特殊鋼特種冶金新技術(shù)研究

陳世勇

（貴州大學(xué)， 貴州 貴陽 564200）

1 真空感應(yīng)爐中新技術(shù)的運(yùn)用分析

1.1 電磁攪拌與惰性氣體攪拌技術(shù)分析

真空感應(yīng)冶煉爐本身內(nèi)部已經(jīng)具有良好的攪拌效果，同時加上電磁攪拌之后，內(nèi)部的氣體能夠上升至溶液界面，進(jìn)而大量析出，這種形式可以有效實(shí)現(xiàn)對材料的去氣操作，并且可以獲得良好的效果。此技術(shù)在運(yùn)用過程中需要注意選擇科學(xué)合理的電磁攪拌功率，防止對爐襯產(chǎn)生過強(qiáng)的沖擊。

當(dāng)使用惰性氣體進(jìn)行攪拌時，氣體會通過坩堝底部的錐形多孔流入到熔池。惰性氣體會在內(nèi)部穿過熔融金屬，之后氣泡的體積與表面積會逐漸變大，當(dāng)接近金屬液面時氣泡的體積會明顯發(fā)生膨脹反應(yīng)，進(jìn)而讓氣體能夠與金屬有著更多的接觸面積發(fā)生交換反應(yīng)，這樣可以大大減少內(nèi)部溶液表面的更換時間，進(jìn)而讓內(nèi)部整體變得更加均衡。最后，惰性氣體還可以讓一些微小的氧化物聚攏在一起，夾帶著他們漂浮至溶液的表面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對特殊鋼的凈化作用。真空感應(yīng)爐在設(shè)計時應(yīng)充分考慮到脫氣，考慮感應(yīng)圈直徑與高的比，進(jìn)而讓溶液的表面能夠增大，便于實(shí)現(xiàn)脫氣操作，同時還應(yīng)降低耐火材料與溶液表面的接觸面積，進(jìn)而減少對爐襯的侵蝕。

1.2 真空感應(yīng)爐的冶煉電源分析

最早所設(shè)計的真空感應(yīng)爐基本都采用電動機(jī)（變頻機(jī)組）作為電源，到了1967 年開始逐漸使用可掛硅變頻電源，它的功率能夠達(dá)到1 000 kW，頻率為180 Hz。之后經(jīng)過幾十年的發(fā)展，可控硅靜止變頻電源技術(shù)已經(jīng)非常成熟，并且在真空感應(yīng)爐冶煉期間可以將功率由1%到100%實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)節(jié)，實(shí)際的操作也非常簡單、靈活與準(zhǔn)確，在調(diào)試過程中不會發(fā)生太大的波動。可掛硅靜止變頻電源在特定范圍內(nèi)進(jìn)行變化時，能夠跟蹤爐內(nèi)的材料的變化，不需要大電流的接觸器來控制開關(guān)電容器。

1.3 PLC 控制技術(shù)在真空感應(yīng)爐中的應(yīng)用分析

在信息時代背景下，PLC 可編程序控制技術(shù)可以讓真空熔煉設(shè)備自動化或半自動化的實(shí)現(xiàn)成為可能。特殊鋼材料真空熔煉設(shè)備可以嚴(yán)格按照所設(shè)置的程序進(jìn)行運(yùn)行，能夠?qū)に噷?shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的控制，確保設(shè)備能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行。如真空熔煉設(shè)備中真空機(jī)組的開關(guān)、檢測以及閥門的故障識別及預(yù)警等都可以通過PLC 實(shí)現(xiàn)控制。

1.4 計算機(jī)輔助系統(tǒng)在真空感應(yīng)爐中的應(yīng)用分析

相關(guān)技術(shù)人員可以根據(jù)積累的豐富經(jīng)驗(yàn)及理論，編制成為特定的計算機(jī)軟件。之后計算機(jī)輔助系統(tǒng)能夠根據(jù)爐內(nèi)的實(shí)測溫度與軟件給出的工藝曲線進(jìn)行對比，若兩者之間存在出入就會第一時間對電源輸入功率進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而有效控制爐內(nèi)特殊鋼液的溫度，防止冶煉過程中溫度過高或者高低而影響特殊鋼的質(zhì)量，同時還可以實(shí)現(xiàn)最大經(jīng)濟(jì)化運(yùn)行。在測量時，爐內(nèi)溶液表面所產(chǎn)生的雜質(zhì)及污染都會影響測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，而技術(shù)及輔助系統(tǒng)則可以實(shí)現(xiàn)自動修正操作。一些大型的真空感應(yīng)爐都會具有流槽設(shè)置，進(jìn)而可以使得錠子的補(bǔ)縮較為困難。小型的錠子能夠更加容易的產(chǎn)生縮孔和短錠。因此在運(yùn)用真空感應(yīng)路冶煉特殊鋼時，為了獲得更大的效益，必須將縮孔降低到最低限度。國外已經(jīng)研究出了一種視頻監(jiān)測系統(tǒng)，主要由一套攝像觀察裝置及視頻軟件所構(gòu)成，能夠從顯示器上觀察澆注的實(shí)際狀況，同時可以通過光標(biāo)來控制補(bǔ)縮。

