第二代電渣冶金工藝研究

丁家偉，丁 剛，強(qiáng)穎懷

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008;2.江蘇新亞特鋼鍛造有限公司，江蘇 丹陽 212322)

第二代電渣冶金工藝研究

丁家偉1，丁 剛2，強(qiáng)穎懷1

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008;2.江蘇新亞特鋼鍛造有限公司，江蘇 丹陽 212322)

系統(tǒng)地論述了第一代和第二代電渣冶金技術(shù)的特征，對目前國內(nèi)外所開發(fā)的第一代和第二代電渣冶金技術(shù)所存在的優(yōu)缺點進(jìn)行了分析，介紹了目前國內(nèi)外第二代電渣冶金工藝的技術(shù)研究進(jìn)展?fàn)顩r，著重介紹了所開發(fā)的新型第二代電渣冶金工藝及其性能，提出了第二代電渣冶金的發(fā)展方向.

第二代電渣冶金技術(shù);制備工藝;新型液態(tài)金屬電渣澆注

電渣冶金屬于冶金專業(yè)，特種熔煉學(xué)科，重熔精煉分支，是金屬及其合金的一種特殊熔煉方法［1］.自耗電極、渣池、金屬熔池、電渣錠、底水箱、短網(wǎng)導(dǎo)線和變壓器之間形成電回路.強(qiáng)電流通過液態(tài)渣池區(qū)域產(chǎn)生電阻熱將固態(tài)渣熔化成液態(tài)熔渣，自耗電極(或液態(tài)金屬)通過高溫熔渣逐漸熔化，熔化的金屬匯集成滴，穿過高溫渣層，由于鋼渣界面的電毛細(xì)振蕩作用，熔滴受到渣洗，使金屬得到電渣的精煉.精煉后的金屬在液渣的保護(hù)下，在水冷結(jié)晶器內(nèi)凝固成型并形成順序結(jié)晶.

這項技術(shù)把冶煉、精煉過程和可控凝固結(jié)合起來，為提高金屬液的凈化程度，改善鋼錠的凝固提供了良好的條件，能有效地解決當(dāng)代冶金質(zhì)量上純度和結(jié)晶這兩大關(guān)鍵問題，成為生產(chǎn)現(xiàn)代尖端產(chǎn)品所需要的高質(zhì)量金屬材料的先進(jìn)冶金方法.它是目前所有的冶金工藝中唯一具有集上述功能于一體的工藝和設(shè)備，其工藝和設(shè)備之簡單是現(xiàn)代其他各種煉鋼方法所不及的.因此，至上世紀(jì)60年代以來，世界各主要產(chǎn)鋼國家，都在大力研究和應(yīng)用并不斷地開發(fā)出新型工藝.而且目前正在由第一代電渣冶金技術(shù)向第二代電渣冶金技術(shù)方向發(fā)展.

1 第一代電渣冶金發(fā)展?fàn)顩r及其技術(shù)特征

自耗電極的電渣重熔始于20世紀(jì)30年代的霍普金斯凱洛克電渣鑄錠，實質(zhì)上是在電渣焊基礎(chǔ)上發(fā)展起來的電極絲電渣重熔方法.大斷面自耗電極電渣重熔始于上世紀(jì)50年代，由巴頓電焊研究所巴頓院士和梅多瓦爾院士等研制成功.

1952年前蘇聯(lián)的烏克蘭巴頓電焊研究所的Medovar和Paton在實驗室采用電渣重熔技術(shù)制備了不銹鋼錠成為現(xiàn)代電渣冶金技術(shù)的起源［2］.1958年烏克蘭扎波洛什市德聶伯爾建立了電渣重熔車間，擁有0.5 t P909型電渣爐4臺，實現(xiàn)了現(xiàn)代電渣重熔的工業(yè)化生產(chǎn).

