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一般电渣重熔是利用交流电流通过熔渣时产生的渣阻热以及电效应将金属电极棒熔化，熔化的金属在电极端部汇聚成熔滴，当金属小熔滴逐步聚合成大熔滴，重力会不断增加，当熔滴所受重力超过液滴与电极棒末端的液膜层之间的结合力时，熔滴就从电极棒末端液膜层处断落，并通过渣池渣洗，最终通过渣池后熔滴不断累积成为金属熔池，金属熔池因受水冷作用在铜制结晶器内由下向上完成凝固成锭。电渣炉作为一种集熔化、精炼、凝固为一体的重熔炉备受业界推崇，主要是拥有两方面突出优点：钢纯净度高、均匀致密的结晶组织。 保护性电渣气氛炉（见图1）因拥有封闭式惰性气体保护罩体系统（一般除了结晶器、底座构成的底部封闭系统外，还包括上烟罩、下烟罩，过渡罩（部分炉座无）、拉杆、烟道构成的中、上密闭系统），电渣锭生产时在完全密封的熔炼室的惰性气体环境下熔炼，故此类型电渣炉具备主要两点优势，第一，减少重熔过程电极和渣料的氧化，避免易烧损元素过量烧损；第二、获得较高的纯净度，避免了重熔过程中的吸氮和吸氢。![]()
模具的发展水平是衡量一个国家制造业发展水平的重要标志之一，随着现代工业的发展，模具钢已广泛应用于军工、家电、汽车、航空、机械等领域，“现代工业，模具领先”已经成为制造业的普遍共识。但在保护性气氛电渣炉重熔实际生产过程时经常出现气体[N]的增加，甚至超标，给高端压铸 Φ1070 mm的NSD1 电渣锭在重熔过程中出现头尾增氮，具体见表1。NSD1 成分要求，具体见表2。针对电渣锭出现的头尾增氮问题。首先对整个炼钢工艺流程中的氮的控制细节进行梳理；其次安排车间对一次冶炼、浇注、电渣三个环节的进行氮含量进行取样跟踪；最后统计表明，电渣不仅增氮，而且涨幅波动大。![]()
注：H端代表电渣锭起弧端，A 端代表电渣锭补缩端。![]()
NSD1 含有较多的合金元素，各个元素与氮的亲和力差异较大，特别是V、Cr、Mn 等元素加入铁液中，通过与氮形成氮化物，降低氮在熔铁中的活度，能显著增加氮在铁液中的溶解度。因此氮在NSD1 钢液中的极限溶解量实际更多。即：当铁液中加入合金元素时改变了氮在钢中的活度。 考虑到合金元素成分，温度，压力的影响，根据陈幼金等人的研究的多元活度计算模型公式: 具体选取化学成分如下：C：0.36%，Si：0.85%，Mn：0.45%，Cr：5.25%，Mo：1.3% ，V：0.5%，同时把化学成分与氮的相互活度系数等数值带入①式，经计算得出，平衡氮浓度为652×10-6。 另外，根据李花兵的最新模型计算氮在钢液中的溶解度如表3所示。根据该模型的计算结果，当炉内氮气分压在0.78%时，平衡氮浓度为70×10-6，当炉内氮气分压在7.8%时，平衡氮浓度为220×10-6。当炉内氮气分压在78%时，平衡氮浓度为680×10-6。![]()
因此，该钢在1600℃的常压环境下，对氮的极限溶解度约为650～680×10-6。 不论是电炉炼钢、炉外精炼（LF、VD）还是电渣重熔，只要是在炼钢系统中的增氮问题，无非两种原因：一是炼钢原料和精炼辅料带入的氮，二是炼钢过程中钢液与空气接触吸入的氮。炼钢生产过程中，裸露钢液与空气接触的实际状态受各种复杂因素影响导致无法精准控制，故而出现增氮波动较大，因此如何避免钢液与空气的接触是控制氮的核心关键。保护性气氛电渣炉的氮源也分原料带入的氮以及电渣过程带入的氮气。