一种电渣重熔超洁净钢的冶炼方法与流程

1.本发明涉及一种电渣重熔方法，尤其是一种电渣重熔超洁净钢的冶炼方法。


背景技术：

2.电渣冶金是20世纪特种冶金技术的重大突破之一。自1940年，美国人霍普金斯获得了电渣专利以来，电渣冶金得到了蓬勃的发展。目前，电渣钢广泛用于航空、航天、电力等工业领域。然而，一些对有害杂质成分要求较高的高端材料，如部分高温合金、耐蚀合金和超洁净钢，目前需采用真空感应熔炼+电渣重熔+真空自耗三联工艺生产。
3.采用三联工艺生产超洁净钢不仅成本高，生产周期也长，工艺难度也大，有诸多缺点。所以，各国冶金工作者都试图改进电渣冶炼工艺，力求获得更加高效的去除夹杂物和硫的方法。
4.不难得知，电渣脱除硫及夹杂物主要集中在金属熔滴形成、下落两个阶段。熔炼过程中，自耗电极在接触熔渣的一端沿表面逐层熔化，形成薄膜和熔滴，进行渣金反应，脱除一部分杂质；在熔滴下落时，金属穿越渣层也会与熔渣反应，去除夹杂。显而易见，在这两个过程中，接触面积和作用时间是影响夹杂物去除效率的最关键因素。
5.众所周知，渣金接触面积与熔滴尺寸呈指数关系。熔滴尺寸越小，比表面积越大，接触面积也越大，反之亦然。一粒一定质量的金属熔滴，破碎成相同质量的两粒，比表面积增加了2.17倍。所以，电渣过程中控制得到较小的金属熔滴是非常有利于脱除杂质的。
6.另一方面，渣金作用时间与熔滴下落时间呈反比。金属熔滴离开电极开始下落，将受到渣子浮力、粘滞力（相当于摩擦力）和重力的共同作用。其中，渣浮力、粘滞力是阻力，越大，越有利于减缓下落速度，延长停留时间，就越有利于增加渣金反应程度。所以，从脱除夹杂物角度出发，应设法控制重熔过程中增加渣浮力和粘滞力。
7.在减小熔滴尺寸和增加渣浮力、粘滞力方面，冶金工作者做了很多研究。归纳起来，较有成效的工作主要集中在工艺参数优化、渣系成分改进两个方面，但是，这些工作有利也有弊。比如，提高电流的确会减少熔滴尺寸，提高渣洗效果，但同时也会增加熔速，造成金属凝固偏析和组织不均；另外，增加渣子密度、粘度会增加浮力和粘滞力，提高去夹杂效果，但同时也会使渣皮增厚，钢渣分离困难而致铸锭表面质量下降。
8.综上所述，目前还没有特别有效的技术手段解决电渣重熔冶炼超洁净钢的问题。


技术实现要素：

9.本发明要解决的技术问题是提供一种减少金属熔滴尺寸、降低熔滴下落速度的电渣重熔超洁净钢的冶炼方法。
10.为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：采用抽锭式结晶器进行电渣熔炼；在冶炼过程中，在渣池中下部均布一圈的位置向渣池内吹入0.1～0.5l/min不参与反应的高纯气体。
11.本发明所述高纯气体水平吹入渣池内。
12.本发明所述高纯气体在渣池中下部的两侧对称吹入。
13.本发明所述高纯气体为高纯氦气。
14.本发明所述高纯气体的温度200～300℃、压力0.06～0.08mpa。
15.本发明的工艺思路是：首先，渣池会在高纯气体泡的搅动下加速对流循环，这会有效增加渣子对电极端面的冲刷作用，迫使金属熔滴不能自然长大，只会在较小尺寸下脱离电极。同时，熔滴在下落过程中，会被渣流和高纯气体泡不断冲击破碎，进一步减少了熔滴尺寸、增加熔滴的比表面积，这会显著增加渣金接触界面，加快反应进程。
16.其次，破碎的熔滴由于质量减少，可随渣池做对流运动，大大延长滴落路径，增加停留时间，使渣金反应充分进行。
17.经前述分析得知，熔滴尺寸和作用时间，正是电渣冶金脱除夹杂物和硫等杂质的两个最关键参数，所以，本发明能有效地提高去夹杂效率。
