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电渣重熔新技术的研究现状及发展趋势

发表时间:2024-05-08 14:08

电渣冶金是目前生产高品质材料的重要方法,经过电渣重熔的钢,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,广泛应用于航天航空、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。 电渣重熔是由于电极熔化,金属液滴形成和滴落均在一个较纯净的环境中实现,该过程中熔池内的金属和炉渣之间会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的终端冶炼工艺 。

电渣重熔具备以下基本特点:(1)具有较为纯净的重熔环境,液态渣层使得整个重熔过程都与大气隔绝,减少了大气对钢液的污染;(2)良好的冶金反应条件,电渣重熔渣池温度较一般炼钢工艺温度要高,这为净化钢液的各类物理化学反应提供了十分优异的热力学条件;(3)提供了由下而上定向凝固的冷却条件,电极逐渐熔化而形成的金属熔池受到结晶器的冷却作用,由下而上逐层凝固,并推动金属熔池和熔渣向上移动。 当钢锭凝固收缩时,凝固钢锭上方的金属熔池可以及时补充钢液,从而有效地避免了疏松和缩孔等铸造缺陷的产生;(4)受结晶器侧壁的强制水冷作用,熔渣在结晶器壁上凝固形成了一层渣壳,随着钢锭凝固推动金属熔池和渣池向上移动,则金属熔池上升过程中会重新熔化一部分已经凝固的渣皮,使渣皮薄而均匀,从而保证了重熔钢锭良好的表面质量 。

1935 年,美国的 Hopkins 进行了渣中自耗电极熔化试验,并于 1940 年获得电渣熔炼专利 ,随后被 Kellogg 公司采用用于生产高速钢及高温合金,1958 年首台工业电渣炉在乌克兰诞生 。 传统电渣重熔工艺仅使用一根电极,通常会由于生产大型电渣铸锭而受到限制 。 而采用三相分布电极供电的电渣炉不仅可以降低电渣重熔系统的无功功率,而且可以提高生产率和产品质量 ,这是因为三电极电渣重熔的温度分布比传统电渣重熔的温度分布均匀得多。 如上所述,电极在渣池中被产生的焦耳热熔化,此外,当电流通过熔融炉渣时,熔池中的流场和传热行为也会受到电磁力的影响 。 采用导电结晶器技术的电渣炉允许电流流过结晶器   ,由于浅平的金属熔池的存在,从而带来了良好的铸锭表面质量,并减少了铸锭的元素偏析   。 因此,导电结晶器已被广泛应用于新的电渣冶金技术中,如液态电渣浇铸(ES⁃CLM)和快速电渣重熔(ESRR)技术等 。

传统电渣重熔技术还存在其他缺点,例如,生产成本增加(必须准备电极)、不能连续操作(需要更换电极)以及电极熔化速率受到限制。 配备有导电结晶器的 ESCLM 技术可以较好地解决上述问题。 ESCLM 的基本原理为首先将液态金属储存在保温浇注设备中,然后将熔融钢液浇注流过熔渣,最后在结晶器中凝固成铸锭。 Polishko 等   试图比较传统电渣重熔和液态电渣浇铸不同工艺下电渣锭的纯净度,结果表明,与传统的电渣重熔工艺相比,经 ESCLM 重熔后的铸锭显示出较低的残余硫含量和较小的非金属夹杂物尺寸。

2013 年,中国东北大学的 Dong 等 在 Medovar Group 先前开发的技术的基础上用导电环代替导电结晶器,设计了一种类似但不同的 ESCLM 技术。 然后,他们发现电流密度、电磁力和焦耳热分布聚集在炉渣池的上部区域,并且通过抽锭操作提高了生产效率。

