電渣冶金的發(fā)展歷程、現(xiàn)狀及趨勢

李正邦

(鋼鐵研究總院 冶金工藝研究所，北京 100081)

電渣冶金的發(fā)展歷程、現(xiàn)狀及趨勢

李正邦

(鋼鐵研究總院 冶金工藝研究所，北京 100081)

介紹了國內(nèi)外電渣冶金的發(fā)展歷程及國內(nèi)電渣冶金的起步與發(fā)展.其中，我國研究者在電渣重熔去夾雜機(jī)理方面的研究有獨(dú)到的觀點，百噸級電渣爐在低氫、低鋁及凝固控制方面技術(shù)領(lǐng)先.在總結(jié)了電渣冶金優(yōu)越性及局限性的基礎(chǔ)上提出了電渣冶金在材料領(lǐng)域中的發(fā)展前景.

電渣冶金;現(xiàn)狀;趨勢

1 國外電渣冶金的發(fā)展歷程

20世紀(jì)特種冶金三大突破是真空冶金、等離子冶金及電渣冶金.電渣冶金在世界上獲得工業(yè)應(yīng)用是20世紀(jì)60年代的事.

歐美國家的研究人員論述電渣發(fā)展史往往追溯到美國霍普金斯(R.K.Hopkins)于1940年獲得的“凱洛電鑄錠”專利(美國專利No.2191470)［1］，但由于獨(dú)家封閉性生產(chǎn)，技術(shù)上若干問題未能解決，例如因管狀電極包裝合金掉塊引起鑄錠成分不均等而未獲推廣.霍普金斯作為Kellogg公司技術(shù)負(fù)責(zé)人，長期壟斷這一技術(shù)，用于高速鋼(M2，T1)和高溫合金(Fe－16Cr－25Ni－6Mo)的小量生產(chǎn).1959年霍普金斯作為Firth－Sterling公司副總經(jīng)理，新建3臺3.6 t電渣爐，變直接冶煉為重熔精煉，電渣爐依舊沿用直流電源，鑄錠接負(fù)極.霍普金斯及其同事仍誤認(rèn)為重熔過程是“埋弧放電”而不是電渣過程［2］.

1953 年，蘇聯(lián) Г.З.Вопошкевич 在電弧焊焊縱縫過程中發(fā)現(xiàn)電弧熄滅，其過程穩(wěn)定，焊縫質(zhì)量優(yōu)異，由此發(fā)現(xiàn)了電渣焊.1953年后經(jīng)巴頓電焊研究院歷時5年的開發(fā)研究，于1958年5月在梅多瓦爾(Б.И.Медовар)院士的領(lǐng)導(dǎo)下，在烏克蘭扎波洛什市德聶泊爾特鋼公司建成0.5t P909型電渣爐4臺［3，4］，蘇聯(lián)電渣冶金工業(yè)拉開了序幕.

20世紀(jì)50年代由于鈦合金的需要，美國真空電弧重熔生產(chǎn)能力擴(kuò)張很快，年生產(chǎn)能力達(dá)15.3萬t/a，以后，60年代鈦合金市場蕭條，相當(dāng)一部分真空電弧爐轉(zhuǎn)為生產(chǎn)超級合金與優(yōu)質(zhì)合金鋼.1959～1965年美國和西歐電渣重熔與真空電弧重熔之間展開了激烈的技術(shù)競爭，這場競爭持續(xù)達(dá)7年之久.1965年西歐和美國冶金工作者作了全面的、系統(tǒng)的研究，其結(jié)論是電渣重熔設(shè)備簡單，生產(chǎn)費(fèi)用低廉，操作方便，鑄錠表面光潔，熱塑性好，成材率高(見表1).電渣重熔產(chǎn)品在純凈度方面不亞于真空電弧重熔，去硫、去除非金屬夾雜物均超過真空電弧重熔，僅去氣(N、H、O)不及真空電弧重熔，而在鑄錠結(jié)晶方面優(yōu)于真空電弧重熔，鑄錠組織的致密性、化學(xué)成分均勻性還超過真空電弧重熔，沒有低倍缺陷，成品率高.法國航空材料中心用電渣重熔鋼制造協(xié)和噴氣式客機(jī)起落架.一些生產(chǎn)真空冶金設(shè)備著名的公司開始轉(zhuǎn)向制造電渣爐，這些公司是:美國Consarc公司、聯(lián)邦德國Loybold－Heraeus公司、英國Birlec公司、奧地利Bohler公司和日本真空株式會社.

