新一代電渣冶金技術(shù)的開發(fā)

姜周華，董艷伍，臧喜民，耿 鑫，李花兵，余 強

(東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110004)

新一代電渣冶金技術(shù)的開發(fā)

姜周華，董艷伍，臧喜民，耿 鑫，李花兵，余 強

(東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110004)

在簡要回顧了電渣冶金歷史發(fā)展的基礎(chǔ)上，重點介紹了近5年來東北大學電冶金實驗室在新一代電渣冶金技術(shù)方面所取得的研究進展，主要包括電渣連鑄、特厚板坯電渣重熔、大型電渣重熔鋼錠凝固偏析控制、可控氣氛電渣重熔技術(shù)、電渣液態(tài)澆注技術(shù)、以及低滲透性低氟高阻的預(yù)熔渣等.

電渣連鑄;板坯電渣重熔;保護氣氛;加壓電渣爐;凝固偏析;預(yù)熔渣

電渣冶金是目前生產(chǎn)高品質(zhì)金屬材料的重要方法.經(jīng)電渣重熔的鋼，純度高、含硫量低、非金屬夾雜物少、鋼錠表面光滑、結(jié)晶均勻致密、金相組織和化學成分均勻，鋼種達到400多個，廣泛用于航天航空、軍工、能源、船舶、電子、石化、重型機械和交通等許多國民經(jīng)濟的重要領(lǐng)域.中國于1958年在電渣焊的基礎(chǔ)上掌握電渣重熔技術(shù)，于1960年在重慶特殊鋼廠及大冶鋼廠建立電渣重熔車間［1］，從此，電渣冶金在中國得到不斷的發(fā)展［2］.到目前為止，我國工業(yè)電渣爐總量近500臺，生產(chǎn)能力超過80萬t/a.

電渣冶金技術(shù)雖然經(jīng)過了50多年的發(fā)展，但傳統(tǒng)的電渣重熔存在生產(chǎn)效率低、電耗高、氟化物污染環(huán)境、電渣過程吸氣、大型鋼錠偏析嚴重等問題，一直沒有得到很好的解決［3］.東北大學從電渣冶金技術(shù)誕生的早期就開始進行電渣冶金工藝理論及設(shè)備方面的研究工作，經(jīng)過多年研究，不斷創(chuàng)新，取得了一系列研究成果，本文主要針對東北大學最近5年來在新一代電渣冶金技術(shù)方面所取得的成果進行介紹.

1 電渣連鑄(electroslag continuous casting，ESCC)技術(shù)

傳統(tǒng)電渣重熔采用一次重熔一個鋼錠的間歇式生產(chǎn)方式，這樣不僅生產(chǎn)效率低，而且在后步鍛造或初軋開坯過程中鋼錠頭尾去除量較大，鋼的成材率很低，因而生產(chǎn)成本也比較高.另外，傳統(tǒng)電渣重熔由于電流路徑是變壓器—短網(wǎng)—電極—渣池—金屬熔池(鋼錠)—底水箱—短網(wǎng)—變壓器，渣池與金屬熔池之間存在著很大的熱交換，因此金屬熔池深度與電極熔化速度成正比，為保證鋼錠結(jié)晶質(zhì)量，熔化速度(v=kg/h)與錠直徑(mm)之比不超過1.所以，電極的熔化速度受到很大的限制.當重熔直徑小于300 mm的鋼錠時生產(chǎn)效率就更低，生產(chǎn)成本相當高.

為了克服傳統(tǒng)電渣工藝的上述缺點，從2002年開始東北大學鋼鐵冶金研究所進行了電渣連鑄技術(shù)的開發(fā)研究［4］.電渣連鑄技術(shù)既有電渣冶金的特點，也繼承了連鑄的優(yōu)點，其技術(shù)主要特征是采用雙極串聯(lián)、交換電極、Cs137液面檢測與控制、連續(xù)拉坯及在線切割等技術(shù)，其原理如圖1所示.

