电源频率对电渣重熔锭质量的影响-打印了.pdf

第43卷 第9期2 0 0 8年9月钢铁Iron and SteelVol.43,No.9September2008电源频率对电渣重熔锭质量的影响常立忠,杨海森,李正邦(钢铁研究总院冶金工艺研究所,北京100081)摘 要:研究了不同频率对电渣锭质量的影响。研究结果发现:电源频率的降低导致了渣池电磁搅拌的强烈,促进了渣池的温度均匀,因而降低了金属熔池深度;随着电源频率的降低,铸锭中的氧含量明显增高,这主要是由于在渣池中的部分氧化物发生了电解反应,导致了氧进入钢中,增加了钢中的夹杂物含量。关键词:电渣重熔;电源频率;氧含量;电化学反应中图分类号:TF741 文献标识码:A 文章编号:04492749X(2008)0920033205Effect of AC Frequency on Quality of ESR IngotCHANG Li2zhong,YANG Hai2sen,LI Zheng2bang(Department of Metallurgical Technology,Central Iron and Steel Research Institute,Beijing 100081,China)Abstract:The effect of power frequency on quality of ESR ingot was studied.The results show,with the decreasethe power frequency,electric magnetic force became more violent,and the temperature in the slag bath became morehomogeneous,so the depth of the molten pool was decreased;electrochemical reactions were occurred in slag poolwith the decrease of the frequency,the atomic oxygen was dissolved in the molten metal pool and the non2metallic in2clusion content was increased.Key words:electro2slag remelting;power frequency;oxygen;electrolytic reactions作者简介:常立忠(19772),男,博士生;E2mail:clz1997 ;修订日期:2008201220 在电渣重熔过程中,主要是采用单相的供电方式(部分采用三相);当重熔很大的钢锭(最大的锭子单重达到200 t)时,熔炼电流很大,达到几万安培,这样不可避免地会导致电网的三相不平衡,为了解决这一问题,有的电渣炉就采用低频操作(德国1974年建造的50t电渣炉采用010 Hz频率进行重熔1,2)。采用单相电渣重熔很大的锭子时,还存在一个严重的缺点:随着电流强度的增大,短网压降U也增大,很明显地降低了单极电渣炉的功率因数cos,其中:U=(IR)2+(L X)2X=2f L式中,f为频率;L为电感。因此,如果能够降低频率f,也就能够降低短网压降U,提高功率因数。所以采用低频供电的方式,也可以解决电耗大的问题。虽然采用低频操作有这些优点,但是低频对于铸锭的质量(特别是夹杂物)有怎样的影响缺少详细报道。本研究的目的在于研究频率对铸锭质量的影响,主要包括钢锭成分,夹杂物、凝固质量等的影响。1 实验设备实验用电渣重熔炉变压器功率为125 kVA。结晶器是直径为100 mm,高为250 mm的固定式水冷铜制结晶器,最大能够重熔15 kg的铸锭。根据所定电流以手动方式升降电极。电渣炉为单立柱单相电渣炉。自耗电极直径为50 mm。实验用电渣炉与一般电渣炉的不同之处在于添加了一个变频设备,从而使工频电渣炉变成了低频电渣炉。实验装置如图1所示。1-电极;2-结晶器;3-底水箱;4-短网;5-变压器;6-低频电源;7-低频电源控制柜图1 低频电渣炉Fig.1Scheme of low2frequency ACelectro2slag remelting furnace钢 铁第43卷2 实验方案及过程参数为了研究频率对电渣锭的质量影响情况,在渣系、钢种固定的情况下,只改变频率,观察对铸锭质量的影响。实验用电极为CrNiMo钢。采用转炉冶炼,经LF+VD精炼,然后再进行连铸。