表1 英國資料對電渣重熔、真空電弧重熔的比較Table 1 Data of intercomparison for ESR and VAR by British literature

美國和西歐借助其雄厚的經(jīng)濟(jì)實力及技術(shù)基礎(chǔ)，電渣技術(shù)在國際上發(fā)展極為迅速，出現(xiàn)飛躍之勢，其表現(xiàn)為:

(1)產(chǎn)量呈拋物線增長:

1960 1965 1969 1973 1988 2008產(chǎn)量/萬年份t 3 29 48 80 120 200(2)錠重呈幾何級數(shù)增長:年份/t 12 30 80 165 204 1960 1965 1970 1988 2008錠重

(3)產(chǎn)品擴(kuò)大.生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)鋼及超級合金到1985年近300個牌號，開始用于生產(chǎn)有色金屬(Al、Cu、Ti合金)及貴金屬(Ag 合金).

(4)打破專業(yè)及行業(yè)的界限.1980年巴頓(Е.О.Пато)電焊研究所推廣了電渣熔鑄異形鑄件ESC和雙極串聯(lián)電渣焊ESWB兩項新技術(shù)，中國、日本、美國、西德、加拿大相繼在電渣熔鑄上有突破.電渣技術(shù)從焊接領(lǐng)域擴(kuò)大到冶金領(lǐng)域，再擴(kuò)大到鑄造行業(yè).

電渣鋼產(chǎn)量繼續(xù)增長，到1988年達(dá)到120萬t，第1代電渣爐開始更新.蘇聯(lián)及東歐國家電渣爐臺數(shù)、生產(chǎn)能力及產(chǎn)量是嚴(yán)格保密的.但據(jù)發(fā)達(dá)國家的情報分析，蘇聯(lián)電渣鋼產(chǎn)量約40～45萬t，東歐國家的產(chǎn)量約為4～5萬 t.到1985年止，西方工業(yè)電渣爐達(dá)204臺，其中38臺是1975年以后新建的.值得注意的是，美國Erie市 National Forge公司92 t電渣爐、韓國Hundai國際公司92 t電渣爐、印度88 t電渣爐、英國British鋼鐵公司Scottish分公司50 t三相板坯電渣爐、中國臺灣省高雄臺灣重型機(jī)器公司30 t電渣爐、蘇聯(lián)уШ－107型多流電渣爐及電渣熔鑄專用電渣爐уШ－106先后投產(chǎn).

這一階段隨著重熔錠型的擴(kuò)大、電渣熔鑄管件及異形鑄件的出現(xiàn)，對金屬質(zhì)量要求日益嚴(yán)格，要求對過程進(jìn)行嚴(yán)格控制，開始用計算機(jī)控制電渣爐作業(yè).要進(jìn)行控制必須有模型，研究電渣重熔過程的理論模型應(yīng)運(yùn)而生，包括:熱傳遞模型、物質(zhì)傳遞模型(熱力學(xué)模型、薄膜及滲透理論為基礎(chǔ)的新傳質(zhì)模型)和熱塑性模型.

A.Mittchell和F.S.Suarcz等人成功地把熱傳遞模型與現(xiàn)代凝固理論結(jié)合起來，用熱傳遞模型求得溫度場，預(yù)測鑄錠顯微結(jié)構(gòu).計算機(jī)實際應(yīng)用于電渣重熔，實現(xiàn)熔速、渣池電阻、電壓波動閉環(huán)控制.

這一階段一些生產(chǎn)超級合金的公司繼續(xù)擴(kuò)大生產(chǎn)能力，一批電渣爐相繼建成并投產(chǎn).如美國Teledyne Allvac公司建立23 t電渣爐，Inco合金國際公司兩臺電渣爐于1986年投產(chǎn)生產(chǎn)Ni基合金、Co基合金及其它耐熱合金板錠及圓錠，錠重18 t.1992年Consarc公司制造100 t電渣爐在日本鋼廠投產(chǎn).

