熔渣的物理化学性能简介

雁南飞

熔渣的物理化学性能简介
一、        电渣熔铸对渣的要求
在电渣熔铸过程中，液态渣具有十分重要的作用，其功能主要为：
1、        熔铸热源
2、        控制熔铸金属的化学成分
) a- `" a$ O- c) _3、        净化作用
4、        绝缘隔热质作用
, t$ L  m* y1 U! G# P+ L5、        创造了一个温度高于金属熔池的贮热地
4 {7 d! x+ B0 k& H$ r7 B渣在电渣熔铸过程中起着十分重要的作用，为了满足各项技术经济指标的要求，必须从相图、界面张力、粘度、比电导、密度、比热、蒸汽压、透气性等项物理化学性质进行综合考虑，才能选中合理的渣型。
! Z0 |1 s3 H: F# O! |二、        相图
; [, V$ @' R0 B# N! ^, r' W, l+ }电渣熔铸的渣系主要组成是CaF2•CaO、MgO和Al2O3，也有包含镁和钡的氟化物及钡、钛氧化物，当重熔低熔点的金属或合金时也有采用氟化渣系，电渣按成分分类可分为：
（1）        仅由氟化物组成的；（2）由氟化物及氧化物组成；（3）仅由氧化物组成的。
而在电渣铸熔中普遍应用氟化物-氧化物渣系，它有指化钙-氧化钙、氟化钙-氧化铝、氟化钙-氧化钙-氧化铝、氟化钙-氧化镁-氧化铝等渣系
1、        氟化物单元系渣
⑴ 氟化钙：氟化钙或是萤石可在电渣炉、电弧炉或感应炉内用石墨坩埚精精炼，去除其中的氢、硫和部分硅，除氢过程可使氧化钙增加2%，甚至5%
   纯氟化钙的熔点是1419℃，工业萤石的熔点约为1380℃。在电渣炉中使用萤石的含量因其电阻值低而受到限制，如采用单一氟化渣时，氟化钙较为合适，因其电阻在氟化物中是最高的一种。
⑵氟化镁：具有比氟化钙高的蒸气压和稍低的熔点（1263℃），因之热稳定性较差又由于电性能不合适，帮不能单独使用，一般如使用氟化镁其含量不得超过20～30%，氟化镁一般含有结晶水10%，使用前需将其去除，去除结晶水将带来的氧化镁它比萤石水解生成的氧化钙脱硫能力差，因此当熔铸需要保硫材料时，可采用氟化镁-氟化钙渣系。
2、        二元渣系
⑴ 氟化钙-氟化镁：低共熔温度为945℃，低共熔成分为51%的氟化镁，49%的氟化钙，利用此渣系按其低共熔成分配渣重熔有色金属。氟化镁的热稳定性差，一般不超过20～30%。
⑵氟化钙-三氧化二铝：在当前电渣熔铸件普遍采用，三氧化二铝的熔点是2050℃，氟化钙的熔点为1361℃，低共熔组成在27% 三氧化二铝处，三氧化二铝：氟化钙=30：70
( ]# t9 g: E4 r, {' Q: E$ _$ E0 S9 q⑶ 氟化钙-氧化钙系：低共熔温度（1360℃），低共熔成分18%氧化钙，由于氧化钙容易吸收水分，所以用于生产时，在1650～1750℃保持渣打里熔融状态最少10分钟这是获得同有气孔和氢脆现象铸件的必要条件。
! p" ?" B3 _" ~& f: A⑷ 氧化钙-三氧化二铝系：这是一个生成化合物的二元体系，在此渣系中有五个化合物：12 氧化钙•7 三氧化二铝，氧化钙•三氧化二铝， 氧化钙•2 三氧化二铝，3 氧化钙•三氧化二铝， 氧化钙•6 三氧化二铝，前三个为同分熔点化合物，后两个为异分熔点化合物。
氧化钙- 三氧化二铝也是一个常用的渣系，它的优点是比电阻大和碱度高；缺点是熔点较高。
* @& J0 Q7 s: t; P3、        三元系
( [5 x1 B* r8 }5 I# A3 Y⑴ 氟化钙-氧化钙-三氧化二铝系：这是熔铸过程广泛应用的一种渣系，氟化钙：氧化钙：三氧化二铝=65%：25%：10%
