姜周华教授——电渣冶金的最新进展与发展展望2014-姜周华

2、电渣冶金技术的最新进展

电渣液态浇注技术
板坯电渣重熔技术 电渣重熔管坯/空心锭 节能型电渣炉及工艺技术
2.1 液态电渣浇注技术
图2.1 电渣液态浇注技术示意图:(a)浇注复合轧辊；(b)浇注空心锭；(c)浇注实心锭
液态电渣连铸技术原理和试验
ESR LM Hollows of HASTELLOY G-50
δ－空心
ESS LM for INGOT ENLARGEMENT
а — ESR ingot manufacture for enlargement; б — ESR surfacing by liquid metal of same chemistry; в —second ESR surfacing by liquid metal 1 — liquid metal; 2 — current supplying mold; 3 — liqiud slag; 4 — liquid metal pool; 5 — ingot; 6 — surfaced layer.


适当提高熔化速度
电极插入深度和渣阻控制
工艺参数的优化匹配
3、展望

导电结晶器技术——第三代电渣冶金技术的基础 基于导电结晶器的百多级以上电渣锭的生产技术 基于导电结晶器的双金属汽轮机转子


基于导电结晶器的空心锭重熔技术
新一代电渣液态浇注技术——生产大型空心锭和
特大型电渣锭
大型电渣锭凝固质量控制困难
交换电极8分钟后金属熔池形状对比 （ Ф1800mm模拟结果）
双电源＋导电结晶 器新电渣工艺：
不断电交换电极，保证 连接部位钢锭表面和内 部质量！
A-传统电渣炉；
B-导电结晶器（45.7%的结晶器电流）
焊接法生产汽轮机复合转子
12%Cr+ 30Cr2MoV (650℃)
高温合金+ 合金钢 (700-750℃)
液面检测与自动控制
双电源导电结晶器抽锭式空心锭专用电渣炉
电渣重熔空心锭生产工艺原理
化渣
电极准备
浇渣
重熔
空心电渣钢锭的生产过程
重熔过程
引锭机构
管坯抽锭过程
外径650mm/内径450mm长6000mm
空心电渣锭外观质量
优异的表面质量
空心电渣锭内部质量
致密的低倍组织
横向
纵向
电渣重熔空心锭热试车(900/500mm)
特殊钢先进冶金工艺与装备教育部工程研究中心
Northeastern University
电渣冶金的最新进展与展望
姜周华 东北大学 2014年9月18日
2014年特钢学术交流会 ，2014.9.17-9.20，天津
内 容

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历史的回顾 电渣冶金技术的最新进展
电渣液态浇注技术
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板坯电渣重熔技术
钢或铜）

渣池和金属熔池电流分布均匀，凝固的不对称 性程度轻，凝固均匀性好
双极串联有如下优点
(1)由于网络磁场相互抵消，短网感抗减小，功率因数可提 高到0.9左右； (2)与单相单极电极比较，渣池电压可提高0.3-1倍，在同样 功率前提下电流减少0.3-1倍，短网有功消耗减少，因此 电耗可以大幅度减低； (3)由于电流在渣池中的路径发生了变化，渣池向金属熔池 的传热量显著减少，因此在保证相同金属熔池深度的条件 下，可提高熔化率1/3～2/3； (4)可以使用各种组合形式的重熔电极。
Products WILL BE DONE!!!



Solid ingot: min Ø1400x5000 mm, max Ø3200x4750 - up to 300 t Hollow ingot: min Ø1400/Ø1200x5000-16 t, max Ø3200/Ø2000(2400)x5000 -up to 192 t Rolls: min Ø1800xbarrel 2500 mm, max Ø2400x46300 - up to 250
电渣重熔管坯/空心锭 节能型电渣炉及工艺技术

前景展望
1、历史的回顾
Borys E. Paton院士
Borys I. Medovar院士
29/03/1916-19/03/2000
第一个电渣锭诞生——距今62周年
B.E. Paton, B.I. Medovar, 1952: first ESR ingot at PWI
我国电渣装备和工艺现状