经分析，来源为： 电渣重熔是将电极棒由于渣阻热不断熔化成滴形成铸锭的过程，而电极棒作为重熔主体的金属材料，本身也含有一定量的氮，假设重熔过程熔滴及熔池均未与空气直接或间接接触，那么通过遗传效应电渣锭的含氮量理应与电极棒含氮量相差无几，但是实际上，电渣锭比电极棒的氮含量高，且高出(10~130)×10-6之间。另外，各母炉次之间的电极棒中氮含量也差异较大，尤其是如果电极棒氮含量太高，在电渣重熔未解决增氮问题之前，电渣后很可能出现超标（见表1），因此需要将电极棒中的氮必须要稳定控制在小于100×10-6，给电渣重熔增氮提供至少20×10-6的富余空间，是当前保障NSD1 成品氮含量达标的一个重要环节，需炼钢及浇注环节创造良好基础。 作为电渣重熔的热源材料，渣料在重熔过程中起着发热、冶金及保护作用，因渣池介于熔池与外界气氛之间，参与整个过程的冶金物化反应，因此有人提出，有必要对渣料的氮含量做出分析，但从目前来说，国内暂未找到能检测预熔渣中氮含量的厂家，故而检测渣中的氮含量这件事只能暂时舍弃。另外，电渣过程中钢液的表面始终覆盖渣池，而氮本身的析出压力较小，无法独立形核，只能通过产生气泡的形式从渣池逸出，同时保护气氛电渣炉渣池上方充入惰性气体Ar以及加渣过程中空气随渣料涌入电渣炉内，故而渣中溶解氮有可能部分释放出来，具体取决于多种气体压力之间的平衡。另外，鉴于熔渣的渣量为400~500 kg，吨钢渣量消耗占比约为2.5%，预熔渣的渣量较少，即使在熔渣中存在微量氮，熔渣中的氮含量相比于实际电渣锭中增氮量更是可以忽略不计的。因此通过分析熔渣中的氮不是引起电渣锭增氮的主要原因。 保护性气氛电渣炉目前采用圆柱状小钢块的方式引弧，因引弧块一般采用低碳钢小钢块，重量约为2~5 kg，含氮约70×10-6，和电极棒母材含氮量（一般电极棒N含量平均约85×10-6）相比较而言引弧块氮更低，引弧块并不能增加电渣锭的含氮量，同时即使增加也仅可能导致电渣锭底部增氮，与头尾均增氮的事实不符合，因此可以排除引弧块造成电渣锭增氮。 保护性气氛电渣炉充Ar 的目的在于通过Ar 比空气比重大的特性，用以排除并隔绝大气，但如果氩气里含有大量的氮则效果会大大折扣，为证明Ar 气的供应品质及纯度，我方专门委托相关单位对A28 电渣炉的Ar 气收集并进行检测化验，具体结果见图2，从图2 中可以看出，Ar 气纯度＞99.99%，含氮实测为3.1×10-6。因此可以排除氩气里含氮是引起电渣锭增氮的主要原因。![]()
虽然已排除氩气里混有大量氮这一猜测，但是在排查过程中并非一无所获，多人用手感知到氩气出气口的压力微弱，并对炉内充Ar 流量或压力的值是否偏小提出质疑。另外，通过排查发现所有的保护性气氛电渣炉全面开启使用后，会出现部分电渣炉座Ar 气流量达不到原工艺设定的4080 L/min 按理来说，保护性气氛电渣炉炉内不应该出现氮气，但是电渣锭增氮却是客观真实存在的，从增氮源头的排除上看，空气进入电渣炉炉内的可能性最大。对此原因分析为四点：第一、如果炉体封闭送电前，炉内充氩对空气的排除不佳，致使炉内本身封存一定体积的空气，因空气中含有78%的氮气，这部分空气就会成为电渣重熔过程中增氮的来源。第二、如果炉体各个部件过渡处及烟罩开孔处的密封未做好，炉内惰性氛围遭到破坏，再加上大锭炉座空间大，排除空气充入的Ar 压力及时间可能不足，未实现炉内的微正压，这部分因密封不严进入的空气也是重熔过程中增氮的来源。第三、从气体流动学的观点来看，电渣结晶器里的气体流向是为热气涌出后被除尘口的排风吸入，此刻形成负压，之后又是热气涌出，再被除尘口的排风吸入，整个过程炉内气体的流动始终在往复循环，因此设法减少炉内形成的负压，保持始终的微正压是关键。