电渣重熔过程中渣成分变化分析

[摘 要]电渣冶金是一种特殊的熔炼方法，它利用强电流通过渣池区域产生的焦耳热将固态渣熔化成液态渣，使自耗电极或液态金属在高温液态渣池中逐渐熔化和精炼。本文就电渣重熔过程中渣成分变化进行分析。

[关键词]电渣重熔；成分变化；氧化铁

中图分类号：TQ15 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）47-0329-01

电渣重熔中，渣起着极其重要的作用，常见的电渣其组成主要以CaF2为基，特别是70% CaF2+30% Al2O3渣系。关于CaF2基渣系的性质，包括相图、活度、电导率、粘度、密度和表面张力等物化性能在20世纪90年代及之前就有物理化学资料进行了对比和评价，但对电渣重熔过程中渣成分变化的规律和机理研究却很少，特别是在成分与温度共同作用下电渣从牛顿流体转化到非牛顿流体直至凝固和析晶全过程中，电渣成分变化的研究还不够明了。本研究就电渣重熔过程中炉渣成分随冶炼时间变化情况进行探讨具有重要意义。

1 实验

本实验在某工厂电渣重熔PCrNi3MoVA钢种时进行。电渣钢锭直径为740mm，重4.5t。重熔渣为CaF2-CaO-Al2O3三元渣系，熔炼过程中每隔10～15min向渣中加铝脱氧.从熔炼开始，每隔1h取1次渣样，包括原始渣样共7个渣样，编号为1～7.渣样采用玛瑙球和聚四氟乙烯罐在球磨机上以300r/min研磨20min，制成待分析的粉末状试样.

上述制成的粉末状渣样一部分利用X′pertPRO型X-射线衍射仪进行物相的检测（XRD）.检测参数为：铜靶Kα射线，Ni滤光，管电压40kV，管电流30mA，扫描范围5°～80°，扫描速度为2°/min；另一部分渣样利用Axios advanced型X-射线荧光光谱仪进行成分分析（XRF），样品在105℃下干燥2h后进行检测.检测参数为：电压30～60kV，电流50～100mA，温度25℃，湿度46%。

2.结果与讨论

2.1 炉渣物相的检测与分析

对1～7号渣样进行XRD 物相检测，结果如图1和图2所示。

（a）2号，第1个小时取样；（b）3号，第2个小时取样；（c）4号，第3个小时取样；

（d）5号，第4个小时取样；（e）6号，第5个小时取样；（f）7号，第6个小时取样.

由图1和2中1～7号渣样射线衍射图谱可知，凝固后的渣中出现11CaO・7Al3O2・CaF2（熔点1577℃）、12CaO・7Al2O3（熔点1455℃）、CaSiO3（熔点1540℃）、3CaO・2SiO2・CaF2（熔点1400℃）、Ca3Al2Si3O12（熔点1260℃）、CaAl2O4 （熔点1605℃）等结构复杂的高熔点物质。各渣样中存在的物相列于表1，从中可见，渣中存在的主要物相是CaF2、Ca3Al2Si3O12、12CaO・7Al2O3，其中CaF2始终存在，后二者在3～7号渣样中也都存在.Ca12Al14O32F2在熔炼的前半部分时间内存在，后期则没有检测到.这与氟化物的挥发有关.电渣重熔温度高达1800℃，这些结构复杂高熔点物质在熔炼时虽然是液态，但也会形成复杂的、等阴离子，增加熔渣的黏度.在实际ESR过程中，这些复杂高熔点矿物将造成ESR渣皮在渣池中聚集，过程中渣成分产生偏析，导致重熔全过程电渣熔池炉渣化学组成无法始终保持恒定。

2.2 炉渣成分随熔炼时间的变化分析

对1～7号粉末渣样进行XRF分析的结果如表1所示.

从表1中可以看出，随着熔炼时间的增加，渣中w （Al2O3）先从23.10%上升至25.75%，根据熔渣中组元的特性可以知道，随着渣池中（CaO+Al2O3）含量的增加，钢渣界面的张力会升高，使电渣精炼过程中渣金难以分离.后期铝含量波动比较小，有利于渣的稳定性.渣中w（CaF2）随着熔炼时间的增加先从 26.00%降至21.52%，电渣重熔过程中，渣池中熔融的CaF2与氧化物发生反应生成挥发性氟化物如SiF4、AlF3，及生成CaO，使渣中CaF2含量逐渐减低.随着初始炉渣中CaO 含量增大，CaF2含量减少，氟化物的挥发速率将会减小，因此在重熔后期CaF2含量变化较为平缓.渣中CaO含量随着熔炼时间的变化先增加后趋于平缓.渣中具有高含量的CaO，有很好的脱硫效果.高温下渣池中CaF2与各氧化物发生反应形成挥发性氟化物气体的同时不可避免地生成一定量的CaO，CaO 与Al2O3结合生成熔点较低的CaO・6Al2O3、CaO・2Al2O3等，可降低炉渣熔点，使其具有良好的流动性，但使渣系熔点发生变化，也会影响渣的稳定性.电渣重熔后期，由于渣中CaF2含量减少，氟化物挥发率降低，渣中CaO含量变化幅度较小，趋于平缓.

渣中w（FeO）随着熔炼时间的变化趋势为：先增加后下降，后期保持在 0.51%左右波动.在重熔初期自耗电极表面及端面形成的氧化铁皮进入渣池，使渣池中氧化铁浓度迅速增加，随着电渣重熔的进行，端面的氧化铁皮熔化进入渣池，同时重熔过程中每隔10～15min加铝脱氧，因此在重熔初期渣中Al2O3 含量有所增加，FeO被Al还原而减少并趋于平缓.使渣中氧化铁含量下降并趋于稳定.SiO2含量在冶炼过程中不断增加，这是自耗电极中的Si被氧化所致.

3.结论

XRF分析得到在电渣重熔过程中随着熔炼时间增加，由于CaF2的挥发以及铝脱氧等导致渣池中化学成分发生变化。渣中w（CaF2）随着熔炼时间的增加先从26.0%降至21.5%，之后变化较为平缓。渣中w（Al2O3）先从23.1%上升至25.8%，之后变化较为平缓。渣中w（CaO）随着熔炼时间的变化先增加后趋于稳定。冶炼初期w（FeO）较高，后期采用加铝脱氧，使渣中氧化铁含量下降并趋于稳定。w（SiO2）在冶炼过程中不断增加。

参考文献

[1] 向大林.大型电渣重熔值得注意的几个问题[J].大型铸锻件.2011（01）.

[2] 隋铁流.国外电渣重熔概况及我国电渣重熔的发展方向[J].材料与冶金学报.2011（S1）.