電渣重熔渣系知識總匯
電渣重熔渣系(slags electroslag remelting)
含有CaO、CaF2、Al2O3、MgO、SiO2等成分在高溫下具有適當電導率并具有脫硫、脫磷、去除非金屬夾雜物等能力的堿性熔體。熔融渣池是電渣重熔工藝的核心部分，它在金屬的熔化、精煉、凝固過程中起著極為重要的作用。
渣的功能
電渣重熔渣的功能如下：(1)作為重熔熱源。它把電能轉化為電阻熱，金屬電極依靠熔渣的電阻熱進行熔化，并滿足熔煉溫度的需要。(2)作為凈化劑。重熔過程中熔化的金屬形成金屬熔滴穿過渣池時，渣與金屬液滴接觸面積很大，利用渣的化學特性可以有效地去除鋼中有害元素硫、磷等，去除有害氣體氫、氧、氮等，吸收、溶解熔融金屬與渣界面的非金屬夾雜物，使金屬得到提純、凈化。(3)作為保護劑。它在鑄錠和結晶器間形成一層渣皮，這層渣皮起到了絕緣、隔熱、潤滑作用’，使金屬不與結晶器直接接觸，防止了電分流，使熱流主要向底水箱方向傳導，結晶趨向縱軸方向，并有利于鑄錠和結晶器壁的相對運動。另外，在金屬熔池上方的熔融渣池使金屬液避免直接與大氣接觸，起到了防止金屬氧化及貯熱保溫作用。在電渣重熔過程中，金屬始終在渣的包覆下熔化、凝固。
渣的選擇
電渣重熔渣系、配比和渣量的選擇對-電渣鋼的冶金質量、熔煉技術經濟指標以及環境保護具有重大的影響。為了滿足各項技術經濟指標的要求，必須從熔點、電導、黏度、堿度、表面張力、比熱、蒸汽壓、透氣度等各項物理化學性質進行綜合考慮，才能選出合理的渣型。
熔點 渣的熔點應低于重熔金屬熔點，熔渣成分力求選在低熔共晶點附近，這樣可以減少渣皮凝固時的偏析，防止渣成分的變化造成工藝參數難以穩定的現象。通常渣的熔點應比重熔金屬的熔點低100～200℃。
電導率熔渣應具有適當的電導率，以產生足夠的熱量，保證金屬熔化、過熱及精煉的進行，并提高電渣重熔的電效率，降低電耗。一般要求在2000℃時，熔渣的電導k≤3Ω-1•cm-1。
黏度
熔渣應有適當的黏度，并且在高溫下黏度值隨溫度變化越小越好。具有良好流動性的渣才能保證高溫下渣池熱對流，使鑄錠徑向溫度均勻，利于去氣脫硫等物化反應的進行，利于形成薄渣皮，提高鑄錠表面質量。一般熔渣在1800℃時，黏度η≤0.5Pa•s。
堿度為了保證重熔過程脫硫良好，熔渣應具有較高的堿度，一般堿度B>1，B=CaO／(SiOz+1/2Al2O3)。
表面張力 熔渣與熔融金屬之間應有足夠大的表面張力，以有助于渣殼分離，防止熔渣卷入金屬內；而熔渣與非金屬夾雜物之間的表面張力越小越好，以利于熔渣對非金屬夾雜物的浸潤、吸附和溶解。
其他特性
熔渣中不應含有高蒸氣壓組元，不應含有不穩定氧化物及變價氧化物，以防止熔渣揮發、金屬增氧及元素燒損。同時，渣在固態時應具有一定的抗濕性，不易發生水合作用。高溫時的熔渣應具有較小的透氣性，防止周圍氣氛中的氮、氫、氧進入金屬熔池；當鑄錠與結晶器相對移動時，為保證渣皮不破裂，獲得良好的鑄錠表面，要求渣皮在高溫時具有一定的強度和塑性等。此外，選擇渣系要注意安全性和經濟性，熔渣應不析出或盡量少析出危害操作人員健康、污染環境的有害氣體和灰塵，并盡量因地制宜、選用價格低廉的原料。
渣的組元
