电渣重熔过程中夹杂物的控制

贺国光

邢台德龙机械轧辊有限公司河北邢台054000

摘要：非金属夹杂物在钢的性能中起着重要的作用。它在钢中的分布不仅破坏了基体的连续性，而且导致材料的塑性、韧性和疲劳性能降低，并且微孔和裂纹容易在夹杂物和钢的界面形成疲劳断裂或者引起其他缺陷，因此，在炼钢过程中，必须要正确控制夹杂物。电渣重熔（ESR）技术能有效的去除钢中的非金属夹杂物，并能对钢中夹杂物的分布进行改善，随着钢的质量要求的不断提高，一般重熔技术已不能满足洁净钢的生产要求。

关键词：电渣重熔；夹杂物；控制

前言

随着现代化工业技术迅速发展，对各种钢材纯度的要求日趋严格，势必对钢材的强度、塑性及疲劳等性能指标提出更高的要求。非金属夹杂物作为独立相存在于钢中，将导致应力集中，引起疲劳断裂，严重影响了钢的使用性能。同时，非金属夹杂物的尺寸、形态及在钢中的数量和分布，严重破坏了钢基体的连续性，加大了钢中组织的不均匀性，必然造成钢的使用寿命降低等系列问题。因此，非金属夹杂物在钢中的尺寸、形态、数量及分布是评定钢材质量的一个重要指标。鉴于此，提高合金母材的质量和纯度，生产出洁净钢，或有效控制非金属夹杂物性质、形态及分布，是冶炼和铸锭过程中的一个重要环节。电渣重熔的显著优点之一就是可以显著降低电渣钢中非金属夹杂物的数量，并改变其在钢中的分布。但电渣重熔在去除原生夹杂物的同时将产生新的夹杂物，这些夹杂物会对钢材质量产生影响。

1实验材料与方法

将电渣重熔后的1Cr13钢锻件（锻压工艺参数为镦粗比4，拔长比1.7，始锻温度1180℃）升温到650℃保温6h，升温到960℃保温5h后雾冷到室温，再升温到770℃保温8h后空冷到室温，试样取自钢锭热处理后锻坯，制成尺寸为30mm×30mm×50mm的长方形试样，经磨制、抛光、浸蚀（4%硝酸酒精）后，进行金相显微组织观察。采用蔡司Zeiss金相显微镜观察夹杂物形态，利用日立公司的S-3000N电镜进行显微组织观察和能谱分析，确定夹杂物的元素组成。

2实验结果与分析

2.1显微组织分析

1Cr13钢电渣重熔显微组织中夹杂物的形貌。黑褐色粒状物经锻压后无变形只是破碎，初步确定为脆性夹杂。中浅灰色似纺锤体的物质经锻压后沿变形方向延伸成带状，具有良好的塑性，初步确定为塑性夹杂。

2.2扫描电镜及能谱分析

本实验采用金相法与微观区域成分分析相结合，用金相显微镜和能谱分析测试仪对1Cr13钢锻件成分进行分析，测定尺寸大于1μm夹杂物的元素组成，并对个别元素进行面扫描分析，通过能谱仪对其进行成分分析，得出各元素的质量分数谱线。在本测试中Fe、Cr是1Cr13钢的主要成分，在进行夹杂物成分分析时不予考虑。夹杂物中的Fe、Cr、F、O、Si和Ca元素进行能谱分析可以看出，F（wt%）=14.68%、Si（wt%）=3.3%、O（wt%）=11.61%、Ca（wt%）=0.33%，对比1Cr13锻件用钢的化学成分，O、F、Si和Ca都超出标准。1Cr13钢夹杂物中块状的脆性夹杂物中含有的主要元素有O和Si，且分布较为集中，而F元素含量居高，由此可以推断1Cr13钢锻件中的块状脆性夹杂物为SiO2，但只占小部分，而CaF2夹渣占大部分。夹杂物中进行Mn元素和Mn、S元素的面扫分析可以看出，浅灰色似纺锤体的夹杂物主要以MnS形式存在，并对夹杂物中的Mn元素进行能谱分析得出，Mn（wt%）=0.23%，Mn（wt%）=0.18%，对比1Cr13锻件用钢的化学成分，均未超出标准。

