电渣重熔工艺中夹杂物去除机制的实验分析

电渣重熔工艺中夹杂物去除机制的实验分析

商国庆

融发核电 籍贯：山东省日照市   邮编：264000

摘要：电渣重熔（简称ESR，全称Electroslag Remelting）技术在高端材料如高温合金与特种钢的精炼提纯中扮演着至关重要的角色。本研究实验剖析了电渣重熔夹杂物去除原理，并探讨了工艺参数对其成效的影响。研究发现，在电渣重熔过程中，尤其是在电极熔化的最后阶段和熔滴转移过程中，夹杂物的去除效果特别突出。通过优化工艺参数，可以大幅度提高非金属夹杂物的去除效率，从而进一步提升钢材的整体品质。本研究对于推动电渣重熔技术的进步和钢材质量的提升具有重要意义。

关键词：电渣重熔（ESR），夹杂物去除，工艺参数，钢材质量

1.引言

电渣重熔技术，作为一种高效的二次精炼手段，因其出色的产品质量和独特的凝固特性，在高品质金属材料的生产中占据举足轻重的地位。这涵盖了不锈钢、工具钢、模具钢以及高温合金等多种材料。非金属夹杂物，如氧化物、硫化物、氮化物等，可能会导致材料内部产生孔隙、夹杂物以及晶界脆化，进而影响材料的韧性和强度。因此，深入研究电渣重熔中夹杂物的去除机制，对于优化工艺参数和提高钢材质量具有重大意义。

2.电渣重熔技术概述

电渣重熔熔化铸锭缺陷杂质。进而通过杂质的聚集与分离，获得高纯度的金属材料。液态金属与熔渣接触反应，有效去除夹杂物。电渣重熔含电极熔化、熔滴滴落及熔池形成三阶段。其中，钢渣的接触面积和相互作用时间对夹杂物的去除效果具有显著影响。

3.实验材料与实验方法：
3.1 实验材料的选择：
   本研究选取了304奥氏体不锈钢和GCr15轴承钢作为实验对象，这两种材料在工业上具有广泛的应用。实验所用的渣系为常见的CaF_2-Al_2O_3和CaF_2-CaO-Al_2O_3渣系，以探究不同渣系对夹杂物去除效果的影响。
3.2 实验方法的设计：
   通过调整电源频率、电流密度、电渣深度等关键工艺参数，研究它们对夹杂物去除效果的影响。实验结束后，对电渣锭进行取样，并利用金相显微镜和扫描电镜观察夹杂物的形态和分布，同时采用能谱分析确定夹杂物的元素组成。

4.实验结果与分析
4.1 电源频率对夹杂物去除的影响：
   实验表明，低频电源下电渣锭氧含量增，氮含量影响小，夹杂物多，主要为氧化铝。这是由于低频电源的直流倾向增强，导致重熔渣池中的氧化铝发生电解，从而增加了电渣锭中的氧和铝含量。因此，在工业生产中应慎重选择电源频率，以避免低频电源带来的不利影响。
4.2 电流密度与电渣深度对夹杂物去除的影响：
   实验表明，采用较大的电流密度与较浅的电渣深度组合，可以提高夹杂物的去除效率和熔化速率。较大的电流密度能产生更强的电磁效应，促进熔渣的搅拌和钢渣界面的更新，从而提升夹杂物的去除效果。同时，较浅的电渣深度有助于减少熔渣的挥发失重，保持渣系的稳定性。因此，在电渣重熔过程中应合理调整电流密度和电渣深度，以获得最佳的夹杂物去除效果。
4.3 渣系对夹杂物去除的影响：
    实验结果显示，采用CaF_2-CaO-SiO_2渣系进行电渣重熔时，钢中夹杂物的数量和尺寸均得到显著改善。该渣系能有效优化钢中夹杂物的性能，提高钢的品质。然而，随着渣中SiO_2含量的增加，钢中的全氧含量也随之增高。因此，在工业生产中应根据具体需求选择合适的渣系，以获得最佳的夹杂物去除效果。
4.4 夹杂物去除机理的探讨：
     在电渣重熔过程中，夹杂物的去除主要发生在电极熔化末期和熔滴过渡阶段。在这两个阶段中，钢渣的接触面积和作用时间对夹杂物的去除效果具有重要影响。尽管电极熔化末期金属液膜层内的夹杂物可能因浮力作用而降低渣金界面更新带来的去除效果，但实际情况表明，自耗电极经过重熔后仍能获得良好的净化效果。自耗电极末端速度梯度产生Saffman力，使夹杂物迁移至渣金界面。

5.讨论
5.1 夹杂物去除的限制因素：
   虽然电渣重熔对杂质物的去处效果十分好，但在应用过程中仍然有很多挑战，比如说，对于杂质物而言，最关键的环节是从金属液中迁移至渣金界面。此外，熔渣的吸附和溶解能力有限，当熔渣中的夹杂物达到饱和状态时，去除效果将不再提升。因此，在工业生产中应综合考虑各种因素，优化电渣重熔工艺参数，以提高夹杂物的去除效果。
5.2 夹杂物去除效果的评估方法：
    目前评估夹杂物去除效果的方法主要包括金相显微镜观察、扫描电镜观察、能谱分析以及化学成分分析等。这些方法各有优缺点，应根据具体需求选择合适的方法进行评估。例如，金相显微镜观察可以直观地展示夹杂物的形态和分布，但无法确定其元素组成；而能谱分析可以确定元素组成，但无法观察夹杂物的形态和分布。因此，在实际应用中应综合运用多种方法进行评估。

6.结论

本文深入探讨了电渣重熔过程中对杂质物进行去除的基本原理，并细致探讨了工艺参数调整对夹杂物去除成效的具体作用。研究发现，在电渣重熔的电极熔化末期和熔滴转移过程中，夹杂物的去除效果特别突出。通过优化工艺参数，可以大幅度提高非金属夹杂物的去除效率，从而进一步提升钢材的整体品质。本研究对于推动电渣重熔技术的进步和钢材质量的提升具有重要意义。

参考文献

[1]李雪荥,李万明,邹鑫,等.双极串联电渣重熔过程渣壳的演变规律[J/OL].钢铁,1-16[2024-10-06].

[2]耿鑫,姜周华,葛春钰,等.渣系组元对电渣重熔核级316H不锈钢中氢含量的1影响[J].特殊钢,2024,45(04):83-88.