從美國電渣冶金生產(chǎn)的品種看，超級合金所占比重最大，電渣重熔鋼總產(chǎn)量達(dá)52萬t之多.具體為:碳鋼及低合金鋼占22%;工具鋼及模具鋼占27%;不銹鋼及耐熱鋼占20%;鎳基及鈷基超級合金占31%.各廠產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定.

西歐與美國致力于電渣熱封頂BEST法及電渣自熔模MIKW法生產(chǎn)大鋼錠.烏克蘭巴頓電焊研究所應(yīng)用雙極串聯(lián)電渣焊，鑄焊結(jié)合生產(chǎn)大毛坯，并研究電渣分批澆鑄生產(chǎn)大錠.巴頓電焊研究所用電渣坩堝爐熔煉獲得純凈鋼水，與離心澆鑄結(jié)合形成電渣離心澆鑄CESC，將鋼水澆入耐用金屬模，形成電渣耐用模澆鑄EPMC.

21世紀(jì)電渣冶金正在醞釀新突破，如真空電渣與高壓電渣重熔、快速電渣重熔ESRR、電渣復(fù)合澆注、電渣澆鑄空心錠及電渣澆鑄鑄件等.

2 我國電渣冶金的起步與重大發(fā)展

2.1 我國電渣冶金的起步［5］

1958年蘇聯(lián)公開技術(shù)限于電渣焊，而電渣重熔屬于保密禁區(qū).為解決焊縫熱裂縫問題，我們采用了低碳鋼板涂上錳鐵合金粉末，得到成分均勻、組織致密的焊縫，熱裂縫問題得到解決［6］;并由此受到啟示，利用廢舊的高爐風(fēng)管改裝成結(jié)晶器，將電渣焊機(jī)改裝成電渣爐，預(yù)熔了重熔渣料，將鐵合金粉涂在電極上作自耗電極，冶煉出優(yōu)質(zhì)的高速鋼.

1959年衡陽冶金機(jī)械廠生產(chǎn)了100kg高速鋼電渣鑄錠，還采用電渣重熔回收一批廢舊高速鋼刀具，成果于1959年10發(fā)表在《焊接》雜志建國10周年特刊上［7］，這一成果受到國內(nèi)冶金界關(guān)注.同期在衡陽冶金機(jī)械廠還試驗成功了電渣冒口熱封頂［8］.

1959年11月北京鋼鐵學(xué)院朱覺教授率電冶金師生與作者所在的冶金建筑研究院電渣實驗室合作，采用電渣重熔法研制成功了航空軸承鋼.1960年5月冶金部召開了推廣會，朱覺主持會議，李正邦、傅杰等作技術(shù)報告.

1960年8月重慶特鋼、大冶鋼廠等建立電渣車間，生產(chǎn)出無發(fā)紋鋼、航空軸承鋼、模具鋼、工具鋼、高溫合金等一系列產(chǎn)品，為此，1965年被授予國家發(fā)明獎［9］.

2.2我國電渣冶金的重大發(fā)展—200t級渣電爐

世界各國都致力于電渣重熔生產(chǎn)質(zhì)量超過100 t的大錠，最成功的是德國Loybold－Heraeus公司為薩爾鋼廠(Searsthl Gmbh)建的FB45/165G爐子，供電用可控硅變頻電源0～10 Hz，短網(wǎng)感抗 cosφ=0.98，1971年建成以來生產(chǎn)正常，爐子負(fù)荷飽滿，缺點是變頻設(shè)備龐大昂貴，元件老化快，且低頻使電毛細(xì)效應(yīng)弱化.

上海重型機(jī)械廠與北京鋼鐵學(xué)院合作，于1981年建成200 t級三相雙極串聯(lián)電渣爐 (見圖1)，1982年經(jīng)國家鑒定后，為秦山300 MW核電站提供了124件毛坯.

