(1.西安建筑科技大學(xué) 冶金工程學(xué)院，陜西 西安 710055； 2.西安鋼研功能材料股份有限公司，陜西 西安 712046)

Mn72Ni10Cu18熱雙金屬一般采用冰晶石(Na3AlF6)作為精煉渣在感應(yīng)爐中進(jìn)行冶煉[1-2]。生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，精煉渣選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致鑄錠表面產(chǎn)生質(zhì)量缺陷，而Mn72Ni10Cu18金屬澆注溫度為1 020 ℃，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)精煉渣的熔化溫度，所以研究設(shè)計(jì)出符合Mn72Ni10Cu18冶煉條件并具有良好冶金性能的熔渣是非常有必要的[3-4]。

1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以某單位使用的五元渣系CaF2-NaF-Na3AlF6-Al2O3-ZrO2為研究對(duì)象，其成分含量及熔化溫度如表1所示。

表1 精煉渣成分及熔化溫度

選定CaF2、NaF、Na3AlF6為實(shí)驗(yàn)因素，固定Al2O3、ZrO2含量為5%。根據(jù)factsage熱力學(xué)軟件計(jì)算結(jié)果，確定出熔點(diǎn)低于1 000 ℃各因素的取值范圍如下：

w(CaF2)=30%～50%，w(NaF)=20%～40%，w(Na3AlF6)=20%～40%，w(Al2O3)=5%，w(ZrO2)=5%。

本實(shí)驗(yàn)采用三元二次正交實(shí)驗(yàn)法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)[5-6]，共實(shí)驗(yàn)15次。其中，零水平實(shí)驗(yàn)一次，星號(hào)臂長r=1.215。確定出自然編碼表，見表2。

表2 因子水平

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 精煉渣預(yù)熔

實(shí)驗(yàn)原料選用化學(xué)純級(jí)的CaF2、NaF、Na3AlF6、Al2O3和ZrO2試劑，按照正交試驗(yàn)方案，經(jīng)稱量混勻后，進(jìn)行預(yù)熔處理，制備實(shí)驗(yàn)用預(yù)熔渣。

根據(jù)熔點(diǎn)熔速測(cè)定制樣要求，將制得預(yù)熔渣粉碎、研磨制成Φ3 mm×3 mm的圓柱試樣，在高溫熔點(diǎn)熔速測(cè)定儀中進(jìn)行熔點(diǎn)熔速測(cè)量。

熔化溫度實(shí)驗(yàn)采用半球法測(cè)量。實(shí)驗(yàn)儀器：采用MTLQ-RD-1600高溫熔點(diǎn)熔速測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)取。

2.2 XRD檢測(cè)

為了更好的研究對(duì)精煉渣熔化溫度的影響因素，對(duì)預(yù)熔精煉渣進(jìn)行XRD檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)儀器：采用D8ADVANCEA25-X射線衍射儀進(jìn)行檢測(cè)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 熔化溫度結(jié)果及分析

將測(cè)取的15組熔化溫度結(jié)果整理，如表3所示。

表3 預(yù)熔渣的熔化溫度

根據(jù)所測(cè)取的15組熔化溫度可知，10#、14#熔化溫度與Mn72Ni10Cu18冶煉工藝所匹配。

對(duì)熔化溫度的測(cè)取結(jié)果進(jìn)行回歸分析，可以得出各組分含量與熔化溫度Tr的關(guān)系式：

Tr=934.02+42.98w(CaF2)+7.12w(NaF)+
35.49w(Na3AlF6)-8.62w(CaF2)w(NaF)-
16.37w(CaF2)w(Na3AlF6)+17.13w(NaF)
w(Na3AlF6)-7.74w(CaF2)2+118.78w(NaF)2-
39.63w(Na3AlF6)2

(1)

從表4可以看出，SignificanceF=0.581 9，表明回歸方程的為真的概率為1-0.581 9=0.418 1。

表4 回歸方程的顯著性分析

從表5分析可知實(shí)驗(yàn)因素的顯著性。僅有二次項(xiàng)系數(shù)X32=0.072 6與α=0.05接近，其余各項(xiàng)P值遠(yuǎn)大于α=0.05，故僅有二次項(xiàng)X32系數(shù)顯著，其余各項(xiàng)系數(shù)均不顯著。

由圖1可發(fā)現(xiàn)，體系僅有CaF2、NaF、Na3AlF6、ZrO2存在，無其他化合物或大分子團(tuán)。結(jié)合XRD結(jié)果與熔化溫度的測(cè)量結(jié)果可知，在該成分范圍與溫度范圍內(nèi)，組元之間并不進(jìn)行相互化合反應(yīng)生成其他化合物或分子團(tuán)，影響該五元渣系熔化溫度只與組元單質(zhì)的熔化溫度有關(guān)。

