2021年, 第28卷, 第12期　刊出日期：2021-12-25

  

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  电渣重熔中的夹杂物：综述

  史成斌，汪仕俊， 李晶，Jung-wook Cho

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(12): 1483-1503.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00700-4

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  电渣重熔是生产某些高品质特殊钢、高温合金和精密合金必需采用的精炼技术。非金属夹杂物是电渣重熔过程中永恒的话题，并且已经被研究了数十年。前人的研究中针对一些主题仍有不同的结果和结论，甚至相悖的观点。这些差异在某些程度上源于电渣重熔不同的工艺条件，包括自耗电极原始夹杂物、渣成分、氧含量、钢液成分、脱氧制度和熔速等。该论文针对电渣重熔夹杂物的研究和技术发展进行综述和评论。分析了电渣重熔生产中夹杂物控制的技术进展。评述了电渣过程氧化物夹杂、硫化物夹杂和氮化物夹杂的转变及与之相关的工艺参数。探讨了电渣过程钢液二次氧化对氧化物夹杂组成的影响与机理。揭示了电渣锭中新生夹杂物的产生机制。最后，提出了电渣重熔夹杂物未来的研究方向。
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  加压电渣重熔过程气氛压强对钢物性参数和凝固条件的影响

  阿巴约瑟夫，李万明，李世森，李花兵，臧喜民

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(12): 1504-1514.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00697-w

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  加压电渣重熔方法是制备高氮钢的重要方法，气氛压强的改变会使钢的物性参数和凝固条件发生显著变化。本文总结了加压电渣重熔法的原理和应用，通过经验公式和热力学计算分析了气氛压强对吉布斯自由能、氮溶解度、钢的熔点、黏度、扩散系数、分配系数、形核率的影响规律。同时，讨论了气氛压强对界面换热系数的影响规律。然而，对PESR过程气氛压强对钢物性参数和凝固条件的影响规律的研究仍处于萌芽阶段，有必要在该研究领域做进一步深入研究。最后，本文总结了现有的研究结论，对今后的发展方向提出了建议。
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  成分和添加剂种类对含Na₂O电渣不合格电解金属锰脱硫的影响

  卢汝，李光强，刘畅，高运明，陈雨飞，王强

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(12): 1515-1529.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00680-5

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  通过抑制电渣重熔过程中锰的挥发，可以提高锰金属收得率。然而，如果通过降低重熔温度来减少挥发，则会恶化脱硫热力学、动力学条件。因此，利用含Na₂O电渣和金属添加剂来提高锰金属收得率。在1673 K的温度下，采用Na₂O含量在5.81%至15.71%之间的五种渣料在氩气气氛MoSi₂电阻炉中进行高温实验，同时将高纯金属镁和镁钙合金作为添加剂来促进脱氧。结果表明，Na₂O和金属添加剂有效地提升了锰的脱硫和脱氧效果。从热力学和动力学的角度分析了含Na₂O熔渣、金属添加剂与金属锰之间的相互作用对脱硫、除氧的影响，并考虑到了含Na₂O电渣在重熔过程中的挥发现象。随着渣中Na₂O含量的增加，渣金间硫分配比增大，高温下Na₂O和渣料的质量损失增加。当Na₂O含量小于10.44%时，随着Na₂O的加入，电渣硫容量和渣中CaO活度增加，从而提高了脱硫率。由于渣中CaO活度的增加和Al₂O₃活度的降低，重熔过程中锰的脱氧率升高。金属镁和镁钙合金则是通过减少电解金属锰中的MnO含量来降低渣的氧化性，从而间接地促进了锰的脱硫和脱氧。镁钙合金还可以与锰中溶解的硫和氧反应，直接促进脱硫和脱氧。电渣中Na₂O的含量不应超过10.44%，以保证渣有较高的脱硫脱氧能力、较好的流动性和较低的挥发率。
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  SiO₂和B₂O₃对超超临界转子钢电渣重熔用CaF₂-CaO-Al₂O₃基渣结晶和结构影响 的研究

  黄燚，史成斌，万秀秀，黎江玲，郑顶立，李晶

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(12): 1530-1540.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00651-w

