O vplivu oligoelementov pri električnem pretaljevanju visoko kvalitetnih jekel pod žlindro On behaviour of residual elements in electro-slag-remelting of high quality steels B. Koroušič* UVOD Električno pretaljevanje kvalitetnih jekel in posebnih zlitin pod žlindro sodi v t.i. sekundarne (pretaljevalne) postopke, pri katerih se s pretalje-vanjem elektrode z definirano kemično sestavo doseže znatno višja kvaliteta pretaljenega materiala. Med prednostmi, ki jih prinaša postopek električnega pretaljevanja pod žlindro, naj omenimo: a) odpravo žvepla, b) znatno boljšo porazdelitev in manjšo velikost nekovinskih vključkov, c) direktno predelavo površine ingota, d) izboljšanje izkoristka pri nadaljnji termomehanski predelavi, e) izboljšanje strukturne in kemične homogenosti in f) znižanje anizotropije mehanskih lastnosti. Poleg omenjenih prednosti ima EPŽ-postopek tudi vrsto tehnoloških pomanjkljivosti, med katere prav gotovo sodi dokaj zahtevna kontrola kemične rafinacije, in posebej kontrola elementov z visoko afiniteto do kisika (Al, Ti, Zr, B, Ca), vodika in nekaterih škodljivih primesi- Čeprav se je EPŽ postopek razširil na številna področja proizvodnje kvalitetnih jekel in superzli-tin, je splošni vtis, da elektrožlindrni proces ni še dovolj raziskan, kar opozarja tudi večina EPŽ publikacij. Namen tega članka je opisati dosedanje izkušnje na področju kompleksnih raziskav elektro-žlindrnega procesa s posebnim poudarkom na ke-mizem reakcij, ki potekajo med žlindro in kovino pri EPŽ-procesu. INTRODUCTION Electro-slag remelting (ESR) of quality steels and special alloys belongs to secondary (remelting) processes by which a significantly improved quality of remelted metal is attained by remelting a metal electrode of definite chemical composition. Among the advantages of ESR process the follow-ing should be mentioned: a) efficient desulphura-tion, b) better distribution and a lower size of nonmetallic inclusions, c) direct vvorking of ingot surface, d) improved yield in further termomecha-nical processing, e) improved structural and chemical homogeneity and f) ireduced anisotropy of mechanical properties. Naturally, ESR process have also a series of technological disadvantages, namely a strict control of chemical refining and specially the control of the content of elements with high affinity to oxygen (Al, Ti, Zr, B, Ca) as well as the control of hydrogen and certain harmful impurities is re-quired. There is a general impression that the proces has not yet been sufficiently investigated although it has been very widely applied in the manufactu-re of quality steels and superalloys which can be seen from a majority of corresponding publica-tions. The aim of this paper is to describe the expe-rience obtained in complex investigations of ESR proces vvith special regard to the chemistry of reactions between slag and metal. OBNAŠANJE ELEMENTOV PRI ELEKTRIČNEM PRETALJEVANJU KVALITETNIH JEKEL POD ŽLINDRO Osnovna značilnost EPŽ-procesa je simultani potek procesov rafinacije in kristalizacije: ogrevanje in taljenje elektrodnega materiala v kemično aktivni žlindri, rafinacija tekoče kovine in strjevanje v bakreni, vodno hlajeni kokili (slika 1). Ravno ta značilnost EPŽ-postopka znatno kom-plicira izbiro optimalnih tehnoloških pogojev, ki so med seboj tesno povezani in odvisni1. Na sliki * Metalurški inštitut, Ljubljana BEHAVIOUR OF ELEMENTS IN ELECTRO SLAG REMELTING OF QUALITY STEELS Main characteristic of ESR is simultaneous proceeding of refining and crystallisation: heating and melting of electrode material in chemically active slag, refining of molten metal and solidifi-cation in a copper water-cooled mould (fig. 1). This characteristic of ESR proces significantly complicates the selection of optimum technological parameters which are mutually correlated and interdependent1. In fig. 2 a principal sketch is given of the information path which should be taken in account in ESR process in order to ensure a high quality of remelted metal2-3. Electrode Water cooled mold Fused slag Molten steel Refined ingot Solidifield slag- Cooling-water Vodno hlajenje Slika 1 Shematski prikaz električnega pretaljevanja pod žlindro Fig. 1 Sketch of ESR proces 2 smo poskušali shematsko nakazati poti informacij, ki jih je potrebno upoštevati pri EPŽ-procesu, če želimo zagotoviti visoko kvaliteto pretalj ene kovine2-3. Posebno poglavje predstavlja poznavanje fizi-kalno-kemičnih procesov, ker je optimalna izbira kemične