高精度熔炼控制提高VSR钢锭质量

来源：肖英龙 |浏览：次|评论：0条 [收藏] [评论]

高精度熔炼控制提高VSR钢锭质量

肖英龙

1前言

日本大同特殊钢公司shibukawa厂(下称该厂)于1988年在原有ESR。(电渣重熔)的基础上开发了带有真空装置的VSR(真空电渣重熔)设备和工艺，并进行了实用化，其目标就是生产高纯净钢。

由于新工艺设备可利用真空阻断钢液接触空气，故比一般ESR钢液的氧化要少，加之其渣中的SiO₂活度也比ESR的低，故可在低Si钢上实现低氧化。并且，由于不受大气影响，故产生氢致裂纹(HIC)等的危险性少，故也适用于以CaO系渣生产大型钢锭产品。

伴随对高纯净度钢需求的扩大，该厂又于2007年5月增设了带有利用测力传感器反馈的熔化速度控制等功能的新VSR。以下概要介绍此VSR的特点以及由新VSR所生产钢锭的质量。

2 VSR简介

2．l设备构成

图1是VSR、ESR及VAR设备。为了使VSR在真空(或惰性气体)氛围(13～100kPa)下熔化自耗电极，故采用了和VAR(真空电弧精炼)同样的密闭容器进行熔炼的结构。真空排气采用油回转泵和罗茨真空泵，最高真空度可达1Pa；并且，因在密闭空间中熔炼，故完全没有粉尘飞扬，故其操作环境比一般ESR精炼好得多。

2．2操作方法

VSR的熔化起动方法与ESR相同，是采用未熔渣的冷态起熔法：将从电极采取的金属板与着火材固定在结晶器底部Cu板上以后，再将用作熔化(即熔炼)的自耗电极固定在结晶器上。为了使VSR熔化在真空下进行，在熔化前须将大气压(100kPa)降到1Pa以下，然后导入Ar气到设定压力。所使用的渣料与ESR一样，用前须充分干燥，以减少氢的危害。干燥后的渣分为熔化前装入初装渣和待其熔融渣化后特别装入的二次渣。熔化与ESR的操作相同，熔化末期应将最高电流值缓慢调低并持续熔化，以防钢锭产生缩孔和二次缩孔。

2．3脱氧行为

在ESR、VSR利用渣脱氧的条件下，可以除去钢坯中的氧化物系夹杂物，从而生产出高纯净度钢锭。一般用ESR、重熔不锈钢和高速工具钢时是用Si脱氧，钢液中的氧(下表为[O])依存于钢液中的硅(下表为[Si])和渣中的SiO₂活度。VSR也存在同样的脱氧平衡。

Holagruber等人查明，气氛的氧气分压越高，则钢液中[O]就越高。这是由于氧气分压的上升使钢液中的[Si]氧化，从而提高了渣中的(SiO₂)活度。另外，研究还表明，上述氧气分压和[O]的关系，无论是对于CaF₂系、45CaO-55A203系、30CaF₂-70Al₂O₃系、60CaF₂-20A1₂O₃-20CaO系或80CaF₂-20CaO系渣都成立。因此，为了降低钢中[O]含量(即提高钢的纯净度)，降低气氛中的氧气分压是有效的。在ESR中将Ar气通入结晶器内，而达到了降低熔炼过程中氧气分压的目标。然而，因ESR是在开放容器中熔炼，会发生大气侵入而使氧气分压达到2．0kPa。反之，VSR是在密闭容器中的真空状态下熔炼，从而使氧气分压达到比ESR低得多的1．3Pa。

还对比了熔炼后SUS316L不锈钢钢锭(底、中、顶部)的[Si]含量，用ESR熔炼的钢锭[Si]虽较低，但各部位的[Si]不均匀；而VSR钢锭的[Si]在各部位却是均匀的，因此渣中的SiO₂含量也没增加，SiO₂活度也无变化。渣的实际分析结果如图2所示，在CaF₂-Al₂O_3-SiO₂系渣下熔炼时，ESR渣的SiO₂活度为0．010，而VSR、的渣则低于0．005。这就表明，VSR可以进行低SiO₂活度下的脱氧，从而克服了ESR难以生产低Si、低[O]钢的弊端。如图3所示那样，为了用ESR工艺熔炼[O]<0．002％(20ppm)的钢锭，须将其[Si]控制在0．200％以上；而若采用VSR工艺生产这样的钢锭，则只需将[Si]控制在0．100％以下即可。