18.另外，选择氦气作为吹入介质，也与它的物理化学性质有关。氦气是一种惰性气体，不与金属反应，作为吹入介质不会引起成分变化；同时，它的密度比氩气还小，吹入渣层会急剧膨胀而快速上浮，不会残留在钢中；再者，氦气充入前经过脱水、升温、稳压处理，不会增h，也不会降低渣温而增加操作难度，工艺适应性好。它的使用量也较小，仅0.1～0.5l/min，经济实用。
19.采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明突破传统的方式方法，借助“外力”干涉电渣冶炼过程，能大幅减少金属熔滴尺寸、显著降低熔滴下落速度，从而增加渣金反应时间、提高去夹杂效率。本发明电渣后无需再次熔炼，所冶炼的超洁净钢中的夹杂物、硫含量比传统的电渣重熔低50%以上。
附图说明
20.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
21.图1是本发明所述电渣重熔装置的结构示意图。
22.图中：1―自耗电极；2―结晶器；3―吹气孔；4―钢锭；5―金属熔池；6―渣池；7―高纯气体泡。
具体实施方式
23.本电渣重熔超洁净钢的冶炼方法适用于电渣钢，例如gcr15、gh4169、w18cr4v、ns333等超洁净钢，采用抽锭式结晶器，尤其适用于φ300mm及以上抽锭式结晶器；所述抽锭式结晶器在渣池中下部设置有吹气孔，吹气孔至少为两个、在渣池周边的同一平面上均匀布置；吹气孔最好为两个，对称设置在渣池的两侧；所述对抽锭式结晶器需要进行改进，可采用下述抽锭式结晶器结构：图1所示，在结晶器2中间部位中心对称穿2个细孔，平行焊接铜制导管，接口处打磨光滑，导管内径0.12～0.16mm，所述导管即为吹气孔3；所述吹气孔3水平设置；结晶器其余部分与常规的抽锭式结晶器结构相同。
24.采用下述工艺：（1）选用抽锭式结晶器，底水箱上放置引弧剂，引弧剂周围放置渣料；安装结晶器2、自耗电极1、保护罩，通入氩气；（2）接通熔炼电源，引燃起弧，加入渣料，待渣温升至1700～1800℃时进入正常熔炼阶段；所述渣料加入前进行烘烤，最好在600～650℃加热炉烘烤8～12h；所述渣料熔化形
成渣池6，自耗电极1熔化形成的金属液滴沉入渣池6底部，逐渐累积形成金属熔池5；金属熔池4冷却凝固，形成钢锭4；（3）所述正常熔炼阶段，待渣层漫过吹气孔3时开始吹气，吹气孔位置位于渣层中下部时开始抽锭，直至熔炼结束。所述吹气孔3向渣池中下部水平吹入总流量0.1～0.5l/min不参与反应的高纯气体，所述高纯气体最好为高纯氦气。所述高纯氦气通入结晶器前经脱水、加热、稳压处理，进入结晶器时气体含水量≤0.0001vol%、温度200～300℃、压力0.06～0.08mpa。所述吹气孔3吹气过程中在渣池6内形成高纯气体泡7，熔滴在下落过程中被渣流和高纯气体泡7不断冲击破碎，从而减少熔滴尺寸、增加熔滴的比表面积、延长滴落路径，进而加快反应进程、使渣金反应充分进行。
25.（4）熔炼结束，停止吹入氦气，30～120min后脱模。
26.实施例1：本电渣重熔超洁净钢的冶炼方法采用下述具体工艺。
27.电渣冶炼gcr15。具体包括：抽锭式结晶器规格：φ300
×
700mm；自耗电极规格：φ200
×