sestave žlindre glede na sestavo elektrodnega materiala ter spremljajočih procesov med taljenjem (plinska atmosfera nad žlindro, dodatki v žlindro itd.) povezana s praktičnimi in ekonomskimi pogledi. Dosedanje praktične izkušnje pri EPŽ so pokazale, da ima kontrola kemične sestave pretalj enega jekla različen pomen pri različnih kvalitetah jekel in superzlitinah4'5. Pri kvalitetnih konstrukcijskih jeklih predstavlja kontrola rafinacijskih postopkov, med katerimi je treba posebej poudariti pomen kontrole aluminija in vsebnosti vodika, primarni pomen6. Ti problemi so, kot bo kasneje pokazano, tem večji, čim večji je ingot in čim bolj so ozke predpisane specifikacije2'7'8'9. Povsem drugačen pristop h kontroli rezidualnih elementov zasledimo pri tehnologiji pretaljevanja orodnih jekel10' u>12 Zato je zelo težko podati splošno sliko glede obnašanja in kontrole posameznih elementov pri EPŽ-procesu. Na sliki 3 smo poskušali dati pregled obnašanja elementov, ki smo jih razdelil v tri skupine: a) elementi, ki se med pretaljevanjem skoraj ne spreminjajo, oziroma ostanejo v mejah ±10 % Special care should be devoted to the knowled-ge of physicoohemical proceses since the optimum selection of the chemical composition of slag from practical and economic viewpoint depends on the composition of electrode material and on the pro-ceeding during remelting (gaseous atmosphere above slag, slag additions, ete.) The experience obtained in ESR praotice clear-ly shovv that the control of chemical composition of refined metal is of various importance for dif-ferent quality of steels and super-alloys4'5. When processing quality struetural steels the control of refining, specially the control of alumi-nium and hydrogen content is of a primary importance6. As will be shown, difficulties are the 'bigger is ingot and the narower are the tolerance limits specified2'7'8'9. The problems in the control of residuals in tool steels are quite different10'12. Therefore, it is very difficult to make any genera-lization in respect to the behaviour and control of particular element in ESR process. A principal review of the behaviour of elements in ESR process is given in fig. 3. The elements are grouped in three groups as follows: a) elements the content of which practically remains the same or changed vvithin ±10 % limits El o i/5 u 1 i. Ž 5'15 therefore we want only to undefline the applicability of theoretical considerations in estimation of the activity of Si02 in the multicomponent system CaF2-Ca0-Si02 (fig. 4). — Termodinamično aktivnost kovinskih in žlindrinih komponent lahko ocenimo na osnovi: a) Kovinske komponente s parametri interakcije: logfj = t /X/, .e/ i = 1 b) žlindrine komponente na osnovi statistične termodinamike realnih ionskih raztopin (model Kožeurova). Detajlen opis apliciranega termodinamičnega modela je v literaturi že opisan4'5-15, zato na tem mestu želimo poudariti le uporabnost teoretičnih izvajanj pri oceni aktivnosti Si02 v veokomponent-nem sistemu: CaF2-Ca0-Si02 (slika 4). Slika 4 Primerjava teoretično izračunanih vrednosti asKfc (teoret.) in eksperimentalnih vrednosti asi02(exp.) v sistemu CaF2-CaO-SiO, pri 1450° C Fig. 4 Comparison of calculated theoretical values for aSiO< (theor.) and experimental values for asiOz (exp) in CaF,-CaO-SiOj system at 1450° C REZULTATI V tem poglavju bomo poskušali opisati nekatere praktične izkušnje, ki smo jih pridobili pri pretaljevanju kvalitetnih jeikel po postopku EPŽ v laboratorijskih in industrijskih pogojih. RESULTS Here we shall try to describe some practial experience obtained in electro-slag remelting of quality steels in laboratory and industrial conditions. C-CaO S -S1O2 1450 °C n =26 r-0.89 T= U50°C aSi02 (etp) Sommerville S Kay Metal. Trans Vol. 2, 7(1971) _J_1_ 0.02 0.03 aSi02 {exP] Vodik Kontrola vodika pri EPŽ-postopku sodi med najbolj resne procesne probleme, zlasti pri izdelavi velikih ingotov, prečnega preseka nad 500 mm5'16. Prav gotovo, da (v literaturi že opisani) problemi v zvezi z obnašanjem vodika predstavljajo znatno oviro za nadaljnjo razširitev EPŽ-teh-nologije, zlasti na področju pretaljevanja posebnih in superzlitin. Praktične izkušnje so pokazale, da je naraščanje vsebnosti vodika kritično zlasti v začetni fazi EPŽ-procesa17. Dosedanje raziskave so pokazale16, da imajo dominanten vpliv na vsebnost vodika v pretaljeni kovini trije procesni parametri (slika 5): a) bazičnost žlindre, b) parni tlak H^O v plinski atmosferi nad