姜周华教授——电渣冶金的最新进展与发展展望2014-姜周华
东北大学-沈阳东大材料先进制备技术工程研究中心
成果转 化和 新产 品产业化 为 主的 高新技术 企业 。隶属于 东北 大学科
技产 业集 团 ，通 过了 ＩＯ ０ １ ９ ０管理 、Ｔ０ ０环 境和 Ｇ／２０ １ 业 Ｓ Ｓ １０ １ ４ ＢＴ ８０职
０５ ２０ 的全 密闭 保护 气 氛 电渣 炉 、 同轴导 电 电渣炉 、称 重恒 ．—５ 吨 熔速 控 制 电 渣炉 、双极 串联 电渣 炉 、加压 电渣炉 、连 铸式 高效 节
４ 吨 大型板 坯 电渣 炉 ０
能 电渣 炉 和 电渣 液 态浇 铸技 术 等 一些 列填补 国 内空 白、 国际领 先
健 康 安全 三体 系国际 认完成各类科 研 与工程项 目９ 多项 。 ０
在大型 全 自动 电渣炉设 备 、特 殊钢 冶炼和 连铸 、特殊钢 品种开 发 、
炼钢 过程 自动化 、Ａ Ｄ Ｏ 不锈 钢精 炼设备 、 多功 能真 空感应 炉 、直流
吨 １保扼氩氛恒熔速 晤渣熄
电弧 感应精 炼炉 、炼钢 实验 室 中试 设备开 发及其 产业 化等方面 取得
一
系列成 果 ，为国 内宝钢 、鞍 钢 、首 钢 、武 钢 、 马钢 、本 钢 、舞
钢 和 兴 澄特 钢 等５ 多 家大型钢 铁企 业研制 开发 了２０ 台套冶金 新 ０ ２多 装备 和检 测设 备 ，获 国家科 技进步 二等 奖１ ，省 部级科 技进步 奖 项 １ 项 ，获 国家专 ￣ ３ 项 。尤其 是在 电渣 冶金领域 ，率 先成功开 发了 Ｏ ｔ２ ］
订 了全 面合作 协定 。
◆ 全 自动大型 电渣炉 系列
全套炼 钢 中试生产 线
多功 能真 空感应炉
科技新进展：高品质特殊钢绿色节能电渣重熔技术
科技新进展：高品质特殊钢绿色节能电渣重熔技术一、研究背景与问题电渣重熔是靠渣池通过电流时产生的渣阻热熔化和精炼自耗电极金属，得到的液态金属在水冷结晶器中凝固成形的过程。
由于电极熔化、金属液滴形成、滴落均在一个较纯净的环境中实现，过程中熔池内的金属和炉渣之间要发生一系列的物理化学反应，具有良好的冶金反应热力学和动力学条件，是制备高端特殊钢和特种合金终端冶炼工艺。
电渣金属纯净、组织致密、力学性能优异，其产品广泛应用于航空航天、军工、能源、交通、海工、环保和石化等高端装备制造领域。
1958年首台工业电渣炉在乌克兰诞生，我国也开始了跟踪研究。
虽然我国电渣重熔技术的诞生和发展几乎与国外同步，但上世纪末有长达20多年的时间里几乎停滞不前，导致进入21世纪时我国电渣重熔工艺、装备及产品质量均明显落后于西方发达国家。
传统电渣重熔技术耗能高、氟污染重、生产效率低，产品质量不稳定，无法满足高端装备的材料需求。
东北大学特殊钢冶金团队经过十五年的探索和实践，提出了电渣重熔过程“洁净度控制”和“均质化凝固”2个原创性理论，系统研究了电渣工艺理论，创新开发绿色高效的电渣重熔成套装备和工艺及系列高端产品，节能减排和提效降本效果显著，产品质量全面提升，形成两项国际标准，实现我国电渣技术“从跟跑、并跑、到领跑”的历史性跨越。
二、技术解决方案针对传统电渣重熔耗能高、氟污染严重、效率低、产品质量不稳定，高性能大单重厚板无法满足高端装备的材料需求等问题，采用“基础研究-关键共性技术-应用示范-行业推广”全创新链的研发模式，系统研究了电渣重熔过程炉渣物理化学性质、渣-金-气反应以及电制度等对其过程的电场、磁场、流场和温度场，以及气体（氢、氧）、非金属夹杂物和钢锭凝固组织的影响机理和规律，开发了绿色高效的新一代电渣重熔成套装备和工艺技术，解决了传统电渣重熔存在的主要问题，实现了电渣重熔生产大幅度的节能减排，显著提高了生产效率和降低生产成本，提升了电渣钢的产品质量，开发了一系列高品质特殊钢品种。
材料与冶金学院教授名录
教授名录（钢铁冶金研究所）杜钢男，1954年生人，教授，钢铁冶金研究所副所长。
主要研究方向：高炉炼铁、冶金过程控制。
承担了国家九五攻关项目“高炉炉缸炉底侵蚀及数学模型”的研究工作，完成或正在进行多项基金项目和横向课题的研究工作。
辽宁省金属学会炼铁分会秘书；全国炼铁情报网东北分网网长。
教授课程《钢铁冶金学》（炼铁部分）、《冶金过程自动控制》、《CAD 基础》。
姜茂发男，1955年生人，教授，博士生导师，东北大学副校长、研究生院院长、钢铁冶金研究所所长。
主要研究方向：洁净钢生产工艺及理论、冶金固体废弃物资源化、稀土功能材料等。
作为项目负责人，主持完成了国家自然科学基金、国家科技攻关、国际合作等省部级以上科研课题30余项，横向科研课题20余项，获得国家及省部级以上教学奖科技奖7项，发表论文150余篇（其中SCI收录15篇，EI收录42篇），申请国家发明专利6项，出版学术专著5部。
中国稀土学会常务理事，全国电热委员会主任委员，全国稀土钢专业委员会副主任委员，教育部高等学校材料科学与工程教学指导委员会委员，教育部高等学校金属材料工程与冶金工程专业教学指导分委员会主任委员，Journal of Ecotechnology Research 杂志编委。
入选辽宁省“百千万人才工程”百人层次，辽宁省普通高等学校中青年学术带头人，沈阳市优秀专家。
获得辽宁省五四奖章，享受国务院政府特殊津贴。
教授课程《钢铁冶金特论》、《钢铁冶金可持续发展理论与对策》、《洁净钢生产工艺及理论》、《冶金工程概论》等。
姜周华男，1963年生人，教授，博士生导师，钢铁冶金研究所副所长，特殊钢先进冶金工艺与装备教育部工程研究中心主任。