  N3 u+ P) Q& @: W⑵ 氟化钙-氧化镁-三氧化二铝系：
三、熔渣的表面张力、界面张力、浸润能力与附着功
       比表面能为增加单位表面积所需消耗的功，通称为表面张力。冶金上通常遇到的物质有三种状态—气、液、固。不同相界面有不同的界面张力。为区别起见，通常将与气相接触的界面张力称为表面张力，而在固-液，液-液或固-固接界面上的张力称为界面张力。
      润湿：固体与液体接触后体系（固体+液体）之自由能降低。自由能降低之多少称之为润湿度。可以分为三类：（1）附着润湿；（2）扩展润湿；（3）浸润润湿。从定义可知润湿就是功，因此上述三在也称附着功、扩展功和浸润功。
3 S3 r0 w, w) e* D4 Q! M. P7 j     基于电渣熔铸过程渣钢间具有巨大的接触面积的特性，所以表面性能将直接影响电渣熔铸的各主要环节。比如：附着功与重熔锭上渣皮剥离状况的关系；界面张力与电极端熔滴大小的关系；表面性质与夹杂物的关系；界面张力与化学反应的关系等等
四、密度
& Z  B" I9 ?5 F* A* E* m0 |5 N     密度是电渣熔铸过程的一个重要因素。不过真正起作用的是金属与熔渣的密度差，它与电极熔化时熔滴的大小，渣钢反应时间的长短和钢的净洁度均有直接联系。界面张力阻碍电极顶端熔滴的胶落，而重力所引起的作用恰恰相反，它促使熔滴脱落。重力的大小与金属和渣的密度成正比。
     熔融金属滴在熔渣中沉降的最终速度正比于密度差，密度差越小，熔融金属滴的最终速度越小，即金属滴在渣中的停留时间越长，这对渣钢反应是有利的。
五、粘度
# j: P$ P) R; j6 K' o. ?, c      在电渣熔铸过程中，粘度的大小直接影响由电磁力和热对流作用所引起的渣池的运动速度。粘度影响的三个方面：
3 _' z- \8 ~# S. q- z- `（1）气体从渣中和渣钢界面的排除，粘度越小，渣池运动越剧烈对于产生气体的反应越有利；
/ W8 a3 I1 ^; H8 A（2）粘度也直接影响渣钢间的反应速度；
（3）粘度也直接影响铸锭的物理性能
) v/ d/ S' p" M9 q2 e六、熔渣电导
9 I/ I3 r# s, N  W电渣熔铸过程金属的熔化是靠熔渣的电阻热，在一定的渣池深度和电流时渣的电导比起着重在的作用，其值越大熔铸温度越低；反之熔铸温度越高。降低熔渣比电导是好的，但太低也不行，它将引起四个问题：
（1）        比电导太小生产率下降单位电能消耗增加；
（2）        熔渣比电导大粘度小时，电渣过程易建立和较稳定。反之，比电导太小，将使电渣过程难以建立和恶化了过程的稳定性；
（3）        熔渣比电导小需提高空载电压，有形成电弧过程的危险。产生电弧时使金属氧化而引起金属消耗增加，同时还可能增加金属中的含氮量；
( H" Z, b# i) k; U% A+ A（4）        破坏铸定结晶。比电导小，熔化速度增加，熔化速度如果太大就有可能破坏与结晶速度之间的平衡。当结晶速度小于充填速度，轴间的结晶将遭破坏，而且增加了产生轴向孔隙和气孔的可能性，净洁度也可能降低。
  总之，比电导的选择原则一般是在注意质量的前提下尽量提高生产率和降低电耗。
3 U6 f' f( ?9 v/ x% R! H8 L七、熔渣的透气性
       在电渣熔铸过程中，冶炼系统为气体-炉渣-金属三相体系，即熔融炉渣覆盖在金属熔池上面将金属与周围气氛隔开。
