电渣重熔技术在中国的应用和发展

电渣重熔技术在中国的应用和发展
摘要中国电渣冶金起步于1958年。

至今,全国所有特殊钢厂都建立了电渣重熔车间,拥有工业电渣炉86台,年生产能力10万t;产品包括优质合金钢与超级合金243个牌号。

关键词电渣冶金重熔熔铸
欧美及日本发展电渣冶金均引进前苏联技术,世界上独立发展电渣冶金技术的国家仅有中国与英国。

1965年英国设菲尔德———布朗公司将1台7t真空电弧重熔炉改为电渣重熔炉,英国电渣冶金从此揭开序幕。

我国冶金工作者在电渣焊的基础上开发出电渣重熔技术,我国电渣冶金从此诞生。

40年来我国电渣冶金规模不断扩大,技术不断创新。

目前我国所有特殊钢厂都有电渣重熔车间,冶金系统有工业电渣炉86台,年生产能力10万t;小型电渣炉遍及全国,从结晶器消耗推算其年产量约3万t,我国电渣冶金产量在世界上名列前茅。

生产的超级合金及优质合金钢种达243个牌号,技术上处于领先地位。

1 发展历程
1958年9月冶金部建筑研究院电渣组在应用电渣焊焊接轧机机架时,为消除焊缝热裂缝,采用低碳钢板涂铁合金粉末作自耗电极,进行电渣焊,获得成分均匀的合金钢焊缝,由此受到启示,于1958年12月9日将铁合金粉末涂在碳钢棒上作自耗电极,用高炉风管(铜制)作水冷结晶器,冶炼出合金工具钢。

1959年4月在衡阳冶金机械厂做了生产试点,熔炼了100 kg高速钢锭,除直接冶炼高速钢外,还采用重熔法回收了一批废旧高速钢刀具,成果发表于《焊接》杂志建国10周年专刊上,同期还成功地应用电渣法减少铸钢件冒口。

该成果受到国内冶金界的关注。

1959年11月北京钢铁学院和冶金部建筑研究院合作,采用电渣重熔法,研制成功航空轴承钢。

1960年初北京钢铁学院设计了150 kg工业性电渣炉,由北京钢厂制造,并在该院投产。

1960年6月冶金部建筑研究院设计了0·5 t双电极支臂连续抽锭电渣炉,该设备在重庆特殊钢厂建成,于1960年8月重熔出0·5 t优质合金钢锭,此后冶金部建筑研究院帮助重庆特殊钢厂、大冶钢厂建立电渣车间,开发产品。

北京钢
铁学院帮助大连钢厂、上钢五厂建立设备,并推广电渣冶金技术。

1961年11月冶金部在重庆召开了第1届全国电渣冶金会议,总结了批量生产经验,并推荐双支臂电极交替连续抽锭及单臂固定式两种炉型,成立了全国电渣冶金协调组。

1963年11月国家科委发布《科学技术发展10年规划》,冶金部负责9项,第5项为:电渣冶金。

1963年底冶金部将建筑研究院电渣组人员及设备调入钢铁研究院,成立电渣专业组,继续用同位素方法研究电渣过程去除夹杂机理,并研究新炉型———三相电渣炉,为太原钢铁公司5·5 t三相电渣炉、齐齐哈尔10 t三相电渣炉、上钢三厂板坯电渣炉的建立提供技术设计。