žlindro, c) vsebnost vodika v elektrodnem materialu. Naše raziskave so bile usmerjene v študij vpliva parnega tlaka Ph2o nad plinsko atmosfero na vsebnost vodika v EPŽ-žlindrah17. Kot izhodišče za študij smo izbrali reakcijo: {H20}g + (O2-) = 2 (OH—) Ravnotežno konstanto za to reakcijo lahko zapišemo v obliki: (% H) = (% H°) V~Ph7O Kot žlindro smo izbrali sistem: CaF2-Al2OrCaO, oziroma standardno sestavo: 33 % CaF2 + 33 % A1203 + 33 % CaO. Poskuse smo delali pri dveh vrednostih parnega tlaka: Ce) i-m ^ -aj- ® f*tx'J- r j' • I 1 +6 + 4 +2 tO S?"' ^ -C -6 -3 -10 j« \ X \ , 1 * v ) \ \ I 2-31,5 10 2030 50 X; I CaO) I %1 100 8 12 16 20 X2=HE(ppm) © *6 +4 ^±0 -2 -4 f3lxJ r . J • r 100 2 3 45 10 2030 50 = Ph20 (g/Nmr3) Slika 5 Vpliv različnih tehnoloških parametrov na vsebnost vodika pri pretaljevanju konstrukcijskih jekel pod žlindro Fig. 5 Influence of various technological parameters on hydrogen content in ESR processing of structural steels Hydrogen The control of hydrogen is very serious proces problem especially in the manufacture of big ingots with cross-section over 500 mm6-16. Well known hydrogen problem is certainly a consider-able obstacle to further development of ESR tech-nology especially in the field of special and super-alloys. Practical experience has shown that first phase of ESR processing is most critical as regards the hydrogen problem17. Investigations which have been carried out to the present show16 the domi-nant influence of the following three process parameters as regards the hydrogen content of refined metal (fig. 5): a) slag basicity, b) partial pressure of H20 in gaseous atmos-phere above slag, c) hydrogen content of electrode material. The aim of our investigation was to study the influence of partial pressure of water vapour p H20 on the hydrogen content of slag17. The base for considerations was the equation: {H20}g + (O2-) = 2 (OH—) The equilibrium constant for this reaction can be written in the form: (% H) = (% H«) Vpifco The slag belonging to the CaF2-Al203-Ca0 system of standard composition 33 % CaF2, 33 % A1203 and 33 % CaO was used. Two different partial pressu-res of vvater vapour were utilised name'ly 8 mm Hg and 35.6 mm Hg which correspond to air moisture in winter and summer tirne, respectively. The relationship between maximum hydrogen content (H°) and slag basicity at 1620 °C is pre-sented in fig. 6. Practical results obtained by refin-ing of low alloyed steel with the use of the same slag and 0 100 mm erystallizer are also given. 260 40 20 200 80 60 5 20 £700 80 60 40 20 0 afi-1 t. \\ 7109$ for \ npo^ A \ 5 -H ecZsj pf>c i C \0 iS »7 \ 0 i °Phzo= 8 mm Hg t=1620°C 35.6mmHg t=1620° • ph2o= ^ Ph>0 -8 mm Hg EPZ (ESR) ■ y , I 1 \ 1 4 6 8 10 (% CaO/% SiO2) 20' 40 60 Slika 6 Odvisnost maksimalne topnosti vodika v žlindri s 33 % CaF2 —33% AI203 — 33 °/o CaO od bazičnosti žlindre pri temperaturi 1620 »C. Fig. 6 Relationship betvveen maximum hydrogen so!ubility In 33 % CaF,—33 % A1203—331% CaO slag and slag basicity at 1620 "C PH20 = 8 mm Hg ln 35,6 mm Hg, kar približno ustreza vlažnosti v zimskem in poletnem času. Na sliki 6 je grafično prikazana odvisnost maksimalne vsebnosti vodika (H°) od bazičnosti žlindre pri temperaturi 1620 °C. V diagram smo vrisali tudi praktične rezultate pretaljevanja nizko legiranega jekla pod enako žlindro v kristalizatorju 0 100 milimetrov. Iz dobljenih rezultatov sledi, da se sistem žlin-dra-plinska faza s časom taljenja približuje neki ravnotežni vrednosti. Ta ugotovitev in dejstvo, da obstoja določeno razmerje (koeficient porazdelitve) med vodikom v kovini in žlindri (% H)/% H, ki pri manjših presekih ingota znaša 8—10 in pri večjih prečnih presekih 3,5—4,5, so povsem v soglasju s praktičnimi izkušnjami, kakor tudi z nekaterimi eksperimentalnimi raziskavami drugih avtorjev16-21. Čeprav danes obstajajo nekatere racionalne tehnološke rešitve (uporaba suhega zraka, optimalna izbira EPŽ-žlinder, prepihovanje tekoče žlindre z inertnimi plini itd.), velja zaenkrat še mišljenje, da je kontrola vodika pri EPŽ-postopku dominanten metalurški problem. Slika 7 Obnašanje kisika pri električnem pretaljevanju kvalitetnh jekel pod žlindro Fig. 7 Behaviour of oxygen in electro-slag remelting of quality steels Kisik Za razliko od vodika je kontrola kisika pri izdelav velikih EPŽ-ingotov povsem dognana. Na splošno ugotavljamo, da se vsebnost kisika med pretaljevanjem zniža tudi do 60 % (slika 7). Pri kontroli kisika je pomembno poudariti