袁紅 侴樹(shù)國(guó) 金喜慶 王建 張明輝

摘要： 文中采用ER309L核級(jí)不銹鋼焊絲在生產(chǎn)條件下進(jìn)行了電渣重熔試驗(yàn)，研究了不同渣系對(duì)該鋼種電渣過(guò)程脫硫率的影響。結(jié)果表明，采用不同渣系重熔脫硫率不同;電渣重熔過(guò)程不同階段脫硫率呈階梯式變化規(guī)律，在重熔初期脫硫率高于重熔中期，電渣封頂期間脫硫率顯著降低，正常重熔階段脫硫率比較穩(wěn)定。在CaF2Al2O3SiO2渣系中，隨SiO2含量的增加脫硫率下降，當(dāng)SiO2含量達(dá)25%時(shí)還會(huì)導(dǎo)致明顯的燒錳增硅現(xiàn)象。采用預(yù)熔渣+螢石渣系，螢石配比為20%和30%時(shí)，隨螢石配比增加，重熔錠底部脫硫率下降，重熔錠頂部脫硫率基本相當(dāng);同時(shí)隨螢石配比增加硅的燒損降低。

關(guān)鍵詞： 不銹鋼焊絲;電渣重熔;脫硫率

中圖分類號(hào)： TG 422.3

Abstract： Electroslag remelting experiment of ER309L nuclear stainless steel welding wire was carried out in this paper，the influence of different slag systems on desulfurization rate of electroslag process was studied.The results show that the desulfurization rate is different with different electroslag remelting systems. The desulfurization rate in different stages of electroslag remelting showed a step change rule. The desulfurization rate in early remelting is higher than that in middle remelting. The desulfurization rate decreased significantly during electroslag capping， and the desulfurization rate is stable in normal remelting stage.In CaF2Al2O3SO2 slag series， the desulfurization rate decreases with the increase of SiO2 content.The content of manganese decreases and the content of silicon increases obviously，when the content of SiO2 reaches 25%.With the increase of CaF2， the desulfurization rate at the bottom of remelted ingot decreased， and the desulfurization rate at the top of remelted ingot is basically the same，when the ratio of CaF2 in the prefused slag + CaF2 slag system is 20% and 30%. At the same time， the burning rate of silicon decreases with the increase of CaF2 ratio.

Key words： stainless steel welding wire; electroslag remelting; desulfurization rate

0 前言

硫在不銹鋼中是一種極其有害的元素，尤其是對(duì)于ER309L這種奧氏體不銹鋼焊接材料極易導(dǎo)致焊接熱裂紋[1-4]，在核電領(lǐng)域使用的核級(jí)材料對(duì)于硫的要求極其嚴(yán)格，一般含硫量限制在0.010%以下，同時(shí)對(duì)硫含量的均勻性也有很高的要求。隨著冶煉技術(shù)的提高脫硫已經(jīng)不再是工藝難點(diǎn)了，電渣重熔過(guò)程可以有效去硫，一般情況下脫硫率可達(dá)50%以上[5]，又因?yàn)殡娫厝圻^(guò)程的其他諸多優(yōu)點(diǎn)，在核電焊材生產(chǎn)時(shí)往往選擇電渣工藝[6]。ER309L焊絲多用于合成纖維、石油化工等設(shè)備制造的相同類型的不銹鋼結(jié)構(gòu)及復(fù)合鋼、異種鋼等構(gòu)件，也可用于核反應(yīng)堆、壓力容器內(nèi)壁過(guò)渡層堆焊和塔內(nèi)構(gòu)件焊接[7]。為了提高焊接質(zhì)量的可靠性，焊絲質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性要具有相當(dāng)高的水平，焊絲中的硫含量的控制尤為關(guān)鍵。現(xiàn)有常用ANF-6渣，主要集中在脫硫及去夾雜能力上，但是不能精確控制重熔后S元素含量的范圍。在ANF-6渣基礎(chǔ)上通過(guò)加入CaO，SiO2等組分可調(diào)節(jié)重熔后S元素含量，CaO，SiO2等組分配比是渣系控制的的難點(diǎn)。文中在生產(chǎn)條件下，采用不同渣系對(duì)電渣過(guò)程脫硫規(guī)律進(jìn)行了研究，旨在尋找有效穩(wěn)定控制鋼種硫含量的措施。確定核電用ER309L焊絲重熔渣系的組分。

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)設(shè)備采用1 t雙臂抽錠單相電渣重熔爐;結(jié)晶器兩種方形F220 mm和圓形240 mm抽錠結(jié)晶器，高度600 mm;自耗電極為中頻感應(yīng)爐冶煉的核級(jí)ER309L不銹鋼，直徑150 mm，電極化學(xué)成分見(jiàn)表1。采用5種渣系，渣配比見(jiàn)表2，對(duì)比研究渣系對(duì)脫硫率的影響。試驗(yàn)過(guò)程中渣量及重熔工藝參數(shù)均相同。預(yù)熔渣未烘干開(kāi)袋即用，其他組元均在用前經(jīng)600 ℃×4 h烘干處理。如表2所示采用不同渣系重熔了15個(gè)長(zhǎng)約1.4 m的240 mm鋼錠和2個(gè)長(zhǎng)約0.25 m的F220 mm試驗(yàn)鋼錠（試驗(yàn)小錠未進(jìn)行封頂操作）。如圖1所示對(duì)鋼錠不同部位取樣。對(duì)于圖1a所取試樣采用瑞士ARL3460型光譜分析儀分析，對(duì)圖1b所取試樣采用美國(guó)力可公司LECO-CS230型碳硫分析儀分析。對(duì)比分析了各種渣系對(duì)核級(jí)309L焊絲電極S元素含量及成分的影響規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 石英含量對(duì)脫硫率的影響