1960年北京钢铁学院建成5 kg密封式氩气保护电渣炉,1964年与抚顺钢厂合作建成200 kg密封式氩气保护电渣炉(真空电渣炉)。

同时进行了电渣重熔过程中渣池内的电弧放电及去除夹杂机理的深入研究。

从1960年开始东北工学院电冶金教研室在电渣重熔工艺参数优化匹配计算及电渣重熔热平衡计算方面做了系统的研究,并提供诺模图供合理选择工艺参数。

1964年6月在重庆召开了第2届全国电渣冶金会议。

这时全国工业电渣炉已达21台,生产钢种54个,会议研究了三相电渣炉问题,拟定电渣重熔各项技术经济指标,提出电渣重熔生产车间化。

电渣钢的优良质量受到用户支持,一机部得悉电渣钢轴承用于汽车,使用寿命较电炉钢提高了3倍的情况,决定给各特殊钢厂提供20台1 800 kVA电渣炉变压器。

有衬电渣炉是我国开创的电渣冶金新分支。

江西南昌江东机床厂于1960年采用单相单电极炉底导电式有衬电渣炉,冶炼合金钢。

1960年北京钢铁学院帮助北京量具刃具厂建立了单相双极有衬电渣炉,1961年又试验成功了三自耗电极三相有衬电渣炉,分别在北京带钢厂和北京钢丝厂进行工业性生产。

三相有衬电渣炉在北京钢丝厂成功地生产30多年,取得了巨大经济效益;1972年昆明工学院在西南地区推广有衬电渣炉时,改进单相双极有衬电渣炉,采用Bifilar供电在炉底接零线,从而解决了双电极熔化不均匀的问题,于1982年双自耗电极单相有衬电渣炉项目获国家发明奖。

此外70代东北工学院在东北地区推广单相单极炉
底导电式有衬电渣炉。

熔炼合金钢及回收废料取得成效。

早在1962年冶金部建筑研究院成功地用凝壳式有衬电渣炉冶炼出超低碳不锈钢,1964年获国家新产品一等奖。

1965年8月在大连钢厂召开了第3届电渣冶金交流会,研究了电渣重熔冶金质量问题,公布了钢研院抽检各厂轴承钢ZGCr15的结果,以重特综合质量最佳。

1969年9月在匹兹堡召开的第2届国际电渣冶金会议上前苏联、美国发布了电渣熔铸消息,展示产品照片,引起了轰动。

其实我国冶金工作者早在1967年就已掌握了电渣熔铸技术。

1971年钢铁研究院与武汉设计院合作设计了15 t双极串联板坯电渣炉(5 000 kVA),钢铁研究院与太原钢铁公司采用双极串联电渣炉重熔出超低碳00NiCr7Mo13Ti耐蚀合金板,不经开坯直接上板轧机。

实践证明采用单相双极串联生产板坯功率因数高(cosΦ=0·9),热源集中,同样功率下生产率可提高一倍,电耗降低1/3,金属熔池浅平,有利于轴向结晶。

电耗高,生产率低是世界各国电渣重熔存在的普遍问题,钢铁研究院与本溪钢铁公司采用低氟高电阻渣(CaO-MgO-Al2O3-SiO2-15%CaF2)取代低电阻的传统渣(70%CaF2-30%Al2O3)。

同时设定渣成分,偏离共晶点,利用渣皮凝固过程选择结晶形成绝缘渣皮,解决了国际上至今尚未解决的分流问题。

重熔渗碳轴承钢比电耗由1 775 kWh/t降至936 kWh/t,重熔生产率由180 kg/h提高到373 kg/h,本溪钢铁公司1982年至1992年累计节电240万kWh,钢铁研究院和本溪钢铁公司获国家发明奖。

重庆特殊钢厂采用高电阻CT渣,大冶钢厂采用白云石渣,东北工学院和抚顺钢厂合作采用工艺参数匹配都获得显著节电效果。

1965年上海重型机器厂建立了1台三相百吨电渣炉,后因自耗电极采用螺丝联接,在重熔时掉块,影响铸锭质量,被拆除。

上海重型机器厂与北京钢铁学院合作,于1981年创建了200 t级电渣炉,结晶器直径2·8 m,若抽锭可生产240 t 的大锭,这是目前世界上最大的电渣炉,实际生产锭重已达205 t。

