国外电渣重熔概况 -东北特钢集团0522

东北特殊钢集团有限责任公司东北特钢集团欢迎您!东北特钢集团国外电渣重熔概况及我国电渣重熔的发展方向董学东1前言电渣冶金起源于美国，霍普金斯在一九三五年进行了渣中自耗电极熔化实验，并于一九四O年取得了发明专利。而现代电渣冶金技术是由前苏联发展起来的。乌克兰巴顿电焊研究院在电渣焊的基础上开发出电渣冶金技术。一九五八年，乌克兰德聂泊尔特钢厂建成了世界第一台0.5t工业电渣炉，使电渣冶金进入了工业化生产进程。五十多年来国内外电渣冶金取得了突飞猛进的发展，新工艺、新技术层出不穷，形成了一个跨专业、跨行业的新学科。目前，世界上最大的电渣炉是我国上海重型机器厂的200吨电渣炉及德国萨尔钢厂的165吨电渣炉。国外最大的电渣钢生产厂家是乌克兰德聂泊尔特钢厂，该厂拥有22台（2t以上）电渣炉和年产10万吨电渣钢的生产能力。东北特钢集团1前言我国是世界上电渣冶金起步较早的国家之一。一九六○年，重庆特殊钢厂、大冶特殊钢厂、抚顺特钢、大连钢厂、上钢五厂的电渣炉先后建成投产。紧随其后北满特钢等工业电渣炉相继建成投产。五十多年来，我国电渣冶金始终保持着旺盛的发展态势。以东北特钢集团、上海宝钢集团五钢公司、西宁特钢以及大冶钢厂为代表的电渣钢生产厂家，都显示出很强的技术实力。随着我国科学技术突飞猛进的发展，航天航海、汽车制造、石油化工、电站建设、核设施、机械制造等诸多行业，以及军工事业的发展、产品更新换代、列车提速等诸多环节都对钢的质量提出越来越高的要求。电渣钢以其金属纯净度高、组织致密、成分均匀、金属各向异性小、钢锭表面光洁及成材率高等特点，进一步显现出勃勃生机。东北特钢集团1前言东北特钢集团由北满、抚顺及大连三个特殊钢厂组成，三个基地生产电渣钢都有近５０年的历史。东北特钢现有电渣炉35台，具有年产10余万吨电渣钢的生产能力。是世界上最大的电渣钢生产基地之一。可生产九大类，小到几百公斤，大到26.5t几十种锭型规格的电渣锭。目前东北特钢的三个基地基地还有多台电渣炉正在设计和建造当中。为了把东北特钢建设成为世界上最先进的电渣钢生产基地，在东北特钢大连基地的搬迁改造过程中，将引进一台20t单相、双炉头、双熔位、抽锭式及固定式两用的保护性气氛电渣炉和一台100t单相、双炉头、单熔位、抽锭式及固定式两用的保护性气氛电渣炉。东北特钢集团东北特钢抚顺基地除引进一台6t保护气氛电渣炉外（已与ALD公司签订合同），近期还将引进一台12t和一台30t保护性气氛电渣炉。为了对世界上最先进的电渣炉及电渣重熔的工艺技术有更加深入全面的了解，出于对引进电渣炉选型和确定工艺的需要，东北特钢先后与乌克兰科学院巴顿电焊研究所及世界上著名的ＣＯＮＳＡＲＣ（康萨克）公司、ＡＬＤ公司及ＩＮＴＥＣＯ（因泰克）公司等特种冶金设备制作厂家分别进行了几轮技术交流。派专家到德国和奥地利的电渣钢生产厂家和电渣冶炼设备设计制作厂家进行了实地考察。并与因泰克公司正式签订了20t和100t两台气密型保护气氛电渣炉的订货合同。东北特钢集团1前言2国外电渣重熔新技术东北特钢集团国外电渣重熔有很多新技术，比如电弧渣重熔、电渣热复合、真空电渣重熔、快速电渣重熔、导电结晶器、高压电渣重熔及液态电渣浇铸等。下面仅就实用性强、易于推广的几项新技术进行一下简单的介绍。东北特钢集团国外电渣重熔新技术国外电渣重熔新技术2.1快速电渣重熔（ESRR）快速电渣重熔与传统的电渣重熔相比，有明显区别，一是采用T型结晶器，二是电流流经两个回路（如图1、2）。大约70～90％的电能通过渣池和T形结晶器上的导电元件返回到电源。只有10～30％的电能通过金属熔池和电渣锭传输。这种导电方式决定了渣池可以为快速电渣重熔提供足够高的温度和热量，而熔池温度和形状与输入功率无关，即便在渣池温度高，熔化速率快的情况下，金属熔池仍然可以保持较低的温度，使凝固易于控制。尤其是电渣锭的断面尺寸较小，在结晶器的强制水冷的作用下，可以获得细晶、致密及无偏析的组织结构。