根据电渣重熔的实际工业生产情况,通常将熔速设置为电极直径的 0.6 到 1.0 倍(举例说明:电渣重熔过程中熔速一般为结晶器直径的 0.6~0.8 倍,直径的单位取 mm,如果冶炼直径为 700 mm 的圆形电渣锭,平均熔速一般应控制在 490~560 kg/ h) 。 因此,生产小铸锭是不经济的,特别是当铸锭的直径小于 400 mm 时生产效率较低。 INTECO 公司通过开发快速电渣重熔工艺(ESRR)技术提出了一种非常好的解决方案,以解决此类问题。 ESRR 的熔速比常规电渣重熔的熔速高 3~4 倍,ESRR 的核心装备是 T 形结晶器。 此外,电渣连铸(ESCC)技术己将传统的电渣重熔工艺和连铸技术相结合并且实现产业化。 通过 ESRR 和 ESCC 工艺重熔的铸锭可以直接成为可轧制的产品,无需进行任何额外的锻造操作,从而降低了产品成本并缩短了生产周期。 Li 等 和 Fu等   将连续定向凝固技术引入电渣重熔(ESR⁃CDS)中,该措施是通过减少熔融金属池的径向传热进一步减少 ESCC 工艺铸锭的径向结晶。 Qi 等发现 ESR⁃CDS 铸锭具有较小的枝晶间距,且柱状晶粒的生长方向几乎平行于铸锭的轴线。

Dong 等 发现,ESR⁃STCCM 金属熔池变浅,这有利于提高铸锭的凝固质量。 彭龙生研究发现,将熔炼后的若干铸件串联焊接成一体形成自耗电级,并采用特殊的工艺(如对脱落的金属熔滴进行熔融时,将未熔融的自耗电级暂停 10 ~20 s后再使其下降,并将下降速度提高10% ~ 20%)进行处理,可显著节省能源和原材料,提高生产速率,缩短生产时间,得到纯度更高的铸锭。

虽然我国电渣重熔技术的诞生和发展几乎与国外同步,但在 20 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。 随着人们对能源利用率和环保要求的提高,装备大型化、高效化成为发展方向,从而对高端装备的关键材料提出更高要求 。 历经 50 多年的不断发展,电渣重熔技术已经成为生产电力、石化、军工等高端关键材料的重要方法。 本文主要介绍近年来电渣重熔新技术的研究现状及发展趋势。

1 电渣重熔新技术的研究现状

1.1 快速电渣重熔技术

快速电渣重熔技术是在早年 T 型结晶器多流电渣重熔技术的基础上发展起来的,奥地利 INTECO 公司在 20 世纪90 年代末开发了这一技术。 该技术采用 T 型结晶器重熔大断面电极,在结晶器壁上嵌入导电元件,使电源电流通过自耗电极⁃渣池⁃导电元件,返回变压器,如此改变了结晶器内的热分配。 传统的电渣重熔(ESR)工艺可良好地控制铸锭凝固,因此能够生产具有均匀组织和无宏观缺陷的特殊钢和超合金铸锭。 然而,ESR 熔化率相当低,因此对于小尺寸的锭是不经济的。 在标准 ESR 操作中,电渣重熔的熔化速率通常采用熔化速率(kg/ h)与锭直径(mm)之间的比率不超过或仅略微超过 1.0 的方式进行调整。 对于易偏析的合金,如工具钢和高温合金,该比例低至 0.65~0.75,这导致小直径钢锭和钢坯的熔化速率相对较低。 因此,对于直径低于 300~400 mm 钢锭,尽管其晶粒尺寸更小、更有利于轧制,但低的熔化速率产生的高生产成本导致采用 ESR 方式生产非常受限。 但这一限制可通过采用电渣快速重熔技术克服,其熔体速率和直径比达到 3~10,可用于生产直径为 100~300 mm 的钢坯 。

通过在 T 形结晶器中重熔较大尺寸的电极,可以实现 300~1000 kg/ h的熔化速率(T 形结晶器示意图见图 1)。 快速电渣重熔技术(ESRR)的目的是提高常规 ESR 工艺涉及的熔化速率,以较为经济的生产成本生产特殊钢和超级合金,同时避免了连续铸造过程中不均匀的熔池形状和出现凝固缺陷及表面质量差等缺陷。