主要研究方向：特殊钢冶金与材料学。
共主持完成70多项科研项目。
发表学术论文150余篇，被SCI和EI收录26篇，出版教材１部，学术著作2部。
获国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步奖8项，其中一等奖3项，是中国首位获“IEC1906”国际大奖的专家。
电渣冶金的发展历程、现状及趋势
模型 、物质传 递模 型 （ 力学模 型 、 热 薄膜及渗透
理论 为基 础 的新传 质模 型 ） 热塑 性模 型． 和 Ａ Ｍｔｈｌ和 Ｆ ＳＳ ａｃ 等 人成 功地把 热传 ． ｉｃｅｌ ．． ｕｒｚ ｔ 递 模 型与现代 凝 固理论 结合 起来 ，用热 传递 模 型
（ ． ． ａＯ 电焊研究所推广了电渣熔铸异形铸 ＥＯ Ｈ Ｔ ） 件 Ｅ Ｃ和 双 极 串 联 电渣 焊 Ｅ ＷＢ 两 项 新 技 术 ， Ｓ Ｓ 中国、 日 、美国、西德、加拿大相继在电渣熔 本 铸上有突破．电渣技术从焊接领域扩大到冶金领 域 ，再扩大到铸造行业 ．
ｉ ｈ ｅｄ ｏ ｅ ｍａｅ ａ ｗａ ａｓ ｄ ｎ ｔ ｅｆ ｌ ｆｎ ｗ ｔｒ ｌ ｓｒ ｉ ． ｉ ｉ ｅ
Ｋｅ ｒ ｙ ｗｏ ｄｓ： ｅｅ ｔｏｓ ｇ ｍ ｅ ａｌ ｇｙ； ｕｒｅ ｉｕａ ｏ ｔｅ ｓ ｌｃｒ ｌ ｔｌｕｒ ｃ ｒ ｎｔｓｔ ｔ ｎ；ｒ ｎｄ ａ ｉ
关键词 ：电渣冶金 ；现状 ；趋 势
中图分类号 ：Ｔ ４ Ｆ１ １ 文献标 识码 ： 文章编号 ：１７ － ２ （０ １ Ｓ —０ １ ７ ６ １６ ０ ２ １ ） １００ － ６ ０
Ｄｅ ｅｏ ｍ ｅ ｏ ｅ ｓ，ｃ ｒ ｅ ｔｓｔ ａ ｉ ｎ ａ ｖ ｌｐ ｎｔｐｒ ｃ ｓ ｕ ｒ ｎ ｉｕ ｔｏ ｎｄ
１． ５３万 ｔ ， ／ 以后 ， ａ ６ Ｏ年代钛合金市场萧条 ， 当 相
一
块引起铸锭成分不均等而未获推广． 霍普金斯作
为 Ｋ ｌ ｇ 司技 术 负 责 人 ， ｅｏｇ公 ｌ 长期 垄 断 这 一 技 术 ， 用 于高 速 钢 （ ， １ 和 高 温 合 金 （ ｅ一１Ｃ Ｍ２ Ｔ ） Ｆ ６ ｒ一 ２ Ｎ 一６ ） 小 量 生 产 ．９ ９年 霍 普 金 斯 作 为 ５ ｉ Ｍｏ 的 １５
电渣冶金的回顾与展望
电渣冶金的回顾与展望李正邦摘要制备超纯优质金属材料的精细冶金不断地向前发展，近期电渣冶金的进展令人瞩目。
高压电渣重熔(PESR)，真空电渣重熔(VarESR)使重熔金属质量达到高纯水平。
电渣热封顶(ESHT)生产巨型钢锭具有技术与经济上的潜在优势。
关键词精细冶金电渣冶金高压电渣重熔真空电渣重熔电渣热封顶前苏联电渣重熔工业化起步较早，1958年乌克兰扎波洛什市德聂伯尔建立了电渣重熔车间，拥有0.5 t P909型电渣炉4台［1］，美国费尔思斯特林公司(Firth Sterling)于1959年建立了3.6 t工业电渣炉，而在工业上全面推广直至1965年才开始［2］。
我国于1958年在电渣焊的基础上掌握电渣重熔技术，于1960年在重庆特殊钢厂及大冶钢厂建立电渣重熔车间［3］。
从世界范畴论，电渣重熔工业生产已经历了41个春秋(1958～1999年)。
电渣重熔属于冶金专业，特种熔炼学科。
电渣技术的发展，派生出许多专业分支。
电渣冶金包括：电渣重熔、电渣熔铸、电渣转注、电渣浇注、电渣离心浇铸、电渣热封顶、电渣焊接、电渣表面镀膜等。
1电渣冶金的历程1.1缓慢发展的25年(1940～1965年)［2］美国R.K.Hopkins首先于1940年获得电渣直接熔炼专利，早年Kellogg公司用于生产高速钢及高温合金(Fe-16Cr-25Ni-6Mo)，直到 1959年Firth-Sterling公司建立3台3.6t电渣炉进行电渣重熔，美国电渣技术才定型。
1965年Firth-Sterling公司破产，被Vasco公司及Allvas公司兼并，该技术才逐渐公诸众。
50年代由于钛合金需要一度增长，到1965年美国真空电弧重熔能力达15.3万t/年，60年代钛合金市场萧条，相当一部分真空电弧重熔炉转为生产超级合金及优质合金钢。
同时理论研究落后，Hopkings及其同事认为电渣过程是“埋弧放电”。
1.2飞跃发展的10年(1965～1975)［4］1959～1965年在美国和西欧电渣重熔与真空电弧重熔之间展开了强烈的技术竞争，时间持续7年之久。
降低热作模具钢H13电渣重熔电耗的研究
降低热作模具钢H13电渣重熔电耗的研究沈海军1张莹1朱春恋2童英豪2黄诺城2(1.宝钢股份研究院特钢技术中心2.宝钢股份特钢事业部特种冶金厂；上海、200940)摘要：电渣重熔是生产特殊钢的一种重要的特种熔炼方法，但电耗高的缺点在一定程度上制约了电渣钢的竞争力。
本文以H13为研究对象，通过采用新开发的节能渣系，在2t电渣炉上进行了工业化试验。
试验结果表明，采用新渣系及其匹配工艺一方面使H13的电渣重熔吨钢电耗下降了250kWh/t以上，另一方面，也有效改善了电渣锭的纯净度及凝固质量。