德国萨尔钢厂Saarstahl GmbH电渣炉,其结晶器直径为2·2 m,重熔最大锭重为165 t。

前苏联在新西柏利亚曾建250 t电渣炉,延续10年之久,终因技术原因而终止。

最近美国Consarc公司提供日本一台大电渣炉,锭重为100 t。

1983年电渣冶金协调组由大冶钢厂任组长,钢铁研究总院和齐齐哈尔钢厂
任副组长,在齐齐哈尔钢厂召开第4届电渣冶金交流会,研究了电渣重熔进一步降低电耗,提高成材率,发展电渣冶金以及防止环境污染等问题;同时研究了在消化齐钢引进德国Loybold-Heraus公司F850-10-Ⅱ基础上,吸收同轴导电,有载无级调压及微机控制等技术以改造国内电渣炉。

1985年12月在成都无缝钢管厂召开了第5届电渣冶金技术交流会。

这时,全国特殊钢厂有工业电炉66台,实产优质合金钢及超级合金5·4万t,全国电渣冶金重熔平均电耗由1980年1 850kWh/t降至1985年1 578 kWh/t。

各特殊钢厂在品种开发上获得多次奖励。

1988年4月在美国圣地亚哥召开的第9届国际真空冶金会议上,对1961~1988年全世界对特种熔炼做出突出贡献的36个单位授奖,中国占3个,它们是:北京钢铁学院、钢铁研究总院、上海重型机器厂;对38名有突出贡献的个人授奖,中国有5人:傅杰、李正邦、朱觉、刘海洪和林宗棠。

并争取到第10届国际真空冶金会议于1990年在中国召开。

1990年8月在潍坊召开了第6届全国电渣冶金交流会,总结了30年来的成果,强调了电渣冶金应走出结晶器与冶金流程相结合发展,即要发展中间包电渣加热,电渣热封顶,电渣浇注,电渣离心浇注,电渣精密铸造,电渣转注等。

2 中国电渣冶金重大成就
2.1 200 t级电渣炉
最成功的大型电渣炉是德国Loybold-Hereaus公司为萨尔钢厂(Saarstahl GmbH)建的FB45/165G炉子,供电用可控硅变频电源0~10 Hz短网感抗cosΦ≈0·98,1971年建成以来生产正常,炉子负荷饱满,缺点是变频设备庞大昂贵,且原件老化快,据悉已多次更换元件。

上海重型机器厂与北京钢铁学院合作,于1981年建成200 t级电渣炉,1982年国家鉴定后即为秦山30万kW核电站提供了124件毛坯。

炉子由3根立柱呈等边三角形布置,每根立柱上有可上下移动、左右旋转的支臂,其端头夹持电极,夹持双极串联(Bifilar)回路,重熔6根耗电极分别由3个5 200 kVA单相变压器供电,变压器二次线抽零、3根抽零线同接引锭板,6根Φ500 mm的自耗电极同插入一个Φ2 800 mm结晶器,液渣引燃,通电即可开始重熔,采用抽锭装置,可用短结晶器抽长锭,重熔过程3个旋转支臂可轮流更换电极,
这种电渣炉3个变压器接三相电网,有利于电力平衡,双极串联可以降低回路感抗提高设备功率因数,cosΦ=0·87~0·96,因双极串联两极间有效电阻RS增大,从而提高电效率ηE=RS/(RS+Σr)(Σr为短网电阻之总和)。

设两路供电电网,防止长时间重熔断电,水路有两路水源,有深水井可控制夏天进水温度≯25℃,并有磁化水处理装置,有抽风排烟除尘系统及烟气净化处理设备,无疑是一台设计精巧、功能齐备、动作灵活的电渣炉,在世界上实属罕见。

前苏联新西伯利亚电热厂250 t电渣炉失败、韩国釜山国际公司熔炼92 t 锭出现偏析严重皆因工艺未掌握。

18年来上海重型机器厂摸索出一套成熟的工艺,在工艺上的创新是:低氢控制,凝固控制和低铝控制。

2.2 电渣熔铸
我国冶金工作者在1966年就对铸态电渣锭进行热处理与性能测试,得到肯定的结论。

1967年就掌握了电渣熔铸变断面铸件工艺,如输入功率随断面变化及金属铸件收缩引起铸件与底板分离问题。

李正邦等提出立式电渣熔铸涡轮盘方案,柱状晶交界面沿中心线,垂直于铸件厚度方向,避开涡轮盘受力方向。

获国家发明奖。

朱觉教授一直倡导钢水电渣浇注,赵沛、刘海洪电渣浇注空心管成功地置取心棒,徐卫国感应电渣浇注,林功文、李正邦电渣离心浇铸利用动态效应细化晶粒均属冶金科技前沿的新突破。