dejstvo, da je odgor elementov z visoko afiniteto do kisika v tesni zvezi z vsebnostjo kisika v EPŽ-ingotu in oksidne komponente ustreznega elementa v žlindri4'5. Kot primer navajamo odvisnost med kisikom in nekaterimi parametri EPŽ-procesa, ki v celoti potrjuje veljavnost že omenjenega teoretičnega modela. From the results it can be seen that the slag-gas system gradually approaches to a defioife equilibrium value. This finding together with the fact that there is a definite ratio (coeffioient of distribution) between the hydrogen content of metal and slag (% H)/% H vvhich lie within 8—10 and 3.5—4.5 range for ingots of low and high cros-section, respectively is in complete agreement with prac-tical experience as well as with experimental results of other authors16—21. The control of hydro-gen content in metal refined by ESR proces rema-ins to be a principal metallurgical problem in ESR process although some .rational technological measures have been applied, e. g. the selection of optimum slag, the use of inert gasses for blovving out slag, ete. Oxygen For the difference from hydrogen the control of oxygen even in the manufacture of large ESR ingots is completely obtalnable. Generally, it can be said that the oxygen content of metal is decre-ased even by 60 % as seen from fig. 7. As regards the control of oxygen it should be stressed that oxidation losses of the elements with a high affi-nity to oxygen are closely connected to the oxygen content of ESR ingot and the corresponding oxide content of slag4'5. As for instance, dependence of certain parameters of ESR process on the oxygen content can be mentioned vvhich completely con-firms the validity of the theoretical method mentioned. Nitrogen As seen from fig. 3 the nitrogen content of refined metal is normally decreased or remains the same as that in electrode material. At high tempe-ratures nitrogen dissolves in liquid metal and only 0 K) 20 z 30 40 50 5772 80 o Pehlke in Elliott , Schenck, Frohberg h Graf © Maskama in Nakagawe o Saito «Wentrup in Reiff sKootz *Kashyap in Fbrlee vHumbert in Elliott a Eklund » Chipman + Schenck etal Slika 8 Odvisnost koeficienta interakcije dušika v sistemu Fe-X-N od atomskega števila elementa X Fig. 8 Depedence of interaetion coefficient of nitrogen in Fe-X-N system on atomic number of element X iS 3-75 -20 -25 Dušik Kot je pokazano na sliki 3, se vsebnost dušika med pretaljevanjem pod žlindro normalno nekoliko zniža ali ostane enaka vsebnosti elektrodnega materiala. Dušik se pri visokih temperaturah raztaplja v tekoči kovini. V prisotnosti nekaterih ni-tridotvorcev, kot so V, Nb, Ti, Zr, poteka disociaci-ja nitridov le delno (slika 8)22'23. Značilnosti nitridov v primerjavi z oksidi so: a) dokaj visoka gostota: AIN (3,1 g/cm3), TiN (5,2 g/cm3), NbN (8 g/cm3), kar otežkoča proces njihovega prenosa iz kovine v žlindro (asimilacija z žlindro), b) zelo majhne dimenzije (NbN, TiN) ter ugodne strukturne lastnosti (kubična ali tetragonalna oblika), kar je posebej pomembno za modifikacijo nekaterih jekel. in the presence of certain nitride formers like V, Nb, Ti and Zr their dissooiation proceed only partially (fig. 8)22'23. Characteristic features of nitrides as compared to oxides are as follows: a) rather high density: AIN (3.1 g/cm3), TiN (5-2 g/cm3), NbN (8 g/cm3) vvhich hinders their transfer from metal to slag (assimilation by slag), b) very fine size (NbN, TiN) and favorable structure properties (cubic or tetragonal form) vvhich is specially important in the modification of certain steels. When remelting certain tool steels and high-speed steels the additions of nitrogen (e. g. in the form of FeMnN or FeCrN) can be used in order to exert an influence on crystallisation conditions. As for illustration the following results of the modification of high-speed steel can be mentioned: Slika 9 Mikrostruktura brzoreznega jekla S 6-5-2 (M. 2) modificiranega z različnimi variantami (Ti + dušik) Fig. 9 Microstructure of high-speed S 6-5-2 (M. 2) steel modified in different ways (Ti + nitrogen) Chg 69561 Dg - ^ 60mm D j ... 