摘要:針對超級雙相不銹鋼的傳統鑄造方法易出現漏鋼、漏渣、表面成型差等問題,采用抽錠電渣重熔處理,通過改變重熔過程中的供電制度、冷速條件、液固界面位置等因素,對船用脫硫塔大直徑板坯進行技術設計,分析了坯錠的內部凝固質量和表面狀態。結果表明:重熔過程增大了鋼—渣界面積,起到渣洗的作用,使得重熔的鋼純度高、非金屬夾雜物少,滿足了生產要求。在重熔鑄坯的成型過程中,最合適的工藝參數是抽錠速度由1.5 mm/min緩慢增加到12mm/min,爐頂電壓為62V,二級電流維持在19 KA,電極熔化速度在1100~1200 kg/h。得到的坯錠分布均勻,并且表面質量良好,無夾渣、重皮等缺陷,表面修磨量小于3mm,可進行后續軋機軋制等工序。

1引言      現代化工業快速發展,重型機器制作、壓力容器、爐具制作等各式鋼板的需求每年不斷提高。為保證大型設備的安全性和可靠性,其使用的鋼材質量要求變得越來越嚴格,其中,雙相不銹鋼是一種固溶組織中鐵素體與奧氏體組織分別占比至少40%,同時具備較高的強度和耐腐蝕性的鋼種材料。自1930年,第三代雙相不銹鋼的研發和應用已經開始,以2507鋼為代表的超級雙相不銹鋼是顯著的例子,其化學成分中碳的質量占比為0.01%~0.02%,鉬和氮的含量則較為豐富,質量占比分別為4%和0.3%。同時,鐵素體的體積占比為40%~45%,該結構展現出優秀的抗孔蝕性能。    在超級雙相不銹鋼成型工藝中,傳統鑄造方法易出現漏鋼、漏渣、表面成型差等問題。電壓重熔技術需要將一種自消耗電極放入水冷結晶器的渣池,使渣池的溫度逐漸升高至熔化,形成的液態金屬通過渣池后進入金屬熔爐。這個金屬熔爐會在水冷的環境下逐步硬化,最終形成鋼錠。該流程具備高生產效率、大產量以及低成本的優勢。圖1描繪了抽錠電渣重熔的基本原理,通過利用浮力和洛倫茲力在渣池中引起旋流。該旋流的形成會影響金屬液滴的下落和渣池內的溫度分布,從而直接影響金屬的凝固質量。此外,抽錠電渣重熔與傳統電渣重熔流程存在差異,體現在金屬錠是由下至上逐步凝固,并在整個電渣重熔流程中,鋼錠始終從結晶器底部連續抽取。再者,由于渣-晶界面位置保持不變,導致鋼錠不同位置的熱傳遞系數保持基本穩定。因此,電渣重熔工藝可用于生產大噸位和直徑的鋼錠。在結晶器的出口部位需要加設額外的冷卻手段,以便加強鋼錠內部的冷卻效果,保障鋼錠內部凝固質量的穩定性,適配于脫硫塔鋼錠的生產過程。

     電力供應方式在抽錠電渣重熔過程有兩種形式,一種是電極-鋼錠-底部水箱組合,另一種是電極/結晶器-鋼錠-底部水箱組合。電極-鋼錠-底部水箱形式中,電力傳輸的路線是從變壓器通過短網和電極連接至鋼錠,然后到達底部水箱。此形式下,高溫的渣池部分位于金屬電極下方并且接近金屬熔液水面。短網的電壓降隨著鋼錠長度的增加而提高,因此存在鋼錠長度的限制。因此,這種電力供應方式被廣泛用于直徑小于?1000mm 的鋼錠的生產。電極/結晶器-鋼錠-底部水箱供電方式在電極-鋼錠-底部水箱形式的基礎上增加了一條路徑,即從變壓器通過結晶器到鋼錠,然后到底部水箱。此模式使用2個獨立的電源供電,通過調整2個變壓器的輸入功率改變渣池的溫度分布,以得到淺平的金屬熔液。特別是在大直徑鋼錠的重熔過程中,通過結晶器的供電方式對鋼錠冷卻質量的影響起到了關鍵的作用。此外,在更換電極時,可以將熱量從結晶器的電源電路傳導到渣池中,以保持溫度不降低,從而延長電極更換的操作時間。對小直徑的鋼錠進行重熔時,鋼錠的表面也非常光滑。    在考慮超級雙相不銹鋼的特性基礎上,進行了抽錠電渣重熔的處理,并在重熔過程中調整了供電制度、冷卻速度和抽錠時的液固界面位置等參數以控制液固界面的形狀。特別為船用脫硫塔大直徑板坯進行了技術設計,選擇了電極/結晶器-鋼錠-底水箱作為供電方式,并探究了電渣板坯溫度場控制、渣系配比以及熔速-抽速的匹配對凝固質量和表面狀態的影響趨勢。