2.3 电渣重熔理论研究
2.3.1 电渣重熔去除夹杂物机理
电渣重熔净化金属、显著地去除非金属夹杂物,但对其机理各国研究者持有不同观点。

前苏联Ю.В.ЛаТаШ和日本真殿统认为,电渣重熔去除夹杂物的主要原因是夹杂物自金属熔池浮升进入渣池。

他们引用Stokes公式来说明,主张减慢重熔速度以保证质量。

这一观点被美国G.K.Bhat和英国G.Hoyle加以引用。

另外前苏联И.А.Гаревский[34]、前东德W.Ric-hling等认为电渣重熔去除夹杂作用主要发生在熔滴穿过渣池阶段,主张细化熔滴。

西德T.El.Gammal、日本长谷川正义[37]甚至研究电流变频细化熔滴。

我国电渣工作者认为电渣重熔过程中氧化物夹杂的去除不是由于金属熔池内的浮升,而是由于熔渣对夹杂物的吸收和溶解,李正邦首先发现电渣重熔去除非金属夹杂物主要发
生在电极熔化末端熔滴形成阶段,他以金相法统计电极末端熔化区,以及铸锭中夹杂物面积及单位面积夹杂物个数为基础得出结论。

随后,傅杰截取出重熔过程中的不同部位及尺寸金属熔滴,进一步提出电渣重熔钢中原始夹杂物在熔滴阶段已基本去除或溶解,重熔钢中夹杂物主要是钢中熔解的氧与钢中元素反应,形成的新生夹杂物,防止金属氧化和改善结晶条件,对重熔金属纯洁度起决定性作用。

前苏联Б.И.Медовар在1970年出版《电渣重熔》一书,引用了傅杰的数据和论点,但认为金属液滴置取后迅速冷却,钢液中的氧可能未完全析出成新生夹杂物,结果可能不够精确。

为此,李正邦等又置取端头、熔滴与熔池金属立即进行退火缓冷,保证夹杂物充分析出。

同时用更为灵敏的放射性同位素Zr95O2作指示剂测定电渣重熔钢中夹杂物去向及各阶段提纯效果。

调节重熔电规范获得不同熔速与不同的电极熔化锥头面积,由图1可见,随锥头面积扩大,重熔提纯净化效果增强。

傅杰与李正邦通过热力学计算证实钢中夹杂物为炉渣吸附溶解是自发过程。

傅杰根据电渣重熔过程发自结晶器的周期波形畸变,通过物理模拟证实熔滴断落时,发生周期性电弧放电,引起液滴细化,还实测了电渣过程渣池温度分布,发现轴向温度差大于300℃,渣面温度低于1 350℃。

钢铁研究总院建立了熔渣物化实验室对渣的物理性能:熔点、粘度、比重、界面张力及电导作了系统研究,特别是测试夹杂物在氟化钙基渣中溶解速度,证实溶解与扩散均不是去夹杂限制性环节。

从而推断夹杂尺寸愈大,与渣相接触几率增大,去夹杂效果明显。

傅杰最近的工作进一步证实了电渣重熔过程中自耗电极原始夹杂在熔滴形成阶段可基本去除和溶解,重熔金属的夹杂物主要是金属熔池冷却结晶过程中新生成的。

正因为如此,电渣重熔轴承钢总氧含量虽然比炉外精炼高,但疲劳寿命比精炼轴承钢高。

图1 电极锥头表面积对提纯去除钢中夹杂物的影响Fig.1 Influence of surface area of conical tip on oxide in-
clusion average class in steel
1988年第9届国际真空冶金会议上李正邦发表了总结性论文《电渣重熔去除氧化物夹杂机理》,该论文为4本杂志用3种文字全文转载。