关键词：H13；渣系；电耗；电渣重熔Research on Reducing ESR Power Consumption of Hot Working Die Steel H13Haijun Shen1Zhangying1Chunlian Zhu2Yinghao tong2Nuocheng Huang2（1.BaoShan Iron&Steel Co.,Ltd.Research Institute;2.Special Steel Business Division ofBaoshan Iron&Steel Co.,Ltd;Shanghai,200940）Abstract:ESR is the main special remelting method for special steel manufacturing.However, high power consumption limited the ESR steel's competition.In this paper,a new developed power-reduction slag system is appied in H13electro-slag remelting at a2ton ESR furnace.As a result of the test,the power consumption reduced of250kWh/t,what's more,the purity and solidification qualitis of the ingots are improved.Keywords:H13;slag system;power consumption;ESR1.前言电渣重熔是生产特殊钢及高等级合金的一种特种熔炼方法。
电渣重熔大型板坯的质量控制
ｓｇ ｅ ａｉ ｎ ｅ ｒｇ ｔ ．Ｔｈ ｉ ｒ ｂ ｅ ｏ ｒ ｃ ｕ ｌ ｆｌ ｇ ｌ ｎ ｏ ｙ Ｅ Ｒ ｓｒ ｐ ｅ ，ｄ ｕ ｌ ｓ ｉ ｒｂ ｅ ｄ ａ ｄ ｄ ｎ ｏ ｅ ｍａｎ ｐ ｏ ｌｍ ｆ ｕ ｆ ｅ ｑ ａ ｔ ｏ ｒ ｅ ｓ ｂ ｉ ｇ ｔｂ Ｓ ｉ ｉ ｌｓ ｏ ｂ ｅ ｋ ｎ ｏ ｌｅ ｎ ｅ ｔ ｓ ａ ｉ ｙ ａ ａ ｐ
第１ ０卷 增 刊
２１ ０ １年 ３月
材
料
与 冶
金
学
报
Ｖｏ．１ Ｉ ０ Ｓ１ Ｍ ａ ｃ ０１１ ｒｈ ２
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＭａｅ ｉｌ ａ ｄ Ｍｅ ａｌ ｒ ｙ ｏ ｒ ａ ｔｒａｓ ｎ ｔｌ ｇ ｏ ｕ
电渣 重 熔 大 型 板 坯 的质 量控 制
耿 鑫 ，姜周华
所示 ．
０
表 面
１４ ，
巾 心
表 面
１４ ／
厚 板 中 的位 置
图 １ 氢含 量对 白点 缺 陷 的 影 响
Ｆｉ ．１ Ｅｆｅ ｆｈｙ ｏ ｎ ｃ ｎｔ ｎ ａｋｅ ｄｅｅ ｔ ［ ｇ ｆ ｃｔｏ ｄｒ ｇｅ ｏ ｅ ｔｏｎ ｆ ｌ ｆｃｓ。
入 到渣 池上方 来 控 制 铸锭 中 的氢 含 量 ． 过 上 述 经 措施 后 ， 铸锭 的探 伤合格 率 明显 得 到改善 ．
（ 北 大 学 材料 与 冶 金学 院 ， 阳 １００ ） 东 沈 １０ ４
摘
要 ：电渣重熔大型板坯的 内部质量 问题主要是氢含量 的控制 和偏析 的控制 ；电渣重熔 大型板坯 的表面质
量问题主要为波纹 、重皮或漏渣 以及 凹陷或铸锭 不饱满等 表面缺陷．本 文 旨在总结前 人工作的基础上 ，结合
电渣重熔技术和产品质量控制
历史的回顾
Borys E. Paton院士
Borys I. Medovar院士
29/03/1916-19/03/2000
历史的回顾
B.E. Paton, B.I. Medovar, 1952: first ESR ingot at PWI
历史的回顾
1953年前苏联Г. З. Вопошкевич 在电弧焊焊纵缝过程中发现电弧熄灭，其过程 稳定，焊缝质量优异，由此发现了电渣焊。 1953年后经巴顿电焊研究院历时五年的开发研 究，于1958年5月在米多瓦尔（Б. И. Медовар）院士的领导下，在乌克兰扎 波洛什市德聂泊尔特钢公司建成0.5吨P909型 电渣炉4台，前苏联电渣冶金工业拉开了序 幕。
历史的回顾
（1）产量呈抛物线增长： 年份 1960 1965 1969 1973 1988 2008 产量/万t 3 29 48 80 120 200 （2）锭重呈几何级数增长： 年份 1960 1965 1970 1988 2008 锭重/t 12 30 80 165 204 （3）产品扩大。生产的优质钢及超级合金到1985年近300个 牌号，开始用于生产有色金属（Al、Cu、Ti合金）及贵金 属（Ag合金）
历史的回顾
1959年衡阳冶金机械厂生产了100kg高速钢电渣铸锭， 还采用电渣重熔回收一批废旧高速钢刀具，成果于 1959年10发表在《焊接》杂志建国10周年特刊上，这 一成果受到国内冶金界关注。同期在衡阳冶金机械厂 还试验成功了电渣冒口热封顶。 1959年11月北京钢铁学院朱觉教授率电冶金师生与作 者所在的冶金建筑研究院电渣实验室合作，采用电渣 重熔法研制成功了航空轴承钢。1960年5月冶金部召开 了推广会，朱觉主持会议，李正邦、傅杰等做技术报 告。
电渣重熔钢与连铸坯及其轧制厚板的组织性能
６ 结
论
［．ｗａ Ｓ ｌ ｈ２ ０ ２ ） ９ ２ ． Ｊ ａ ｓｉｅＧｏ ０ ，（ ：８ ０ ］ ａｋ ｔ ，０ ３ ３ １ — ４ Ｋ ｅ ｉ
［］ 邱红雷 ， ３ 胡贤磊 ， 赵忠 ， 中厚板轧制过程 中的辊缝设定模型 等．
６１ 线性 变化 的 Ｌ 钢 板轧 制过 程 中的辊缝 为非 线 ． Ｐ 性 变化 ； 综合 考虑 体 积不 变定 律 和限制 条件 的基 在 础上 ， 出了不 同类 型 Ｌ 钢板 的形状 设计 方法 。 给 Ｐ ６２ 在 变 截 面轧 制 过 程 中 ， 用 多 点 动 态 设 定 方 ． 采 法 ， 论 了设 定 点厚 度 、 制 力 、 缝 、 讨 轧 辊 速度 等 轧 制 参数 计算 方法 。 ６３ 在 济钢 ４ ０ ｌ宽厚板 轧 机上 进行 了变截 面 ． ０ Ｔ ３ ｍｌ