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ESRR 设备示意图如图 2 所示,该设备采用大于重熔坯料尺寸的电极,以**限度提高熔化速率。 理想情况下,电极的横截面应至少为坯料横截面的 1.5 倍,**状况下电极的横截面则为坯料横截面的 2~3 倍。 水冷结晶器的横截面为 T 形,其下部较窄的部分由将要生产的钢坯的截面决定,可以是圆形、方形或六角形,而上部则由自耗电极的**截面决定。 ESRR 的自耗电极与传统的 ESR 工艺一样,当电流从电极尖端进入渣池时,自耗电极会在过热的液态渣池中熔化。 70%~90%的电流通过模具壁中非冷却导电元件(通常是石墨或高熔点金属,如钨或钼)返回,或 10%~30%通过重熔锭返回。 两个返回位置之间的电流分配与各自的电阻成反比,这意味着通过钢坯的电流部分将随着钢坯横截面的减小以及电极尖端与液态金属池之间距离的增加而减小。 随着电极表面和接触元件之间的距离减小,通过接触元件的电流部分增加。 这在熔化速率增加的情况下特别重要,因为大部分所需的能量输入是在电极和模具壁之间的渣表面产生的,液态金属液面须保持在 T 形延伸部分以下,以防止结晶器上部区域的金属凝固。

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ESRR 流程的主要特点和基本特征可以总结为:(1)大尺寸电极;(2)近网状小钢锭;(3)与传统的ESR 工艺相比,熔体速率增加时,金属熔池的形状几乎不受功率输入水平的影响;(4)连续操作时产率高。 图 3 为邢台钢铁公司 ESR & ESRR ® 设备的实景图,其技术特征在于:一个炉头,电极交换,保护气体罩。

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2003 年,东北大学电渣项目组实验室开发出双极串联、T型结晶器快速抽锭电渣重熔技术,分别生产出断面为 90 mm×90 mm 的方锭和 Φ100 mm 的圆锭,并对影响重熔方坯质量的低倍、高倍、夹杂物进行检验。 结果表明,该技术生产的方坯表面质量和内部质量良好。 在此技术的基础上,先后采用结晶器导电或双极串联供电、T型结晶器抽锭电渣重熔技术,为国内多家特钢企业生产出不同尺寸和锭型的电渣产品。 断面尺寸有280mm×324mm、340 mm× 340 mm 的方坯,有 Φ200 mm、Φ300 mm、Φ400 mm、Φ600 mm、Φ800 mm、Φ900 mm、Φ1 000 mm和 Φ1 100 mm 等各种规格的圆坯,铸坯长度为4 000~6 000 mm。

1.2 保护气氛电渣重熔技术

早期电渣重熔都是在大气环境下进行熔炼的,生产成本低、操作方便,但是电渣钢中容易出现 Si、Mn、Al、Ti 等易氧化元素烧损和增氢等问题 。 为此,德国、美国、奥地利、中国等相继开发出惰性气氛保护电渣炉,整个重熔过程在惰性气体保护下进行,主要目的是防止重熔过程钢中的活泼金属元素氧化。1997 年,**座基于奥地利专利 AT406.457   的INTECO 保护气氛 ESR 工厂在维琴察瓦尔布鲁纳钢铁厂启动,如图4 所示。

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其中包括可伸缩底板和电极更换,并确保了在 100%保护气氛下操作,重熔过程中的自耗电极保持在密闭的保护气罩下。 这是 ESR 的一个里程碑,也是保护气氛ESR 技术的真正起点。 与早期传统电渣炉相比,新开发的保护气氛电渣重熔装置应用了全密闭气氛保护、全自动一键式自动化控制、称重恒熔速控制、同轴导电、框架式机械结构、氧含量在线监测等一系列技术改进升级 。 2009 年开始,国内全自主设计的全密闭框架式称重恒熔速保护气氛电渣炉(图 5)在上海、常州等地投产后,新一代气氛保护电渣炉设备和工艺在各企业大批量推广应用。