0 VOmrr BRM-2 56 -5-2 Č 7680 Pri pretaljevanju brzoreznih in nekaterih drugih orodnih jekel je mogoče z dodatki dušika (npr. v obliki FeMnN aii FeCrN) vplivati na pogoje kri-stalizacije. V ilustracijo navajamo rezultate modifikacije brzoreznega jekla: S 6-5-2 (M. 2) v treh variantah (slika 9) B.143 Ti dodan v elektrodo v količini 0,1 % B.144 Ti dodan v elektrodo (0,1 %) + dušik v obliki FeCrN (0,03 % N) B.149 Ti dodan v elektrodo (0,1 %) + dušik v obliki FeCrN (0,06 % JM) Na koncu naj omenimo, da poteka intenzivni razvoj osvajanja tehnologije legiranja kvalitetnih jekel z dušikom preko plinske faze pri visokih pritiskih- Ta tehnologija ima veliko perspektivo na področju izdelave nerjavnih jekel24'25. Žveplo Značilno za žveplo je, da se zelo lahko odstranjuje iz tekoče kovine med EPŽ-procesom. Transport žvepla poteka v smeri kovina-žlindra-plinska faza. Simultano poteka proces prenosa kisika iz žlindre v kovino po reakciji: /s/ + (O2-) = /O/ + (S2—), oziroma pri sodelovanju plinske faze /S/ + foJ = /o/ + — s2 l 2 Pri standardni EPŽ praksi je vsebnost kisika pod kontrolo reakcij, ki potekajo med dezoksidan-ti in kisikom, npr.: /Si/ + 2 /O/ = (Si02) Kombinacija reakcij daje splošno reakcijo: /S/+ — 2 O, + /Si/ = (Si02) + - S 6-5-2 (M. 2) Three variants-presented in Fig. 9, B. 143 Ti added to electrode (0.1 °/o). B. 144 0.1 % Ti added to electrode + 0.03 % N added in the form of FeCrN. B. 149 0.1 % Ti added to electrode + 0-06 % N in the form of FeCrN. Finally it should be mentioned that investiga-tions are being undertaken iin the alloying of qua-lity steels by high pressure nitriding. This techno-logy has a great future especially in the manufac-ture of stainless steels24'25. Sulfur Sulfur is very easily removed from liquid metal in ESR proces. The transport of sulfur proceeds in the metal-slag-gas direction. Simultaneously the transport of oxygen from slag to metal proceeds according to the follovving reaction: /s/ + (O2-) = /o/ + (S2-) as well as by reaction vvith gaseous phase: /S/ + O, = /O/ + s. In standard ESR practice the oxygen content is controlled by reactions occuring betvveen oxygen and deoxidizers, as for instance: /Si/ + 2 /O/ = (Si02) By combining the two reactions a general reaction is obtained: /S/+ — 2 O, /Si/ = (Si02) The equilibrium constant of this reaction is: aSi02 /Ps as ~ Slika 10 Obnašanje žvepla pri pretaljevanju nekaterih visoko legi-ranih kvalitetnih jeklih pri konstantni sestavi žlindre in geometriji elektrode in kokile Fig. 10 Behaviour of sulfur in electro-slag remelting of certain high-alloyed steels at the same slag and the same electrode-mould geametry aSi • K V P c From the above equation it follovvs that the degree of desulfuration in ESR process depends on the follovving important parameters: a) the basicity of slag, b) the chemical composition of steel, most of ali the sildcon content of steel, c) the partial pressure of oxygen in atmosphere above the slag. The results of desulfuration of different grades of steel obtained in electro-slag remelting at the same slag and air atmosphere are presented in fig. 101. Ingot dimensions and the fill factor was also the same. It is clearly seen that desulfuration degree actually depends on steel composition, i. e. on oxygen activity of the liquid metal. The influence of slag composition i. e- of the slag basicity ali other parameters being constant is seen in fig. ll17. At the basicity of slag (% CaO)/ /(% Si02) > 3, the ratio betvveen the amounts of sulfur distributed on metal-slag-gaseous phase is practically constant. oziroma ravnotežno konstanto: aSio, ( Ps; asi • K. I P0j as = 1/2 Iz te enačbe sledi, da je stopnja odžveplanja pri EPŽ-postopku odvisna od treh pomembnih parametrov: a) bazičnosti žlindre (vpliv na aktivnost Si02), b) kemične sestave jekla (predvsem vsebnosti silicija v jeklu), c) parcialnega tlaka kisika v zračni atmosferi. Na sliki 10 so ponazorjeni rezultati odprave žvepla pri pretaljevanju različnih kvalitet jekla pri enaki sestavi žlindre in zračni atmosferi1. Tudi dimenzije ingota in polnilni faktor sta bila identična. Iz teh rezultatov sledi, da je stopnja razžve-planja dejansko funkcija sestave jekla, oziroma aktivnosti kisika v tekoči kovini. Vpliv sestave žlindre, oz. bazičnosti žlindre pri vseh ostalih konstantnih parametrih kaže slika ll17. Pri bazičnosti žlindre ■(% CaO)/(% Si02)> > 3 je razmerje med količino žvepla, ki se porazdeli med kovino-žlindro-plinsko fazo, skoraj konstantno. Slika 11 Porazdelitev žvepla med kovino-žlindro-plinsko fazo med pretaljevanjem nizko legiranega jekla. S,, (S), SG in SE so vsebnost žvepla v ingotu, žlindri, plinski fazi in elektrodi Fig. 11 Distribution of sulfur between metal-slag-gas plases in remelting of low alloyed steel. S,, (S), SG, SE — sulfur content of ingot, slag, gaseous phase and electrode, respectively Aluminij Dosedanje praktične izkušnje pri pretaljevanju konstrukcijskih jekel, posebej velikih kovaških ingotov, so pokazale, da je kontrola aluminija pri EPž-ingotih zelo dominanten metalurški problem4'5-6. 