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  在电渣重熔专用渣的研发中，渣的结晶特性对结晶器内液态金属的初始凝固和铸锭的表面质量都有着很大的影响。研究了不同SiO₂和B₂O₃含量的CaF₂-CaO-Al₂O₃基渣的结晶行为及其与渣结构的关系。随着SiO₂(0.24 ~ 8.95 mass%)和B₂O₃(0 ~ 3.20 mass%)含量的增加，降低了熔渣结晶温度，抑制了熔渣的结晶，减小了结晶相的尺寸。熔渣连续冷却过程中析出的结晶相为11CaO•7Al₂O₃•CaF₂，刻面或球形CaF₂，以及非刻面MgO•Al₂O₃(或MgO)。结晶相的析出顺序与炉渣中SiO₂和B₂O₃的含量无关。渣熔体的聚合度随SiO₂或B₂O₃含量的增加而增加。熔渣中SiO₂和B₂O₃的含量增加，导致熔渣聚合程度增加，组分扩散阻力增大，抑制熔渣结晶。
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  电渣重熔中CaF₂和CaO/Al₂O₃对含TiO₂渣系黏度和结构的影响

  巨建涛，杨康帅，朱智洪，顾越，常立忠

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(12): 1541-1550.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00683-2

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  本文采用旋转柱体法、傅里叶变换红外光谱和拉曼光谱研究了不同CaF₂含量和CaO/Al₂O₃与CaF₂-CaO-Al₂O₃-MgO-TiO₂渣系黏度及结构的关系。结果表明，随着CaF₂含量从14.1增加到28.1 wt.%，CaO/Al₂O₃从0.9增加到1.5，渣系黏度逐渐降低，其表观黏流活化能也相应降低。CaF₂的增加没有解聚熔渣的结构，而是通过CaF₂中的F^-取代部分非桥氧(NBO)，形成了NBO-Ca²⁺-F^-和NBO-Ca²⁺-NBO，加剧了阴离子的松弛效应和阳离子的阻碍效应。随着CaO/Al₂O₃的增大，铝酸盐结构中的部分Q⁴单元解聚为Q²单元，使Al-O-Al键的相对强度降低，Ti₂O₆^4-单元的相对含量增加，并且O-Ti-O单元的相对含量略有下降，这些导致了熔渣结构的解聚。此外，与CaF₂相比，CaO/Al₂O₃对熔渣结构具有更大的破坏作用。基于热力学计算和分析，CaF₂和CaO/Al₂O₃的活度系数变化间接解释了渣系黏度与铝酸盐结构单元变化之间的关系。
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  利用电渣重熔过程中的三次电流分布研究电极极性对电化学和磁流体动力学的影响

  E. Karimi-Sibaki，A. Kharicha，A. Vakhrushev，M. Wu，A. Ludwig，J. Bohacek

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(12): 1551-1561.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00686-z

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  考虑三次电流分布，计算了由渣、电极、​​空气、结晶器和熔池组成的电渣重熔 (ESR) 过程中的电磁场、离子浓度场、流场和热场等的传输现象。 熔渣使用Nernst-Planck 方程求解，金属-熔渣界面考虑了法拉第反应。为了确定电化学对 ESR 过程的影响，计算的场结构与使用经典欧姆方法获得的场结构进行了对比，即忽略离子浓度变化和法拉第反应的初级电流分布。此外，还考虑了地球磁场对熔池和熔渣中磁流体动力学的影响。研究了电极的极性，无论是正极性，也称为直流反接极性 (DCRP)，还是负极性，称为直流正接极性 (DCSP)，对氧向 ESR 锭传输的影响。得到的模拟结果使我们能够解释ESR流程 DCSP 中氧含量高于 DCRP的实验结果。
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  轴向稳恒磁场对磁控电渣重熔轴承钢洁净度及凝固组织的影响

  李强，夏志斌，郭逸丰，沈喆，郑天祥，丁彪，钟云波

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(12): 1562-1573.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00657-4