2方案設計

2.1 研究路線    鐵水脫硫—電爐冶煉—精煉—電渣重熔—控制軋制—下線緩冷—熱處理—精整—檢驗。

2.2 電爐冶煉及電渣重熔工藝   電弧爐為電渣重熔冶煉提供所需的消耗電極,其工作流程包括:初煉爐—精煉爐—連鑄—鑄坯檢驗： 工藝流程涵括了鑄坯打磨、假電極焊接、渣料準備、渣爐化渣還有電渣重熔,具體的工藝參數設置如表2所示。適用的渣料包含CaF2、Al2O3、CaO、MgO 及SiO2,成分比例為CaF2 ∶Al2O3∶CaO∶MgO∶SiO2=50∶19∶19∶6∶6,總質量是290 kg。渣料在800 ℃下加熱8~10h后,讓其在渣化爐內熔化。在液態熔渣溫度增加到1600~1700℃時,將其導入結晶器。接著插入電極到渣池,深度約15~20 mm,然后開啟重熔過程。首先高功率化鋼,形成金屬熔池,然后讓鋼在引錠板上成型凝固,進而抽出錠子。錠的抽取速度初始為1.5mm/min,慢慢提升至目標速度12mm/min。這個時候,爐口電壓設置為62V,二次電流為19kA,并控制電極熔化速度在1100~1200kg/h。2.3 軋制及冷卻工藝     為了防止奧氏體晶粒因溫度過高或加熱時間過久而過度增長,將板坯的加熱溫度控制在1200~1260 ℃。根據“高溫、低速、大壓"的操作規律,在四輥可逆軋機上設定了奧氏體的再結晶區和未再結晶區兩個階段的溫度。第一階段的軋制溫度范圍是1070~1180℃,第二階段的起始軋制溫度設定在860~900℃,軋制結束時的溫度控制在830~860℃。選用加速冷卻方式進行冷處理,最后冷卻的溫度維持在580~620℃。為提高鋼板性能的一致性,最后進行正火處理。