美國費爾思斯特林公司(Firth sterling)于1959年建立了3.6 t工業(yè)電渣爐，美歐國家在工業(yè)上全面推廣直至1965年才開始.我國于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［3］.世界電渣重熔工業(yè)生產(chǎn)至今已經(jīng)歷了52年.52年來，電渣冶金技術(shù)得到了不斷的發(fā)展，現(xiàn)已派生出了許多分支，目前的電渣冶金包括電渣重熔、電渣熔鑄、電渣澆注、電渣轉(zhuǎn)注、電渣自熔模、電渣離心澆鑄、電渣熱封頂、電渣焊接、電渣復(fù)合、電渣表面鍍膜等技術(shù)及新近所開發(fā)的可控氣氛電渣冶金、導(dǎo)電結(jié)晶器電渣冶金(CCM－ESR)、快速電渣重熔(ESRR)、電渣重熔/冷壁感應(yīng)引導(dǎo)工藝(ESR/CIC)、電渣連鑄等新技術(shù).因此，目前的電渣冶金已形成了一門跨行業(yè)、跨專業(yè)的新科學(xué)［4］.是特種熔煉領(lǐng)域內(nèi)產(chǎn)量最大的一種特種熔煉方法，應(yīng)用最廣.

第一代電渣冶金包括自耗電極的電渣重熔與液態(tài)金屬的電渣冶煉與澆鑄兩大分支.其中自耗電極電渣重熔包括:

(1)電渣重熔(三相、雙極串聯(lián)、雙臂交替、多極如4極或6極、低頻電渣重熔等);(2)電渣熔鑄;(3)電渣熔焊.

液態(tài)金屬的電渣冶煉與澆鑄包括:

(1)單電極爐底導(dǎo)電有襯電渣爐冶煉;(2)單相雙自耗極串聯(lián)有襯電渣爐冶煉;(3)三相有襯電渣爐冶煉;(4)水平電渣澆鑄;(5)電渣離心澆鑄;(6)感應(yīng)電渣冶煉;(7)感應(yīng)電渣離心澆鑄;(8)直流電弧電渣鋼包爐;(9)電渣補(bǔ)縮;(10)電渣中間包加熱;(11)電渣分批(多爐次)澆鑄大鋼錠;(12)電渣轉(zhuǎn)注，經(jīng)中注管、湯道系統(tǒng)，將液態(tài)金屬下注至水冷結(jié)晶器凝固成錠.

第一代電渣冶金技術(shù)特征為:(1)渣鋼作用充分;(2)無耐火材料污染;(3)水冷快速凝固，均勻性和致密度高;(4)金屬收得率高［5］.

第一代電渣重熔大型錠主要技術(shù)成果有:(1)大型錠成分均勻性控制技術(shù);(2)大功率，快熔速、高冷卻和強(qiáng)氧化工藝;(3)w(H)≤2×10－6低氫控制技術(shù);(4)w(Al)≤0.010%的低鋁控制技術(shù).其中在電渣重熔技術(shù)方面，最突出的是大型錠電渣重熔技術(shù)的發(fā)展.1980年，我國制造了世界上最大的200 t級電渣爐，有關(guān)技術(shù)人員針對重熔工藝的關(guān)鍵技術(shù)，展開了全方位、多層面的深入研究，攻克了均勻性控制技術(shù)，大功率、快熔速、高冷卻和強(qiáng)脫氧工藝，低氫控制技術(shù)，低鋁控制等一系列重大技術(shù)難題［6，7］，成批生產(chǎn)了高質(zhì)量的大型合金鋼電渣錠.20多年來，200 t級電渣爐在完成國家重點建設(shè)項目的攻關(guān)任務(wù)中作出了許多重大貢獻(xiàn).為了生產(chǎn)大型核電鍛件，2009年4月我國建成了當(dāng)前世界上最大的450 t電渣爐，現(xiàn)己投入運行，產(chǎn)品主要是百萬千瓦級核電機(jī)組的汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子、管板和大型支承輥等超大型鍛件.該設(shè)備的成功運行，使我國在大型電渣錠技術(shù)領(lǐng)域中居國際領(lǐng)先地位.

優(yōu)質(zhì)巨型鋼錠的生產(chǎn)技術(shù)是衡量一個國家重工業(yè)發(fā)展水平和科學(xué)技術(shù)擁有一定攻堅能力的重要標(biāo)志之一.核電鍛件是核電主設(shè)備生產(chǎn)和核電站建設(shè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)件，體現(xiàn)了大鍛件制造領(lǐng)域的最高技術(shù)水平，是核電設(shè)備自主化的重中之重.在一定意義上，可以認(rèn)為第一代電渣重熔技術(shù)是伴隨著電渣重熔錠的大型化而發(fā)展起來的.隨著大型電渣爐的發(fā)展，促進(jìn)了復(fù)雜設(shè)備制造業(yè)工藝，大型錠熔渣成分，凝固組織和成分均勻性穩(wěn)定性控制技術(shù)的發(fā)展，從而帶動了整個電渣重熔技術(shù)的發(fā)展.