常用渣系的基本形態是以CaF2為基礎，配入適當的CaO、Al2O3、MgO、SiO2、TiO2等氧化物組成的，各組元成分在渣中有各自的作用。(1)CaF2：能降低渣的熔點、黏度和表面張力。但和其他組元相比，CaF2的電導率較高，純CaF2在1650℃時電導率達4.54Ω-1•cm-1；渣中CaF2含量高，熔煉中易放出有害氣體和煙塵，造成環境污染。(2)CaO：渣中加入CaO將增大渣的堿度，提高脫硫效率，在CaO加入量為40％情況下，脫硫率最高可達到85％；而且ca0的加入能夠降低渣的電導率。但是Ca()吸水性強，易帶入氫和氧，造成鋼增氫增氧。(3)Al2O3能明顯降低渣的電導率，減少電耗，提高生產率。例如(CaF290％+AAl2O310％，在1650℃時，電導率降為3.44Ω-1•cm-1；如果Al2O增加到30％，電導率將降為1.75Ω-1•cm-1。但是渣中Al2O3增加，將使渣的熔化溫度和黏度升高，并將降低渣的脫硫效果，另外會使重熔過程難以建立和穩定。一般Al2O3的含量不大于50％。(4)MgO渣中含有適當的MgO將會在渣池表面形成一層半凝固膜，可防止渣池吸氫及防止渣中變價氧化物向金屬熔池傳遞供氧，從而使鑄錠中氧、氫、氮含量降低。同時，這層凝固膜可減少渣表面向大氣輻射的熱損失。但是MgO容易使熔渣的黏度提高，所以渣中含MgO一般不超過15％。(5)SiO2渣中加入少量SiO2，可以降低渣的熔點，提高渣的高溫塑性，使鑄錠表面光潔，而且也能降低渣的電導率。SiO2的加入還可以改變鋼中夾雜物的形態，由鋁酸鹽夾雜變為硅酸鹽夾雜，使鋼材易于加工變形。但是渣中SiO2含量過多，則有反應2CaF2+SiO2＝2CaOS+SiF4↑發生，造成渣中CaF2的揮發損失，另外SiO2高還將使金屬中SiO2含量增加。(6)TiO2在重熔含Ti的鋼及合金時，渣中加入一定量的TiO2，可以抑制鋼中鈦的燒損；另外，常采用CaF2-TiO2型導電渣作引燃劑；TiO2是變價氧化物，它對金屬熔池起傳遞供氧作用。
常用渣系
最廣泛使用的渣系是CaF2-TiO2渣，其代表成分是CaF270％+Al2O330％。這種渣綜合工藝性能較好，適應不同工藝條件，具有一定的脫硫及去夾雜能力，適用于重熔滾珠軸承鋼、合金結構鋼、高速工具鋼、模具鋼及不銹耐熱鋼等。但這種渣存在著一些缺點，如渣成分不在低熔共晶點上，熔點偏高；渣的電導率高，重熔電耗高；渣中CaF2含量高，熔煉中易污染環境；鋼中夾雜物以脆性鋁酸鹽及剛玉為主，影響鋼的塑性和韌性等。
為了避免CaF2-Al2O3渣系的上述缺點，近年來開發了CaF2-CaO-Al2O3三元渣系，CaF2-CaO-Al2O3-MgO四元渣系及CaF2-CaO-Al2O3-MgO-SiO2五元渣系等(見表1～表3)。這些渣系的成分基本選擇在三元共晶線上，渣的熔點較低，渣皮凝固時偏析現象較輕微，渣成分穩定，鑄錠表面光潔，成型良好。而且這些渣系具有較低的電導率，提高了電效率，因渣中CaF2減少，造成的污染也有所減輕，渣中含少量MgO或SiO2，防止了鋼液吸氣，使鑄錠表面光潔。這些渣系的缺點是含有CaO，易于吸水，因此必須十分注意保持渣料的干燥，以防止鋼水吸氫增氧。