表5 實(shí)驗(yàn)因素的顯著性分析

3.2 XRD結(jié)果及分析

將制得的15組預(yù)熔精煉渣進(jìn)行XRD，成分測(cè)試結(jié)果相同，選擇溫度具有代表的6#、13#預(yù)熔渣，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

4 單組分對(duì)熔化溫度的影響

根據(jù)回歸方程，得到以下不同單一組分含量變化對(duì)熔化溫度影響的折線圖(見圖2～圖4)。根據(jù)折線圖，得到以下結(jié)論，該結(jié)論在一定程度上能反應(yīng)出實(shí)際熔化溫度變化的趨勢(shì)。

4.1 CaF2含量對(duì)熔化溫度的影響

當(dāng)NaF含量為30%，Na3AlF6含量為20%時(shí)，預(yù)熔渣的熔化溫度與CaF2含量的關(guān)系如圖2所示。

CaF2含量從20%增加到50%時(shí)，熔化溫度從960 ℃上升到967 ℃，CaF2含量增加了30%，熔化溫度上升了7 ℃，熔化溫度雖然呈上升趨勢(shì)，但上升幅度較小。在該成分范圍內(nèi)，預(yù)熔精煉渣的熔化溫度隨著CaF2含量的增加而上升，但對(duì)熔化溫度影響較小。

4.2 NaF含量對(duì)預(yù)熔渣熔化溫度的影響

當(dāng)CaF2含量為40%，Na3AlF6含量為20%時(shí)，預(yù)熔渣的熔化溫度與CaF2含量的關(guān)系如圖3所示。

NaF含量從20%增加到40%，熔化溫度從955.5 ℃上升到980 ℃，NaF含量增加了20%，熔化溫度上升了24.5 ℃熔化溫度呈上升趨勢(shì)，且上升幅度較大。在該成分范圍內(nèi)，預(yù)熔精煉渣的熔化溫度隨著NaF含量的增加而上升。

4.3 Na3AlF6含量的變化對(duì)預(yù)熔渣熔化溫度的影響

當(dāng)CaF2含量為40%，NaF含量為20%時(shí)，預(yù)熔渣的熔化溫度與Na3AlF6含量的關(guān)系如圖4所示。

圖1 6#與13#XRD圖

圖2 CaF2含量對(duì)熔化溫度的影響

圖3 NaF含量對(duì)熔化溫度的影響

圖4 Na3AlF6含量對(duì)熔化溫度的影響

Na3AlF6含量從20%增加到40%，熔化溫度從961.6 ℃上升到962.6 ℃，Na3AlF6含量增加了20%，熔化溫度升高了1 ℃，熔化溫度雖然呈上升趨勢(shì)，但整體上升幅度不大，可看做基本保持不變。在該成分范圍內(nèi)，隨著Na3AlF6含量的增加，預(yù)熔精煉渣的熔化溫度基本保持不變。

5 工業(yè)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證預(yù)熔渣的冶金性能，將與Mn72Ni10Cu18所匹配的配比為CaF2(40%)-NaF(30%)-Na3AlF6(20%)-Al2O3(5%)-ZrO2(5%)的精煉渣進(jìn)行入爐實(shí)驗(yàn)，對(duì)鑄錠進(jìn)行觀察、扒皮等處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：采用新的預(yù)熔精煉渣能有效地解決鑄錠表面縮孔嚴(yán)重的問題，改善了鑄錠表面質(zhì)量，減少了鑄錠的扒皮量，提高了生產(chǎn)質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。

6 結(jié) 論

本文針對(duì)所設(shè)計(jì)精煉渣組分，通過建立二次回歸正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，考察了w(CaF2)，w(NaF)，w(Na3AlF6)含量對(duì)精煉渣熔化溫度的影響，得出以下結(jié)論：

(1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，回歸出該五元渣系的組分與熔化溫度之間的關(guān)系式；

(2)渣中CaF2含量在20%～40%時(shí)，隨著CaF2含量升高，該渣系熔化溫度升高；渣中NaF含量在20%～40%時(shí)，隨著NaF含量升高，該渣系熔化溫度升高；渣中Na3AlF6含量在20%～40%時(shí)，隨著Na3AlF6含量升高，該渣系熔化溫度基本不受影響;

(3)得到與Mn72Ni10Cu18冶煉匹配的預(yù)熔精煉渣配比為

CaF2(50%)-NaF(30%)-Na3AlF6(30%)-Al2O3(5%)-ZrO2(5%)，CaF2(40%)-NaF(30%)-Na3AlF6(20%)-Al2O3(5%)-ZrO2(5%)。