电渣重熔过程电源频率对不锈钢凝固组织的影响_苏云龙.pdf

文章编号：1671-7872(2023)02-0119-07电渣重熔过程电源频率对不锈钢凝固组织的影响苏云龙，朱春丽，金涛，赵磊，张龙飞，常立忠，施晓芳(安徽工业大学 冶金工程学院，安徽 马鞍山 243032)摘要：以 304 奥氏体不锈钢为研究对象，基于自行设计的低频电源电渣炉对其进行电渣重熔实验，采用原位分析技术分析电源频率对电渣锭致密度和 Cr 元素分布的影响，研究低频电渣重熔对电渣锭凝固组织的影响及其作用机理。结果表明：低频操作可使电渣锭致密度分布更均匀，但不是频率越低越好，频率降至 0.1 Hz 时致密度分布的不均匀性反而增加；频率对电渣锭中Cr 元素的最大偏析度影响较小；随频率的降低温度梯度与竖直方向的夹角逐渐减小，金属熔池深度变浅。频率降至 0.4 Hz时，温度梯度与竖直方向的夹角最小、约 20，柱状晶接近于轴向生长，熔池深度最浅，呈浅平状分布；频率降至 0.1 Hz 时，柱状晶径向生长的趋势增加，熔池深度反而加深。与传统工频电渣重熔相比，合理的重熔频率能够更好地搅拌渣池，促使渣金界面与熔池内各部分温度分布更均匀，降低金属熔池深度，但频率过低反而会加深金属熔池深度。关键词：电渣重熔；低频电源；致密度；凝固组织；偏析中图分类号：TF 142文献标志码：Adoi：10.12415/j.issn.16717872.22159Influence of Power Frequency on Solidification Structure of Stainless SteelDuring Electroslag Remelting ProcessSU Yunlong,ZHU Chunli,JIN Tao,ZHAO Lei,ZHANG Longfei,CHANG Lizhong,SHI Xiaofang(School of Metallurgical Engineering,Anhui University of Technology,Maanshan 243032,China)Abstract：Using 304 austenitic stainless steel as the research object,the electroslag remelting experiment was carriedout based on the self-designed low-frequency power electroslag furnace.The influence of power frequency onelectroslag ingot density and Cr element distribution was analyzed by using the in-situ analysis technology,and theinfluence of low frequency electroslag remelting on electroslag ingot solidification structure and its mechanism werestudied.The results show that the low frequency operation can make the density distribution of the electroslag ingotmore uniform,but not the lower the frequency is,the better.When the frequency drops to 0.1 Hz,the non-uniformityof density distribution increases.The frequency has little effect on the maximum segregation of Cr element in theelectroslag ingot.With the decrease of frequency,the angle between the temperature gradient and the verticaldirection gradually decreases,and the depth of the metal pool becomes shallow.When the frequency drops to 0.4 Hz,the angle between the temperature gradient and the vertical direction is the smallest,about 20,the columnar crystalis close to the axial growth,and the depth of the molten pool is the shallowest,with a shallow flat distribution.Whenthe frequency drops to 0.1 Hz,the radial growth trend of columnar crystal increases,and the depth of molten poolincreases.Compared with the traditional power frequency electroslag remelting,a reasonable remelting frequencycan better stir the slag pool,promote a more uniform temperature distribution of the slagmetal interface and all parts 收稿日期：2022-05-30基金项目：国家自然科学基金项目(51974002，52074002)；安徽省自然科学基金项目(2208085J37)作者简介：苏云龙(1997)，男，安徽合肥人，硕士生，主要研究方向为特殊钢冶金。