2600mm；钢种成分：c 1.02%、si 0.24%、mn 0.26%、p 0.010%、s 0.008%、cr 1.49%，余量为fe会不可避免的杂质；渣成分（wt）：70%caf2、30%al2o3；渣量：28kg。在结晶器中间部位对称设置2个吹气孔，内径0.12mm；冶炼工艺如下：（1）自耗电极打磨光亮、焊接；（2）将渣料放置在600℃加热炉烘烤8h；（3）铺设固渣引弧剂、安装电极，向结晶器内通入ar；（4）给电引弧、加渣，化渣30min后升温至1750℃；（5）进入熔炼阶段，待渣层漫过吹气孔时开始吹入230℃、0.06mpa、0.3l/min、含水量0.00006vol%的高纯氦气；（6）熔炼至吹气孔位置位于渣层中下部时开始抽锭，直至熔炼结束；（7）停止吹入氦气，45min后脱模。
28.（8）使用该结晶器，采用上述工艺冶炼同成分同规格电极，但冶炼过程不吹氦气，做对比实验，生产得到对比电渣。本实施例所得电渣（下述本方法电渣）和对比电渣进行检测，检测渣层熔滴尺寸及质量见表1，铸锭硫磷及非金属夹杂物含量见表2。
29.表1：电渣重熔金属熔滴尺寸及数量
由表1得出，本方法电渣的金属熔滴平均粒径2.86mm，而对比电渣为7.44mm，降低了61.5%，同质量下比表面积增加了130%；本方法电渣渣中熔滴残余量130.7g，对比电渣80.9g，说明本方法电渣的停留时间比对比电渣增加61.6%。
30.表2：电渣熔炼后非金属夹杂物及硫磷含量（wt）从表2可以看出，本方法电渣的夹杂物总量、评级、s含量均低于对比电渣；其中，夹杂物总量低于对比电渣61.9%，硫含量低于对比电渣70.0%。
31.实施例2：本电渣重熔超洁净钢的冶炼方法采用下述具体工艺。
32.电渣冶炼gh4169。具体包括：抽锭式结晶器规格：φ220
×
600mm；自耗电极规格：φ160
×
1800mm；钢种成分：c 0.05%，p 0.008%，s 0.005%，cr 19%，mo 3%，ni 52%，fe 19%，nb 5.2%，al 0.5%，ti 1.0%，以及不可避免的杂质；渣成分（wt）：50%caf2、25%cao、20%al2o3、5%tio2；渣量：10kg。在结晶器中间部位对称设置2个吹气孔，内径0.16mm；冶炼工艺如下：（1）自耗电极打磨光亮、焊接；（2）将渣料放置在600℃加热炉烘烤8h；（3）铺设固渣引弧剂、安装电极，向结晶器内通入ar；（4）给电引弧，加渣，化渣15min后升温至1700℃；
（5）进入熔炼阶段，待渣层漫过吹气孔时开始吹入300℃、0.06mpa、0.1l/min、含水量0.00009vol%的高纯氦气；（6）熔炼至吹气孔位置位于渣层中下部时开始抽锭，直至熔炼结束；（7）停止吹入氦气，30min后脱模。
33.（8）使用该结晶器，采用上述工艺冶炼同成分同规格电极，冶炼过程不吹氦气，做对比实验，生产得到对比电渣。本实施例所得电渣（下述本方法电渣）和对比电渣进行检测，检测渣层熔滴尺寸质量见表3，铸锭硫磷及非金属夹杂物含量见表4。
34.表3：电渣重熔金属熔滴尺寸及数量由表3得出，本方法电渣的金属熔滴平均粒径1.49mm，而对比电渣为3.02mm，降低了50.7%，同质量下比表面积增加103%；本方法电渣渣中熔滴残余量81.4g，对比电渣50.5g，说明停留时间比对比电渣增加61.4%。
35.表4：电渣熔炼后非金属夹杂物及硫磷含量（wt）从表4可以看出，本方法电渣夹杂物总量、评级、s含量均低于对比电渣。其中，夹杂物总量低于对比电渣53.7%，硫含量低于对比电渣62.5%。
36.实施例3：本电渣重熔超洁净钢的冶炼方法采用下述具体工艺。
37.电渣冶炼w18cr4v。具体包括：抽锭式结晶器规格：φ550
×
1000mm；自耗电极规格：φ400
×
3900mm；钢种成分：c 0.75%，si 0.30%，mn 0.28%，p 0.010%，s 0.009%，cr 4%，w 18%，mo 0.3%，v 1.2%，以及不可避免的杂质。渣成分（wt）：40%caf2、30%cao、30%al2o3；渣量：