圖1 電渣連鑄原理Fig.1 Principle of ESCC

采用T型結(jié)晶器，雙極串聯(lián)渣池的高溫區(qū)主要集中在兩個電流的導(dǎo)電端頭，改變了傳統(tǒng)電渣重熔的熱場分布，使金屬熔池深度與輸入功率基本無關(guān).此外鑄錠自T型結(jié)晶器中抽出，在空氣中受空氣對流冷卻.而固定式結(jié)晶器重熔時，鑄錠收縮與結(jié)晶器內(nèi)壁形成氣隙對冷卻不利.

在理論分析基礎(chǔ)上，進行了普碳鋼、不銹鋼、軸承鋼和高速鋼的電渣連鑄90 mm×90 mm小方坯的實驗室試驗［5～7］.試驗取得很好的效果，在熔化速度比傳統(tǒng)電渣工藝提高3～5倍的情況下，其凝固組織仍然達到傳統(tǒng)電渣錠的質(zhì)量.圖2為電渣連鑄小方坯的低倍組織［8］.

在實驗室研究的基礎(chǔ)上，電渣連鑄技術(shù)在國內(nèi)兩家鋼鐵企業(yè)得到了成功應(yīng)用.圖3是電渣連鑄生產(chǎn)300 mm×340 mm方坯、Φ600 mm圓坯和280 mm×325 mm方坯的情況.圖4和圖5分別為上述3種規(guī)格電渣連鑄坯的低倍組織.

工業(yè)試驗表明，電渣連鑄比傳統(tǒng)電渣重熔提高熔化速度1～3倍，電耗下降20% ～30%，成材率提高8%～12%，鑄坯表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量均與傳統(tǒng)電渣錠相當.實踐證明，將電渣重熔技術(shù)和連鑄技術(shù)的優(yōu)點融為一體，實現(xiàn)了“提高質(zhì)量、提高效率、降低成本”的目的.

圖3 電渣連鑄生產(chǎn)方坯和圓坯Fig.3 Square billet of 300mm×340mm and round billet ofΦ600 mm produced by ESCC

圖4 電渣連鑄方坯低倍組織(300 mm×340 mm)Fig.4 Macrostructure of ESCC square billet(300×340 mm)

圖5電渣連鑄圓坯(Φ600 mm)和方坯280 mm×325 mm低倍組織Fig.5 Macrostructure of ESCC round billet(Φ600 mm)and square billet(280 mm ×325 mm)

2 特厚板坯電渣重熔技術(shù)

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，高端特厚板鋼材品種的需求十分旺盛，例如，高端模具鋼、鍋爐容器鋼、核電用鋼等.電渣重熔厚板坯優(yōu)越性體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)電渣錠組織致密，成分均勻，在寬闊的溫度區(qū)間內(nèi)，具有良好的加工塑性，可以允許更小的加工壓縮比.例如，用700 mm厚度的電渣扁錠可以生產(chǎn)出350 mm的厚板.

(2)電渣重熔扁錠，可以省去開坯工序，直接上厚板軋機，減少鍛壓比，節(jié)省工時.

(4)電渣重熔錠軋成鋼板，性能優(yōu)良，和普通鋼板比較，橫向塑性、韌性大大提高，各向異性、斷裂韌性、缺口敏感性和低周波疲勞指標顯著改善.

(5)電渣重熔鋼板可焊性良好.焊縫熱影響區(qū)縮小，可以省去大型焊接結(jié)構(gòu)件(高壓容器、鍋爐、反應(yīng)堆殼體)焊接后正火處理.

(6)良好的使用性能.電渣重熔鋼板具有良好的低溫抗冷脆性.

(7)與模鑄相比，電渣重熔生產(chǎn)特厚板，由于產(chǎn)品質(zhì)量好，成材率可提高9% ～18%，足以抵償全部重熔費用，而且省去了開坯工序，實際生產(chǎn)成本反而降低.

2006～2009年東北大學為某鋼廠建成了世界上最大的3臺40 t板坯電渣爐并取得成功.最大錠重達47 t，斷面尺寸為950 mm×2 000 mm.相對于傳統(tǒng)電渣爐，具有以下技術(shù)特點:

(1)低頻電源控制

用1臺三相整流變壓器將35kV降至滿足工藝的二次電壓，將三相交流逆變成0.5～5Hz的單相低頻交流電，保證了三相平衡的供電要求.在國內(nèi)特大噸位電渣爐設(shè)備中首次實現(xiàn)了低頻電源控制.可顯著節(jié)省電能.