L0～L4五種渣系對(duì)比了石英含量對(duì)脫硫率及元素?zé)龘p的影響，數(shù)據(jù)如圖2所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用CaF2Al2O3SiO2三元渣系，如圖2a所示。隨石英配比增加，重熔初期脫硫率呈線性下降趨勢(shì)，而重熔末期封頂時(shí)的脫硫率基本不受石英比例的影響。同時(shí)無(wú)論是重熔錠的底部還是頂部石英比例的增加均會(huì)導(dǎo)致硅燒損下降錳燒損增加，當(dāng)石英比例提高到25%時(shí)還出現(xiàn)了明顯的增硅燒錳現(xiàn)象，見(jiàn)圖2b。眾所周知隨石英比例的增加必然導(dǎo)致堿度的下降，各種研究表明在電渣重熔時(shí)隨渣堿度下降脫硫率下降[8-9]。

2.2 重熔各階段脫硫規(guī)律

同時(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)重熔不同階段脫硫率有顯著區(qū)別，為細(xì)致研究重熔不同階段的脫硫率變化規(guī)律，特對(duì)L0，L1 及L2三種渣系重熔錠進(jìn)行了解剖分析，分析了硫含量在重熔錠縱向分布，數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。試驗(yàn)結(jié)果表明這種變化并非隨時(shí)間呈線性變化規(guī)律，而是在不同的重熔階段體現(xiàn)出明顯差異的階梯式變化規(guī)律，見(jiàn)圖3（穩(wěn)定重熔段脫硫率：L2約20%～30%;L1為30%～40%;L0約50%～60%）。在重熔化渣過(guò)程中脫硫率明顯大于其他階段，重熔中期脫硫率有少量的下降但比較穩(wěn)定，在重熔末期收弧階段脫硫率顯著下降。電渣重熔脫硫?yàn)橛袪t氣參與的三相反應(yīng)過(guò)程，此處[ ]，（），{ }分別代表金屬相，渣相和氣相。

硫的去除機(jī)制是鋼中硫以渣為媒介與空氣中的氧反應(yīng)生成二氧化硫?qū)崿F(xiàn)脫硫過(guò)程，試驗(yàn)采用的是大氣下固渣啟動(dòng)工藝，在起弧階段因渣與空氣的接觸更為充分故脫硫效率高，而在正常重熔時(shí)渣氣反應(yīng)趨于平穩(wěn)故脫硫率比較穩(wěn)定，這與以往的研究結(jié)果一致[8-11]，當(dāng)進(jìn)入收弧階段時(shí)因渣溫降低，渣的粘度提高，渣氣反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件變差，鋼中的硫因氣化反應(yīng)程度降低而導(dǎo)致脫硫率顯著下降。采用液渣啟動(dòng)并減輕收弧封頂時(shí)間應(yīng)可有效降低起弧段和收弧段與正常重熔期間的脫硫率差異。

2.3 螢石配比對(duì)主要元素?zé)龘p的影響

L5及L6渣系對(duì)比了螢石對(duì)S元素含量及Si元素含量燒損率的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，在采用預(yù)熔渣配螢石的條件下，隨螢石配入量的增加重熔底部脫硫率下降16%，重熔錠底部脫硫率約為頂部的2倍，見(jiàn)圖4（L5：預(yù)熔渣+20%螢石，L6：預(yù)熔渣+30%螢石）。預(yù)熔渣為CaF2Al2O3CaOSiO2四元渣，在另配入更多的螢石時(shí)會(huì)導(dǎo)致堿度下降，故脫硫率降低，這種影響主要體現(xiàn)在重熔底部，而對(duì)于重熔封頂階段基本不影響。同時(shí)螢石比例的增加有利于降低底部燒硅現(xiàn)象，降低10%左右。試驗(yàn)結(jié)果表明，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中螢石配比需要精確控制，否則可能導(dǎo)致不同鋼錠間脫硫率的明顯差異。同時(shí)在電極成分控制時(shí)要留有足夠的余量，否則可能導(dǎo)致重熔后成分超標(biāo)。

3 結(jié)論

（1）采用CaF2Al2O3SiO2渣重熔核級(jí)309L不銹鋼焊絲重熔錠，SiO2在0%～25%范圍內(nèi)隨SiO2含量的增加脫硫率下降，當(dāng)SiO2含量達(dá)25%時(shí)還會(huì)導(dǎo)致明顯的燒錳增硅現(xiàn)象。

（2）采用CaF2Al2O3SiO2渣重熔，電渣重熔過(guò)程不同階段脫硫率呈階梯式變化規(guī)律，起弧階段脫硫明顯高于其他階段，正常重熔時(shí)脫硫率比較穩(wěn)定，在收弧階段脫硫率明顯下降。

（3）在采用預(yù)熔渣配螢石的條件下，隨螢石配比增加，重熔錠底部脫硫率下降16%，重熔錠頂部脫硫率基本相當(dāng)。重熔錠底部脫硫率為頂部脫硫率的2倍。

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