用模铸八角锭作为自耗电极生产H13钢电渣重熔锭

赵明刚 王 磊 冯晓雪 张学美

(天津赛瑞机器设备有限公司，天津300301)

经过50余年的发展，电渣冶金已显示出强大的生命力，技术水平和生产能力正处于稳定上升阶段[1]。经电渣重熔冶炼出的电渣锭相对电炉锭而言，在改善偏析、去除杂质、提高综合性能等方面有很大优势，故其产品广泛应用于恶劣环境下。

为保证电渣重熔过程的稳定进行，生产中所用的自耗电极多是经铸造、锻造而得到的截面相等或差异较小的连铸坯或锻坯。国内连铸坯直径一般不超过∅600 mm，若将其作为自耗电极，填充比只有0.6，偏小，应用后熔速偏，低吨钢电耗过高。若将八角锭锻成锻坯，则增加了锻造、退火等环节费用，且生产周期加长。为降低生产成本且得到优质电渣锭，我厂通过调整冶炼工艺参数，使模铸八角锭可直接作为电渣重熔用自耗电极。

1 电渣车间设备及自耗电极规格

1.1 设备

电渣车间1号炉于2010年5月建成，公称冶炼电渣锭重量为10 t，结晶器规格为∅1 050 mm/∅1 000 mm×2 500 mm，变压器容量为2 500 kVA，电压调节范围52 V～92 V，为有载有级调压。

1.2 电极

车间试生产时曾以∅650 mm、∅700 mm锻坯为自耗电极，这些电极坯料都是用5.0 t模铸八角锭锻成的圆坯。为降低生产成本，拟直接使用材质为H13的5.0 t八角锭做电渣重熔用自耗电极。其规格为700 mm/750 mm×1 500 mm。

2 冶炼工艺

2.1 自耗电极

自耗电极化学成分见表1。电极经喷砂处理后可将表面的锈蚀、氧化皮彻底清除，同时用吊挂砂轮将钢锭的重皮、飞翅、夹渣等冶金缺陷清理掉。自耗电极需烘烤至500℃以上方可入炉冶炼。对于温度高于500℃的电极余尾可不烘烤而直接冶炼。

表1 H13钢自耗电极化学成分(质量分数，%)Table 1 The chemical composition of H13 steel consumable electrode(mass fraction, %)

2.2 辅助电极

使用空管做辅助电极。主要有以下三点好处：(1)较传统的实心辅助电极而言，重量较轻，减少了支臂的承重，无形中提高了设备的寿命，同时便于操作；(2)增加了炉口电压，使熔滴得到细化，提高了冶金质量；(3)空管是轧管厂所生产的毛管，多数为废品，供我厂使用可变废为宝，降低生产成本。

2.3 渣系的选择

考虑降低H13钢中易氧化元素Si、V的烧损以及渣系的经济性，我厂在原ANF-6渣中添加了MgO。即选用以CaF2、Al2O3、MgO为组元的三元渣。

CaF2：选用高纯度萤石。防止含有不稳定的氧化物导致钢中Si、V的烧损[2]；尽量降低渣料中的P、S含量以防止降低H13热作磨具钢的力学性能。

Al2O3：能明显降低渣的电导率，减少电耗，提高生产率[3]。但其含量不宜过高，因为随着Al2O3含量的增加，将使渣的熔化温度和粘度升高，并将降低渣的脱硫效果，另外重熔过程难以建立和控制。

MgO：电熔镁砂，加入 MgO的目的在于提高熔渣的粘度。在熔渣表面形成一层半凝固膜，可防止渣池吸氧及防止渣中变价氧化物向金属熔池传递氧，从而降低铸锭中氧、氢、氮含量，同时这层凝固膜可减少渣表面向大气辐射的热损失[3]。