95kg。在结晶器中间部位的平面均布3个吹气孔，内径0.14mm；冶炼工艺如下：（1）自耗电极打磨光亮、焊接；（2）将渣料放置在620℃加热炉烘烤12h；（3）铺设固渣引弧剂、安装电极，向结晶器内通入ar；（4）给电启动，加渣，化渣60min后升温至1800℃；（5）进入熔炼阶段，待渣层漫过吹气孔时开始吹入200℃、0.08mpa、0.5l/min、含水量0.0001vol%的高纯氦气；（6）熔炼至吹气孔位置位于渣层中下部时开始抽锭，直至熔炼结束；（7）停止吹入氦气，120min后脱模。
38.（8）使用该结晶器，采用上述工艺冶炼同成分同规格电极，过程不吹氦气，做对比实验，生产得到对比电渣。本实施例所得电渣（下述本方法电渣）和对比电渣进行检测，检测渣层熔滴尺寸及质量见表5，铸锭硫磷及非金属夹杂物含量见表6。
39.表5：电渣重熔金属熔滴尺寸及数量由表5得出，本发明电渣金属熔滴平均粒径4.55mm，而对比电渣为9.67mm，降低了52.9%，同质量下比表面积增加112%；本方法电渣渣中熔滴残余量165.9g，对比电渣97.8g，说明停留时间比对比电渣增加69.6%。
40.表6：电渣熔炼后非金属夹杂物及硫磷含量（wt）从表6可以看出，本发明电渣夹杂物总量、评级、s含量均低于对比电渣。其中，夹杂
物总量低于对比电渣62.4%，硫含量低于对比电渣73.6%。
41.实施例4：本电渣重熔超洁净钢的冶炼方法采用下述具体工艺。
42.电渣冶炼ns333。具体工艺：抽锭式结晶器规格：φ400
×
850mm；自耗电极规格：φ300
×
2800mm；合金成分：c 0.04%，si 0.4%，mn 0.4%，p 0.008%，s 0.005%，cr 15%，mo 16%，co 2.5%，w 4%，fe 5%，v 0.2%，余量ni和不可避免的杂质；渣成分（wt）：60%caf2、25%cao、10%al2o3、5%mgo；渣量：50kg。在结晶器中间部位的平面均布4个吹气孔，内径0.15mm；冶炼工艺如下：（1）自耗电极打磨光亮、焊接；（2）将渣料放置在650℃加热炉烘烤10h；（3）铺设固渣引弧剂、安装电极，向结晶器内通入氦气；（4）给电启动，加渣，化渣45min后升温至1750℃；（5）进入熔炼阶段，待渣层漫过吹气孔时开始吹入250℃、0.07mpa、0.35l/min、含水量0.00007vol%的高纯氦气；（6）熔炼至吹气孔位置位于渣层中下部时开始抽锭，直至熔炼结束；（7）停止吹入氦气，80min后脱模。
43.（8）使用该结晶器，采用上述工艺冶炼同成分同规格电极，过程不吹氦气，做对比实验，生产得到对比电渣。本实施例所得电渣（下述本方法电渣）和对比电渣进行检测，检测渣层熔滴尺寸及质量见表7，铸锭硫磷及非金属夹杂物含量见表8。
44.表7：电渣重熔金属熔滴尺寸及数量由表7得出，本方法电渣金属熔滴平均粒径3.74mm，而对比电渣为8.16mm，降低了
54.2%，同质量下比表面积增加118%；本方法电渣渣中熔滴残余量143.8g，对比电渣88.5g，说明停留时间比对比电渣增加62.5%。
45.表8：电渣熔炼后非金属夹杂物及硫磷含量（wt）从表8可以看出，本方法电渣夹杂物总量、评级、s含量均低于对比电渣。其中，夹杂物总量低于对比电渣63.0%，硫含量低于对比电渣66.7%。
46.从以上4个实施例可以得出，断面越大，本方法的优势越大，φ300mm及以上结晶器，硫、夹杂物含量均比传统电渣降低60%以上，所以，本方法有很广阔的应用价值。