第四，电渣送电后炉前操作人员把预熔渣加入加渣机中，此时的加渣机通过连接下烟罩中部的加渣孔将渣料通过振动加入电渣炉内，但加渣过程中电渣炉内、加渣机与外界大气是连通的，对先前的送电前炉内充氩对空气的排除的惰性氛围造成极大的破坏，尤其是加渣完毕关闭加渣口后随着充Ar 的进行，炉内氧势的逐渐下降，直到低于1×10-6,间接反映此时空气或氮气几乎被排除殆尽，在此刻之前熔炼的电渣锭部分有增氮的机会，炉内氮气通过传质过程与此钢中的易与氮结合的元素结合导致最终可能增氮；但在此刻之后，特别是保护氛围未被破坏的前提下，已基本没有增氮的机会，不会增氮，因此加渣过程进入空气是电渣锭底部增氮的关键原因，也更能解释为什么电渣锭起弧端增氮水平较补缩端要多。 虽然一般此类事件不易发生，也在做炉内充入气体成分检测时已经将此点原因已排除，但是因操作疏忽、粗心大意和责任心不强等低级原因造成的操作失误也在实践过程中有可能发生，必须引起足够警惕，因此也将此点列入原因。2.1 加强对电极棒［N］的控制
（1）氧化法电炉配料C≥0.6%，控制出钢量，确保VD处理时钢包合理的自由空间。（2）LF 调整优选使用低氮、低钛的H-Cr 等合金、渣辅料，控制合适的出钢温度。（3）根据VD 入罐温度合理控制真空处理时间，满足工艺要求的前提下减少静吹氩时间，VD 真空处理时要求极限真空度≤67Pa下保持一定时间，搅拌Ar 气控制合理。（4）VD 破空后调整Ar 流量，避免钢水裸露吸气,同时将VD 破空取样的N 控制在≤70×10-6，给浇注与电渣两个环节富余一定的增氮空间，降低下工序的控制难度。（1）保持浇注系统清洁干燥，浇注前汤道吹Ar至少15min，尽量采用浇钢车浇注。（2）浇口安装石棉保护套，浇注时水口高度在工艺操作允许的条件下尽可能低。（3）采用狭缝式氩气保护装置保护浇注，保证透气塞透气性良好，Ar 控制0.2 MPa 左右。①保证底座与结晶器底部之间密封条的密封（见图4）。②保证结晶器上部与下烟罩之间密封条的密封（见图5）。③保证结晶器下烟罩与上烟罩之间密封条的密封（见图5）。④电极料杆与上烟罩之间的环缝的密封（见图6）。⑤烟罩各接口的密封，特别是加渣口的密封（见图7）。⑥关闭排烟口处于关闭状态（见图8），避免空气倒灌。![]()
尽量保证除尘的动力不至于过大，避免对炉内气体的流场产生影响，特别是氩气出口位置应布置在除尘口的下方且两者间距不宜过近，以免影响保 因加渣过程会出现氧浓度值反弹，电渣炉内进入空气难以避免，因此对特殊品种如果要做到保护性效果的更加可靠，可以考虑购置并使用保护性气① Ar 气管道改造，加装Ar 压力表，保证各炉座Ar 气流量能满足工艺要求。因为电渣Ar 气管道是从炼钢厂的总管道分接引出的，炼钢到电渣Ar 管道的接入管径为Φ20 mm，在电渣的接入点通过减压阀减压后分两路通向分别通入电渣炉座，故而管Ar 从总路到支路的过程存在分流,当使用Ar 炉座较多时，导致部分炉座流量或压力不足。通过对Ar 气管道的管径由Φ20 mm增大Φ50 mm 以及Ar 减压后的压力增大由0.6 MPa增至0.8 MPa 等两种措施，保证整个管氩供应充足，能够满足Ar 气流量及压力工艺要求。稳态Ar 气流量由40~80 L/min 调整至100~200L/min，保证炉内微正压，有资料表明，保护性气氛电渣炉正常充Ar 的微正压一般在0.2~1 MPa，因此监测电渣炉炉内Ar 压力及流量，保证其稳定性，尽量避免炉内出现热气涌出、排风除尘导致的负压吸气的情况。（2）熔炼全程监控炉内氧浓度（或氮浓度），持续保证炉内惰性氛围。① 摒弃原来的操作方法。