圖1 200 t電渣爐重熔示意圖Fig.1 Schematic diagram of 200 t ESR

爐子由3根立柱呈等邊三角形布置，每根立柱上有可上下移動、左右旋轉(zhuǎn)的支臂，其端頭夾持電極，夾持雙極呈串聯(lián) (Bifilar)回路，重熔6根自耗電極分別由3個5 200 kVA單相變壓器供電，變壓器二次線抽零、3根抽零線同接引錠板，6根直徑為500 mm的自耗電極同插入一個直徑為2 800 mm的結(jié)晶器，液渣引燃，通電即可開始重熔;采用抽錠裝置，可用短結(jié)晶器抽長錠，重熔過程3個旋轉(zhuǎn)支臂可輪流更換電極，這種電渣爐3個變壓器接三相電網(wǎng)，有利于電網(wǎng)平衡，雙極串聯(lián)可以降低回路感抗，提高設(shè)備功率因數(shù)，短網(wǎng)感抗cosφ=0.87～0.96.因雙極串聯(lián)兩極間有效電阻RS增大，從而提高電效率ηE=RS/(RS+Σr)(其中Σr為短網(wǎng)電阻之總和).設(shè)兩路供電電網(wǎng)，防止長時間重熔斷電;水路有兩路水源，有深水井可控制夏天進(jìn)水溫度不大于25℃，并有磁化水處理裝置;有抽風(fēng)排煙除塵系統(tǒng)及煙氣凈化處理設(shè)備.這無疑是一臺設(shè)計精巧、功能齊備、動作靈活的電渣爐，在世界上實屬罕見［10］.多年來，上海重型機(jī)器廠摸索出一套成熟工藝，在工藝上的創(chuàng)新如下:

(1)低氫控制［11］.200 t電渣爐熔煉中空氣與熔渣界面積達(dá)5 m2，上海地區(qū)空氣濕度偏高(最高達(dá)30 g H2O/m3)，要防止重熔過程中鋼液吸氫，采取的有效措施為:自耗電極冶煉用RH爐精煉，Al2O3粉焙燒去Al(OH)3，結(jié)晶器熱水啟動，用石墨電極在結(jié)晶器內(nèi)造渣，通干燥空氣保護(hù)，渣中適度加入SiO2，降低 (O2－)的活度等.

(2)凝固控制［12］.熔煉開始時增大功率，熔速高達(dá)5 t/h，加強(qiáng)冷卻，重熔過程熔速遞減，保持熔池深度≤1/2鑄錠直徑，鑄錠中心二次枝晶僅2 mm，超聲探傷φ1.1 m，未發(fā)現(xiàn)缺陷.

(3)低鋁控制［13］.汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子要求含w(Al)≤0.01%.電渣重熔過程中渣－鋼界面鋁的濃度梯度大，易增鋁，上重廠采用60CaF2－20CaO－20Al2O3渣(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)，通過渣成分調(diào)整，渣氧化性適度，選擇脫氧劑及采用相應(yīng)脫氧技術(shù)并控制自耗電極殘鋁量，使生產(chǎn)的300 MW和600 MW轉(zhuǎn)子鋼重熔錠的Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.005% ～0.007%之間.

采用了上述技術(shù)，1989年試制600 MW核電站模擬件，材料的均勻性與純凈度極高，w(C)變化為 ±0.01%，氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001%，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.000 5%，氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.000 1%，達(dá)到國際先進(jìn)水平.上海重型機(jī)器廠電渣鋼與國外電爐真空鑄錠鋼性能比較見表2.

表2 200 t電渣鋼與國外電弧爐真空鑄錠鋼性能比較Table 2 Performance compare of ingots by ESR and EAF

2.3 電渣重熔去夾雜機(jī)理的研究

電渣重熔能夠凈化金屬、顯著地去除非金屬夾雜物是公認(rèn)的事實，但對其機(jī)理各國研究者持有不同的觀點.

電渣重熔過程分3個階段(見圖2):(1)在自耗電極端頭金屬熔化匯聚成滴;(2)金屬液滴脫離電極下落，穿過渣池;(3)下落液滴在鑄錠上端形成金屬熔池.