(2)雙極串聯(lián)重熔

采用2支電極串聯(lián)的重熔方式，可以實現(xiàn)減小短網(wǎng)感抗，提高功率因數(shù);減少短網(wǎng)有功消耗，從而大幅度減低電耗;保證相同金屬熔池深度的條件下，可提高熔化率.

(3)結(jié)晶器移動式抽錠

采用底水箱固定、結(jié)晶器移動的抽錠方式.抽錠系統(tǒng)由立柱和驅(qū)動系統(tǒng)組成，成功解決了大型鋼錠重熔時的結(jié)晶器配置問題，而且可以顯著降低爐子的整體高度.

(4)電極稱量與熔化速度精確控制

采用4個高精度稱重傳感器以及二次儀表對自耗的重量進行在線精確稱量.再通過實時調(diào)整電流和電壓實現(xiàn)了電極熔化速度的精確控制，保證了鑄坯的凝固質(zhì)量.

(5)干燥空氣保護

采用露點為－70～－40℃的干燥空氣對結(jié)晶器口進行保護，從而顯著降低了重熔過程鋼錠的吸氫，提高了鋼板探傷的合格率.

電渣爐自投產(chǎn)以來，已成功開發(fā)了厚度為640 mm、760 mm、960 mm 三種規(guī)格的 P20、WSM718R、980、2.25Cr1Mo、16MnR(HIC)、20MnNiMo等10多個鋼種，圖6為電渣扁錠的外觀照片.為提高產(chǎn)品質(zhì)量水平，先后采用了冷卻控制、結(jié)晶器錐度調(diào)整、渣系優(yōu)化、干燥空氣保護等先進工藝技術(shù)和措施.其主要經(jīng)濟技術(shù)指標如下:

圖6 960 mm×2 000×2 800 mm電渣扁錠照片F(xiàn)ig.6 Electroslag slab of 760 mm×2 000 mm×2 700 mm

(1)月產(chǎn)量能夠達到650 t/臺以上.

(2)噸鋼電耗:1100～1300 kW·h/t，在國際上處于領(lǐng)先水平.

(3)錠－材成材率:85%，比普通鋼錠成材率提高12%左右.

(4)內(nèi)部質(zhì)量:通過對軋后板材的探傷，均符合SEL072－77和JB/T4730.3－2005的Ⅰ級標準.另外成分均勻，上下偏差小，性能指標，特別是沖擊韌性明顯改善.

3 大型電渣重熔鋼錠凝固偏析控制技術(shù)

隨著鋼錠直徑的增加，中心的冷卻條件惡化，鋼錠中心偏析、疏松、縮孔等普通鋼錠的缺陷會隨之而產(chǎn)生，電渣鋼錠的凝固特征消失，鋼的各種性能下降.圖7為直徑1 000 mm的ESR鋼錠內(nèi)部的疏松現(xiàn)象.

解決這些凝固缺陷的關(guān)鍵是嚴格控制電極的熔化速度.為此，東北大學開發(fā)了電渣重熔過程凝固數(shù)學模型，將工藝參數(shù)與電渣錠的凝固參數(shù)，如局部凝固時間和偏析系數(shù)等相結(jié)合，實現(xiàn)了數(shù)學模型的實際應(yīng)用［9，10］，有效地提高了產(chǎn)品質(zhì)量.同時，還進行了電渣爐周圍磁場強度分布的數(shù)值模擬，對不同的爐型布置方式進行了分析，設(shè)計出了合理的電渣爐結(jié)構(gòu)布置方式［11，12］.在上述研究基礎(chǔ)上，東北大學開發(fā)了遞減功率凝固控制模型、電極插入位置自動控制技術(shù)(恒渣阻控制)、研制了智能化的電渣爐成套設(shè)備和工藝技術(shù)［13］.圖8就是應(yīng)用上述技術(shù)所設(shè)計的20 t熔速控制同軸導(dǎo)電電渣爐的照片.實踐證明，合理的熔化速度對于保證大型鋼錠的凝固質(zhì)量非常有效.