2.3夹杂物的形成机制

结合电渣锭夹渣的形式和所采用的电渣重熔的渣系组成（CaF2和Al2O3）可知，1Cr13钢中的夹渣主要产生在距离钢锭大头300mm范围内，是亚表层夹渣。在电渣重熔过程中，由于工艺参数设定不合理（电压和电流值设定过低），导致渣池的过热度不足，熔池温度偏低，势必造成钢液和熔渣粘度大、流动性变差，严重影响钢液中的夹杂物及固体渣块的上浮，这是电渣重熔钢锭形成夹杂物和夹渣的主要原因。重熔过程中的固态渣块进入渣池后，未熔化的固体渣块易随金属液滴的流动被带进熔池，由于钢液的流动性差，造成固体渣块未能及时上浮，与纯净的钢液一起凝固在铸锭中，形成亚表层夹渣。且这种夹杂在后续冷热加工过程中不易被发现，在成品钢材中形成铸造缺陷，危害很大。因此，炼钢生产中必须严格注意电渣重熔工艺参数的选择，防止亚表层夹渣的出现，从根本上减少夹渣锭的产生。

3夹杂物运动方程

为了简化计算，假设夹杂物为密度为2850kg／ｍ３的惰性球状固体，分别选取直径为1、3、5、8、10μｍ的夹杂物颗粒进行模拟。采用欧拉－拉格朗日方法模拟钢液中夹杂物的运动行为，此外，同时考虑重力、浮力、曳力、升力、附加质量力以及电磁压力的作用。曳力是由于夹杂物和熔体存在相对速度而引起的力，其方向与夹杂物运动方向相反；升力是由于夹杂物旋转引起；附加质量力是由于夹杂物与熔体存在加速度之差而引起的力，其中，电磁压力的产生。外加电流感应生出垂直纸面向外的磁场，在该磁场与电流作用下，将使钢液产生指向结晶器中心的洛伦兹力；对于非金属夹杂物是不导电的，本身不受到洛伦兹力的作用，而是受到一个相对于洛伦兹力方向相反的电磁压力的作用。在电磁压力的作用下，非金属夹杂物向结晶器壁面产生定向迁移，加快了非金属夹杂物与钢液之间的相对运动速度，促进了非金属夹杂物的去除。

4结论

（１）电极中的非金属夹杂物受到浮力、重力、曳力、升力以及附加质量力作用，随熔渣运动，最终大部分的夹杂物分别在渣池与空气接触面和渣池与结晶器侧壁接触面被捕获，小部分夹杂物仍在渣中随熔渣运动，极少数夹杂物会穿过凝固界面，进入钢锭中。

（２）重熔过程中直径大的夹杂物的去除率大于直径小的夹杂物。夹杂物粒径从１μｍ增加到10μｍ时：在电流为1200A时，夹杂物去除率从90.49％增加到99.28％；在电流为1500A时，夹杂物去除率从91.40％增加到99.80％；在电流为1800A时，夹杂物去除率从84.55％增加到99.99％。

（３）当电流从1200A增加到1800A时，5种粒径的夹杂物去除率均有增加。渣池与空气接触面捕获颗粒比例随电流强度增大的趋势与总去除率相同，而悬浮在熔渣中夹杂物比例却随电流强度增加而减小，被渣与结晶器侧壁接触面捕获到的夹杂物比例受电流强度与夹杂物粒径大小不同的共同影响。

结束语

由于钢液与熔渣接触的比表面积很大，钢液与熔渣反应充分，同时在洛伦兹力的作用下熔渣得到充分搅拌，钢渣界面得以不断更新，有利于熔渣对非金属夹杂物的吸附。此外，重熔过程中熔渣和钢液具有较高的过热度，高温的熔池促进一系列的物理化学反应的进行，提高钢液的纯净度。

参考文献

[1]杨亮.电渣重熔GCr15SiMn轴承钢TiN夹杂物形成机理及控制工艺[D].北京：北京科技大学，2017.

[2]马党参，周健，张忠侃，等．电渣重熔速度对H13钢组织和冲击性能的影响［J］．钢铁，2016，45（8）：80．