厚度 达 到设定 厚度 要 求 ， 现 了变截 面钢 板工 业轧 实
制应用 。
参考文献 ：
［］ 弓削佳德 ， １ 堀纪文 ， 田俊一． Ｐ 西 Ｌ 钢板（ 一７ 一 ） 于一 。 裂造技衍 匕船舶 ， 梁 桥
（ ） １７ １ １ ３ ：３ — ４ ．
逋用 ［］ Ｊ． 川崎 铁技报 ，９ ８ ３ １９ ，０
Ｉ ４ Ｌ 钢板 心部设定厚度与实际厚度 比较 ］ Ｐ ［ ｔ
［］ ＴＯａ ｕ ＫＴｋｓｉＡＫ ｎｉ ｅｅ ｐ ｅｔ ｆ ｉ ｒｒ ｃ ２ ｓｍ ， ａｅ ， ｅｉＤ ｖｌ ｍ ｎ ｎｈｇ ｐ ｆ ｍ ｎｅ ｈ ｔ ． ｏ ｈ ｅｏ
ｓｅ ｌｐ ａ ｅ ｎ ｔ ｒ ｆｒ ｌａ ｉｉ ｄ ｅ ｏ ｏ ｆ ｓｅ ｌｓｒ ｃ ｕ ｅ ｔｅ ｌ ｔｓ ｉ ｅ ｍｓ ｏ ｅ ｉｂ ｌｔ ａ ｃ ｎ ｍｙ ｏ ｔ ｅ ｔｕ ｔ ｒ ｙｎ
姜周华教授——电渣冶金的最新进展与发展展望2014-姜周华资料
ESR
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！
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）
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
干燥空 气保护
特厚板坯电渣 重熔技术特点
电极称量与 熔化速度 精确控制
结晶器移 动式抽锭
双极串 联重熔
板坯电渣炉车间（3台40－50吨）
生产过程
40吨尺寸为950×2000×2800mm
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
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
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
A-传统电渣炉； B-导电结晶器（45.7%的结晶器电流）
国外电渣重熔概况及我国电渣重熔的发展方向
另外，很多电渣炉都设有安全自锁装置，比如冷却水不接通送不上电；冷却水温度超过设定值报警， 超过允许值自动切断电源；地坑内惰性气体超标，氧含量低于安全设定值自动报警等。
国外电渣炉一般都是用料杆（ｒａｍ）连接假电极和金属电极的，料杆与称重系统及Ｘ－Ｙ电极调整系统 是炉头的技术核心部分。
国外电渣炉基本上都是单相电渣炉，一般多熔位（工位）的电渣炉居多。不仅有单炉头、单熔位电渣 炉和单炉头、双熔位的电渣炉，还有双炉头、双熔位，双炉头三熔位及三炉头四熔位的电渣炉。多熔位电 渣炉的主要优点是提高电渣炉的生产率。一是可以减少电渣炉的热停时间，在电渣锭模冷期间，可以在另 一个熔位继续进行生产；二是可以根据锭型的不同合理安排生产。不仅可以用两个炉头采取交换电极的方
２００９’高品质特殊钢技术与ｆＨ场论Ｅ
式．在中心熔住重熔较大规格的电渣锭：ｊ丕可吼用两个炉头分别在两个熔位同时生产出两个规格较小的电 涪链．楗高巾济护的有斟■ｌ用摩翔堆产的ｉ活忡．
蜀
圈５∞ＮＳＡＲＣ公＿Ｊ的Ａ垫结构黾擅炉
新一代电渣冶金技术的开发
［２］李正邦 ， 傅杰 ．电渣重熔技术在 中国的应用和发展 ［］ 特 Ｊ 殊 钢 ，１９ ，２ （ ） ７—１ ． ９９ ０ ２ ： ２
［ ３］姜周华 ， 李正邦 ．电渣冶金技术的最新发展趋势 ［ ／ 全 Ｃ］／ 国电渣 冶金学术会议论文集 ２ ０ ： １ ． ０ ８ ７— ４
成本 ， ．
［ ｏ ｇ Ｙ ｎ ～ ｗｕ ｉ ｇ ｈ ｕ — ｈ ａ Ｌ ｈ ｎ — ｂ ｎ ９Ｊ ｎ ａ Ｄ ，Ｊ ｎ Ｚ ｏ ａ ｕ ， ｉＺ ｅｇ ａｇ Ｍａ ｅ ｔ ａ ｍｏ ｅ ｏ ｅ ｃ ｏｌ ｒｎｅｉｇ ｐｏｅ Ｊ］ ｔ ｍａｉ ｌ ｄ ｌ ｒ ｌ ｔ ｓｇ ｅｌｌｎ ｒｃｓ ｈ ｃ ｆ ｅｒ ａ ｔ ｓ［ ．
Ｊ ｕｎ ｌｏ ｒ ｎ ａ ｄ Ｓｅｌ Ｒｅｅｒｈ Ｉｔｒａ ｏ ａ，２ ０ ，１ ｏ ｒ ａ ｆ Ｉ ｎ ｔｅ ｏ ｓａｃ ｎｅｎ ｔ ｎ ｌ ０ ７ ｉ ４ （ ） ７—１ ， ０ ５ ： ２ ３．
［０ ｉ ｇＺ ｏ １ ］Ｊａ ｈ ｕ～ｈ ａ ｎ ｕ ，Ｄｏ ｇＹａ ｎ ｎ—Ｗ ，Ｓ ｌ ｉｃｔ ｎ ｍｏ ｅ ｆｒ Ｕ ｏｉｆ ａｏ ｄｌ ｏ ｄ ｉ ｉ
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新一代电渣冶金技术的开发
图 3 电渣连铸生产方坯和圆坯 Fig. 3 Square billet of 300mm × 340mm and round billet of Φ600 mm produced by ESCC
16
材料与冶金学报
第 10 卷
图 4 电渣连铸方坯低倍组织（ 300 mm × 340 mm） Fig. 4 Macrostructure of ESCC square billet（ 300 × 340 mm）
电渣冶金是目前生产高品质金属材料的重要 方法． 经电渣重熔的钢，纯度高、含硫量低、非金属 夹杂物少、钢锭表面光滑、结晶均匀致密、金相组 织和化学成分均匀，钢种达到 400 多个，广泛用于 航天航空、军工、能源、船舶、电子、石化、重型机械 和交通等许多国民经济的重要领域． 中国于 1958 年在电渣焊的基础上掌握电渣重熔技术，于 1960 年在重庆特殊钢厂及大冶钢厂建立电渣重熔车 间［1］，从此，电渣冶金在中国得到不断的发展［2］． 到目前为止，我国工业电渣炉总量近 500 台，生产 能力超过 80 万 t / a．