16. Pri standardni praksi, tj. uporabi žlinder z visoko vsebnostjo A1203 in kontinuirani dez-oksidaciji žlindre z AL se opaža padec vsebnosti Al od noge proti glavi ingota11-16. Slika 12 kaže spremembo vsebnosti aluminija A1e-AIj (E = elektroda, I = ingot) z višino ingota pri različnih izhodnih aluminijih v elektrodi11. Aluminium Practical experience obtained to the present in electro-slag remelting of structural steels, specially heavy forge ingots has shown that the control of aluminium content in ESR ingots is a dominant metallurgical problem4- 5. 6,16 jn standard practice i. e. when using slag with a high A1203 content and at continuous deoxidation of slag with Al additions a decrease in the aluminium content of ingot has been observed in Ieg-head direction11-16. 0.05 t O.Oi I ? 0.03 0,02 in 0,01 <1 io ■51 hi 0,01 0,02 0,03 Ž? -g t & a 3 "t Ak-l 206% o D O 1 , , o-- r~ u ,oom / o / t 10 20 30 -.0 50 60 Hj 1%) — 70 80 90 100 Slika 12 Spremembe vsebnosti aluminija A1E - Al, (E = elektroda, X = ingot) z višino ingota pri različnih vsebnostih aluminija v izhodni elektrodi " Fig. 12 Difference in aluminium content of electrode and ingot Alg—Alr in depedence from ingot heigth at various initial aluminium content of electrode" The difference in the aluminium content of electrode and ingot A1E — Alx (E — electrode, I — ingot) in dependence on ingot heigth at diffe-rent initial aluminium content of electrode is pre-sented in fig. 12". A part of aluminium added to slag (approxima-tely 15 %) is transfered to metal which makes it possibble to control the aluminium content of obtained ingot5. Slag composition exerts much higher influence on the aluminium content of ESR ingot. Due to the complexity and high research costs a theore-tical model has been developed which together with the use of a mini-computer makes it possible to estimate the influence of various parameters. The results of the investigations of this type in comparison with practical results obtained in electro slag remelting of a series of structural steels in laboratory and industrial conditions are given in fig. 135-15. Titanium The behaviour of titanium in ESR proces is rather similar to that of silicon- Its control is spe-cially problematic in stainless steels with about 0.6 % Ti and up to 0.1 % Al26. The control of titanium is very important in refining maraging steels and certain super-alloys. dE =80 mm Dx=180mm j H2- 100mm 4 Pri dodatku Al v žlindro del tega (okoli 15 %) prehaja v kovino in na ta način lahko vpliva na vsebnost Al v pretaljenem ingotu5. Neprimerno večji vpliv na vsebnost aluminija v EPŽ-ingotu ima sestava žlindre. Zaradi kompleksnosti in dokaj visokih raziskovalnih stroškov takih raziskav smo razvili teoretični model, ki omogoča z uporabo mini-računalnika oceniti vplive različnih parametrov. Na sliki 13 smo prikazali rezultate tovrstnih raziskav in jih primerjali s praktičnimi podatki pri pretaljevanju konstrukcijskih jekel v laboratorijskih in industrijskih pogojih5-15. a / '/.CaO i__ { V.Si02 J / s A / tO 15 20 25 30 35 C/.AI203)-- 02 o.i o.6 ae to 1.2 ■/.Sle —- t ■o .02 10 -02 -O.i • 0.6 •OA '02 tO S -n2 / / 1600 1700 ico- Slika 13 Vpliv različnih tehnoloških parametrov na vsebnost aluminija pri EPŽ-postopku Fig. 13 Influence of various technological parameters on alumi-nium content of steel in ESR proces Titan Obnašanje titana pri EPŽ-postopku je dokaj podobno obnašanju silicija. Njegova kontrola je posebej problematična pri pretaljevanju nerjavnih jekel z vsebnostjo titana okoli 0,6 % in aluminija, nižjega od 0,1 %26. Tudi pri pretaljevanju maraging jekel in nekaterih superzlitin je kontrola titana velikega pomena. Naše izkušnje se nanašajo na pretaljevanje nerjavnih jekel tipa AISI321 in različnih kvalitet maraging jekel5-15. Na sliki 14 je prikazana odvisnost med aluminijem in titanom za nekatera ma- ° Fontaine S Patmer Avtor. Author (1975) Teoretično. Theory '0%CaF,*20'AAbQ->* IPV.TiO, CaF2 -AI2O3 -Ti02 3Ti+2(Al203)=4AL*(Ti02) W/3=V.n .