2.3.2 电渣重熔凝固控制研究
李正邦等人的工作在于通过热传输方程求得局部凝固时间LST,将局部凝固时间与弗列明(M.C.Flemings)公式关联起来建立凝固模型,进而控制高温合金Inconel 718中laves相,大断面高速钢M2中碳化物莱氏体网距与碳化物颗粒度,找出重熔的最佳熔速以及可接受的临界熔速,为降低能耗,确保质量而选择工艺提供依据,研究发现熔速VM与局部凝固时间存在直接关系,这一成果在本溪钢铁公司电渣重熔G20CrNi2Mo降低电耗中获得应用,结果可见,凝固速度Vr增加,枝晶间距反而减小。

继后,车向前在电渣重熔高速钢中,郑天河在电渣重熔渗碳轴承不锈钢中,张家雯在重熔不锈钢时都验证了这一结果。

东北工学院陈绍隆、姜兴渭建立了电渣重熔的动态数学模型,结合热工系统自动控制原理,对重熔过程中熔池深度进行了恒值控制,同时获得了控制过程中
铸锭局部凝固时间LST,凝固前沿温度梯度及枝晶生长速度VS,从凝固参数的要求确定工艺曲线。

2.4 炉型结构
2.4.1 双电极支臂连续抽锭电渣炉
1960年重庆特殊钢厂建立了双支臂电极交替工作,连续抽锭电渣炉,见图2。

设备的优点是立柱较低,不要求高厂房,可使用较短的自耗电极,结晶器短,可用石墨电极,重熔前先在结晶器内造液渣,可更换不同尺寸电极熔铸变断面异形铸件,可以连续抽空心锭及管坯。

设备配有渣位检测、抽锭液位显示、二次冷却、均属于创新,60年代北京设计院与钢铁研究总院共同进行了修改原设计为冶金部定型。

国内有这类炉子27台。

1988年霍茨格鲁伯设计10 t双臂抽锭电渣炉就采用了我国方案。

图2 双臂交替连续抽锭电渣炉
Fig.2 Electroslag remelting unit with twin arms for multi-
electrodes alternatively continuous remelting
2.4.2 有衬电渣炉
前苏联于1980年报道有衬电渣炉熔炼、1988年出版“有衬电渣炉”专著,其实早在20年前我国已率先开发出有衬电渣炉,如图3所示。

1960年初江西地区最早试验有衬电渣炉,因炉衬寿命低而终止。

1961年傅杰等在北京量具刃具厂试验成功单相双极有衬电渣炉和三相有衬电渣炉,由北京市召开了现场会议。

随后1960年朱觉、傅杰、屠宝洪等为北京带钢厂设计了300 kg单相双极有衬电渣炉,为北京钢丝厂设计了150kg三相有衬电渣炉。

生产了合金工具钢、高速工具钢、不锈耐酸钢、弹簧钢及电热合金。

这种设备最大优点是设备简单,易于操作。

所获钢水可浇注铸锭或自耗电极,易于合金化,铁合金不需破碎直接加入,由于有渣池保护合金收得率高,V、Ti收得率达95%,甚至熔炼电热合金0Cr25Al5时Al 的收得率高达96%,由于有电渣过程提纯净化作用,钢水较纯净,W18Cr4V钢1963~1964年平均硫化物≤1·5级,氧化物≤1级,点状≤1级,在热补前提下炉衬寿命达960次。

电耗600~700kWh/t低于中频感应炉。

图3 三相有衬电渣炉
Fig.3 Three phases electroslag furnace with lining
北京钢丝厂将有衬电渣炉容量扩建到1 t,见图3,用于电炉与电渣重熔双联生产0Cr25Al5电热丝已连续生产37年,抚顺钢厂建立了3 t三相有衬电渣炉回收高温合金。