渣系的比例是在查阅了CaF2、Al2O3、MgO的相图基础上，选择共晶成分点并结合生产经验而制定。

2.4 渣量的选择

八角锭具有帽口端(见图1)与锭尾端(见图2)截面差异较大的特征。渣量偏小，在冶炼锭尾端时，由于填充比较小易造成埋深不够而使冶炼过程不稳定。渣量过大，在冶炼帽口端时，不易提升渣温，降低钢液的流动性，进而造成三相区温度过低，影响冶金质量。为确保重熔过程的稳定性及冶炼出优质电渣锭，本工艺结合自耗电极的外形尺寸、结晶器尺寸、渣系特征，确定采用中等渣量，以尽可能确保整个重熔过程的稳定。

2.5 电力制度

因八角锭锭尾端与帽口端截面差异较大，若采用同一电力制度难以保证冶炼过程的稳定，故按截面积大小将其分成五部分。第一支电极重熔时结晶器温度低，必须采用高电压、低电流使熔渣在较短的时间内达到一个恒定的温度，以保证电渣锭底部有很好的表面质量。在选定三元渣冶炼

图1 5.0 t八角锭帽口端Figure 1 The riser end of 5.0 t octagon ingot

图2 5.0 t八角锭锭尾端Figure 2 The bottom end of 5.0 t octagon ingot

H13钢的情况下，按以下经验公式计算电压：

V工作=0.5D结+B

式中D结——结晶器的平均直径，单位为cm；

V工作——工作电压，单位为V；

B——经验常数，其值在27～37之间波动。

其中，内结晶器的规格为∅1 050 mm/∅1 000 mm×2 500 mm，因此结晶器的平均直径为102.5 cm，代入上式得：V工作=(78.25～88.25)V。

为迅速提升渣温，根据理论计算结果及我公司设备情况，在考虑压降及供电系统的情况下，最终将坯料入炉电压确定为92 V。冶炼过程中根据五种自耗电极截面积的大小配以不同的电力制度。电力制度遵循截面积小，则电流密度稍大的规律，同时电压大些，以利于三相区有足够的温度，保证电渣锭的表面质量。同时冶炼过程中每5 min观察一次炉况，以便于及时调整电力制度。

交换电极前后加大电压，以提高渣池温度，保证电渣锭的质量。冶炼末期，距电渣锭工艺高度300 mm降低电压和电流以利于顺利过渡到补缩阶段。同时，减少冶炼末期由于渣温过高而导致熔速过快引起的钢锭偏析。补缩时间90 min，根据八角锭截面积大小将工艺补缩时间控制在±10 min。

2.6 脱氧剂

为降低H13钢中Si和V的烧损，在冶炼过程中加入铝粉作为脱氧剂。重熔过程中加入铝粉不仅有利于脱氧，而且有利于各元素结晶时的轴向均匀化。

每吨钢中铝粉的加入量是3.5 kg，平均熔化速度按800 kg/h计算，则每小时加入280 g铝粉，按每15 min加入一次则每次加入70 g。为保证加入铝粉的准确性，用特制的取样勺取铝粉。

3 冶炼效果

3.1 化学成分

对三支电渣重熔锭进行取样分析，结果见表2。

3.2 超声波探伤

对电渣锭按照INNSE154标准进行探伤，探伤结果满足标准要求。

表2 H13电渣锭化学成分(质量分数，%)Table 2 The chemical composition of H13 ingot(mass fraction, %)

4 结论

(1)H13钢电渣重熔锭纯洁度高，成分均匀，组织致密，表面光滑。

(2)根据截面积大小调整电力制度可以将5.0 t八角锭直接作为自耗电极冶炼成优质电渣锭，且熔炼过程稳定。

(3)采用毛管做辅助电极，可降低生产成本。

[1] 李正邦.电渣冶金与电渣熔铸在中国的发展[J].铸造，2004(11):855-861.

[2] 刘志勇，等.0Cr18Ni10Ti钢电渣工艺探讨.大型铸锻件，2004(4)：9-10.

[3] 李正邦.电渣冶金的理论与实践.第一版.北京：冶金工业出版社，2010.