圖2 電渣重熔示意圖Fig.2 Schematic diagram of ESR

蘇聯(lián) Ю.В.Латаш［14］和日本真殿統(tǒng)［15］認(rèn)為，電渣重熔去除夾雜物的主要途徑是夾雜物自金屬熔池浮升進(jìn)入渣池，他們引用Stokes公式加以說明，主張減慢重熔速度以保證質(zhì)量.這一觀點被美國 G.K.Bhat［16］和英國 G.Hoyle［17］加以引用.另外， 前 蘇 聯(lián) И.А.Гаревский［18］和 德 國W.Riching［19］等認(rèn)為電渣重熔去除夾雜作用主要發(fā)生在熔滴穿過渣池階段，主張細(xì)化熔滴.聯(lián)邦德國 T.El.Gammal［20］、日本長谷川正義［21］研究以電流變頻細(xì)化熔滴.作者和傅杰于1961年同時指出電渣重熔過程中氧化物夾雜的去除不是由于在金屬熔池內(nèi)的浮升，而是由于熔渣對夾雜物的吸收和溶解;且最早發(fā)現(xiàn)電渣重熔去除非金屬夾雜物主要發(fā)生在電極熔化末端熔滴形成階段［22～24］，并以金相法統(tǒng)計電極末端熔化區(qū)和鑄錠中夾雜物面積及單位面積夾雜物個數(shù)為基礎(chǔ)得出結(jié)論.隨后，傅杰截取出重熔過程中的不同部位及尺寸的金屬熔滴，進(jìn)一步提出電渣重熔鋼中的原始夾雜物在熔滴階段已基本去除和溶解.重熔鋼中的夾雜物主要是鋼中溶解的氧與鋼中元素反應(yīng)形成的新生夾雜物，因此，防止金屬氧化和改善結(jié)晶條件，對重熔金屬純潔度起決定作用.

蘇聯(lián) Б.И.Медовар在 1970 年出版的《電渣重熔》書中，引用傅杰的數(shù)據(jù)和論點，但認(rèn)為金屬液滴置取后激冷新生夾雜物未完全析出，其結(jié)果可能不夠精確［25］.

為此，作者又置取端頭、熔滴與熔池金屬，立即進(jìn)行緩冷，保證夾雜物充分析出［26］，同時用更為靈敏的放射性同位素Zr95O2作指示劑測定電渣重熔鋼中夾雜物去向及各階段提純效果.由圖3可見重熔過程隨時間延續(xù)，渣中放射性強(qiáng)度增加，可見夾雜物去向是被爐渣吸收.由圖4各階段放射性強(qiáng)度變化測得夾雜物Zr95O2的總?cè)コ蕿?6%，其中在端頭熔滴形成過程去除53%，在熔滴滴落過程再去除夾雜物28%，金屬熔池僅去除夾雜物5%，可見，電渣重熔過程熔滴形成階段去除的Zr95O2約占總?cè)コ康?/3.調(diào)節(jié)重熔電規(guī)范可獲得不同熔速和不同電極熔化錐頭面積，由表3、圖5可見，隨錐頭面積增大，重熔提純凈化效果增強(qiáng).

圖3 渣中放射性強(qiáng)度隨時間變化關(guān)系Fig.3 Change of radiation intensity

圖4 電渣重熔各階段中放射強(qiáng)度變化Fig.4 Change of radiation intensity in the process of ESR

通過熱力學(xué)計算證實鋼中夾雜物被爐渣吸附是自發(fā)過程［27，28］.

作者于1988年4月在美國圣迭戈召開的第九屆國際真空冶金會議上系統(tǒng)報告這一成果.

表3 電極錐頭面積對夾雜物的影響Table 3 Relation between inclusion and cone area of the electrode

3 電渣冶金的現(xiàn)狀

圖5 電極錐頭表面積對提純?nèi)コ龏A雜物的影響Fig.5 Relation between cone area of the electrode and extraction of inclusion

根據(jù)有關(guān)資料推算，世界上電渣鋼的生產(chǎn)能力超過340萬t/a，而實際生產(chǎn)電渣鋼及合金總量隨金融海嘯波動較大.烏克蘭Б.Е.巴頓院士曾預(yù)計在21世紀(jì)，電渣鋼可占鋼總產(chǎn)量的1%.這預(yù)料偏于樂觀.截止2006，世界各國現(xiàn)有工業(yè)電渣爐328臺.世界最大的電渣爐是:西德薩爾鋼廠165 t電渣爐FB45/165G型電渣爐及我國上海重型機(jī)器廠200 t級電渣爐.蘇聯(lián)新西伯利亞電熱廠200 t級電渣爐因技術(shù)未過關(guān)，已宣告失敗.最大的板坯電渣爐是蘇聯(lián)雙極串聯(lián)70 t板坯電渣爐.蘇聯(lián)雙極串聯(lián)電渣焊可焊接直徑3m的鑄件，焊縫縱向截面可達(dá)10 m2.世界上最大電渣車間是烏克蘭扎波洛什市德聶泊爾特鋼廠電渣車間.有電渣爐22臺，生產(chǎn)能力超過10萬t/a.