大多数电渣炉仍然是上世纪60-70炉型，虽然控制系统很多 采用了计算机控制，但没有形成工艺闭环控制
近年来，宝钢特钢、新冶钢、东北特钢（大连和抚顺）、 攀长钢等骨干企业引进了国外先进的电渣炉，尤其是东特 大连基地引进了100吨特大型电渣炉 唐山志威、中航上大等新的特冶企业新建先进的电渣炉 国内一些单位也开始研制开发和推广第二代电渣炉 大型锻件和特厚板需求（火电、核电和石化等）刺激了大 型和特大型电渣炉的建设：现有100吨级以上电渣炉5台， 正在或拟建若干台，要防止过热！
低频电源的优点
来自百度文库

三相供电平衡 感抗显著减少：对于电感为L的电路，流 过频率为f的交流电时，其电抗值 X=2πfL；频率f越高，则电抗X越大。 如果用5Hz的频率，意味着电抗是工频的 1/10。 功率因素提高； 节电20－30％。
提高热效率的措施

采用比电阻高的渣系 降低渣帽高度 提高充填比
2.3 电渣重熔空心锭——原理
（ a）
（ b）
（c）
国外几种电渣生产管坯的方法的原理
2.3 电渣重熔空心锭——产品
电渣重熔管坯产品
25t管坯电渣炉

最大钢锭尺寸 Ф1100×6000mm

空心锭和实心锭两种锭型
双电源 结晶器导电 车载式电极升降机构 不断电交换电极 T型结晶器 抽锭式
900mm/500mm，P91厚壁管（长度3.5m）
2.4 节能型电渣炉及技术
提高电效率的措施

优化短网设计，降低短网损失 平行布置：双极串联 同轴导电 低频供电


减少涡流损失
确定合理的工作点：输入渣池功率最大化（提高渣池 电压，降低重熔电流）
电渣炉短网布置
电渣炉电气原理图
电渣炉电气特性曲线
双极串联的电极布置
矩形电渣锭电极布置示意图 1-自耗电极；2-结晶器
圆形结晶器双电极布置
应用情况


双极串联电渣炉在上世纪60年代前苏联的乌克兰就已经发明，在上世 纪70年代被广泛使用，并推广到欧美和日本等国家。 我国在上世纪80年代也开始采用双极串联电渣炉，如本钢的1.5吨，太 钢的10吨。在90年代，河北冶金研究所有多台1-3吨的电渣炉采用双 极串联形式用于高速工具钢的生产，取得了很好的效果。重熔电耗比 传统电渣炉降低10-30%，达到1200kWh/t以下。近几年江苏天工 集团也采用类似的电渣炉生产高速工具钢，电耗最低达到1000kWh/t 以下。长城特钢在1998年新建了一台5吨双极串联电渣炉，主要用于 模具钢的生产，在保证产品质量的前提下，比原来的单相交流单电极 电渣炉降低电耗500kWh/t。 近年来，东北大学为四川光汉民顺特钢公司新建了1台5吨双极串联电 渣炉，投产后节电效果也十分明显，电耗在1100kWh/t以下。东大又 为舞阳钢铁有限公司和鄂钢分别设计了3台40吨和2台20吨的大型板坯 电渣炉也采用了双极串联方式 。
我国电渣生产现状






电渣炉数量和产量世界第一，＞1000台，年产能＞200万吨 骨干企业（特钢）：东北特钢、宝钢特钢、攀长钢、西宁 特钢、新冶钢、太钢和中原特钢等 最大电渣炉：上重200吨、450吨 中钢邢机——我国最大冷轧辊电渣钢的生产基地 通裕重工、台海玛努尔——民营企业大型电渣产品的代表 高速钢：河冶科技、天工集团等一大批企业普遍采用小型 电渣炉生产 模具钢：骨干特钢企业和多达上百家民营企业采用电渣重 熔工艺生产 沈铸所：电渣熔铸的典型代表（叶片和导叶）
A-传统电渣炉； B-导电结晶器（45.7%的结晶器电流） 120吨电渣锭Ф1800mm金属熔池形状的对比（模拟结果）
对比试验：Ф750mm普通电渣锭的表面质量
A 普通电渣炉重熔的钢锭
双电源、Ф750mm导电结晶器电渣锭重熔试 验——表面质量
A 普通电渣炉重熔的钢锭
B 双电源导电结晶器重熔的钢锭

当钢锭逐渐变大时，冷却水离锭中心 钢水越来越远，中心冷却速度越来越 慢，电渣重熔的本质或者说优点逐渐 消失
例如，电渣锭直径1800mm，今后可 能超过2000mm，其凝固质量控制难 度大，特别是生产12%Cr高合金钢， 容易出现普通钢锭那样的凝固缺陷， 如偏析、缩松，甚至缩孔等。