4 可控氣氛電渣爐

圖7 1 000 mm直徑的ESR鋼錠內(nèi)出現(xiàn)的疏松情況Fig.7 Loose in ESR ingot of 1 000 mm in diameter

圖8 20 t熔速控制同軸導(dǎo)電電渣爐Fig.8 20 tons ESR with constant melt－rate

電渣重熔通常在大氣下進行.研究表明，重熔合金中的氧含量取決于主要脫氧元素的濃度和該脫氧元素的氧化物在渣中的活度.此外，渣池上的氧分壓或多或少也會產(chǎn)生一定的影響.除了氧與Fe、Mn和其他重金屬元素的直接發(fā)生反應(yīng)外，氧的介入更多的是由于熔渣上方的電極受熱氧化引起的.在過去的幾十年中，通常采用往渣池中加入脫氧劑(Al、CaSi、FeSi和 Mg等)的方法對熔渣連續(xù)脫氧，但是這會導(dǎo)致熔渣組分改變，從而使重熔錠中的易氧化元素含量與自耗電極不一致.針對上述問題我們進行了大量的研究工作，開發(fā)出了幾種可控氣氛電渣重熔技術(shù).

4.1 惰性氣體(Ar、N2)或者干燥空氣保護電渣爐

惰性氣體(Ar、N2)保護電渣爐主要目的是防止重熔過程鋼中活潑金屬元素氧化.主要采用Ar氣保護，而對于含氮鋼則可以采用N2，這樣一方面可以減少氮的損失，另一方面也可以節(jié)省昂貴的Ar氣.干燥空氣保護電渣爐適合于重熔對氫比較敏感的鋼種，特別是大型鋼錠.圖9a就是所開發(fā)的實驗型全密閉保護氣氛電渣爐.與奧地利INTECO公司合作的16 t帶熔速控制的保護電渣爐于2009年4月正式投產(chǎn).近期我們研制的多臺0.5～10 t全密閉保護氣氛電渣爐也即將投入工業(yè)生產(chǎn).

圖9 實驗室小型保護氣氛電渣爐和加壓電渣爐Fig.9 Protective electroslag remelting furnace and pressured electroslag remelting furnace in laboratory(a)—100 kg IESR;(b)—100 kg PESR

進行了采用N2保護電渣重熔高氮不銹鋼的試驗.表1是采用N2保護和不采用氣體保護得到的高氮鋼的化學成分、氮的收得率及部分元素的燒損情況.可見，采用保護氣氛電渣重熔可以明顯減少元素的燒損，降低鋼錠中的氧含量，提高氮的收得率.

表1 N2保護電渣重熔高氮不銹鋼的效果Table 1 Electroslag remelting of high nitrogen steel under protective N2

4.2 加壓電渣重熔技術(shù)

最近我們成功研制了100 kg加壓電渣重熔爐，如圖9(b)所示.加壓電渣爐的設(shè)計最高工作壓力為7.0 MPa，目前實驗階段的冶煉壓力為2～3.5 MPa.利用加壓電渣重熔工藝來制備5種不同的高氮奧氏體不銹鋼.在電渣重熔過程中二次電壓為41 V，電流為1 500～2 500 A，渣系選ANF－6(70%CaF2－30%Al2O3)或63%CaF2－17%CaO－15%Al2O3－2%SiO2－3%MgO，渣量 3～3.5 kg，氮氣采用99%工業(yè)氮氣.表2是加壓電渣爐生產(chǎn)的高氮不銹鋼鋼錠的化學成分，從表中可以看出，通過加壓電渣重熔方法可以熔煉出N含量達到1.21的高氮不銹鋼.