在连铸坯上切下部分坯料再锻造成 50 mm的圆棒作电极用。在电渣重熔之前,将电极的表面进行打磨,去掉氧化铁皮,以减少对实验结果的影响。实验采用冷启动法,实验过程均没有添加任何脱氧剂。渣系采用CaF22Al2O32CaO2SiO2四元渣系,渣量为1.2 kg。实验过程参数如表1所示。表1 不同频率下重熔时的电参数Table 1Electrical parameters of remeltingwith different frequency重熔工艺电压/V电流/kA渣系2.5 Hz,空气384016005.0 Hz,空气3840160018007.5 Hz,空气37401400160050.0 Hz(工频),空气414314001600CaF22Al2O32CaO2SiO2四元渣系3 实验结果及讨论3.1 低倍组织将在不同频率下重熔的铸锭(空气下)从中心纵剖,经打磨、酸浸以后,观察其凝固组织,如图2所示。(a)2.5 Hz;(b)5.0 Hz;(c)7.5 Hz;(d)50.0 Hz图2 纵向低倍组织Fig.2Longitudinal macrostructure of ESR ingots 众所周知,柱状晶的生长方向与结晶线上的温度梯度方向相一致3,这就是说柱状晶生长方向是由金属熔池的形状所决定的,因为按照温度向量的方向生长的树晶主轴在结晶过程的任何时刻都是向着结晶线的面,即金属熔池的底。因此,金属熔池的深度对电渣锭的结晶质量有决定性的影响。研究表明,如果要得到高质量的铸锭,最为希望的是金属熔池不仅倾斜度要小,而且要比较浅平。从图2中可以看出,频率不同,熔池的深度也不同。随着频率的增加,熔池深度也逐渐变深。当频率为2.5 Hz时,熔池最浅,柱状晶接近于纵向生长;在工频下重熔时,熔池较深。这说明频率对铸锭的结晶质量有影响,低频比高频更容易获得高质量的铸锭(从凝固方面考虑)。低频条件下重熔的钢锭熔池深度较浅的原因主要从渣池的运动情况来分析。对渣池运动起主要作用的是电流通过渣池过程中产生的电磁力。随着频率的降低,在同样的电流强度下产生的搅拌更强烈。由于渣池的强烈搅拌,导致了渣池内温度分布趋向均匀。搅拌越强烈,渣池温度就越均匀,这样金属熔池的温度也就相对变得均匀,从而降低了金属熔池的深度。3.2 夹杂物(氧、氮)为了研究不同频率对钢中夹杂物的影响,对重熔前后钢中的氧、氮含量进行了分析,用扫描电镜观察夹杂物的具体形貌及其成分,取样位置为电渣锭的中部。表2为在空气中电渣重熔前后铸锭中氧、氮含量的变化。从表2中可以看出,氮含量基本上没有变化(轻微的变化可能是由于误差或取样位置的原因),但是氧的含量有明显的变化,且有很强的规律性,即随着频率的降低,氧含量明显增高。当频率为2.5 Hz43第9期常立忠等:电源频率对电渣重熔锭质量的影响时,氧含量相对于电极增加了5倍多,是工频下重熔的3倍。与此对应,铝也大量烧损。图35分别为电极、2.5 Hz及50 Hz下重熔的钢中夹杂物的分布及具体形貌。从图35看出,电渣重熔后电极中的夹杂物变得细小,但是数量变多,呈弥散分布。在2.5 Hz下重熔钢中的夹杂物数量最多,这与重熔锭中的氧含量高相一致。众所周知,在工频下电渣过程一般是脱氧的过程,其原因主要在于:熔滴在穿过渣池的过程中,炉渣对铸锭中夹杂物(氧化物夹杂)的吸附与溶解,从而导致了铸锭中氧含量的减少。但是如果在重熔中吸收了外来的氧(电极氧化及空气直接传氧),并且这些氧超过了炉渣因为吸附夹杂物而减少的氧,那么电极就会出现增氧现象。特别是在本次试验中,电极的中的氧含量已经很低,而且又是在空气中重熔,且没有添加任何脱氧剂,因此,工频下重熔的钢中氧含量相对较高。表2 空气中电渣重熔前后铸锭中氧、氮含量的变化(体积分数)Table 2O and N in the ingots before and after ESR重熔工艺氧含量/10-6氮含量/10-6Als/%电极18400.02802.5 Hz9043 0.0050510 Hz64440.00747.5 Hz53430.006850.0 Hz36400.0110 注:为了更好地说明问题,也列出了酸溶铝的含量。53钢 铁第43卷图550 Hz下重熔钢中的夹杂物Fig.5Non2metallic inclusions of the ingot remelted with frequency is 50 Hz 如果频率没有对电渣过程产生影响,那么在不同的频率下重熔锭中的氧含量应该一样。但是,氧含量随着频率发生了变化,这就有可能是在电渣过程发生了电解,炉渣中的氧进入钢液所致。