东北特钢集团国外电渣重熔新技术快速电渣重熔的优点是，在保证质量的前提下，熔化速率是传统电渣重熔的3～10倍，具有很高的生产率。可以用交换电极的方法，用大断面电极坯料连续生产出各种小断面规格的电渣钢圆型材、方型材及六角材。由于具有抽锭功能，并配备了切割装置，在拉坯过程中，电渣锭的长度可以根据用户需求进行切割，具有很强的生产灵活性，产品趋于近终成形。另外，电渣钢的成材率高于传统的电渣重熔。图为因泰克公司为意大利瓦尔布鲁纳公司制作的快速电渣重熔设备。（见图1～4）。东北特钢集团国外电渣重熔新技术图1快速电渣重熔的两个回路图2T形导电结晶器东北特钢集团东北特钢集团图3INTECO公司开发的快速电渣重熔设备(意大利瓦尔布鲁纳钢铁公司)国外电渣重熔新技术图4快速电渣重熔法拉出的马氏体和奥氏体钢坯东北特钢集团国外电渣重熔新技术2.2导电结晶器（CCM）导电结晶器是因泰克公司及乌克兰巴顿电焊研究所开发研制的。此项新技术采用双路电源供电，不仅可以像传统电渣重熔的供电方式一样，用一个电源变压器，由变压器－金属电极－渣池－金属熔池－电渣锭－底水箱构成回路。还可以用另一个电源变压器，使电流不经过金属电极，仅通过渣池和结晶器上的导电元件构成回路（见图5），使渣池保持获得良好的钢锭表面所需的温度。既可控制熔化速率，又可控制渣池温度及液态金属的凝固速度。使电渣重熔在熔化速率极低的情况下也可以进行。东北特钢集团ESRwithtwopowercircuit–ESRTC4523167图51电极2熔池3钢锭4渣池5电流导电环6绝缘材料7水冷结晶器国外电渣重熔新技术传统的电渣重熔受渣池温度和钢锭表面质量的影响，熔化速率、熔池深度及钢锭的凝固速度的控制受到很大的限制。熔化速率偏低，电渣锭表面质量就会出现问题。而当今很多质量要求高的产品，需要低的熔化速率，浅平的金属熔池及快的结晶速度，这些要求是传统的电渣重熔无法实现的。比如传统的电渣重熔生产含铬2～3％的轧辊辊坯合格率很高。东北特钢集团国外电渣重熔新技术而生产含铬5％的轧辊辊坯，由于熔化速率不能控制在理想的低的范围内，金属熔池深、凝固速度慢，极易产生碳化物偏聚及斑点等缺陷，废品率较高。辊坯的铬含量与辊坯的使用寿命密切相关，但铬含量越高，辊坯的质量越难保证。导电结晶器新技术的研发成功，使生产含铬12％的高质量轧辊辊坯成为现实。据介绍，用导电结晶器生产直径约600mm的电渣锭，金属熔池的深度仅在70mm左右，可以避免出现碳化物偏聚的现象。而用传统的电渣重熔法生产的直径600mm的电渣锭，金属熔池的深度都在200mm以上。东北特钢集团国外电渣重熔新技术2.3高压电渣重熔(PER)高压电渣炉主要用于重熔含氮钢，重熔含氮钢的关键是保证过饱和的氮溶解到钢中，防止凝固过程中析出。重熔的用于核电站发电机护环的高氮奥氏体不锈钢，要求无磁性，在大气中冶炼，氮难以溶入钢中，钢中氮含量一般只能控制在0.4～0.65％左右。性能无法达到要求。在高压电渣炉中重熔，熔炼室氮的压力高达4.2MPa，可使钢中氮含量提高到1.05％。1980年德国建成了第一台高压电渣炉，生产出直径1m，重量为16t的电渣锭。1996年德国又建成两台高压电渣炉用于生产含氮轴承不锈钢和含氮高速钢。近年来奥地利、保加利亚、美国也相继建成高压电渣炉，使高压电渣重熔技术得到进一步推广。另外，我国的东北大学也建立了一台实验型高压电渣炉，最高压力可达到7MPa，可使钢中氮含量达到1.2％。图6为ALD公司制作的16t最大压力为16bar的高压电渣炉。东北特钢集团国外电渣重熔新技术－ALD公司制作的高压电渣炉东北特钢集团图616t高压电渣炉国外电渣重熔新技术2.4液态电渣浇铸技术过去李正邦院士曾经对电渣浇铸技术、电渣热复合技术进行过介绍。研发电渣浇铸和电渣热复合技术的目的在于提高产品质量、成材率和使用寿命，以及降低生产成本。存在问题是钢的缩孔和疏松难以解决，产品的质量不稳定。液态电渣浇铸技术是原有电渣浇铸技术、电渣热复合技术与导电结晶器新技术的一种结合和发展。