3結果討論

3.1 電渣重熔板坯內部質量控制    對S2507超級雙相不銹鋼板的電渣坯錠的結晶組織進行了詳盡的剖析,發現該結晶組織是由邊界地帶的細小等軸晶區、中心地帶的柱狀晶區以及核心部位的粗等軸晶區所構成。在電渣錠的角部和中心部位進行取樣,并將樣品加熱到1250℃,維持3.5 h后,通過水冷使其迅速冷卻下來,這樣做能夠使高溫組織狀態得以保持。查看樣品坯錠長度方向上的奧氏體形狀和分布。鋼錠核心部分的奧氏體大部分是粒狀的,而鋼錠邊角部分的奧氏體則主要是板條狀的,平行度較高。    不銹鋼凝固模式為:L→δ +L→δ +L+γ →δ +γ 。δ鐵素體將首先從液態分離出來,伴隨著復雜的共晶或包晶反應,在后續會發生由固態相向γ相的轉換,若δ鐵素體的轉變沒有及時完成,其會作為殘余鐵素體留在枝晶主干的核心,以此形態存在于室溫結構中。在電渣重熔扁錠凝固過程中,奧氏體的析出長大是擴散型相變,主要受冷卻速率和晶體缺陷的數量影響,冷卻速率直接決定了元素能夠遷移的時間,而晶體缺陷則決定了原子遷移的能壘。    由于在電渣坯錠的核心,熔融的金屬離發熱區是最近的,固液兩相區在凝固時會放出潛藏的熱量,這使得液態區的熱度逐漸平緩,熱值的分布將呈現無定向的狀態,最終在中央區域出現較粗大的均勻晶體區,這個區的生長速度很慢,產出的冷卻鐵素體瑕疵少,形成奧氏體需要克服巨大的阻力,需要非常大的冷卻才能形成,而這個部分的冷卻環境是最差的,不利于奧氏體的生長,所以,奧氏體的含量一般較低,一般以球形和島形狀為主。    在電渣坯錠的邊角,此處位于加熱區的最遠端,同時得到了結晶器寬邊和窄邊的冷卻,擁有優的冷卻環境,這導致了金屬凝固速度的加快,過早出現了富含鐵素體晶界等缺陷,同時元素的擴散途徑也增加了,因此在奧氏體分解后,其可以沿著柱狀晶的生長方向迅速生長,其形態與柱狀晶的區域相當類似,展現出粗糙的片狀結構,擁有較好的平行度。    大直徑鋼板的主要特質在于其較低的壓縮性,這使得通過軋制修補連鑄坯內的空洞等缺陷變得相當困難。因此,對鋼板內部的缺陷檢測勢在必行。至于那些經過實驗制作的成品鋼板,進行了一一的探傷檢查,測試結果顯示,除了鋼板的兩端,其他部分在全厚度上均滿足探傷一級的合格準則。    在冶煉過程中,鐵液在穿越有一定深度的熔渣過程中,將以液滴形態逐個通過。于是,相對于平滑質地的液態金屬,鐵液滴的單位面積會擴大幾百倍,從而進一步提升鋼與熔渣之間的接觸面積,并提高熔渣對鋼中非金屬雜質的吸附效率。在這個環節中,鋼中的雜質會按照特定的規律在穿過熔渣后重新分散,因此降低了鋼液中的雜質含量,實現了熔渣的凈化作用。根據對電渣重熔處理后的鋼在實驗中的檢測結果顯示,鋼的純度高,并且非金屬懸浮物的含量少,達到了生產制造要求。