已有实验证明,在直流电渣过程中,会发生电解,造成电渣钢锭中的氧含量增加3,4。同样在低频情况下也发生了电解。低频与工频下的电源波形图如图6所示。(a)f=50 Hz(工频);(b)f=10 Hz(低频)图6 不同频率下的波形Fig.6Waveshape of currents with different frequency 从图6中可以看出,在工频下重熔时,由于电源的正负极交替很快,电解过程来不及发生。当在低频下重熔时,假设频率为10 Hz时,电源的正向(反向)电流持续时间为50 ms,是工频下的5倍,在这段时间内,电解就已经部分发生。同样,频率越低,正向(反向)持续时间就越长,越容易发生电解。当电极为负极,金属熔池为正极时,在电极端部将发生如下电解反应:Si4+4e=Si(1)Mn2+2e=Mn(2)Fe2+2e=Fe(3)Ca2+2e=Ca(4)Al3+3e=Al(5)从氧化物稳定性的角度考虑,如果渣中有Fe2+、Mn2+和Si4+存在,反应(1)(3)应该首先发生。但是,为了防止钢锭中增氧,电渣用的渣系一般是还原渣,尽可能地不加或少加这些不稳定的氧化物(FeO/MnO)。一些渣系中也添加SiO2,但是一63第9期常立忠等:电源频率对电渣重熔锭质量的影响般很少(本实验中为5%),因此,可以认为上述3个电解反应基本上不能发生。由于CaO和Al2O3是渣系中的主要成分,因此电解反应(4)、(5)应该发生。但是,当考虑到两种氧化物稳定性时,反应(5)可以优于反应(4)发生。因此,电解反应主要是渣池中的氧化铝的分解。Al可以进入电极端部的熔滴中。但是在本次实验中,由于没有采取保护措施,因此这些铝又被空气中的氧所氧化(表2)。在熔渣2金属熔池界面处(正极)发生以下反应:O2-2e=O(6)电解生成的氧进入金属熔池,造成钢锭增氧。反应机理如图7所示。同样,当电极为正极,金属熔池为负极时,发生类似的电解过程。图7 电渣过程渣池部分氧化物电解示意图Fig.7Schematic of electrolytic dissociationof oxides in the slag bath4 结论(1)随着频率的降低,由于搅拌的强烈,促进了渣池温度的均匀,从而降低了金属熔池的深度。(2)随着电源频率的降低,重熔锭中的氧含量增加,这主要是由于渣池中的部分氧化物在重熔过程中发生了电解,导致了氧进入钢中;但是产生的夹杂物是在凝固过程中产生的,弥散、细小。(3)从实验看,低频对于铸锭的结晶组织是有好处的,但是它会提高铸锭中的氧含量,因此,对于采用低频操作(或准备采用)的电渣炉,必须对其做全面的衡量。参考文献:1Rohde L,Lohr D.Operational Results of the 50 T on ESR Plant ofThyssen Henrichshiitte AG A.Proceedings of the 5thInter.Conf.onVacuumMetallurgyandElectroslagRemeltingProcesses C.Munich:LEYBOLD2HERAEUS GmbH andCo.KG,1976.2Watkins E J,Tihansky E L.Production of a 304 Stainless SteelNuclear Reator Forging From a Very Large Electroslag Re2fined Ingot.Steel Forgings,ASTM STP 903,E.G.Nisbettand A.S.Melilli,Eds.,American Society for Testing and Ma2terials,Philadelphia,1986.439.3Kawakami M,Takenaka T,lshikawa M.Electrode Reac2tions in Dc Electroslag Remelting of Steel RodJ.Ironmakingand Steelmaking,2002,29(5):287.4Chumanov I V,Pyatygin D A.DC Electroslag Remelting WithRotating Consumable Electrode J.Steel inTranslation,2006,39(3):39.(上接第15页)3 金宗哲,包亦望.脆性材料力学性能评价与设计M.北京:中国铁道出版社,1996.4Suresh 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