上述渣系均含有CaF2，據測試CaF270％+Al2O330％和CaF220％+Al2O340％+CaO40％的渣，氟的發散量分別為30～35mg／m3和12～18mg／m3。為了防止重熔中氟的揮發對環境的污染，近年來各國都致力于無氟渣的開發，無氟渣基本上采用CaO-Al2O3渣系，有時加入少量的MgO。(表4)這種渣系具有較低的電導率，在1600℃時，其電導率僅為CaF2-CaO-Al2O3渣的1/5，熔化速率可提高20％～40％，其生產率高，電0．耗低，而且無氟渣去氧、脫硫效果良好。但是無氟渣也存在著一些操作上的問題，如無氟渣熔點高，導電率低，引燃困難，需要液渣引燃；無氟渣的成分在CaO-Al2O3。共晶點附近，該共晶點液相線陡升，液渣成分稍有波動，渣熔點變化即很顯著，影響鑄錠成型，要求電渣輸入功率要穩定，工藝操作不如氟化物渣系易于控制；無氟渣的電導率低，重熔時需要較高的工作電壓，影響爐前操作的安全，需采用大充填比重熔；另外無氟渣CaO含量高易吸水增氫等。因此，雖然無氟渣在防止污染和提高電渣重熔熱效率方面具有突出的優越性，但仍處于試驗階段。
長期以來，電渣重熔一直沿用堿性渣及中性渣，對渣中SiO2含量予以限制。為了適當降低CaF2-CaO-Al2O3渣系熔渣氧離子活度，防止吸氫增氧，近年來開始在渣中加入SiO2，采用酸性渣以滿足工業發展的需要，其成分見表5。堿性渣脫磷脫硫效果良好，但它具有較高的透氣性，不可避免地將提高鋼中含氫量。隨著電渣重熔錠型的日益大型化，渣池與大氣接觸面積增加，電渣錠去氫問題日益尖銳。酸性渣雖不利于脫硫脫磷，但由于透氣性差，利于除氫。對于50～300t重的直徑1000～3000mm的大錠采用酸性渣(B<1)重熔，防止鋼中增氫效果明顯。用堿性渣重熔，氫會增至8cm3／100g，而用酸性渣重熔，則鋼中氫含量不超過2cm3／100g。另外，采用酸性渣重熔，可以改變鋼中非金屬夾雜物形態。用堿性渣重熔，鋼中夾雜物以剛玉為主(Al2O360％～90％，SiO2<20％)，若用酸性渣重熔，鋼中夾雜物以硅酸鹽為主(SiO240％～60％，Al2O315％～20％)，為塑性夾雜物，而易于加工。但是，使用酸性渣必須解決其電導率低引起電渣過程不穩，以及重熔含有易氧化元素的鋼時其合金元素的燒損問題。
電渣重熔含Ti鋼和含Mg鋼等特殊用鋼，常常在渣中加入一定量的TiO2或MgO，從而達到抑制鋼中鈦或鎂的燒損，提高其收得率的目的。前蘇聯用AHφ-21渣(CaF250％+Al2O325％+TiO225％)重熔含Ti鋼、美國采用CaF270％+Al2O320％+TiO210％渣重熔馬氏體時效鋼等，Ti的收得率均大于90％。前蘇聯用九AHφ-9渣(CaF265％～75％+MgO25～35％)、中國用CCaF255％+Al2O325％+MgO10％+CaO10％渣系冶煉含鎂合金，均起到了“平衡渣”的作用。
另外，人們對渣中添加少量稀土氧化物以降低渣的氧化勢和熔點，增加渣的穩定性，減少鋼中活潑金屬的氧化損失等，也進行了一定的探討，由于稀土氧化物價格偏高而未能廣泛應用。（來源：熱加工論壇）
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