我国有衬电渣炉在国际上处于领先地位,三相有衬电渣熔炼技术已出口美国、马来西亚等。

2.4.3 新炉型的探索
北京科技大学陈崇禧研究成功半有衬优质节能电渣炉,效果显著,获发明专利。

研究成功“低能耗水冷结晶器旋转电渣重熔炉”,重熔不仅节能而且细化晶粒,1996年获国家发明4等奖。

钢铁研究院杨海森研究成功“交直流电源串联电渣炉”获国家专利,将交直流电叠加在一根电极上,不干扰、不短路,既充分利用交流电毛细效应与强烈搅拌作用,又可以利用直流电化学效应,对渣中氧化物电解,如实验在渣中加入10%MgF2,GH36合金含[Mg]40×10-6~60×10-6达到微合金化效果。

北京钢铁学院苗治民、黄务将、傅杰等发明感应电渣炉,傅杰、徐卫国等发明感应电渣离心浇注技术,均获国家发明专利。

2.5 工艺与品种质量
2.5.1 轴承钢
大冶钢厂与钢铁研究总院合作生产轴承钢,自耗电极冶炼用Ca-Si与Fe-Si,代替Al脱氧,采用酸性渣(55% CaF2-25% SiO2-10% Al2O3-10%CaO)代替传统的ANF6渣(70%CaF2-30%Al2O3)进行电渣重熔,不仅纯净度提高,而且变钢中刚玉型(Al2O3及CaO-Al2O3)夹杂物为塑性夹杂物,疲劳寿命大幅度提高。

由大冶钢厂生产的电渣轴承钢制成的轴承工作寿命为电炉钢的3·66倍。

日本NTN轴承株式会社测定了我国各厂电渣重熔轴承钢的疲劳寿命,结果均超过日本NTN轴承株式会社用VAD精炼的轴承钢,见表1。

2.5.2 高速钢
钢铁研究总院与重庆特殊钢厂合作,对于大断面高速钢(Φ150~250 mm)进行了电渣重熔试验,在熔炼过程中加入孕育剂生核、细化晶粒、减小莱氏体网距。

由试验可见加Ti+B效果最佳,这是由于Ti形成TiC,对体心立方晶格的铁是很好的形核剂,而B起阻止晶粒长大,增加形核速度作用。

在研制过程中曾一度出现点状偏析,经试验得出结论是CO气孔中吸入选分结晶后形成溶质富集的钢液,以及杂乱磁场搅拌而形成,采取针对性措施,问题迎刃而解。

使国产电渣重熔高速钢达到国际名牌(奥地利Isodics)的水平,变大断面高速钢的进口为出口,年创汇3 600万美元。

2.5.3 高温合金
现代航空、航天用的高温合金,照例采用二次重熔。

从80年代开始,西方国家电渣重熔高温合金产量开始超过真空电弧重熔。

我国高温合金一开始就采用电渣重熔工艺。

我国高温合金工艺研究受到了国外同行的高度重视,1986年由第10届国际真空会议特邀傅杰在会上作了“中国高温合金工艺进展”的特邀报告[21]。

魏季和与加拿大 A.Mitchell教授合作,用传质模型控制电渣重熔过程合金中化学成分的变化,以保证铸锭中合金元素的稳定性。

研究论文具有较高理论水平与实用价值,在国际会议上被评为优秀论文。

3 结束语
(1)电渣重熔在中型及大型锻件生产中,将处于重要地位。

(2)在优质工具钢、模具钢、不锈耐热钢、超高强钢、管坯、冷轧辊生产领域中占绝对优势,真空电弧重熔在这一领域必为电渣重熔所取代。

(3)对超级合金(高温合金、耐蚀合金、精密合金、电热合金)、电渣重熔与真空电弧重熔处于竞争局面,80年代末,电渣重熔在产量上已超过真空电弧重熔。

(4)在有色金属生产方面,电渣重熔处于方兴未艾的阶段。

(5)电渣重熔空心锭和电渣熔铸异型铸件具有独特地位。

(6)电渣冶金技术的发展不仅仅局限于结晶器,钢包精炼、连铸中间包加热、连铸结晶器内电渣渣洗、电渣热封顶、电渣多炉浇注技术,将成为钢铁冶金流程的一环得到发展。

参考文献
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