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1.3 导电结晶器技术

传统的电渣重熔由电源、电极、渣池、钢锭和底水箱构成供电回路,发热区主要集中在电极和渣金界面之间。 由于受传统电渣重熔导电回路方式的限制,只能采用一次重熔⁃一个钢锭的间歇式生产方式,这样不仅生产效率低,而且钢锭在后步锻造或初轧开坯过程中钢锭头尾去除量较大,钢的成材率很低 ,因而生产成本也较高。 导电结晶器技术与传统电渣重熔技术不同,可以有多种方式让电流经过渣池,特殊的电流路径能够增强控制渣池和金属熔池之间热分配的能力,通过调节两个回路的功率分配,可以调节结晶器壁附近渣池和金属熔池的温度分布,有利于控制成浅平的金属熔池和增加熔池的圆柱段高度,从而可以在大幅度降低熔化速度的情况下保证铸锭的表面质量。 同时,由于熔池变浅,结晶趋于轴向,凝固偏析问题得到改善,铸锭内部质量提高,从而有效解决了内部质量和表面质量相互矛盾的问题 。 2012年,东北大学特殊钢冶金研究所为国内某钢厂开发了 25t空心坯抽锭式电渣炉,该炉型的主要特征是采用双电源供电、T型导电结晶器,可以有效地控制渣池和熔池温度分布,生产出 Φ900 mm/ Φ500 mm 和 Φ650 mm/ Φ450 mm 断面的空心电渣锭,**抽锭长度为 6 000 mm。

在作为二次精炼技术的电渣重熔(ESR)工艺中,熔渣和熔融金属自始至终都处于湍流运动状态。 渣相中的电磁场、磁驱动流体流动、浮力驱动流动和传热会影响电极重熔过程和生产过程的能量效率。 另一方面,熔渣池的流动决定了电渣锭中的温度分布和熔池分布,最终影响电渣锭的质量。 导电结晶器是最近开发的用于扩展 ESR 功能的装置,例如电渣快速重熔(ESRR)或电渣重熔连铸(ESCC)以快速重熔生产长钢坯,液态金属电渣堆焊(ESS LM)和液态金属电渣重熔(ESR LM)用于制造双金属坯料和实心或空心钢锭 。使用导电结晶器的 ESR 工艺示意图如图 6 所示。 熔化电极所需的能量是由炉渣的焦耳热提供的,炉渣的电阻率比熔融金属的电阻率高三个数量级。 渣池中的电流分布由导电结晶器控制。 随着炉渣温度升高至相关钢的熔点以上,电极在其尖端熔化并形成液滴,随后液滴通过熔融炉渣落入结晶器中。 通过强制冷却,钢水在结晶器中凝固成钢坯。 然后不断地从结晶器中将重熔的钢坯拉出。 传统连铸中使用的二次冷却段喷涂不适用于带有导电结晶器的电渣重熔,以防止重熔高合金钢时开裂。

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1.4 加压电渣重熔

加压电渣重熔是一种在密闭系统中和高压气氛(通常为氮气)下进行的电渣重熔,该设备的装置图如图7所示。

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氮是一种奥氏体稳定元素,它能够显著增加奥氏体不锈钢的屈服强度及抗张强度并改善其疲劳性能。 氮在钢中的溶解度取决于钢液面上氮的分压。 为了提高氮在钢中的溶解度,需提高钢中固溶的氮含量,就必须使钢液面上有高的氮压力,加压电渣重熔就是基于此发展起来的。 加压电渣重熔与普通电渣重熔的差别在于加压电渣重熔渣面以上的熔炼空间是密闭的,熔炼在高压下进行,渣料及合金料的添加也是在密闭条件下进行的。 德国建成了上述高压电渣重熔炉,电渣重熔出了含 Mn 18%、Cr 12%和 N 0.8%及 C1.05%(质量分数,下同)的奥氏体不锈钢,只用 20%的冷加工量其屈服强度便可高于 1 500N/mm2 ,满足了核电设备的要求。 此外,在高氮不锈钢屈服强度大幅度提高的同时,其韧性及热加工性能的降低幅度不大 。