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  本文通过实验研究了轴向稳恒磁场对磁控电渣重熔GCr15轴承钢锭的洁净度及微观组织的影响。结果表明：在轴向稳恒磁场和熔炼电流的交互作用下，自耗电极末端会产生磁致旋振，使得液膜层变薄、熔滴变小。随着磁场强度的增大，轴向磁场对电渣重熔过程的优化作用提升并在40 mT时达到最优，随后降低。电渣锭的洁净度得到提升，大于5 μm的夹杂物数量明显减少。40 mT磁场强度下制备的电渣锭的微观组织呈现出明显的细化。金属熔池的深度从45.2 mm减小到17.5 mm。抗拉强度，冲击韧性及洛氏硬度均明显提高。本文还阐明了施加轴向磁场在自耗电极末端产生磁致旋振的机理。
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  相同输入功率下Inconel 718合金电渣重熔过程中电流路径对组织和偏析的影响

  刘福斌，曹海波，李花兵，姜周华，耿鑫

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(12): 1574-1581.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00690-3

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  为扩展电渣重熔（ESR）技术优点，通过改变电流路径的方式减少凝固缺陷，最新开发了导电结晶器。在相同输入功率、不同电流路径（经典 ESR 和单电源以及使用导电结晶器的双回路ESR 工艺（ESR-STCCM））条件下，对比研究了实验室ESR炉生产的 Inconel 718合金锭的宏观组织、微观组织、宏观偏析和微观偏析情况。结果表明，在相同的输入功率情况下，使用ESR 和 ESR-STCCM 工艺生产钢锭时，熔池深度分别为 104 和 90 mm。 ESR-STCCM工艺的熔池更为浅平。此外，与经典 ESR 铸锭相比，ESR-STCCM 铸锭中心线的冷却速度从 12.7 提高到 16.7 K min^-1。由于熔化速率降低和渣层较薄，冷却速率增加，减小了柱状晶与垂直轴的生长角度和二次枝晶臂间距。与 ESR 工艺相比，ESR-STCCM 工艺偏析元素的宏观偏析和微观偏析显著降低。 Laves相的平均体积分数由7.39%降低到6.14%，Nb在Laves相中的偏析显著降低。
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  电极更换对电渣重熔过程固态渣形成及熔池形状的影响

  段怡如，李宝宽，黄雪驰，刘中秋

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(12): 1582-1590.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00699-8

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  本文建立了二维轴对称模型来研究电极更换对电渣重熔过程固态渣形成和熔池形状的影响。该模型考虑了电渣重熔过程的流动和传热，并采用动态网格技术描述了钢锭的生长过程。基于渣池与电极间的瞬态导热模型，预测了电极熔化速率。结果表明，在电极更换阶段，渣池温度从1847 K逐渐下降至1763 K，出现“热心”现象，同时金属熔池深度从0.3984 m降低至0.3688 m。在新电极的加热熔化阶段，渣池的最高温度首先从1763 K上升至1892 K，然后下降至1845 K，最后在3558 s时稳定在1884 K。在此阶段电极端部形成了最大体积为7.31×10^-3 m³的固态渣，并随着渣温的升高，固态渣逐渐熔化。随着新电极的预热温度从473 K提高到973 K，形成的固态渣最大体积从0.00748 m³下降至0.00592 m³，新电极从加热到熔化的时间从996 s下降到887 s。
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  Ti和稀土元素对H13钢微偏析和大尺寸析出物的影响

  Fa Ji, Rui Xu, Yu-long Gao, Qing-chao Tian, Lu Wang, Zhi-xia Xiao, Fu-xing Yin

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(12): 1591-1604.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00705-z