^.Sko!. I0JJF * 3.197. aJi02 u0 Q2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1.4 1,6 'AU. Slika 14 Odvisnost med aluminijem in titanom pri pretaljevanju maraging jekel vrste 18 NiCoMo Fig. 14 Relationship betvveen aluminium and titanium in electro-slag remelting of maraging 18 NiCoMo steel Our experience concerns electro slag remelting of Al SI 321 steel an d different grades of maraging steel. The relationship betvveen aluminium and titanium in maraging steel of 18 NiCoMo type is presented in fig. 14. The relationship has been calculated on the basis of the theoretical model and then compared to practically obtained data. A detailed deseription of these investigations has already been published5-15. Other elements A general review of the behaviour of other elements during electro-slag remelting can be seen in fig. 3. Practical experience obtained to the present has shovvn that the control of a majority of resi-duals sueh as Pb, As, Sb, Sn, Cu,... is not neces-sary if the slag composition is maintained within definite specified limits. Although producers of ESR-slag give certain specifiaations for particular elements these infor-mations are deficient and inaccurate- As for instance the following table 1 presents a specifi-cation of the standard ESR slag of CaF,-Al203-Ca0 type6. Lead In electro-slag remelting of steel and super-alloys lead is reduced and transfered to gaseous atmosphere in the form of vapour. Therefore PbO content is limited to 0.02 % maximum. Arsenic According to the thermodynamic stability of arsenic oxides arsenic starts to reduce after the melting of slag and leaves the melt .in the form of As and As203 vapour6. Generally speaking there is only a few data on the behaviour of arsenic. raging jekla, vrste 18NiCoMo. Odvisnosti so izpeljane na osnovi teoretičnega modela in nato primerjane s praktičnimi podatki. Obširno so te raziskave opisane v literaturi5-15. Ostali elementi Splošni pregled o obnašanju ostalih elementov pri EPŽ-procesu je razviden iz slike 3. Dosedanje praktične izkušnje so pokazale, da kontrola večine rezidualnih elementov, kot so: Pb, As, Sb, Sn, Cu ni potrebna, če sestavo žlindre ohranimo v določenih, predpisanih mejah- Čeprav proizvajalci EPŽ-žlinder navajajo določene specifikacije za posamezne elemente, so te informacije pomanjkljive in premalo precizne. Kot primer navajamo nekatere specifikacije za standardno EPŽ-žlindro, tipa CaF2-Al203-Ca06. (Tabela 1) Tabela 1: Nečistoče v EPŽ-ilindrah Table 1: Impurities in ESR slags Nečistoča Impurity C 0,03 p 0,005 S 0,02 PbO 0,02 Si203 0,002 Na,0 + K20 0,20 FeO 0,20 MnO 0,20 MgO 0,20 Svinec Med pretaljevanjem jekel in superzlitin se svinec reducira in v obliki pare zapušča žlindro, oziroma prehaja v plinsko atmosfero. Zato je vsebnost PbO omejena na maksimalno vrednost 0,02 % PbO. Arzen Sodeč po termodinamični stabilnosti njegovih oksidov, se ta takoj, ko je žlindra raztaljena, začne reducirati in zapušča žlindro kot As ali As203 — — pare6. Na splošno o njegovem obnašanju ni veliko podatkov. Fosfor Pri standardni EPŽ-praksi niso dani pogoji za odpravo fosforja, ker je oksidacijski potencial žlindre zelo nizek. V literaturi obstaja nekaj po- Phosphorus In standard ESR practice dephosphorization is not possible due to a very low oxidation potential of ESR slag. Hovvever, certain data have been published on dephosphorization in electro-slag re-melting obtained by the use od CaF2-CaO slag with a high FeO and low Si02 content. Carbon The control of carbon represents no problem in electro slag remelting of steels with carbon content over 0.1 %. Hovvever, certain measures have to be taken to assure a low carbon content of slag vvhen remetling steel with a low carbon content (e.g. stainless steels with carbon content below 0.04 %) and specially in the čase of super alloys. It has been determined that carbon present in slag can be easily transported to metal during remelting. This transport of carbon probably proceeds by diffusion of carbide ions vvhich are subsequently oxidised to carbon- CONCLUSIONS The presented review of the behaviour of elements in electro-slag remelting of quality steels and superalloys can not be considered as comple-te, hovvever it offers certain informations and suggestions vvhich can help to better under-standing of the problem vvhich has become very actual due to the introduction of computer control of ESR proces. Generally, it can be stated that there is a serio-us deficiency in the data on the behaviour of par-ticulate elements during electro-slag remelting. Data on high-temperature thermochemistry of ESR-slags are also lacking. As a result of such situ-ation ERS-practice is stili based on empyrical work in a higher extent than on corresponding theoretical models, vvhich help to deepen our knovvledge and represent much better basis for the introduction of computer control of ESR proces5'15. Literatura — References 1. B. Koroušič: Želez, zbornik 7, št. 1 (1973), 23—29. 