加压电渣重熔工艺(PESR) 主要用于生产高氮合金。1970 年在 Kapfenberg 安装了一个中试设备,该设备能够在2.5 MPa的**压力下生产直径为 400 mm、质量为 1t 的铸锭(图 8)。 1980 年,奥地利 INTECO 公司在埃森安装了**台规模生产的 PESR 设备,该炉可生产直径为 1 m、质量达14t的锭子,熔炼室氮气压力为 4.2 MPa。 这台炉子建立的背景是:新一代核电站发电设备需要屈服强度为 1 420 N/ mm 的无磁护环,而用大气熔炼的含 C 0.5%、Mn 18%、Cr 4.5%和N 0.1%的奥氏体钢远远不能满足要求。

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东北大学在 2007 年成功开发出**压力为 7 MPa的100 kg 加压电渣炉,并利用复合电极的加压电渣工艺制备了氮含量为 0.8%~1.2%且成分均匀、组织致密的高氮奥氏体不锈钢 P900N、P900NMo 和 P2000,产品具有优异的力学性能和耐腐蚀性能。 目前,利用加压感应炉和加压电渣炉双联工艺成功制备出 Cronidur 30 高氮马氏体不锈钢,可用于制造高性能航空航天轴承、模具钢和刀具等。 2018 年,中国首台500 kg 加压电渣炉在辽宁科技大学实验室投入建设并调试成功(图 9)。 此前,该项目组又联合装备制造企业研制了1 台6 t 的加压电渣炉。

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1.5 真空电渣重熔技术

真空电渣炉(VESR)是近年来在国外出现的新一代电渣重熔设备,是在普通电渣炉(ESR)、气体保护电渣炉(IESR)、加压电渣炉(PESR)和真空电弧炉(VAR)基础上发展出的新型重熔速凝铸锭设备,如图 10 所示。 真空电渣熔炼具有真空熔炼和电渣熔炼的双重特点。 普通电渣炉重熔过程中存在活泼元素烧损大、有害气体含量增加、锭头尾成分控制困难等缺陷。 VESR 的特点是其熔速比 ESR 慢 55%,固化速度更快,能精控熔炼凝固全过程。 钢锭过渡区域的柱状晶体更少,[O]、[H]、[N] 不增加或减少,带状偏析更低。 同时VESR 能够降低有害金属含量,减少 Ti、A1 等烧损,铸锭的表面质量良好。 采用真空电渣重熔生产 W 系列模具钢,钢的韧性、强度、耐磨性、抗冷热疲劳裂纹疲劳能力、抗金属粘着能力、抗冲蚀能力和抗氧化能力均明显提高,其寿命高于普通电渣重熔模具钢。 如采用 ESR 生产的 403 模具钢使用30000 次后就需修模,并且采用普通 ESR 生产的 403 模具钢可使电渣重熔高温合金过程中活泼元素烧损大,成分控制困难,气体含量通常会增加。

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为满足航空领域对高温合金的需求,德国 ALD 真空技术公司开发了真空电渣重熔技术。 工业性试验结果表明,直径为 250 mm、质量约 300 kg 的真空电渣重熔锭表面光滑,无任何表面缺陷,而且在有效脱硫的情况下,活泼元素(如钛、铝等)没有烧损。 据报道,目前 20 t 的真空电渣炉在国外已实现工业化。

1.6 特厚板坯电渣重熔技术

目前,特厚板的生产主要是采用模铸锭和电渣锭进行锻造或者轧制而成。 而模铸钢锭由于存在各种偏析及疏松缺陷,锻造比要求较大,并且所得到的最终厚板的质量受到很大的限制。 电渣重熔厚板坯的优越性主要体现在:(1)电渣锭洁净度高、组织致密、成分均匀,在宽阔的温度区间内具有良好的加工塑性,可以允许更小的加工压缩比。 (2)电渣重熔扁锭时,可以省去开坯工序,直接上厚板轧机,减少锻压比,节省工时。 (3)电渣重熔锭轧成的钢板性能优良,与普通钢板比较,其横向的塑性、韧性大大提高,各向异性、断裂韧性、缺口敏感性和低周波疲劳指标显著改善。 (4)电渣重熔钢板可焊性良好。 焊缝热影响区缩小,可以省去大型焊接结构件(如高压容器、锅炉、反应堆壳体)焊接后的正火处理。(5)良好的使用性能。 电渣重熔钢板具有良好的低温抗冷脆性。 (6)与模铸相比,使用电渣重熔生产特厚板时,由于钢板组织致密、成分均匀、产品质量好,成材率可提高 9% ~18%,足以抵偿全部重熔费用;而且省去了开坯工序,实际生产成本反而降低 。