电渣冶金技术虽然经过了 50 多年的发展，但 传统的电渣重熔存在生产效率低、电耗高、氟化物 污染环境、电渣过程吸气、大型钢锭偏析严重等问 题，一直没有得到很好的解决［3］． 东北大学从电 渣冶金技术诞生的早期就开始进行电渣冶金工艺 理论及设备方面的研究工作，经过多年研究，不断 创新，取得了一系列研究成果，本文主要针对东北
增刊
姜周华等： 新一代电渣冶金技术的开发
15
年开始东北大学钢铁冶金研究所进行了电渣连铸 技术的开发研究［4］． 电渣连铸技术既有电渣冶金 的特点，也继承了连铸的优点，其技术主要特征是 采用双极 串 联、交 换 电 极、Cs137 液 面 检 测 与 控 制、连续拉坯及在线切 割 等 技 术，其 原 理 如 图 1 所示．
电渣重熔的发展及其趋势
电渣重熔的发展及其趋势李孝根内蒙古科技大学材料与冶金学院09冶金2班 0961102226摘要：简要地回顾了电渣重熔工艺在近几十年的发展与创新。
对电渣重熔技术发展过程中的一些重要工艺，如快速重熔、保护气氛下的电渣重熔等进行了简单的描述。
这些技术在改善传统电渣冶金工艺局限性的同时，进一步发挥了电渣重熔的优越性，使电渣重熔显示了更宽广的应用前景。
并简要地讨论了电渣重熔工艺在21世纪的发展趋势。
关键词：电渣重熔导电结晶器电渣快速重熔保护气氛下的电渣重熔Development and Tendency of Electroslag RemeltingAbstract ：The development and achievement of technology of Electroslag Remelting (ESR) in near decades has been reviewed briefly in this text. Some important technologies in the evolution of ESR，such as Electroslag Rapid Remeltiong (ESRR) ，Electroslag Remelting under gases ，etc. were introduced briefly . With the development of these techniques，which avoid some disadvantages existing in the traditiongal ESR，the ESR is entitled to wider range application. And the development trend of the technology of ESR in the 21th century is discussed.Key Words ：ESR ，Current conductive mold(CCM) ，ESRR ，ESR under gases 前言电渣重熔是一种在世界范围内广泛应用于优质钢生产的重熔工艺。
电渣重熔过程中电极熔速的确定
２０ ０ ２年 ６月
Ｊ ｎ ０ ２ ｕ ｅ２ ０
Ｖ ｏ１ ｏ． ．１ Ｎ ２
第 １卷 第 ２期
文 章 编 号 ：１ ７ — ６ ０ （ ０ ２ ０ — １ ５０ ６ １６ ２ 一 ２ ０ ） ２０ １ — ５
电渣 重 熔 过 程 中 电极 熔 速 的确 定
收 稿 日期 ：２ ０ —４２ ０ ２０ —７ 科 研项 目 ： １ ０吨 电渣 炉 成 套 技 术 开 发 （ ． ２ ０ —ｉ１２ ８ Ｎｏ ０ １０ －—６ ） 作 者 简 介 ：吴 远 飞 ，男 ，２ ４岁 ，硕 士 研 究 生 ．
固时 间与 铸态 结 构 和 形 态 之 间 的关 系 ， 指 出枝 他 晶间距 是 凝 固 时 间 的 函数 ［ ． 于 某 一 给 定 的合 ３对 ］ 金 而 言 ， 的液相 线 和 固相线 温 度 已知 ， 据 热传 它 根
递 方程 解 出温 度 分 布 图 ， 可 求 得 各 点 两 相 区温 即
ＡＢＳ ＴＲＡＣＴ Ｔｈ ｆｅ ｔｏ ｈ ｅｔｎ ａ ｅ ｏ ｈ ｏ ａ ｏ ｉ ｉ ｃ ｔｏ ｍｅ （ Ｔ） ａ ｄ ｉｇ ｔｑ ａ ｉｙ ｅ ｅ ｆ ｃ ｆｔ ｅｍ ｌ ｇ ｒ ｔ ｎ ｔ ｅ Ｌ ｃ ｌＳ ｌ ｆ ａ ｉｎ Ｔｉ ｉ ｄ ｉ ＬＳ ｎ ｎ ｏ ｕ ｌ ｔ ａ ｄ ｐ ｗｅ ｏ ｓ ｍ ｐ ｉ ｎ ｉ ａ ａｙ ｅ ． Ｔｈ ａ ｕ ｅ ｏ ｍｐ ｏ ｉ ｇ ｔ ｅ ｃ ｙ ｔ ｌｑ ａｉｙ ａ ｄ ｌ ｗｅ ｉ ｇ ｔ ｅ ｎ ｏ ｒｃ ｎ ｕ ｔｏ ｓ ｎ ｌ ｚ ｄ ｅ ｍｅ ｓ ｒ ｓ ｆ ｒ ｉ ｒ ｖ ｎ ｈ ｒ ｓ ａ ｕ ｌ ｎ ｏ ｒｎ ｈ ｔ ｐ ｗｅ ｏ ｓ ｍｐ ｉ ｎ ａ ｅ ｄ ｓ ｕ ｓ ｄ ｏ ｒｃ ｎ ｕ ｔ ｒ ｉｃ ｓ ｅ ．Ｔｈ ｒｔ ｒｏ ｏ ｖ ｌ ａ ｉ ｇ ｔ ｅ ｍｅｔｎ ａ ｅ ｉ ｒ ｖ ｄ ｄ ｏ ｅ ｃ ｉ ｉｎ ｆ ｒｅ ａｕ ｔｎ ｈ ｌｉ ｇ ｒ ｔ ｓｐ ｏ ｉ ｅ ． ｅ
电渣重熔原理
3）自下而上的顺序凝固条件保证了重熔金属锭 结晶组织均匀致密
图3 显示了传统的浇铸法与电渣重熔所获得的钢锭的 组织的区别，铸模里大量的钢液同时凝固导致了偏 析，偏析的程度取决于多相组织凝固的结晶行为，局 部非金属夹杂的累积及显微缝隙和缩孔是不可避免的。