2 電渣爐相關(guān)技術(shù)分析

電渣冶金是現(xiàn)階段生產(chǎn)高質(zhì)量特殊鋼材料的重要方法，經(jīng)過電渣重熔能夠有效提高純度，降低硫含量及其他非金屬雜質(zhì)，鋼錠的表面非常光滑且結(jié)晶均勻。目前中國基本所有的特殊鋼生產(chǎn)企業(yè)都具有電渣爐，但是傳統(tǒng)的電渣爐生產(chǎn)效率低下，能耗高，污染大，同時還具有其他一系列的質(zhì)量問題。

2.1 電渣爐自動化控制技術(shù)

近幾年，隨著電渣爐冶金技術(shù)的快速發(fā)展，它的控制方式也發(fā)生了巨大的改變?，F(xiàn)如今主要有三種控制方式：恒功率、遞減功率以及融速控制。最早時期的電渣爐因?yàn)闋t型較小，通常采用恒功率的控制方式，進(jìn)而確保鋼錠的質(zhì)量。但是隨著人們需求的改變，對于電渣爐鋼錠的尺寸也有著更大的要求，若繼續(xù)使用恒功率電渣爐進(jìn)行控制，重熔的后期金屬熔池較深，因此會對鋼錠的質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。隨后便產(chǎn)生了遞減功率控制技術(shù)，這樣盡量保持金屬熔池深度不變，以此提高最終鑄錠結(jié)晶質(zhì)量的穩(wěn)定性。現(xiàn)階段我國的電渣爐逐漸開始采用遞減功率控制技術(shù)，同時也有部分電渣爐使用擺動控制技術(shù)，繼而讓自耗電極長時間保持恒定渣池侵入深度。西方大部分國家所采用的為速溶控制技術(shù)，在重熔階段不同時期采用不同的熔速，各個時期內(nèi)保持恒定的融速，在重熔整個過程中通過電壓擺動控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對自耗電機(jī)侵入渣池深度的控制。

2.2 電渣連鑄技術(shù)分析

最早時期的電渣重熔主要采用一次性重熔一個鋼錠的間歇工作模式，這種方式生產(chǎn)效率非常低下，并且鋼錠在接下來的鍛造或者出軌開坯過程除頭去尾的量較大，進(jìn)而導(dǎo)致鋼錠的成材率較低，增加了生產(chǎn)成本。除此之外，早期的電渣重熔因?yàn)殡娏髀窂降奶厥庑?，渣池與金屬熔池之間具有著較大的熱交換，所以金屬熔池深度與電極熔化速度成正比。但是為了確保最終鋼錠結(jié)晶的效果，熔化速度與鋼錠直徑之比不能超過1，極大的限制了電極的熔化速度，如當(dāng)重熔直徑小于300 mm 的鋼錠時會大幅度提高生產(chǎn)的成本。為了有效克服上述所存在的電渣重熔問題，我國自2002 年就開始加強(qiáng)對電渣連鑄技術(shù)的研究工作?，F(xiàn)在的電渣連鑄技術(shù)既具有電渣冶金的特點(diǎn)，同時還能夠繼承連鑄相關(guān)優(yōu)勢。此項技術(shù)的主要特征是運(yùn)用了雙極串聯(lián)、交換電極、連續(xù)拉坯以及在線切割等重要技術(shù)。它的結(jié)構(gòu)運(yùn)用了T 型結(jié)晶器，雙極串聯(lián)渣池的高溫區(qū)域主要集中在兩條電流的導(dǎo)電端頭，這種形式改變了傳統(tǒng)的電渣重熔的溫度分布，可以有效降低金屬熔池的深度以及工作運(yùn)行功率。除此之外，當(dāng)鑄錠從T 型結(jié)晶器中取出時，在空氣中會受到空氣對流而進(jìn)行冷卻。若使用傳統(tǒng)的固定式結(jié)晶器進(jìn)行重熔時，鑄錠收縮以及結(jié)晶器內(nèi)壁會存在著氣隙，進(jìn)而對冷卻操作會產(chǎn)生負(fù)面影響。