2. W. Holzgruber, M. Kroneis, A. Schneidhofer: In Proc. Second International Symposium on Electroslag and Other Special Melting Technologies, Vol. I. Pittsburgh: Mellon Institute, 1969. 3. W. Holzgruber, E. Ploeckinger: Stahl u. Eisen 88 12 (1968), 638-48. 4. B. Koroušič: Berg- und Huttenmannische Monatshefte J. 122, H. 7 (1977), 287—291. 5. B. Koroušič, W, Holzgruber: BHM. J. 123, H 1 (1978) 17-22. 6. R. H. Nafzieger et al: The electroslag melting process, U. S. Bureau of Mineš, Bulletin 669 ,(1976). 7. W. Holzgruber: Paper No. 139 presented at Electro-Heat Conference, Brighton, England, 1968. 8. A. Choudhury, R. Jauch, H. Hinze, H. Scheidig: Proc. Third International Sjtmiposium on Electroslag and Other Special iMelting Technology, Vol. II, p. 159. Pittsburgh: Mellon Institute, 1971. datkov o odpravi fosforja pri EPŽ-postopku z uporabo žlinder CaF2-CaO z visoko vsebnostjo FeO in nizko vsebnostjo Si02. Ogljik Pri pretaljevanju jekel z vsebnostjo ogljika nad 0,1 % ni problematična njegova kontrola. Toda pri pretaljevanju jekel z nizko vsebnostjo ogljika (npr. nerjavnega jekla z vsebnostjo ogljika pod 0,04 %), in posebej pri pretaljevanju superzlitin, so potrebni določeni ukrepi, da je vsebnost ogljika v žlindri nizka. Ugotovljeno je, da ogljik, ki je prisoten v žlindri, dokaj lahko prehaja v kovino med procesom pretaljevanja. Transport ogljika verjetno poteka preko karbidnih ionov, ki se nato oksi-dirajo v ogljik. ZAKLJUČKI Opisani pregled o obnašanju elementov pri elektrožlindrnem postopku pretaljevanja kvalitetnih jekel in superzlitin ne predstavlja zaokroženo celoto. Toda nadejamo se, da daje informacije in sugestije, ki naj bi vodile do boljšega razumevanja problema, ki je danes z uvajanjem računalniškega vodenja EPŽ-procesa postal zelo aktualen- Na splošno lahko ugotovimo, da so informacije o obnašanju posameznih elementov, predvsem pa o termokemiji Epž-žlinder pri visokih temperaturah zelo pomanjkljive. Posledica tega stanja je, da se praksa še vedno opira bolj na empirične izkušnje in znatno manj na teoretične modele, ki omogočajo poglobitev znanja, predvsem pa nudijo boljšo osnovo za računalniško vodenje procesa rafinacije. 9. M. VVahlster, R. Schumann: In Proc. Fourth International Symposium on Electroslag Remelting Processes, pp. 337—45. Tokyo: The Iron and Steel Institute of Japan, 1973. 10. B. Koroušič: Železarski zbornik 2 (1974), 89—99. 11. H. Kajioka, K. Yamaguchi, N. Sato, K. Soejima, S. Sakaguchi: In Proc. Fourth International Symposium on Electroslag Remelting Processes, pp. 102—14. Tokyo: The Iron and Steel Institute of Japan, 1973. 12. F. A. Kirk: Recent Developments in Tool Steels, Part 2. The Electroslag Process. Steel Times, v. 192, No. 2, February 1969, pp. 87—90. 13. C. F. Knights, R. Perkins: In Electroslag Refining London. The Iron and Steel Institute (1973). 14. M. M. Klyuey, A. E. KablukOvskii: (Metallurgy of Electroslag Remelting). Metallurgia, Mosoow, 1969, 256 pp. 15. B. Koroušič: Congres International sur la Physico-Chimie de la fonte et de 1'acier Versailles (1978). 16. H. Jager, G. Kiihnelt: Berg- und Hiittenmann. Monats-hefte 120 J. H. 9 (1975) S. 423—429. 17. B. Koroušič: Poročilo Metalurškega inštituta v Ljubljani, Nal. 720 (1979) 18. W. Holzgruber, A. Schneidhofer, L. Jiiger: International Symposium of Special Electro-Metallurgy, Kiev, 1972. 19. B. I. Medovar, V. L. Artamanov in ostali: International Symposium of Special Electro Metallurgy, Kiev, 1972. 20. Ju. V. Lataš, B. I. Medovar: »Elektrošlakovi pereplav«, Metallurgija (Moskva), 1970, 29. 21. Y. Nakamura, K. Haroshima: 92nd Meeting of ISIJ, Oct. 2—4 (1976) Sendai. 22. C. Gatellier, M. Olette: Revue de Metallurgie — Juin (1979) s. 377—386. 23. K. Narita: Trans. ISIJ. Vol. 15 (1975) S. 145—152. 23a. B. Koroušič, F. Vodopivec, J. Rodič, A. Rodič, J. Pše-ničnik: Žel. zbornik 12, št. 3 (1978), 87—97. 24. Ch. Kubisch, W. Holzgruber: In Proc. Third International Svmposium on Electroslag and Other Special Malting Technology, Vol. III. pp. 267—84. Pittsburgh: Mellon Institute, 1971. 25. W. Holzgruber: Personal Communication. 26. I. Kašik, I. Petrman: Proc. 2th Czechoslovak — Japa-nese yoint symp. on metallurgical problems of nuclear power equipment production (1979).