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  大尺寸析出物对H13热作模具钢的热疲劳是致命的。H13钢在电渣重熔过程中添加不同量的Ti和/或稀土(RE)元素以改善元素偏析并细化大尺寸析出物。结果表明，随着Ti含量从0.0032 wt.%增加到0.057 wt.%，Cr、Mo和V的偏析变得更加严重。含V的M(C, N)碳化物更短，在 3D 观察中它们的分支更密集。此外，小于2 μm的含V的M(C, N)碳化物的数密度增加，而其他尺寸的数量减少。大于4 μm的含Ti的MN氮化物在高Ti含量下显着增加。当RE含量从0.0051 wt.%增加到0.036 wt.%时，主要合金元素的偏析呈先减弱后恶化趋势。与不含RE的H13钢相比，3D观察中含V的M(C,N)碳化物较少，数密度变化与Ti改性合金相似。0.024 wt.% Ti和0.011 wt.% RE复合改性后，合金元素和含V的M(C,N)碳化物的偏析没有明显改善。
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  电渣重熔过程M35高速钢中MnS和MgO·Al₂O₃夹杂物的演变

  郑顶立，马国军，张翔，刘孟珂，李志

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(12): 1605-1616.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00698-9

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  本文研究了电渣重熔过程M35高速钢中MnS夹杂物分解和析出的热力学和动力学，以及钢液增氧对MgO∙Al₂O₃夹杂物的影响。结果表明，自耗电极中的夹杂物为MnS、MgO∙Al₂O₃和MnS与MgO∙Al₂O₃结合的复合夹杂物。MnS夹杂物呈近球形或椭圆形，大多数均小于2 μm。MgO∙Al₂O₃夹杂物呈多边形或近球形，大部分尺寸在1-4 μm。扫描电镜下观察到电渣锭中夹杂物均为多边形或近球形的MgO∙Al₂O₃。自耗电极中原始的MnS夹杂物在电极端部液膜进入渣池前完全分解，其限制性环节为钢液中[Mn]的传质。在钢液凝固过程中，凝固分数低于0.996无法满足MnS夹杂物析出的热力学条件，凝固分数超过0.996后动力学条件太差不利于MnS夹杂物长大。电渣锭中的MgO∙Al₂O₃夹杂物来源于自耗电极中未被去除的MgO∙Al₂O₃以及钢液中溶解Mg、溶解O和酸溶Al反应新生的MgO∙Al₂O₃。
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  熔速对模具钢电渣重熔连续定向凝固影响的数值模拟研究

  张杰，李晶，史成斌

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(12): 1617-1624.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00720-0

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  本文研究了直径160 mm结晶器电渣重熔连续定向凝固过程中熔速对电渣重熔温度场、流场和电渣锭宏观偏析、枝晶间距的影响，提出了奥氏体热作模具钢电渣重熔过程中溶质迁移和枝晶生长的机理。结果表明，较小的熔速有助于形成较高的温度梯度和浅平的金属熔池。随着熔速的增加，渣池中心逆时针旋涡和金属熔池顺时针旋涡增大，而渣池中边缘顺时针旋涡减小。随着熔速的增加，合金元素的宏观偏析变得更加严重，而二次枝晶间距先减小后增大。当电渣重熔熔速为98 kg/h时，二次枝晶臂间距达到最小值，表明对于结晶器直径为160 mm的电渣重熔连续定向凝固工艺，98 kg/h为合适的熔速。
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  PESR 55Cr17Mo1VN塑料模具钢淬回火处理组织演变及力学性能

  康从鹏，刘福斌，郑淮北，李花兵，姜周华，陈奎，索浩洋，于新皓

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(12): 1625-1633.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00689-w

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  55Cr17Mo1VN高氮马氏体不锈钢通常用于优质模具，主要采用加压电渣重熔工艺生产。研究了淬火和回火热处理过程中的微观组织演变，并确定了获得优质力学性能的的最佳热处理工艺路线。钢中主要析出物为富碳型M₂₃C₆碳化物和富氮型M₂N氮化物。随着奥氏体化温度的升高，析出物的当量直径变细，当奥氏体化温度超过1020 °C时，残余奥氏体含量明显增加。回火温度从200 °C升高到550 °C时，断裂方式逐渐从脆性断裂转变为韧性断裂。 350 °C回火的实验钢可以获得较好的硬度（60.6 HRC） 和强度（2299.2 MPa）组合，从而满足了使用要求。片状M₂₃C₆沿马氏体板条边界析出，回火温度为450 °C时发生二次硬化现象。由于氮含量高，在 550 °C回火时，M₂N 从板条和基体内部析出。