電渣重熔過程電源頻率對電渣錠潔凈度的影響
常立忠1，蘇云龍1，張龍飛1，朱春麗1，徐濤2，施曉芳1
(1. 安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院， 安徽 馬鞍山 243002;2. 安徽富凱特材有限公司特種冶金部， 安徽 績溪 245300)
摘要：電渣重熔采用低頻供電可以提高功率因數(shù)、降低電耗，并實現(xiàn)電力系統(tǒng)的三相平衡。然而，其對電渣錠冶金質(zhì)量特別是潔凈度的影響還缺乏足夠的數(shù)據(jù)支撐。為了研究電源頻率特別是低頻操作對電渣重熔錠潔凈度的影響，采用實驗室小型低頻電渣重熔爐，以304奧氏體不銹鋼、GCr15軸承鋼為研究對象，詳細(xì)分析了不同的電源頻率對電渣錠化學(xué)成分、氣體含量、夾雜物分布的影響規(guī)律。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與工頻電渣重熔相比，不論是不銹鋼還是軸承鋼，當(dāng)采用低頻電源(2、1、0.4、0.1 Hz)電渣重熔后(在其他工藝參數(shù)如渣系、渣量、電流、電壓、氣氛等完全相同的情況下), 電渣錠中的氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.010%～0.013%)大幅增加，對氮含量影響很小。電渣錠中的鋁含量明顯增加，而其他化學(xué)成分變化很小。與此相對應(yīng)，低頻電渣重熔錠的夾雜物數(shù)量也明顯增加，且增加的夾雜物主要以氧化鋁為主，但是夾雜物主要以小于10 μm的細(xì)小夾雜為主，大顆粒夾雜物略有增加，但是數(shù)量較少。氧含量增加的主要原因是低頻電源的直流傾向增大，使重熔渣池中的氧化鋁發(fā)生了電解(30%Al2O3+70%CaF2渣系)，在鋼中氧含量增大的同時，鋁含量也明顯增加；氧化鋁電解形成的鋁和氧進(jìn)入金屬熔池造成電渣錠全氧含量增加。氧和鋁隨著金屬熔池的降溫及凝固形成氧化鋁夾雜殘留在電渣錠中。工業(yè)生產(chǎn)過程中低頻電源的直流電解效應(yīng)還有待進(jìn)一步分析。
關(guān)鍵詞：電渣重熔； 低頻； 氧； 不銹鋼； 軸承鋼
1 引言
作為一種特種冶金方法，電渣重熔廣泛應(yīng)用于高品質(zhì)金屬材料的生產(chǎn)，如不銹鋼、工具鋼、模具鋼、高溫合金等。特別是隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對高端材料的需求量越來越大，電渣重熔技術(shù)愈發(fā)重要。
為了獲得質(zhì)量優(yōu)異的電渣重熔鋼錠，穩(wěn)定的電渣爐設(shè)備是關(guān)鍵。目前，常用的電渣重熔爐設(shè)備主要有以下幾種：單相單極電渣爐、同軸導(dǎo)電電渣爐、雙極串聯(lián)電渣爐、三相電渣爐，而國內(nèi)的電渣爐又以單相單極電渣爐為主。在供電方式上，主要是采用單相工頻的供電方式。
但是，采用單相工頻供電具有很大的電氣缺陷。在電渣重熔過程中，供電電源輸出大電流形成很強(qiáng)的磁場，變壓器輸出端到電渣爐之間引線較長，增大了短網(wǎng)的電阻值和電抗，導(dǎo)致短網(wǎng)壓降增大，使運行時感性無功容量增加，降低了電渣爐供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，一般僅為0.62～0.80；同時,單相電源不能保證三相平衡并導(dǎo)致嚴(yán)重的諧波污染。
研究發(fā)現(xiàn)，采用低頻電源重熔時，短網(wǎng)壓降減少、電渣爐功率因數(shù)提高、電耗降低。因此，低頻電渣重熔技術(shù)在生產(chǎn)中得到了一定的應(yīng)用。盡管低頻供電在電氣上帶來一系列優(yōu)點，然而，與電渣爐低頻供電系統(tǒng)配套的電渣重熔工藝研究還很不成熟，特別是從工頻供電改為低頻供電后電渣爐的重熔速度、電壓與電流值、工作波形及頻率都發(fā)生了變化，導(dǎo)致熔煉過程中物理反應(yīng)及化學(xué)過程會與工頻有許多不同。目前相關(guān)的研究工作更傾向于采用數(shù)值模擬的方法來分析電源頻率的影響，缺乏實際的研究數(shù)據(jù)，特別是目前已經(jīng)投產(chǎn)的低頻電渣重熔爐很少有相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)表。因此，有必要對低頻電渣過程電渣錠冶金質(zhì)量如何變化進(jìn)行系統(tǒng)的研究。作者前期研究了電渣爐電源頻率變化對低合金鋼電渣錠潔凈度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著頻率的降低，電渣錠中的氧含量明顯上升，潔凈度降低。為了進(jìn)一步分析電源頻率對潔凈度的影響，本文以304奧氏體不銹鋼、GCr15軸承鋼為研究對象，在實驗室條件下進(jìn)行了詳細(xì)的研究。
2 精選圖表
3 結(jié)論
(1)采用較低的電源頻率(2.0、1.0、0.4、0.1 Hz)進(jìn)行電渣重熔時，不論是高碳軸承鋼還是低碳不銹鋼，電渣錠中的全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)均快速增加至0.010%以上，而對氮含量幾乎沒有影響。
(2)低頻電渣重熔導(dǎo)致電渣錠中氧化物夾雜的數(shù)量大幅度增加，且夾雜物的增加主要為氧化鋁類夾雜，但是夾雜物尺寸沒有明顯長大，仍以細(xì)小夾雜物為主。
(3)低頻作用下電渣錠中氧含量增加的根本原因是低頻電源所具有的直流電解效應(yīng)。渣池中的氧化鋁在電解作用下分解成［Al］、［O］進(jìn)入金屬熔池，從而增加了電渣錠中的氧、鋁含量；而伴隨著熔池溫度的降低， ［Al］、［O］重新形成氧化鋁夾雜，造成夾雜物數(shù)量增加。