针对气体元素要求严格的钢种，用充Ar 致使氧浓度≤100×10-6时方可送电来替代先大流量的Ar 气通入结晶器10~20 min后再送电这种不科学的操作，保证了充Ar 排除空气的效果。当然，有人提出过可以用吸风管进行预先抽空后再通入Ar，最终因场地有限、操作不便、效果不佳等原因被舍弃。②采购氧浓度检测仪及探头，保证备件充足。具备保障每台保护性气氛电渣炉检测氧浓度的能力。③ 全程检测电渣炉炉内的氧浓度，保证炉内稳态过程中氧浓度≤100×10-6。 国内保护性气氛电渣炉制造的研究起步较晚，对烟罩设计研究不成熟，存在诸多设计问题。特别是Ar 气环缝式出口的设计，其与烟尘排风位置布置方位，Ar 气出口的倾向角度等这些对炉内气体流场也有影响，而这些对保护性气氛电渣炉炉内惰性氛围至关重要，此文不再赘述。 我国原来大部分电渣炉都是“电流+电压”控制方式电渣炉座，而目前的保护性气氛电渣炉的设计理念源自国外，其最新理念是为渣池浅插，摆动控制。电渣炉座采用“熔速+电压摆动或渣阻摆动） ”控制方式，把控制电极插入渣池深度作为目标控制，摆动控制浸入渣池的深度约0～7 mm 范围内，而原来“电流+电压”控制式老式电渣炉座不能直接控制插入深度，但根据常规电渣炉生产经验来看，电极插入渣池深度在50 mm 左右，两者差别甚大。浅插的目的在于保证电极的极间距较大，金属熔滴穿过渣池行程较大，渣洗充分，不仅冶金效果良好还最大限度将电能转化为重熔热能，提高熔炼生产效率；通过电极在渣池浅层区域的升降，对动力学条件也有利。倘若在保护性氛围做不好的情况下采用目前的“熔速+摆动（电压摆动或渣阻摆动） ”这种浅插控制方式对控氮品种来说，增氮风险是急剧增加的，因此在保护性氛围做不好的情况下选择电极深插入（选择小的摆动设定值） 控制不失为一种解决增氮的方案。这也就解释了摆动控制类的保护性气氛电渣炉在保护性氛围做不好的情况下比常规大气电渣炉更容易增氮增氧。（1）用充Ar 排空气的方法，致使电渣炉内氧浓度≤100×10-6才送电生产，并严格观测前期送电后氧浓度的变化。此时还未完成Ar 管道改造，全程充Ar，Ar 气流量采用4080 L/min 时，电渣锭头尾的氮的变化见表3。
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可以看出：虽然大部分电渣锭成分均能合格，偶有发生电渣锭的H 端氮波动较大，但A 端氮变化不大，分析认为：加渣结束后加渣孔上的盖子未及（2）用充Ar 排空气的方法，致使电渣炉内氧浓度≤100×10-6，同时全程Ar 充监测炉内氧浓度的变化。此时已完成Ar 管道改造，全程充Ar，Ar 气流量采用80~200 L/min 时，既能做到前期排除空气的效果好，又能做到及早实现微正压，此时电渣锭头尾的氮的变化见表4。![]()
可以看出：电渣锭的H 端氮有微弱增长，A 端氮变化不大。 NSD1 电渣锭重熔后头尾两端增氮的问题主要原因是由于保护性气氛电渣炉封闭性差，空气进入炉内，炉内的惰性气氛被破坏所致，同时也与保护罩设计不合理及现场操作方法不恰当有一定关系，必须严格按工艺规定执行，且只有做好相关操作细节，电渣增氮问题才能予以解决。致谢：本次试验过程得到了民品研究室、特冶技术组、攀钢研究院等同志们大力支持,特别是谢珍勇高级工程师的悉心指导,给予很多有益建议,在此衷心表示感谢。免责声明：本文系网络转载，版权归原作者所有。但因转载众多，或无法确认真正原始作者，故仅标明转载来源，如标错来源，涉及作品版权问题，请与我们联系，我们将在第一时间协商版权问题或删除内容！
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