传统电渣工艺：内 部质量和表面质量 是矛盾的！
双电源+导电结晶器交换电极焊接双金属复 合转子
1 4 2 5 6
7
3
优点：过渡区非常窄；而传统ESR过渡区太宽
电渣重熔空心锭
双电源＋导电结晶器 新电渣工艺：
可以实现空心锭生产！
空心锭凝固质量水平与 直径与壁厚尺寸相同的小 尺寸电渣锭相同！
与径锻机配合生产大口 径厚壁管，质量高、成本 低
α－实心；
ESR TC双电源回路＋导电结晶器
内部质量和表面质量的统一！
ESR
1 4 2 5 6
ESR TC
7
3
熔池形状变成浅平，凝固方向趋于轴向，有利于减少凝固偏析、缩松 和缩孔等凝固缺陷，特别适合于高温合金等易偏析品种的生产
双电源回路＋导电结晶器
双电源＋导电结晶 器新电渣工艺：
内部质量和表面质量的 统一！
传统电渣炉短网设计的缺点
感抗损失与回路面积成正比-损耗大
重熔过程感抗不断下降 与周围铁磁体涡流损失
传统电渣短网连接示意图
短网同轴布置电渣炉
同轴导电布置的优点

感抗损失小，功率因素高； 磁场外泄少，对周围铁磁体的感应加热大幅度 减少，电耗降低显著（但是要求在磁场包围的
区域内金属构件必须采用不导磁的奥氏体不锈
液态电渣浇注高速钢复合轧辊
Macrostructure of ESS LM HSS Roll billet
D 740mm
2.2 特厚板坯电渣重熔技术
可焊性良好 焊缝热影响区小 简化热处理 锭组织致密 成分均匀、 加工塑性良好、 加工压缩比更小
低温抗冷脆性
优越性
省去开坯工序 减少锻压比、 节省工时
板坯电渣炉车间（3台40－50吨）
生产过程
40吨尺寸为950×2000×2800mm电渣板坯
鄂钢 20t(40t)板坯电渣炉
板坯电渣重熔原理图
2.3 电渣重熔空心锭——需求




随着核电、火电、水电、石化等的迅速发展，对筒形大锻 件的尺寸要求越来越大、对质量要求越来越高 厚壁管，特别是中、大口径（外径400mm～1000mm，壁厚 25～80mm）无缝厚壁管、特厚壁管的需求也不断增加 传统筒形大锻件都是采用普通实心铸锭进行空心锻件的生 产，其缺点：冲孔工序造成大量的材料浪费；多次加热， 多工序变形，容易改变钢锭内部组织结构，影响产品质量； 难于加工超大型锻件，不易保证产品的精度和材质的均匀 性。 用空心钢锭生产大型筒体锻件可节约材料费15%、加热费 50％、锻造费30%
1952年乌克兰巴顿电焊研究所巴顿和米多瓦尔院士在实验室 试制了第一个不锈钢电渣锭
ESR: 发展历程的简要回顾


1952-1958: 乌克兰实验室研究 1958: 在前苏联工业化，中国试制第一个电渣炉 1960：中国第一台工业电渣炉诞生 1962：中国有衬电渣炉工业化——液态金属电渣 1963: 开始在西方国家工业化 1967: 召开第一国际会议 1970-1980: 在全世界推广应用 1980-1990: 保护气氛和加压电渣炉——第二代技术 1990- 稳定发展期，第二代电渣技术在西方推广 2000:ESR LM, ESRR® ,ESCC，CSM/CCM(导电结晶器)—第三代技术 2010:第三代技术的完善和推广,电渣产品的大型化，多样化……
成材率提高9%-18% 省去开坯工序 生产成本降低 产品质量好
横向塑性与韧性提高 改善了各向异性 断裂韧性、缺口敏感 性 低周波疲劳指标
2.2 特厚板坯电渣重熔技术
低频电 源控制 双极串 联重熔
干燥空 气保护
特厚板坯电渣 重熔技术特点
结晶器移 动式抽锭
电极称量与 熔化速度 精确控制
Grades: 706, 718, 12%Cr, etc
谢 谢 大 家 ！