使电渣浇铸技术和电渣热复合技术更加成熟和完善。目前，东北大学姜周华教授正在南京钢厂推广液态电渣浇铸新技术。图7～9为用液态电渣浇铸的方法生产电渣锭，中空锭和为轧辊辊坯表面复合耐磨金属材料。东北特钢集团国外电渣重熔新技术东北特钢集团图7国外电渣重熔新技术东北特钢集团图8国外电渣重熔新技术东北特钢集团图93国外先进电渣炉的基本特点和电渣钢的生产情况东北特钢集团3.1国外电渣炉的基本特点国外电渣炉有很多先进之处。从电渣炉的结构形式及外观上看也有所不同。我国传统的电渣炉一般是由支臂、立柱、短网、变压器、托锭台车等构成的如图10～11所示。国外先进的电渣炉一般没有支臂，而有炉头。结构形式多为车架式或A型结构如图12～14所示（也有人称之为塔式结构）。东北特钢集团国外先进电渣炉的基本特点和电渣钢的生产情况国外先进电渣炉的基本特点和电渣钢的生产情况东北特钢集团图10我国传统的单相双支臂电渣炉图11我国传统的三相双支臂电渣炉国外先进电渣炉的基本特点和电渣钢的生产情况东北特钢集团图12ALD公司的车架式电渣炉图13INTECO公司的车架式电渣炉国外先进电渣炉的基本特点和电渣钢的生产情况东北特钢集团图14康萨克公司A型结构电渣炉当前，国外先进的电渣炉都配备了可以控制熔化速率和冶炼全过程的全计算机控制系统和带有高精度重力传感器的称重系统、带有四根导电立柱和采用滑动触头导电的同轴导电系统、气密型保护气氛系统、高精度X-Y电极调整系统、电极坯料预热装置、渣料自动加入器、合金及脱氧剂自动加入器、节水系统等。由于大型电渣锭冶炼时间长，为了防止有些钢种电渣锭尾部因相变而产生裂纹，大型抽锭式电渣炉还配备了电渣锭热屏蔽装置。有的固定式电渣炉配备了底水箱加热装置。东北特钢集团国外先进电渣炉的基本特点和电渣钢的生产情况另外，很多电渣炉都设有安全自锁装置，比如冷却水不接通送不上电；冷却水温度超过设定值报警，超过允许值自动切断电源；地坑内惰性气体超标，氧含量低于安全设定值自动报警等。国外电渣炉基本上都是单相电渣炉，一般多熔位（工位）的电渣炉居多。不仅有单炉头、单熔位电渣炉和单炉头、双熔位的电渣炉，还有双炉头、双熔位，双炉头三熔位及三炉头四熔位的电渣炉。东北特钢集团国外先进电渣炉的基本特点和电渣钢的生产情况多熔位电渣炉的主要优点是提高电渣炉的生产率。一是可以减少电渣炉的热停时间，在电渣锭模冷期间，可以在另一个熔位继续进行生产；二是可以根据锭型的不同合理安排生产。不仅可以用两个炉头采取交换电极的方式，在中心熔位重熔较大规格的电渣锭；还可以用两个炉头分别在两个熔位同时生产出两个规格较小的电渣锭，提高电渣炉的有效利用率和生产的灵活性。国外电渣炉的另一个特点是，抽锭式电渣炉，或抽锭式与固定式两用电渣炉较多。抽锭式电渣炉的主要优点是交换电极迅速，并可以克服长电极坯料和长结晶器制作上的困难，用较短的电极坯料和短结晶器即可生产出长达6m的电渣锭。东北特钢集团国外先进电渣炉的基本特点和电渣钢的生产情况下面就国外先进的电渣炉的特点分项进行介绍（1）实现整个电渣重熔过程的全计算机控制国外先进的电渣炉从启动到补缩终了，整个重熔过程实现了全计算机控制。渣料及脱氧剂的加入、电流、电压、渣阻及熔化速率的控制、电极重量及位置、惰性气体的流量及压力、冷却水的温度、压力及安全连锁状态不仅在监视器上显示，还能通过计算机发出指令自动进行有效的控制和调节，确保工艺的再现性。避免了过多的人为控制和调整对冶炼过程及电渣钢质量带来的干扰和影响。在工艺方面，大多都采用恒熔速的工艺思想。在重熔过程中，通过计算机控制，使金属电极始终保持一个恒定的埋入深度。使熔化速率保持在一个恒定的设定值上。东北特钢集团国外先进电渣炉的基本特点和电渣钢的生产情况（2）高精度称重系统用计算机控制熔化速率与其配备的高精度称重系统和可进行有载调压的电源变压器是密不可分的。目前，采用的重力传感器可以使称重系统的重量精度等级达到0.01％，熔化速率计算相对精度达到±1