通信作者：施晓芳(1978)，女，浙江永康人，博士，副教授，主要研究方向为钢铁冶金。引文格式：苏云龙，朱春丽，金涛，等.电渣重熔过程电源频率对不锈钢凝固组织的影响 J.安徽工业大学学报(自然科学版)，2023，40(2):119-125，138.Vol.40 No.2安 徽 工 业 大 学 学 报 (自然科学版)第 40 卷 第 2 期April2023J.of Anhui University of Technology(Natural Science)2023 年4 月of the molten pool,and reduce the depth of the metal pool.However,if the frequency is too low,the depth of themetal pool will be deepened.Keywords：electroslag remelting;low frequency power supply;density;solidification structure;segregation 凝固组织对钢材的质量至关重要，而钢材的凝固质量取决于凝固条件。钢中疏松、缩孔、夹杂物聚集、偏析等缺陷都是在凝固过程中形成的12，为生产出优质的钢坯，必须减小成分偏析、避免中心缩孔34。电渣重熔是制备高端特殊钢和合金的关键冶炼工艺，具有独特的凝固条件57。重熔过程中电极的熔化和熔融金属的结晶是同时进行的，其中的水冷结晶器能提供强烈的冷却条件，可抑制固相和液相充分扩散，减少成分偏析，增加轴向结晶的趋势，进而提高电渣锭的凝固质量89。目前，国内电渣炉主要分为单相和三相电渣炉 2 种炉型，且主要采用高压工频直接降压方式供电。但当电渣炉炉型和功率不断增大时，低压电流也会不断增大，采用工频供电方式会不可避免地加剧电网发生三相不平衡的现象及产生压降增大、功率因数降低、电耗增加等问题，造成不可忽视的经济损失1013。为解决上述问题，冶金工作者提出采用电源频率控制电渣重熔质量这一观点，并对其进行研究。常立忠等14研究电源频率为 50.0，7.5，5.0，2.5 Hz 时，电源频率对电渣锭质量的影响，结果表明：随频率的降低，电渣锭中氧含量呈增高趋势，氮含量基本无变化，夹杂物含量与氧含量的变化趋势一致。余坤等1516研究了 50.0，10.0，7.5，5.0，2.5 Hz 频率下 NO8367 奥氏体不锈钢电渣锭质量的变化，结果表明：低频电渣重熔利于去除钢中夹杂物，提高钢锭的纯净度，随频率的降低钢锭的延伸率得到提高，但抗拉强度和硬度呈下降趋势。Schneider 等17研究了频率为 4.5，3.0，1.0 Hz 时电渣重熔工具钢的重熔行为和电渣锭中非金属夹杂物分布，结果表明：随频率的降低，非金属夹杂物含量和氧含量均略微升高；在较低频率下发生明显的氧化作用，由电解反应在低频下氧化引起的 Si 损失显著增强。其他冶金工作者1819也发现，较低的频率可导致铸锭中较高的氧含量和非金属夹杂物含量。尽管冶金工作者对低频电渣重熔技术进行了一定研究，但多涉及低频电渣重熔对电渣锭洁净度的影响2022，少有研究电源频率对电渣锭凝固组织的影响。鉴于此，以 304 奥氏体不锈钢为研究对象，基于自行设计的低频电源电渣炉进行电渣重熔实验，研究电源频率对电渣锭凝固组织的影响，探讨频率对其凝固过程的作用机理，以期明确低频电渣重熔对工艺过程和产品质量的影响规律。1实验 1.1实验材料实验用的金属材料为 304 奥氏体不锈钢，其合金主要成分(质量分数)为：C 0.057%，Mn 1.22%，Si 0.47%，Cr 18.37%，Ni 8.03%，P 0.037%，S 0.003%，Al 0.008%，O 0.002 3%，N 0.064 6%。电渣重熔过程中采用的渣系为 ANF6 渣(即 30%Al2O3+70%CaF2)，质量为 1.2 kg。1.2实验过程保持重熔电流(1 800 A)、电压(32 V)、渣系(ANF6 渣)、重熔气氛(大气环境下)等参数不变的前提下，改变电源频率(2.0，1.0，0.4，0.1，50.0 Hz)，在如图 1 所示自行设计的低频电源电渣炉中进行电渣重熔实验。工频变压器容量为 100 kVA，输入端电压为 380 V，输出端为 28，31，34，37，40 V 5 个档位，控制交流输出的频率为 010 Hz，频率可调，既可低频输出，也可工频输出；结晶器上口直径为 95 mm、下口直径为 105 mm、高度为 270 mm。实验前，将直径为 55 mm、长度为 1 850 mm 的自耗电极焊接到假电极上，打磨自耗电极表面至光亮，防止表面氧化物对实验造成影响；打开电渣设备冷却水，将冷却水压力调至 0.3 MPa，并保持在 45 以下。重熔实验的启动方式为液渣启动，当井式高温炉工作温度达到 1 6001 650 时，将装好渣料的石墨坩埚置于高温炉内熔化，待渣料完全熔化后将其迅速倒入铜制结晶器中开始冶炼；待电流、电压等参数达到稳定状态，将电源频率调至预定值对其进行低频电渣重熔实验；待电渣锭达到预定高度时，迅速断电将剩余电极抽离结晶器，待渣帽完全凝固后脱模；去除电渣锭表面渣皮与顶部渣帽得到所需的试样。实验结束，用锯床将电渣锭的头部和尾部各切掉 20 mm，再在电渣锭的上部横剖得到厚度为 30 mm 的120安 徽 工 业 大 学 学 报(自然科学版)2023 年 圆截面试样，采用金属原位分析仪(metal in situ analyzer，OPA)检测试样元素的偏析及致密度的分布。为观察试样低倍组织的变化，将纵剖面打磨、抛光后在 5070 下腐蚀 1030 min，腐蚀液为 V(盐酸)V(硝酸)V(水)=10110；将试样置于饱和的碳酸氢钠水溶液中刷洗，去除附着在试样表面的酸膜；用质量