在电渣重熔过程中电极的熔化和熔融金属的结晶是同 时进行的。钢锭的上端始终有液态金属熔池和发热的 渣池，既保温又有足够的液态金属填充凝固过程中因 收缩产生的缩孔，可以有效的消除一般钢锭常见的疏 松和缩孔。同时金属液中的气体和夹杂也易于上浮， 所以钢锭的组织致密、均匀。
电渣重熔的特点
1）金属的熔化、浇铸和凝固均在一个较纯净 的环境中实现
整个过程始终在液态渣层下进行而与大气隔 绝，因而最大限度的减轻了大气对钢液的污 染，减少了钢液的氢、氮的增加量和钢的二次 氧化，而且现在有的电渣重熔在冶炼过程中实 行干燥空气的保护，进一步减少了增氢的可能 性。另外，由于熔化和凝固均在水冷铜质结晶 器中完成，因而没有普通冶炼方法由于耐火材 料造成对钢液的污染的缺点。
2）具有良好的冶金反应的热力学和动力学条件
电渣重熔过程中渣池温度通常在1750℃以上，而电极 下端至金属熔池中心区域的渣温度可达1900℃左右。 因此重熔过程中渣的过热度可达600℃左右，钢液的过 热度可达450℃左右。高温的熔池促进了一系列的物理 化学反应的进行。
良好的动力学条件还表现在电渣重熔过程中钢渣能充 分接触。在电极熔化末端、熔滴滴落过程及金属熔池 的三个阶段中钢渣接触面积可达3200mm2/g以上，反应 进行得十分充分。同时在电磁力的作用下渣池被强烈 搅拌，不断更新钢渣接触面，强化了冶金反应，促进 了有害杂质元素和非金属夹杂物的排除。
电渣重熔的基本原理
转炉冶炼过程中合金成分控制模型
设需合金化的元素为 i , 共 n 个 (即 i = 1 , 2 ,
…, n) ,调整 C ,Si ,Mn ,Cr 的合金种类为 m 种 ,每
种合金的加入量 X1 , X2 , …, X m 是决策变量[5 ]·
X = ( x 1 , x 2 , …, x m ) T
(2)
显然 ,决策变量满足非负条件·
[4] [5]
[6] [7] [8] [9] [ 10 ]
朱光俊 ,梁本川·转炉炼钢静态控制优化模型[J ] ·炼钢 , 1999 ,15 (4) :25· (Zhu G J , Liang B C. A static control model in converter [J ] . S teel m aki ng , 1999 ,15 (4) :25. ) Iwamura K , Furusawa M , et al . New endpoint control system wit h auto2parameter2tuning in BOF [ A ] . S teel m aki ng Conf erence Proceedi ngs[ C] . 1995. 715. 丁容 ,刘浏·转炉炼钢过程人工智能静态控制模型[J ]·钢 铁 , 1997 ,32 (1) :22· (Ding R , Liu L . A control model of artificial intelligence in process of steelmaking in converter [ J ] . I ron and S teel , 1997 ,32 (1) :22. ) Abbatangelo A , Dalla Rena M. Blowing pattern computerised control at taranto steelshop [ A ] . S teel m aki ng Conf erence Proceedi ngs[ C] . 1990. 337. 张鉴·炉外精炼理论与实践[ M ]·北京 :冶金工业出版社 , 1993. 252 - 256· ( Zhang J . Theory and ex perience of secondary ref i ni ng [ M ] . Beijing : Metallurgical Industry Press , 1993. 252 256. ) Kanemoto M , Yamane H. An application of expert system to LD converter processes [ J ] . IS IJ I nternatoi nal , 1990 , 30 (2) :128. Not man G K. Development in BOS process control at british steel[J ] . S teel Ti mes , 1991 , (7) :360. Watson D R. Computerized basic oxygen furnace operation wit h sublance dynamic control [ A ] . S teel m aki ng Conf erence Proceedi ngs[ C] . 1984. 121. Daum T , Hubmer G. Modernization and scale2up of Erdemir’s BOF steelmaking plant [J ] . M PT International , 1997 , (4) :82. Gregory J , Larry E. Q2BOP automation at geneva steel [J ] . I ron and S teel Engi neer , 1994 , (7) :21.