電渣重熔的鋼種有:低合金高強(qiáng)度鋼、軸承鋼、工具鋼、模具鋼、不銹耐熱鋼、高溫合金、耐蝕合金、電熱合金、精密合金等.世界各國生產(chǎn)材料鋼號已超過400個.近年電渣重熔進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用于生產(chǎn)有色金屬 Al、Cu、Ti、Mo合金及貴金屬Ag合金.

世界各國電渣技術(shù)研究中心有:烏克蘭巴頓電焊研究院、俄羅斯電熱設(shè)備科學(xué)院ВНИЭГО，美國聯(lián)邦礦業(yè)局Albany冶金研究中心，德國Max－Plank研究所，日本神戶制鋼技術(shù)開發(fā)中心，加拿大哥倫比亞大學(xué)電渣實驗室等.

世界上電渣冶金技術(shù)先進(jìn)的國家是蘇聯(lián)、中國、美國、德國、日本、英國、奧地利.應(yīng)用電渣冶金成熟的國家有瑞典、法國、捷克、德國、比利時和印度.已掌握了電渣冶金技術(shù)的有意大利、西班牙、盧森堡、以色列、南非、澳大利亞、巴西、韓國、波蘭、匈牙利、羅馬尼亞、越南、朝鮮等.

世界性電渣冶金國際會議召開過11次之多，1966～1975年召開了5屆電渣冶金國際會議，從1975年在聯(lián)邦德國慕尼黑召開的第五屆國際冶金真空會議起，電渣重熔與真空冶金合并，通稱“國際真空冶金會議”，每三年一屆，電渣冶金論文在歷屆會議上占相當(dāng)大的比例.而特種熔煉學(xué)科的名流學(xué)者，或是從事電渣，或是科研涉及電渣領(lǐng)域.

1982年11月第七屆國際真空冶金會議在日本東京召開，有關(guān)電渣冶金論文占特種冶金的比例是11%;1988年4月第九屆國際真空冶金會議在美國圣迭戈召開，有關(guān)電渣冶金論文占特種冶金的比例是33%.上世紀(jì)90年代在西方國家電渣冶金技術(shù)趨向成熟，電渣重熔又正是冶煉最后工序，各廠家視為看家本領(lǐng)，為保護(hù)技術(shù)秘密，企業(yè)界不再像電渣技術(shù)萌芽期那樣熱衷于技術(shù)交流，在1992年第11屆國際真空冶金會議上涉及電渣冶金論文僅12篇.

2001年為紀(jì)念世界級電渣冶金專家梅多瓦爾(Б.И.Медовар)逝世一周年，在烏克蘭基輔召開學(xué)術(shù)研討會，世界各國電渣冶金專家紛紛送去論文以資紀(jì)念.研討會發(fā)表了33篇頂級論文;論文作者有美國 R.J Roberts、G.K.Bhat，奧地利W.Holzguber，加 拿 大 A.Mitchell， 俄 羅 斯В.Е.Paton及我國傅杰教授.2007年在法國召開《國際金屬加工鑄造會議》，又發(fā)表7篇頂級論文.綜觀分析，作者以為最有希望的將是當(dāng)前奧地利Inteco公司W(wǎng).Holzguber提出的快速電渣重熔，它將凝固系數(shù)提高，達(dá)到生產(chǎn)率高一倍效果.此外，烏克蘭巴頓電焊研究所開發(fā)的結(jié)晶器導(dǎo)電技術(shù)對促進(jìn)電渣澆注的發(fā)展也有戰(zhàn)略意義.

4 電渣冶金的優(yōu)越性和局限性及其在材料領(lǐng)域的應(yīng)用前景

應(yīng)用電渣冶金技術(shù)，產(chǎn)品具有以下優(yōu)勢:

(1)性能優(yōu)越:電渣冶金生產(chǎn)的金屬純凈、組織致密、成分均勻、表面光潔.產(chǎn)品使用性能優(yōu)異.如用GCr15電渣鋼制成軸承的壽命是電爐鋼軸承的3.35倍.