3.2 電渣重熔板坯表面質量控制    針對大型的電渣重熔工藝,板坯表面質量的主要缺陷包括波紋、重皮、漏渣、凹陷或鑄錠不飽滿。(1)渣系對鑄坯表面質量的影響。渣皮厚度對電渣重熔錠的表面品質有著顯著的影響,這是核心要素。只有保證爐渣厚度的穩定性或微小的改變,才能使鑄錠的表面生成均勻、光滑。但是,只要有某些爐渣層的厚度發生劇烈的改變,鑄錠表面就可能出現像渣槽、重皮、漏渣等問題。在大板坯電渣重熔的過程中,鑄錠和結晶器的相對移動可能會引起渣池溫度的波動。頻繁的溫度波動并不利于形成均勻的渣皮厚度。因此,在大板坯電渣重熔過程中,應采用黏度適當低、粘度穩定性好的爐渣體系。對于取得均勻厚度的渣皮以及提升鋼錠的表面質量有益的,是那些粘度較小且穩定性較高的渣。相反,爐渣的粘度會隨著溫度的升高而突然變化。在濾渣池的溫度環境發生急劇改變的情況下,可能會引起渣皮厚度的快速變化,如突然增厚或減薄,這容易在鑄錠表面引發渣槽、波紋、雙皮、漏渣等一系列表面缺陷。    在大規模的電渣重熔板坯生產過程中,由于結晶器和鋼錠的相互移動,固態的渣皮承受著來自結晶器壁與鋼錠外表的摩擦阻力。在遭受這2種阻力的影響下,渣皮極易產生脆性的分裂,導致熔池內的鋼液或渣液流散,觸發重皮、漏渣等一系列的表面缺陷,對鋼錠的表面質量產生影響。因此,固態的渣皮在高溫的環境下,必須擁有適當的摩擦系數、力量和塑性能力。在本研究的重熔渣系中,加入了適量的Al2O3 和MgO 使得渣內包含了一部分具有高硬度、高熔點的尖晶石和黃長石等礦物質,這些礦物質在高溫(1200 ℃)下難以發生變形,既增強了渣的強度,又有助于其強化。SiO2 礦物在高溫作用下,容易產生變形或軟化,生成具有塑性變形能力的礦物、非晶質礦物和低熔物相等,進而提高渣系的塑性變形能力,使電渣表面厚度均勻,成型性較好。(2)熔池輸入功率對鑄坯表面質量的影響。在電渣重熔的過程中,輸入功率對鑄造零件表面質量的效應是相當復雜的。通常而言,如果電流和電壓偏低,那么將會使得爐渣溫度下降,渣皮會變得過于厚實,從而使得鋼錠表面不再光滑。電流和電壓的不穩定會導致鑄坯表面質量的起伏,通常來說,電壓對鑄坯表面質量的影響更為突出。在研究報告中,當電壓設置為62 V,二次電流為19 kA,板坯的表面質量等級達到最高,重熔之后能夠達到一級。(3)抬結晶器速度控制方式的影響。在大板坯電渣重熔的生產過程中,坯料與結晶器之間始終存在相對運動,結晶器提升速度的穩定性對坯料的表面質量也有顯著影響。升降結晶器的速度突然變化,會增加坯料與渣殼之間的摩擦力。在情況較輕的情況下,可能會出現一些表層缺點,比如重皮或爐渣泄漏,在嚴重的情況下,可能導致結晶容器發生形變。所以,在提高結晶容器的過程中,需要讓速度改變得更加溫和。    因此,在電渣重熔過程中,對填充比、渣系、渣量、供電制度以及抬結晶器速度控制方式等多方面進行了優化和調整。這樣可以有效地提高電渣坯錠的表面質量。在電渣坯錠樣本中,扁錠的表面質量優異,沒有因漏鋼、漏渣而產生的表面夾渣或重皮缺陷,而且表面修磨厚度小于3mm。

4結論   本文采用抽錠電渣重熔處理,通過改變重熔過程中的供電制度、冷速條件、抽錠時的液固界面位置等因素控制液固界面形態,對船用脫硫塔大直徑板坯進行技術設計,分析板坯溫度場控制、渣系配比及熔速-抽速的匹配對內部凝固質量和表面狀態的影響趨勢。(1)降碳保鉻、增進金屬得率、減少生產花費是重熔電渣技術的核心要點,通過安裝連續測溫儀器可以對熔池溫度進行檢測,利用爐口的鋼渣混沖出鋼,可以提升合金的收得率,進一步配上氧槍系統可有助于縮短冶煉的時長,顯著改良與前后工藝的配套關系。(2)電渣板坯成型工藝是通過電極/結晶器-鋼錠-底部水箱的電源方式進行設計的,使用2個獨立的電源供電,通過改變2個變壓器的輸入能量以控制渣池的溫度分布,從而創建一個平坦的金屬熔池。在進行大直徑鋼錠的重熔操作時,結晶器的供電方法對鋼錠凝固效果有決定性影響。(3)在重熔電渣鑄坯的成型過程中,最佳的工藝參數是抽錠速度由1.5 mm/min緩慢增加到目標抽錠速度12mm/min,爐口電壓保持在62 V,二級電流維持在19kA,電極的熔化速度在1100~1200 kg/h。得到的坯錠具有分布均勻,厚度一致的渣皮厚度,并且表面質量良好,無夾渣、重皮等缺陷,表面修磨量小于3mm,可進行后續軋機軋制等工序。