电渣冶金用含氟渣系电导率计算方法
电渣冶金用含氟渣系电导率计算方法董艳伍;姜周华;李花兵;邵国强;于昂;陈瑞;宋照伟【摘要】在前人工作基础上,将电导率与光学碱度联系起来,研究了电渣冶金用含氟渣系电导率的计算方法,建立了常用二元及三元渣系电导率计算模型,计算结果与实测结果吻合良好.电导率计算方法的建立将为电渣冶金用渣系的设计提供指导,具有重要的理论和实际意义.【期刊名称】《材料与冶金学报》【年(卷),期】2012(011)004【总页数】4页(P274-277)【关键词】电渣冶金;渣系;电导率;模型【作者】董艳伍;姜周华;李花兵;邵国强;于昂;陈瑞;宋照伟【作者单位】东北大学材料与冶金学院,沈阳110004;东北大学材料与冶金学院,沈阳110004;东北大学材料与冶金学院,沈阳110004;东北大学材料与冶金学院,沈阳110004;东北大学材料与冶金学院,沈阳110004;沈阳铸造研究所,沈阳110021;沈阳铸造研究所,沈阳110021【正文语种】中文【中图分类】TF141.1电渣冶金作为一种重要的精炼手段，目前已经成为制备高端特种材料的重要方法之一.从原理上说，电渣冶金是用熔渣通电后所产生的渣阻热来加热和熔化金属材料，而熔渣在其中发挥着重要的作用.电渣冶金用渣系不同于普通的炼铁、炼钢用炉渣，其渣系往往是氟化钙含量较高的渣系.熔炼过程与渣系的多种性质密切相关，如碱度、熔化温度、表面张力、电导率以及熔渣的黏度［1］和密度［2］等.其中电导率是熔渣最重要的性质之一，在一定温度下的电导率决定了熔渣的发热量.荻野和巳［3］、李正邦［4］、姜周华等人［5］对渣系电导率开展了一些研究工作，但电渣冶金用渣系种类和成分变化复杂，不可能对每一个渣系的电导率都进行测定，因此，建立相关模型计算方法，对含氟渣系电导率的研究具有重要的意义.1 电导率模型的建立电导率随温度的变化关系常用Arrhenius公式来表述，Q.Jiao and N.J.Themelis ［6］提出渣的电导率与光学碱度有关，进而表示出与成分的关系.利用此理论建立电渣重熔用渣的电导率计算模型.本文选择利用ls［7］给出修正的光学碱度公式(1)和相关成分的光学碱度见表1.该式计算出的光学碱度不是单调递增，故满足进行电导率建模的需要.式中，Λ光学碱度，其值见表1;xi为组元i的摩尔分数;ni为组元i的原子个数.表1 计算中用各成分的光学碱度值Table 1 Recommended value of optical basicity for different oxide and fluorideK2O Na2O BaO SrO Li2O CaO MgO Al2O3 TiO SiO2 B2O3 P2O5 FeO Fe2O3 MnO CaF2 1.4 1.15 1.15 1.10 1.0 1.0 0.78 0.60 0.61 0.48 0.42 0.40 1.0 0.75 1.0 1.21.1 CaF2－CaO－Al2O3体系文献［8］列出了一些CaF2－CaO－Al2O3体系电导率的结果，实验数据如表2，表中同时给出了修正光学碱度值.表2 CaF2－CaO－Al2O3体系不同成分点的电导率Table 2 Electrical conductivity of CaF2－CaO －Al2O3at different compositions Ω－1·cm－1质量分数T/K/%CaF2 CaO Al2OΛcorr 3 1723 1773 1823 1873 90 5 5 0.690 13.440 9 3.719 14.002 7 4.291 0 80 15 5 0.730 3 3.112 0 3.419 5 3.738 04.066 7 80 10 10 0.707 3 2.830 3 3.161 7 3.510 5 3.876 1 75 15 10 0.726 02.730 93.072 2 3.433 9 3.815 5 70 20 10 0.744 2 2.530 4 2.866 9 3.226 03.607 3 70 10 20 0.701 8 2.326 2 2.648 0 2.992 9 3.360 8 60 20 20 0.735 31.989 92.346 6 2.742 33.178 2 50 25 25 0.746 7 1.663 7 2.008 7 2.400 32.841 1 40 30 30 0.756 9 1.304 0 1.627 9 2.007 7 2.448 6 30 35 35 0.766 1 0.996 4 1.285 0 1.634 2 2.051 9假定电导率和温度的关系满足Arrhenius方程:式中，κ为电导率，Ω－1·cm－1;A为指前因子，Ω －1·cm－1;E 活化能，J/(mol·K).一般来说，Arrhenius方程的指前因子A和活化能E之间满足以下关系:式中，m，n为常数.式(3)被称为温度补偿效应，这是满足Arrhenius方程的性质中一般化的规律，适用于反应动力学速率常数、电导率、黏度、扩散系数等性质［6］.统计分析表2中的数据，得到lnA与E的关系如图1所示.图1中ln A与 E(单位为J·mol1－·K)的关系可以表示如下.为了研究电导率与光学碱度的关系，以1 773 K为例，把CaF2－CaO－Al2O3体系电导率的对数lnκ对修正光学碱度Λcorr作图.根据图2可知，在温度恒定时ln κ和Λcorr存在较好的线性关系.图1 CaF2－CaO－Al2O3体系lnA与E的关系Fig.1 Relation between ln Aand E for CaF2－CaO－Al2O3system式中，m'，n'为常数，J/(mol·K)根据式(1)～式(5)以及回归分析表2中的数据以优化参数，m'，n'的值，得到CaF2－CaOAl2O3三元系电导率活化能E的表达式如下.由此可以计算出不同温度下不同成分的三元渣系的电导率，同时根据以下式子(κi，mea为测量电导率，κi，cal为计算电导率，N为数据点个数)计算各个体系的平均偏差.图2 1 773 K时CaF2－CaO－Al2O3体系ln k和Λcorr的关系Fig.2 Relation between ln k andΛcorrfor CaF2－CaO－Al2O3system at 1 773 K计算得到的CaF2－CaO－Al2O3三元系的平均偏差为10.7%.实验测量电导率κi，mea和理论计算电导率κi，cal的比较如图3所示.可见理论计算值与实验测量值符合较好，模型可以描述CaF2－CaO－Al2O3体系电导率随成分变化的行为.图3 CaF2－CaO－Al2O3体系模型计算和实验测量电导率的比较Fig.3 Comparison of the calculated conductivities with the measured ones for CaF2－CaO－Al2O3system1.2 CaF2－Al2O3体系对于二元体系，具体方法与上述三元系过程一致.表3 CaF2－Al2O3体系不同成分点的电导率Table 3 The electrical conductivity of CaF2 －Al2O3at different compositions Ω －1·cm －1质量分数T/K/%CaF2 Al2OΛcorr 3 1723 1748 1773 1798 1823 100 0 0.67 4.490 4.594 4.697 4.800 4.902 96.43 3.57 0.669 3.837 3.969 4.102 4.236 4.371 93.12 6.88 0.668 3.406 3.543 3.682 3.822 3.963 87.78 12.22 0.667 2.8693.036 3.207 3.382 3.562 83.93 16.07 0.666 2.550 2.751 2.960 3.180 3.409 其中计算各个体系的平均偏差，计算得到的CaF2－CaO－Al2O3三元系的平均偏差为1.05%.