2.3 大型電渣重熔鋼錠凝固偏析控制技術(shù)分析

隨著市場對鋼錠的需求越來越大，鋼錠的直徑也逐漸增加。大型電渣重熔過程中隨著鋼錠的逐漸增加，會導(dǎo)致中心的冷卻環(huán)境逐漸惡化，鋼錠中心會產(chǎn)生偏析、疏松以及縮孔等不良現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)出的特殊鋼性能大幅度下降。解決凝固問題的關(guān)鍵之處在于需要嚴(yán)格控制電極的熔化速度，為此我國東北大學(xué)研發(fā)出了電渣重熔過程中的凝固參數(shù)模型，將生產(chǎn)工藝參數(shù)與電渣錠的參數(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化模型的實(shí)際運(yùn)用，這樣可以有效提高產(chǎn)品的質(zhì)量。除此之外，還對大型電渣爐周圍的磁場強(qiáng)度進(jìn)行了實(shí)時模擬，根據(jù)電渣爐的布置方式進(jìn)行了分析，進(jìn)而設(shè)計出更加先進(jìn)的電渣爐結(jié)構(gòu)布置方式。最后東北大學(xué)在上述研究基礎(chǔ)上，還研發(fā)出了遞減功率凝固控制技術(shù)、恒渣阻控制技術(shù)等，通過大量的實(shí)踐能夠證明：大型電渣爐中合理的熔化速度是生產(chǎn)大型鋼錠的重要保障，能夠有效提高最后的產(chǎn)品質(zhì)量。

3 電子束熔煉新技術(shù)分析

3.1 電子束滴熔技術(shù)

滴熔法是處理難熔金屬的特殊方法，例如鉭、鈮等，棒形原料一般被水平輸入或者直接進(jìn)行滴熔至抽出錠，所抽出正在增長的鋼錠底部需要保持溶池液位。大部分第一次進(jìn)行熔煉的鋼錠都需要再次進(jìn)行重熔，進(jìn)而才能夠達(dá)到質(zhì)量的要求?，F(xiàn)階段滴熔的坯料供給方式有兩種，即水平式與垂直式。若需要進(jìn)行重復(fù)重熔，那么則需要使用垂直式。目前的滴熔爐一般均采用兩個或兩個以上的電子槍，通過反射電子束，減少內(nèi)部金屬的蒸發(fā)以及飛濺，所熔化的金屬會滴至一個水冷型鑄模內(nèi)，以此消除氣體并蒸發(fā)掉內(nèi)部的各種雜質(zhì)，同時還可以完成連續(xù)鑄造。對于一些較為特殊鋼的熔煉，電子束滴熔的方式可以有效確保鋼錠的純度及性能，此方法所生產(chǎn)出的鋼錠質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于真空電弧方法以及電渣重熔方法，但是對于實(shí)際的生成加工成本較高，一般會用于制造一些高耐磨的機(jī)器元件。

3.2 電子束熔模鑄造技術(shù)

除了電子束滴熔的方式，還有電子束熔模鑄造的技術(shù)，它主要是利用電子束熱源與水冷銅坩堝的熔模鑄造，主要是用來生產(chǎn)超高溫合金透平零件以及含有等軸晶粒組織的鈦零件，生產(chǎn)過程中所使用的坯料必須為熔煉的清潔材料，不含有任何的污染物。采用此技術(shù)能夠澆注前及澆注過程中能夠讓溶體保持高溫，進(jìn)而可以增加金屬的流動性，所以可以的提高生產(chǎn)效率。此技術(shù)一般常用于高生產(chǎn)率的場合，但是它也具有一些較為明顯的缺點(diǎn)，在整個澆注的過程中因?yàn)樗溷~坩堝內(nèi)部的溶體會存在著溫度梯度，進(jìn)而會逐漸使得溫度降低，所以不可以運(yùn)用此技術(shù)生產(chǎn)一些較為細(xì)小的超高溫合金鑄件。

3.3 電子束冷爐膛精煉技術(shù)

電子束冷爐膛精煉技術(shù)是處理與回收一些活性較高金屬的主要方法，一般用于精煉特殊鋼和超高溫合金，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)活性廢料金屬的再生精煉。在整個運(yùn)行過程中為了有效實(shí)現(xiàn)雜物分離，爐膛內(nèi)的尺寸大小必須設(shè)計適中，這樣才可以為熔煉的金屬提供充足的停留時間。其中絕大部分的精煉過程是在冷床中進(jìn)行的，還有一小部分在連續(xù)鑄造結(jié)晶器中完成的。此設(shè)備與滴熔設(shè)備相比存在很大的差異性，主要增加了冷床，同時內(nèi)部的熔煉室空間也較大。最后，此技術(shù)所熔煉的材料多為超耐熱的合金及鈦合金，因此需要更多的檢測設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。

4 結(jié)語

特殊鋼的冶煉技術(shù)是提高生產(chǎn)品質(zhì)的必要保證，近幾年隨著我國特殊鋼相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，必將為我國高端特殊鋼材料的研發(fā)奠定夯實(shí)的基礎(chǔ)，進(jìn)而滿足我國工業(yè)及軍事領(lǐng)域?qū)τ谔厥怃摬牧系膶?shí)際需求，為推進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)及軍事建設(shè)提供強(qiáng)大的助力。特殊鋼是一個國家、一個地區(qū)工業(yè)技術(shù)及經(jīng)濟(jì)實(shí)力的重要標(biāo)志，所以我們應(yīng)加強(qiáng)對特殊鋼特種冶煉技術(shù)的研究與投資力度，確保我國特殊鋼冶煉能夠不斷誕生更加先進(jìn)的新技術(shù)。