大型锻造用电渣重熔锭的冶炼工艺

大型锻造用电渣重熔锭的冶炼工艺天津赛瑞机器设备有限公司闫崇榜林军福王刚刘元飞158********yanchongbang@摘要：结合大型筒形锻件产品的使用环境和技术条件，对大型电渣锭的电渣重熔工艺的编制进行了讨论。

重点阐述了三相电渣炉生产大型电渣锭时，工艺参数的设定原则和经验，并结合生产产品的生产技术指标对工艺的合理性进行了评价。

为今后此类产品的生产积累了经验。

关键词：筒形锻件大型电渣锭三相电渣炉工艺参数The Process of ESR Large Ingot with ForgingTianjin SERI Machinery Equipment Corporation LimitedYAN Chong-bang,LIN Jun-fu,WANG Gang and LIU Yuan-feiAbstract:The use of environmental and technical conditions of this combination of large tubular forgings products,preparation of large ESR ingot electroslag remelting process was discussed.Focuses on the production of large three-phase electroslag ingot,setting principle and experience of process parameters,Combined with the production index of the production technology products of technology rationality was evaluated.Accumulate experience for future production of such products.Key words:Cylinder forging；Large electroslag remelting ingot；Three-phase electroslag furnace;process parameters1引言电渣重熔在中型及大型锻件生产中，处于优势地位[1]。

随着国内大锻件生产能力的逐步增强，市场对电渣重熔锻件的需求量也逐渐增大。

在各种大型设备上，凡是较为关键的部件或主要受力部件都会采用大型锻件，复杂恶劣的工作环境，要求其必须拥有可靠性及安全性等特点，这也决定了大型锻件必须有着过硬的机械性能和超声波探伤等质量指标。

为了满足这些指标，又畏于大型铸锭的缩孔、疏松、偏析、夹杂物聚集等冶金缺陷，大多数厂家会选用电渣重熔锭作为原材料进行生产。

本文所述的大型电渣锭用于一种筒类锻件的生产，该锻件将用于一种大型挤压机，并且是该挤压机的关键部件。

该产品生产难度较大，国内关于大型电渣锭的生产经验较少，本文结合了我公司生产设备情况、工件技术要求和生产技术指标等数据，对电渣重熔工艺的编制过程及工艺合理性进行了讨论。

2生产设备简介在设计电渣重熔车间时，会根据产品大纲选择适当的炉型，实践证明了三相电渣炉生产较大型及大型电渣锭的可行性和可靠性[2]。

我公司的40t三相双支臂交替式电渣炉（下文简称40t炉）。

其变压器额定功率4500kVA，一次电压10kV，二次电压50-80V，二次电流3×18750A，单支臂承重3×5t=15t，电极行程4500mm，夹持电极最大长度6500mm。

该电渣炉采用三相供电制、双支臂结构，滚珠丝杠传动。

每个支臂每次可装卡三支电极，双支臂交替炼钢，三支电极的极心圆大小可调。

控制系统采用计算机自动化控制系统，可实现自动控制和手动控制。

交换电极采用人工手动操纵，变压器为三相有载有级调压。

可采用直径范围Φ1000~Φ1400的结晶器，生产8~42.5t电渣锭。

图1为40t 炉生产过程照片。

图140t电渣炉生产过程照片3产品技术要求该产品将用于大型挤压机的挤压筒，挤压筒是挤压机设备中的一个重要组成部分，其在作业时需要承受高温、高压、高摩擦的作用，工作条件十分恶劣[3]。

为了延长该挤压筒的使用寿命，减少工具损耗、降低生产成本，对此锻件提出了化学成分、非金属夹杂物、探伤、机械性能等方面的要求，在编制电渣重熔工艺时应充分考虑。

3.1产品的锻件草图产品锻件草图如图2，在编制锻造工艺过程中，通过锻件草图，并考虑锻比、钢锭的成材率等，给出所需电渣锭的尺寸及重量。

图2产品锻件草图3.2钢牌号化学成分要求本筒体锻件所选用的材质为5CrNiMo其化学成分范围为C：0.5-0.60；Si≦0.40；Mn：0.50-0.80；P≦0.015；S≦0.012；Cr0.50-0.80；Ni1.40-1.80；Mo：0.15-0.303.3非金属夹杂物要求该产品的技术要求中要求，锻件非金属夹杂物按GB10561-ASTM评级图评定，A、B、C、D类夹杂物均不大于2级。

3.4超声波探伤要求超声波探伤指标是电渣重熔过程控制的重点和难点，本文所述锻件产品的探伤要求如下：超声波的起始灵敏度按GB11880-89中的4.7条规定执行，并且满足：（1）锻件允许存在个别的、分散的、不大于当量直径Φ2mm的冶金缺陷。

（2）在100cm2的面积内，当量直径Φ2~4的冶金缺陷不得超过3个，其中当量直径Φ3~Φ4的冶金缺陷只允许有1个。

（3）允许有2~4个小于当量直径Φ2mm的冶金缺陷密集区，但每区不得超过10cm3，每区之间距不得小于150mm。

要满足上述的探伤要求，编制电渣重熔工艺时，必须着重考虑冶炼过程的稳定。

3.5力学性能要求需要经过电渣重熔的产品，力学性能要求一般都较为严格，此筒体也不例外，其技术条件中要求的力学性能要求为σb≧1000MPa；σ0.2≧900MPa；δ≧12%；Ψ≧40%；AKV≧20J；硬度294HB~332HB。