表2 加壓電渣重熔高氮奧氏體不銹鋼成分(質(zhì)量分數(shù))Table 2 Compositions of HNS produced by PESR(mass fraction)

5 液態(tài)電渣澆注技術(shù)

東北大學目前與烏克蘭巴頓電焊研究所合作為國內(nèi)某廠家正在開發(fā)電渣液態(tài)澆注200 t級的大型復(fù)合軋輥、300 t級的大型空心鋼錠和實心鋼錠的新技術(shù)，其原理如圖10所示.電渣液態(tài)澆注技術(shù)直接使用液態(tài)金屬，不需要制備自耗電極，這樣可以省去電極制備的工序和成本，同時增加了操作的靈活性，可實現(xiàn)復(fù)雜形狀產(chǎn)品的電渣成型.導(dǎo)電結(jié)晶器是電渣液態(tài)澆注的核心技術(shù)，其上部的導(dǎo)電環(huán)可以作為非自耗電極，靠它向渣池提供電能，以補充不斷消耗的熱能.

圖10 電渣液態(tài)澆注技術(shù)示意圖Fig.10 Schematic diagrams of electroslag technologies with liquid metal

6 低滲透性節(jié)能型低氟渣系的開發(fā)

近年來，隨著工業(yè)的發(fā)展，對產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越高，電渣鋼錠過程的增氫現(xiàn)象也逐漸引起人們的重視.目前，世界上大部分電渣爐都是在大氣下運行的，w［H］為(2～3)×10－6的自耗電極重熔后鋼錠中 w［H］達到(4～5)×10－6，需要進行長期的擴氫退火處理.這種方法雖然可以消除或者減輕重熔鋼錠的氫含量，但是鋼錠保溫時間長達72 h以上，尤其是大直徑鋼錠時間更長，這不僅費工費時，占用生產(chǎn)設(shè)備，而且增加生產(chǎn)成本.研究表明，大氣中的水蒸氣通過熔融渣池進入鋼中，引起鋼中增氫是電渣鋼錠增氫的一個原因，為此，東北大學進行了電渣重熔用渣系氫滲透性的研究［14］，并開發(fā)出了低氫滲透性、低氟化鈣含量、高電阻的預(yù)熔型渣系，不僅可以降低重熔過程增氫量，減少氟化物氣體的排放，保護環(huán)境，同時還有利于降低電渣鋼錠的生產(chǎn)成本，噸鋼電耗1 200～1 300 kW·h，大大降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本［15，16］.

7 結(jié)語

電渣冶金技術(shù)在中國實現(xiàn)工業(yè)化50年，為中國的國民經(jīng)濟建設(shè)做出了重要的貢獻.可以預(yù)計，由于核電、火電、航天航空、海洋、石油化工和高速鐵路等領(lǐng)域的快速發(fā)展對高品質(zhì)特殊鋼的需求不斷擴大，電渣冶金技術(shù)仍然具有強大的生命力.以電渣連鑄、可控氣氛、電極熔化速度控制、液態(tài)電渣澆注等為代表的新一代電渣技術(shù)，將促使電渣冶金向高效、節(jié)能、環(huán)保以及滿足大型化和更高質(zhì)量要求的方向發(fā)展，滿足國民經(jīng)濟建設(shè)對特殊鋼材料和產(chǎn)品的巨大需求.

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Development of new－generation electroslag remelting technology

JIANG Zhou-hua，DONG Yan-wu，ZANG Xi-min，GENG Xin，LI Hua-bing，YU Qiang

(School of materials and metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110004，China)

The history of electroslag remelting technology was briefly reviewed in this paper.The recent development of new－Generation ESR technologies developed by Electric Metallurgy Laboratory of Northeastern University was introduced including electroslag continuous casting(ESCC)，electroslag remelting of heavy slab ingot，ESR furnace with controlled atmosphere，electroslag remelting with liquid metal and the development of low hydrogen permeability，low fluoride，high resistance slag.

electroslag continuous casting;electroslag remelting of heavy slab;protective atmosphere;PESR;solidification segregation;pre－melt slags

TF 748.6

A

1671-6620(2011)S1-0014-07

2010-10-15.

高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備科技重大專項 (2009ZX04006－031)

姜周華 (1963—)，男，浙江蕭山人，東北大學教授，博士生導(dǎo)師，E－mail:Jiangzh@smm.neu.edu.cn.