实验测量电导率κi，mea和理论计算电导率κi，cal的比较如图4所示. 以上分析表明，此方法在一定温度下是适用的，且较为准确，但由于目前不同学者对于电导率研究分歧较大，实验结果也多不相同［4，5］，这里主要采取我们所公认的数据.电渣重熔用四元渣系电导率的研究目前较少，所以四元系电导率实验数据暂时缺乏.四元渣系电导率计算方法:我们采用荻野和巳［3］的经验公式进行计算.荻野和巳对40种渣系实测基础上进行回归分析获得了炉渣电导率与组成和温度的关系式，这样可求得多元渣系不同温度下的电导率.但该公式没有考虑MgO对电导率的影响，我们根据现有文献的实测数据对公式进行修正，得到公式(10).式中，xx=x(Al2O3)+0.2x(CaO)+0.8x(MgO)+0.75x(SiO2)+0.5(x(TiO2)+x(ZrO2));适用范围为:x(Al2O3)=0～0.5;x(CaO)=0～0.65;x(MgO)=0～0.1;式中，κ为熔池的电导率，Ω－1·cm－1;T为热力学温度，K，适用范围为1 823～2 053 K.1.3 典型渣系的电导率计算与实测结果分析根据1.1中的计算方法，得出了三种渣系电导率，并给出实验值，二者吻合较好.众多研究表明渣的电导率随渣的温度和组成而变化，温度越高，渣的电导率越高;CaF2含量越高，渣的电导率也越高.此外，向渣中加入Al2O3和CaO都可以使电导率降低.图5为几种常用渣系电导率计算结果与实测结果的对比，从图中可以看出，模型计算结果与实测结果基本吻合，尤其是在接近电渣重熔熔渣温度下的高温区，模型结果结果与实测结果吻合较好.2 结论电渣冶金用含氟渣系物理化学性能的研究对于保证重熔过程稳定性，保证产品质量是至关重要的.本文对含氟渣系电导率计算方法的建立，将为电渣冶金用渣系的设计提供一种简便的考察方法，提供重要的参考依据.参考文献:［1］ Mills K C，Sridhar S.Viscosities of ironmaking and steelmaking slags ［J］.Ironmaking ＆ Steelmaking，1999，26(4):262.［2］ Zhang G H，Chou K C.Model for evaluating density of molten slag with optical basicity［J］.J Iron Steel Res Int，2010，17(4):1.［3］荻野和巳，橋本英弘，原茂太.交流4端子法によるフッ化物を含むESR用フラックスの電導度の測定［J］.鋼と鉄，1978(64):225.(OGINO K，HASHIMOTO H，HARA S.ESR measurement of conductivity of the flux containing fluoride by AC fourterminal method［J］.Tetsu － to －Hagane，1978(64):225.)［4］李正邦.电渣冶金原理及应用［M］.北京:冶金工业出版社，1996.(Li Zheng－bang.Theory and application of electroslag metallurgy ［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，1996.［5］姜周华.电渣冶金的物理化学及传输现象［M］.沈阳:东北大学出版社，2000:2.(Jiang Zhouhua.physical chemistry and transmission phenomena during electroslag metallurgy［M］.Shenyang:Northeastern University Press，2000:2.)［6］ Jiao Q，Themelis N J，Correlations of electrical conductivity to slag composition and temperature［J］.Metall Trans B，1988，19(1):133. ［7］ Mills K C ，Sridhar S.Viscosities of ironmaking and steelmaking slags ［J］.Ironmaking and Steelmaking，1999，26(4):262－268.［8］ Slag atlas:2nd ed［M］.by Verein Deutscher Eisenhuttenleute，Verlag Stahleisen GmbH，Düsseldorf，1995.。
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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
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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！
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
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%
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；
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.
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 。
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
•
历史的回顾 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
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……
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
Grades: 706, 718, 12%Cr, etc
谢 谢 大 家 ！
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
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
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
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）
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)
2.3 电渣重熔空心锭——原理
（ a）
（ b）
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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
低频电源的优点
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
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！
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