虽然电渣产品具有金属纯净、组织致密、成分均匀等特点，但是随着电渣锭型的不断增大，上述指标也会随之恶化，尤其是钢锭本身的“偏析”会对产品的塑性造成很大影响。

所以为了满足产品的技术要求，采用合理电渣重熔工艺起着关键性的作用。

3.6其他技术要求除上述指标外，该产品对锻件的锻比、晶粒度、磁粉检验、及尺寸外观检验等，也有着明确的要求，由于上述指标受电渣重熔工艺影响不大，此处暂不做讨论。

4电渣重熔工艺的制定目前，国内三相电渣炉较少，相关的生产经验数据很少，只有东北特钢等少数企业拥有三相电渣炉，且暂未总结出适用性较强的经验公式。

编制工艺时，只能通过与相关技术人员进行交流与平时生产经验的总结相结合，来确定工艺参数。

4.1结晶器与自耗电极的选用4.1.1结晶器的选用根据用户提出的产品尺寸来确定结晶器尺寸，这是选择基本控制参数的前提[1]。

根据我公司现有设备情况，决定选用Φ1350mm/1400mm×4150mm结晶器进行冶炼。

4.1.2自耗电极的选用自耗电极对整个电渣重熔过程和电渣产品的质量起着至关重要的作用，我公司所用自耗电极需外购，为了满足产品的技术要求，控制自耗电极的质量，对电渣重熔过程也是极为重要的。

自耗电极的采购技术协议中，规定了自耗电极的冶炼方法、化学成分、表面质量、低倍、气体含量、交货状态和硬度等要求。

除内在质量外，自耗电极的尺寸要经过计算。

其计算方式如下：（1）自耗电极直径的确定：单相电渣炉的自耗电极的直径，一般是根据填充比或填充系数确定，而三相电渣炉除考虑填充系数外还应考虑炉台的极心圆大小等因素。

在选用三相电渣炉使用电极坯料直径的时候主要考虑因素有，第一，填充系数不应过小，否则重熔过程不能正常进行。

我厂三相电渣炉在选择填充系数时一般在0.25±0.05。

第二，电极尺寸不能过大，否则电极无法进入。

图3自耗电极摆布示意图如图3，图中所示ΦW表示电极极心圆，ΦD1、D2分别表示结晶器的上、下口直径，Φd1、Φd2是电极坯可以选择的尺寸范围，δ标示安全间隙，三相电渣炉的安全间隙可与单相电渣炉相同。

我厂一般选择在大于等于100mm。

（2）自耗电极长度的选择双臂交替式电渣炉对自耗电极的长度要求并不严格。

确定自耗电极的长度是该考虑到设备的承载能力，原则上为了提高金属收得率，自耗电极的长度越长越好。

而且受三相电渣炉填充系数较小的影响，如果自耗电极过短可能造成一次熔化不完全的现象，从而增加交换电极次数，影响电渣重熔过程稳定性，并且造成热量浪费。

我公司受自耗电极来料所限，此工艺选择的电极坯料为模铸坯，故自耗电极的长度为模铸坯的锭身长度。

4.2工艺渣系的选用与渣量的确定电渣重熔渣系、配比和渣量的选择对电渣钢的冶金质量、熔炼技术经济指标以及环境保护具有重大的影响[1]。

综合考虑钢中合金元素的烧损、气体的去除、有害元素的去除、夹杂物的去除等方面，从而确定电渣工艺的渣制度。

4.2.1渣系的选择我公司常用渣系有二元渣系、三元渣系、五元渣系等。

本产品采用的钢种为5CrNiMo，其熔点大约在1475℃~1490℃范围内，除Si元素烧损较为严重以外，其余元素重熔前后均不会有明显变化，渣料方面无需考虑特殊控制。

故采用上述三种渣系均可，但因考虑到冶炼过程的稳定性和经济性，决定选用65F/0/5/30三元渣系。

4.2.2渣量的确定渣量的大小实际上是作为炉渣电阻大小的标志，它对于产品质量和冶金效率都有影响[1]综合考虑电渣冶炼过程的稳定性、经济型及可操作性，选择合适的渣高通过下式进行计算。

2G D H 4πρ 结渣渣渣式中G 渣——渣总量，kgD 结——结晶器截面尺寸，mmH 渣——渣池的高度，mm 经验参数ρ渣——渣料的密度，约2.5/g·cm -3应注意电渣锭尺寸的不同、高度不同，渣皮造成的渣池损耗有所差异，故设计渣量时应予以考。

4.2.3渣料的烘烤为了防止钢在电渣冶炼过程中增气，主要是防止增氢，电渣重熔所用的渣料，必须入电阻炉烘烤，在800℃保温至少8小时后随用随取。

4.3熔化速率电渣重熔的熔化速率是电渣制度综合表征函数，根据我公司的生产经验，合理的熔速对产品的内在质量控制起着决定性作用，大量的生产实践证明，熔速对产品的机械性能指标、探伤指标、偏析程度有很大影响。

综合产品技术要求及我公司的生产经验，熔化速率要求计算如下：V 熔=（0.75）D 结±30kg 。

4.4冶炼电制度结合结晶器尺寸、电极坯料填充系数等参数，考虑满足相应的熔速要求，冶炼电压电压范围应在40V~65V ，设定电压50~70V 。

冶炼电流1.3KA~1.5KA ，冶炼过程中需要实时监控熔化速度，根据熔速要求适时对电力制度进行调整。