2006 年—2009 年东北大学为舞阳钢厂建成了世界上最大断面尺寸的三台 40 t 板坯电渣炉(图 11)。 该设备主要包括:低频电源控制、双极串联重熔、结晶器移动式抽锭、电极称量与熔化速度精确控制、干燥空气保护和二次冷却。 **锭重达 50 t,**断面尺寸为 960 mm×2 000 mm。 电渣炉自投产以来,已成功开发了厚度为 640 mm、760 mm、960 mm 三种规格的 P20、WSM718R、980、2. 25Cr1Mo、16MnR(HIC)、20MnNiMo 等 20 多个钢种,其主要技术经济指标处于国际先进水平。

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1.7 空心钢锭电渣重熔技术

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和质量要求越来越高。 厚壁管特别是大、中口径无缝厚壁管、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,其缺点是冲孔工序造成大量材料的浪费;多次加热和多工序变形容易改变钢锭的内部组织结构,影响产品质量;难于加工超大型锻件,不能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%   。 采用电渣重熔方法生产的空心钢锭,其组织更加致密均匀,经实验验证,相同外径的空心钢锭比实心钢锭的二次枝晶间距更小。 经力学性能测试,电渣重熔空心钢锭的力学性能与传统电渣实心钢锭经锻造后的力学性能几乎接近 。 2012 年由东北大学项目组和乌克兰 Elmet⁃Roll 公司合作开 发 了 大 型 电 渣 重 熔 空 心 钢 锭 成 套 设 备 和 工 艺(图 12a)。 该电渣炉采用短结晶器的抽锭生产方式,**钢锭尺寸为 Φ1 100 mm×6 000 mm,可以兼容生产空心锭和实心锭两种锭型 。 工业试验表明,其生产的空心锭的表面质量和内部质量均非常好。 结晶器组织致密、纯净度高,是生产高端厚壁管和筒体锻件的理想材料。 该设备采用了一系列新技术和新工艺,主要包括双电源、T 型结晶器导电、车载式电极升降机构、基于电磁涡流法的液面检测与自动控制系统,同时配备了抽锭拉力传感器,这样可以保证液面的精确控制,并保证内结晶器不被抱死,也可防止漏渣和漏钢事故。

由于采用了双电源,在交换电极时结晶器仍然供电,保证了电极交换时结合处的内部质量和表面质量,这是世界上首次采用该技术。 图 12 为双电源电渣重熔空心钢锭的原理图和空心锭结晶器 3D 设计图 。

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1.8 大型钢锭电渣重熔技术

随着装备制造业的发展,高端特厚板钢材品种的需求量十分巨大。 例如,高端模具钢、锅炉容器钢、海洋工程用钢、核电和水电用钢等需要厚度大于 150 mm 甚至超过 400 mm的特厚板。 连铸坯无法满足厚度的需要,而且连铸坯厚度超过 350 mm 以上时很难控制其中心质量。 模铸扁锭虽然能够满足厚度的要求,但其凝固质量差,无法满足高质量厚板(如z 向性能)的要求 。

随着电力、石化及冶金等领域装备大型化、复杂化,对大型铸锻件行业提出了更高要求,100 t 以上的大型优质钢锭需求量不断增加。 大型铸锻件的生产能力主要集中在日本、韩国、中国和欧洲,采用电渣重熔技术生产优质大型钢锭是发展趋势。 进入 21 世纪以来,德国、意大利、日本和韩国等国家的企业建成的 100 t 以上的电渣炉已达 10 多台,**容量为 260 t(图 13)。 目前,我国有 7 台 100 t 以上的电渣炉(图 14)。