. ]% r: b5 U" e6 L8 g   1、渣向金属熔池传递氢的能力：（1）气氛中的氢能透过渣，但各种渣的透气性不同；（2）用氩气保护重熔时，钢锭中氢含量几乎于原来（原料）相等；（3）无保护气氛（敞开在大气中）重熔时，钢中氢量较前者高；（4）在饱和水蒸汽气氛下重熔时，钢中含氢量最高。
   2、渣向金属熔池传递氧的能力，有三方面的来源：（1）原始电极中的氧及氧化物夹杂；（2）重熔时渣池上方电极表面的氧化，此氧化物随重熔过程而转入渣或钢中；（3）氧直接从大气中通过渣转移到金属熔池。
. y" O8 E2 ~2 B! z  J6 T1 [   3、渣对氧的透气能力与对于氢的透气能力完全不同，原因是其传递机不同。渣的传氧（或脱氧）能力可分两种：（1）由不稳定的变价氧化物传递氧；（2）渣中氧化物的稳定性与钢中的含氧量的关系，所谓氧化物的稳定性即氧化物生成自由能的高低。
八、渣的蒸汽压及安全性
* o3 w0 o, o$ d& T3 H% S在电渣熔铸铁基合金时，由于能量消耗、渣的电阻和冷却程度不同，熔池温度也不同，在电极顶端与金属熔池之间的渣温一般在1500～2100℃之间，因些要求渣的组元应具有较低的蒸气压最小，以减少挥发的损失，保持成分的稳定和避免严重污染车间气氛。
4 w, y7 T2 q- z2 F2 O7 `九、常见电渣组元的性质及其确定原则
4 T" r! B6 z6 L9 T/ F$ v在电渣熔铸中，为了获得高质量的电渣铸件，首先必须依据铸件希望达到的物理化学性质确定渣型和工艺参数。电渣铸件希望达到的指标不外是化学成分合格、铸件表面质量好以及内部不存在夹渣，轴向疏松、缩孔、气孔和氢脆等问题。为了满足这些要求一般可分两步骤选择渣的组元，第一步确定基本组元成分，第二步选择添加组元（一般含量不超过10%）
基本组元的主要特性如下：
（1）氟物的特性：能降低渣熔点、粘度和表面张力；提高渣的比电导。
/ E, J6 h3 G) Q) F$ L3 L, {& P（2）氧化物的特性：CaO是作为去硫剂加入渣中，同时能降低CaF2的比电导。
（3）稀土氧化物的特性：与氧化钙的性质相近，是强脱硫剂，以及有比CaO更强的脱氧、脱氮能力和更显著地降低熔渣的比电导，CaF2中含有一定量（～30%）RexOy后，渣的化学稳定性高，对熔铸含有稀土的合金钢时有其特殊作用。
（4）氧化铝的特性：能迅速提高氟化钙渣的比电阻，即使加入量不是很大也产生强烈的影响。
+ ]6 W+ @7 o, p4 o' o2 N7 a根据电渣钢质量缺陷进一步叙述基本组元的特性：
0 ^. E! l+ g, V. s# M$ U（1）夹渣：降低熔化速度可以减少夹渣危险，为要降低熔化速度可用降低渣中三氧化二铝含量或改变重熔电工制度解决。其次采用提高渣钢界面张力，如适量添加氧化钙、稀土氧化物或氧化镁等也可以减少夹渣的危险；
* h5 M6 C( t, ^0 e, w. h（2）轴向疏松和缩孔：低熔化速度是与降低三氧化二铝含量相联系，可减少形成轴向疏松与缩孔的危险；
（3）氢脆：贫石灰渣在减少引起氢脆的能力上比富石灰渣好用贫石杰渣冶炼的氢仅仅从铸锭的不大横截面扩散；
8 s. H" R1 e* Y9 Q7 @（4）气孔：贫石灰渣能减少水化倾向，所以可降低形成气孔的可能性；
   （5）净洁度：富石灰或富稀土氧化物渣有利于脱硫，但富氧化铝渣却使金属中的铝和氧的含量增加（不希望产生）。降低熔然速度也有利于夹杂的去除，因为它的增加了渣钢之间的接触时间；降低熔铸速度还有利于形成趋向轴向结晶，这不但提高铸件的机械性能，还有利于排除钢锭中心的非金属夹杂物，如果使熔化速度不大于结晶前沿的上升速度，能使铸锭达到最好的洁净程度。

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