(2)生產(chǎn)靈活:電渣重熔可生產(chǎn)圓錠、方錠、扁錠及空心錠.電渣熔鑄可生產(chǎn)圓管、橢圓管、偏心管、方形管.所熔鑄的異形鑄件從幾克重的金屬假牙到150 t的水泥回轉(zhuǎn)窯爐圈.

(3)工藝穩(wěn)定:質(zhì)量與性能的再現(xiàn)性高.

(4)經(jīng)濟(jì)合理:設(shè)備簡單、操作方便、生產(chǎn)費(fèi)用低于真空電弧重熔，金屬成材率高，對超級合金、高合金及大鋼錠而言，可以提高成材率，其效益足以抵消生產(chǎn)成本.

(5)過程可控:過程控制參量較少，目標(biāo)參量易達(dá)到，便于自動化.對產(chǎn)品微量化學(xué)成分、夾雜物的形態(tài)及性質(zhì)、晶粒尺寸、結(jié)晶方向、顯微偏析、碳化物顆粒度及結(jié)構(gòu)等都能予以控制.

同時電渣冶金也存在著以下局限性:

(1)電耗較高:世界各國電渣重熔電耗一般為1 200～1 600 kW·h/t，而電渣熔鑄空心管件電耗更高，因此國內(nèi)外冶金工作者致力于采用大填充比提高熱效率以降低電耗.

(2)氟的污染:電渣冶金渣中含較多CaF2.在過程中逸出的 HF、SiF4、AlF3、SF6、CF4等有害氣體危害工人健康，造成環(huán)境污染，從發(fā)展需要應(yīng)開發(fā)無氟渣或低氟渣以及在排煙系統(tǒng)吸氟等技術(shù).

(3)批量少，管理不便:電渣重熔一爐一個鋼錠，批量小，檢驗量增加，管理不便.必須自動控制穩(wěn)定工藝以電爐母爐號為一批.

如何發(fā)展電渣冶金技術(shù)的優(yōu)越性，改善與消除其局限性，一直貫徹電渣冶金技術(shù)發(fā)展的始終.

電渣冶金正處在發(fā)展階段，21世紀(jì)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)以下趨勢:

(1)電渣重熔在中型及大型鍛件生產(chǎn)中，將處于優(yōu)勢地位，如生產(chǎn)300 MW以上的汽輪機(jī)及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、核電站壓力殼及主管道、大型水輪機(jī)葉片及大軸等用的毛坯.

(2)在生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)工具鋼、模具鋼、馬氏體時效鋼、雙相鋼管坯及冷軋輥中，電渣重熔占絕對優(yōu)勢.

(3)對于要求疲勞周期的彈簧鋼等重要產(chǎn)品，如槍炮彈簧及儀表彈簧，將選用電渣重熔;航空軸承及儀表軸承用鋼，依然采用電渣重熔生產(chǎn).

(4)在超級合金領(lǐng)域(高溫合金、精密合金、耐蝕合金、電熱合金)，電渣重熔早在上世界80年代末產(chǎn)量上已超過真空電弧重熔，新開發(fā)的合金電渣重熔也已占絕對優(yōu)勢.

(5)有色金屬的電渣重熔正處于發(fā)展階段，方興未艾.

(6)在電渣熔鑄管件及環(huán)件、電渣熔鑄異形件上有獨(dú)到之處，占獨(dú)特地位.

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Development process，current situation and trends of electroslag metallurgy

LI Zheng-bang
(Department of Metallurgical Technology，Central Iron ＆Steel Research Institute，Beijing 100081，China)

Development process of domestic and international ESR was described，including the start and development of domestic electroslag metallurgy.Unique point was hold about the mechanism of elimination of inclusion in the process of ESR.The control technology of low －h(huán)ydrogen，low －aluminum and solidification in the process of producing 100 ton class ingots was leading.Based on the advantages and limitations of ESR，the development potential in the field of new material was raised.

electroslag metallurgy;current situation;trends

TF 141

1671-6620(2011)S1-0079-07

2010-10-15.

李正邦 (1933—)，男，北京人，中國工程院院士，E－mail:lizhengbang@sina.com.