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由于大型锻件需求的大吨位模铸钢锭尺寸和吨位的增加,其铸态组织随之恶化,缩孔、疏松、偏析、夹杂物聚集以及其它一些冶金缺陷也随之增加,这给大锻件的质量造成严重的危害。 国内外研究表明,采用电渣重熔工艺制造的钢锭不但消除了疏松、缩孔、夹渣等缺陷,而且组织致密、成分均匀、各向同性,其综合力学性能得到明显改善和提高 。 因而,采用大型电渣炉重熔大型电渣钢锭是理想的冶金工艺。 但由于大型钢锭在电渣凝固过程中极其发生复杂的冶金物理化学变化,重熔大型电渣锭的工艺、经验、技术掌握较少,往往电渣重熔工艺的优化靠大量的热实验反复修正,不但实验难度大,实验费用高,周期长,而且往往只能捕捉到分散、有限的信息。

1.9 绿色环保型电渣重熔新渣系开发

我国是钢铁大国,但一直面临产能过剩、能耗高、污染大等一系列重大问题,处于金字塔尖的高端特殊钢严重依赖进口。 电渣重熔是生产高端特殊钢的主要手段,其产品应用于高端装备制造领域。 传统电渣重熔技术存在耗能高、氟污染重、效率低、产品质量差等问题,大单重厚板和百吨级电渣锭无法满足高端装备的需求,严重制约着我国重大工程和重大装备的建设 。 随着各国环境保护意识的提高,开发低氟或无氟环保型渣系,研究渣系的物理化学性能以及重熔过程中的物理化学反应,成为电渣冶金的重要研究方向。 研究表明,低导电率、低导热系数和高黏度的炉渣能显著提高电极熔化的热效率。 低 CaF 2 、高 Al 2 O 3 或 SiO 2 的渣系存在较多尺寸大、结构复杂的阴离子团,从而导致简单阳离子数量减少,电荷传递能力下降即电导率下降。 同时,大量复杂的阴离子团导致黏度增加、导热能力下降。 研究人员首次发现了渣系与能耗的内在关系,率先开发了低氟节能环保型预熔渣并在行业推广,可节电 300 kWh/ t 以上;创新研发了碱法干湿双联高效除氟技术,除氟后废气中的氟化物小于 1 mg/ Nm 3 ,达到国际最高环保标准 。

东北大学与沈阳赛美特新材料科技有限公司等企业合作研发,取得了一系列创新,设计了系列的低氟多组元节能环保型预熔渣系。 该节能环保型预熔渣系推广到国内 60 多家电渣钢生产企业,电渣重熔品质提升、降氟效果及吨钢节电效果明显。 同时, 采用电熔法制备预熔渣替代现场机械混合渣料,大幅度降低了现场粉尘污染。

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1.10 电渣重熔新设备

一些典型的电渣重熔新设备及其技术特征见图 16—图 19。

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2 结语与展望

电渣冶金从 20 世纪 50 年代诞生至今己有 60 多年历史。经过国内外几代电渣冶金工作者的不断探索和研究,电渣冶金技术得到了持续的发展,电渣炉的设备、工艺和产品种类繁多,新装备、新工艺和新产品不断涌现。 电渣重熔已经成为特殊钢和特种合金不可或缺的特种冶金方法,在高品质特殊钢和特种合金的生产中具有举足轻重的地位。

同轴导电电渣炉、保护气氛电渣炉、加压电渣炉和抽锭式电渣炉均是电渣炉设备方面的重要发展成果。

在抽锭电渣炉基础上发展起来的电渣重熔空心钢锭、快速电渣重熔(ESRR)和电渣连铸(ESCC)等新技术是 21 世纪以来电渣冶金技术的重大发展成果。 而在导电结晶器基础上发展起来的电渣重熔空心钢锭技术代表了目前电渣冶金领域最前沿的技术之一。在技术开发的同时,国内外许多学者对电渣重熔渣系、冶金反应、传输现象和凝固过程等方面也做了大量的基础性研究,为电渣冶金技术的发展奠定了重要的理论基础。

电渣冶金技术虽已经历经近 60 年的发展,但仍具有强大的生命力。 在新的发展阶段,电渣冶金技术将向高效、节能、环保以及满足更高质量的方向发展。


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