由于VSR有比ESR更高的钢液熔炼脱氧能力，故即使在钢液[Si]相同的条件下，前者也能将[O]降至更低。例如按原JIS规范用光学显微镜测定SUS304钢中夹杂物的结果表明：ESR钢锭为0．0020％(20ppm)、VSR钢锭为0．0009％(9ppm)，这表明在两种钢锭[Si]含量相同的条件下，后者的氧化物系夹杂物显著低于前者。具体而言，尺寸为0μm～2．5μm的夹杂物，后者约为前者的1／10；尺寸2．5μm～5．0μm的，后者约为前者的1厂3；尺寸5．0μm～7．5μm的，后者约为前者的1／2。这还表明，越是小尺寸的难以排除(上浮)的夹杂物，采用VSR越能彻底将之除去。

3 新VSR介绍

由于VSR生产的低Si钢为首的高纯净钢需求的扩大，该厂于2007年增设了新的VSR设备。为了提高重熔钢锭的质量，须将熔炼中的铸坑形状最佳化。为此，增加了2个功能，即根据电阻振摆控制电极位置和根据测力传感器反馈控制熔化速度，以进一步提高钢锭质量。

3．1设备参数

表1为新VSR的主要参数。

3．2关于电极位置控制

一般ESR的铸坑形状取决于电极向液渣中浸渍的位置和熔化速度。将铸坑形状保持稳定且深度较浅，是获得高品质钢锭的重要操作因子。这样的条件也适用于VSR熔炼，若铸坑形状不均匀，就会造成偏析、夹杂物等质量问题。

由于电极向液态渣中的浸渍位置与电阻(=V／I)有一定关系，故原ESR就利用此关系对电极位置进行控制。然而，随着熔炼的进行，生成渣的组成会变化，且渣会流入钢锭与结晶器壁之间而使上部渣量减少，从而使表观电阻值发生变化。这样一来，就会造成以和熔化初期同样的精度控制电极位置变得困难。

因此，以经验为基础改变电阻的设定目标值，虽能保持适当的电极浸渍即铸坑形状，但因每个电极(即钢坯)成分的差异和所用渣成分的微小变化，都可能造成铸坑形状不稳定。对此，新VSR上采用了如图4所示那样的电极浸渍位置，就是利用了若接近渣、电阻振摆就会增大的现象，从而采用了电阻振摆控制方式。即使在电阻变化了的场合，这种高精度的电极位置控制方法也能将电极控制在浸入渣面以下较浅的位置，如图4中②所示。

3．3关于熔化速度控制

若改变电极熔化速度，就会对铸坑深度和钢液部分的凝固时间造成影响。所谓部分凝固时间，就是钢液从平衡液相线到平衡固相线通过的时间。因此，在以高速工具钢为代表的高碳钢上，一般若铸坑深度增大，则部分凝固时间就会变长，树枝(状结)晶就会变大。随之会产生显著的微观偏析、增加粗大碳化物，从而对钢锭质量造成负面影响。此外，熔化速度变动，也是使钢中夹杂物增加、钢锭质量劣化的因素之一。

为了稳定熔化速度，要考虑向钢液所供热量的变化。由于伴随熔化的进行使渣量减少，渣的发热量也会变化。因此，在新VSR上，开发了熔炼时不受电阻振摆影响的测力传感器，反馈方式用测力传感器测定(自耗)电极重量，再将重量变化反馈给控制装置。据此可消除电极熔化速度变动，在短时间内保持坑深度稳定，将铸坑中心部的最大深度从原185mm降低至110mm，可以制造出具有更均匀内部质量的电渣重熔钢锭。

3．4新VSR制造的钢锭质量

在新VSR上开发并采用了两项新技术，一是利用电阻振摆的电极位置控制技术；二是采用测力传感器反馈技术的电极熔化速度控制技术，并大幅度提高了冷却水量和水流速度而增大了冷却能力，故提高了重熔精炼钢锭的质量。即使在相同的自耗电极熔化速度下，新VSR也可以将熔炼铸坑深度控制得较浅，获得高质量的均质钢锭，并减少钢中碳化物的析出量(从原VSR的0．0043％减至新VSR的0．0016％，即减少1／2以上)。