠中的w(H)幾乎沒有增加。4渣中不同成分對氫脆的影響爐渣中不同的成分會對鑄錠中的w(H)產生很大的影響。當渣中含有CaO時,渣中自由氧離子活度較高,并且CaO是易吸水物質,與大氣中的水蒸汽,結晶器壁上的冷凝水及渣中結晶水反應形成負離子OH-溶于渣中,再進一步H溶于鋼中。如圖4所示,隨著渣中w(CaO)的增加,鑄錠中w(H)也增加,而渣中含有適當的SiO2時,則起到防氫的作用。因此,在電渣重熔過程中,搞清楚組元的成分對氫行為的影響至關重要。文獻中也介紹了渣中不同成分對氫的影響,如圖5所示。在該渣系中靠近高堿度即高w(CaO)的區(qū)域具有高的水容量,而當w(SiO2)增加時水容量減少。因此當渣中的w(CaO)高時,必然增大渣的水容量,從而增加鑄錠的w(H)。在生產中,應該盡量控制渣中石灰的用量,特別是在潮濕地區(qū)。5減少電極重熔大氣濕度、渣中的水分、電極的w(H)及爐渣成分對鑄錠中的氫有重要的影響。為了防止重熔過程中氫的增加,應該采取以下措施:(1)盡量降低電極中的原始w(H),有