CaF2-NaF-Na3AlF6-Al2O3-ZrO2预熔渣组元对熔化温度的影响及应用

(1.西安建筑科技大学 冶金工程学院，陕西 西安 710055； 2.西安钢研功能材料股份有限公司，陕西 西安 712046)

Mn72Ni10Cu18热双金属一般采用冰晶石(Na3AlF6)作为精炼渣在感应炉中进行冶炼[1-2]。生产过程中发现，精炼渣选择不当会导致铸锭表面产生质量缺陷，而Mn72Ni10Cu18金属浇注温度为1 020 ℃，远低于传统精炼渣的熔化温度，所以研究设计出符合Mn72Ni10Cu18冶炼条件并具有良好冶金性能的熔渣是非常有必要的[3-4]。

1 正交试验设计

以某单位使用的五元渣系CaF2-NaF-Na3AlF6-Al2O3-ZrO2为研究对象，其成分含量及熔化温度如表1所示。

表1 精炼渣成分及熔化温度

选定CaF2、NaF、Na3AlF6为实验因素，固定Al2O3、ZrO2含量为5%。根据factsage热力学软件计算结果，确定出熔点低于1 000 ℃各因素的取值范围如下：

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

本实验采用三元二次正交实验法设计实验[5-6]，共实验15次。其中，零水平实验一次，星号臂长r=1.215。确定出自然编码表，见表2。

表2 因子水平

2 实验方法

2.1 精炼渣预熔

实验原料选用化学纯级的CaF2、NaF、Na3AlF6、Al2O3和ZrO2试剂，按照正交试验方案，经称量混匀后，进行预熔处理，制备实验用预熔渣。

根据熔点熔速测定制样要求，将制得预熔渣粉碎、研磨制成Φ3 mm×3 mm的圆柱试样，在高温熔点熔速测定仪中进行熔点熔速测量。

熔化温度实验采用半球法测量。实验仪器：采用MTLQ-RD-1600高温熔点熔速测定仪进行测取。

2.2 XRD检测

为了更好的研究对精炼渣熔化温度的影响因素，对预熔精炼渣进行XRD检测。实验仪器：采用D8ADVANCEA25-X射线衍射仪进行检测。

3 实验结果及分析

3.1 熔化温度结果及分析

将测取的15组熔化温度结果整理，如表3所示。

表3 预熔渣的熔化温度

根据所测取的15组熔化温度可知，10#、14#熔化温度与Mn72Ni10Cu18冶炼工艺所匹配。

对熔化温度的测取结果进行回归分析，可以得出各组分含量与熔化温度Tr的关系式：

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)

从表4可以看出，SignificanceF=0.581 9，表明回归方程的为真的概率为1-0.581 9=0.418 1。

表4 回归方程的显著性分析

从表5分析可知实验因素的显著性。仅有二次项系数X32=0.072 6与α=0.05接近，其余各项P值远大于α=0.05，故仅有二次项X32系数显著，其余各项系数均不显著。

由图1可发现，体系仅有CaF2、NaF、Na3AlF6、ZrO2存在，无其他化合物或大分子团。结合XRD结果与熔化温度的测量结果可知，在该成分范围与温度范围内，组元之间并不进行相互化合反应生成其他化合物或分子团，影响该五元渣系熔化温度只与组元单质的熔化温度有关。

表5 实验因素的显著性分析

3.2 XRD结果及分析

将制得的15组预熔精炼渣进行XRD，成分测试结果相同，选择温度具有代表的6#、13#预熔渣，测试结果如图1所示。

4 单组分对熔化温度的影响

根据回归方程，得到以下不同单一组分含量变化对熔化温度影响的折线图(见图2～图4)。根据折线图，得到以下结论，该结论在一定程度上能反应出实际熔化温度变化的趋势。

4.1 CaF2含量对熔化温度的影响

当NaF含量为30%，Na3AlF6含量为20%时，预熔渣的熔化温度与CaF2含量的关系如图2所示。

CaF2含量从20%增加到50%时，熔化温度从960 ℃上升到967 ℃，CaF2含量增加了30%，熔化温度上升了7 ℃，熔化温度虽然呈上升趋势，但上升幅度较小。在该成分范围内，预熔精炼渣的熔化温度随着CaF2含量的增加而上升，但对熔化温度影响较小。

4.2 NaF含量对预熔渣熔化温度的影响

当CaF2含量为40%，Na3AlF6含量为20%时，预熔渣的熔化温度与CaF2含量的关系如图3所示。

NaF含量从20%增加到40%，熔化温度从955.5 ℃上升到980 ℃，NaF含量增加了20%，熔化温度上升了24.5 ℃熔化温度呈上升趋势，且上升幅度较大。在该成分范围内，预熔精炼渣的熔化温度随着NaF含量的增加而上升。

4.3 Na3AlF6含量的变化对预熔渣熔化温度的影响

当CaF2含量为40%，NaF含量为20%时，预熔渣的熔化温度与Na3AlF6含量的关系如图4所示。

图1 6#与13#XRD图

图2 CaF2含量对熔化温度的影响

图3 NaF含量对熔化温度的影响

图4 Na3AlF6含量对熔化温度的影响

Na3AlF6含量从20%增加到40%，熔化温度从961.6 ℃上升到962.6 ℃，Na3AlF6含量增加了20%，熔化温度升高了1 ℃，熔化温度虽然呈上升趋势，但整体上升幅度不大，可看做基本保持不变。在该成分范围内，随着Na3AlF6含量的增加，预熔精炼渣的熔化温度基本保持不变。

5 工业实验

为了验证预熔渣的冶金性能，将与Mn72Ni10Cu18所匹配的配比为CaF2(40%)-NaF(30%)-Na3AlF6(20%)-Al2O3(5%)-ZrO2(5%)的精炼渣进行入炉实验，对铸锭进行观察、扒皮等处理，结果发现：采用新的预熔精炼渣能有效地解决铸锭表面缩孔严重的问题，改善了铸锭表面质量，减少了铸锭的扒皮量，提高了生产质量，降低了生产成本。

6 结 论

本文针对所设计精炼渣组分，通过建立二次回归正交设计实验，考察了w(CaF2)，w(NaF)，w(Na3AlF6)含量对精炼渣熔化温度的影响，得出以下结论：

(1)根据实验结果，回归出该五元渣系的组分与熔化温度之间的关系式；

(2)渣中CaF2含量在20%～40%时，随着CaF2含量升高，该渣系熔化温度升高；渣中NaF含量在20%～40%时，随着NaF含量升高，该渣系熔化温度升高；渣中Na3AlF6含量在20%～40%时，随着Na3AlF6含量升高，该渣系熔化温度基本不受影响;

(3)得到与Mn72Ni10Cu18冶炼匹配的预熔精炼渣配比为

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