在電渣重熔理論方面，除圍繞上述大錠電渣重熔技術(shù)開展理論研究所取得的成果以外，主要有:

(1)電渣重熔過程中氧化物夾雜的變化規(guī)律;(2)渣池中的電弧放電現(xiàn)象;(3)電渣重熔過程中鎂的控制.

在液態(tài)金屬的電渣冶煉與澆鑄方面，蘇聯(lián)開發(fā)了電渣澆注技術(shù)、電渣分批(多爐次)澆注大鋼錠技術(shù)、電渣轉(zhuǎn)注技術(shù)和電渣離心澆注技術(shù).此外，20世紀(jì)80年代，奧利地INTECO公司發(fā)展了單相雙極串聯(lián)中間包加熱技術(shù)以及單相單極、單相雙極串聯(lián)和二相電渣補(bǔ)縮技術(shù).我國發(fā)明的液態(tài)電渣冶煉和澆鑄技術(shù)主要有:(1)有襯電渣爐(包括單相有襯電渣爐，三相有襯電渣爐);(2)感應(yīng)電渣冶煉;(3)感應(yīng)電渣離心澆鑄;(4)直流電弧電渣鋼包爐.我國自主開發(fā)的上述液態(tài)金屬電渣冶煉和電渣澆注技術(shù)引起了國外同行的高度重視，在國際上產(chǎn)生了一定影響，為我國確立電渣強(qiáng)國地位作出了貢獻(xiàn).

第一代電渣冶金技術(shù)的不足之處有:(1)大氣下熔煉;(2)效率低;(3)能耗高，需制備自耗電極也增加了能耗;(4)電渣重熔速度高和電渣澆鑄時，金屬熔池深，體積大，電渣過程的優(yōu)越性降低.

2 第二代電渣冶金發(fā)展?fàn)顩r及其技術(shù)特征

第二代電渣冶金的理念是烏克蘭巴頓電焊研究所梅多瓦爾院士于1982年在東京舉行的第七屆國際真空冶金會議上首次提出的.此后，在1986年第10屆國際真空會議上，B.I.梅多瓦爾院士在真空冶金分會上，作題為“新一代電渣冶金技術(shù):電渣離心澆注和電渣固定模澆注”的特邀報告［8］，在報告中他第一次用書面形式正式提出了第二代電渣冶金的概念.

第二代電渣冶技術(shù)特征為:(1)與現(xiàn)代高爐一轉(zhuǎn)爐和電弧爐流程一樣，產(chǎn)品是鋼坯，取消了開坯工藝;(2)隔絕大氣;(3)計算機(jī)控制水平高;(4)電渣澆鑄時，金屬過熱度低，鑄造速度快，時間短，能耗低［5］.

第二代電渣冶金技術(shù)同樣由自耗電極的電渣重熔與液態(tài)金屬的電渣冶煉與澆鑄兩大分支組成.其中自耗電極電渣重熔包括:

(1)快速電渣重熔;(2)真空電渣重熔;(3)氣保護(hù)電渣重熔;(4)高壓電渣重熔;(5)氫氣保護(hù)快速電渣重熔;(6)電渣連鑄;(7)電弧電渣重熔.

液態(tài)金屬的電渣冶煉與澆鑄包括:

(1)電渣澆鑄實心錠;(2)電渣澆鑄空心錠;(3)電渣澆鑄雙金屬軋輥;(4)液態(tài)電渣連續(xù)澆鑄.

在第二代電渣冶金技術(shù)研發(fā)中，我國電渣冶金工作者近年來也試制成功了氬氣保護(hù)電渣爐、加壓電渣爐、特大型板坯電渣爐、計算機(jī)控制系統(tǒng)等，并發(fā)明了帶快速電渣重熔系統(tǒng)的氬氣保護(hù)電渣爐和電渣連鑄，建立了帶計算機(jī)控制的電渣熔鑄系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于生產(chǎn)，為我國第二代電渣重熔技術(shù)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn).

有關(guān)第二代電渣冶金技術(shù)中所涉及的上述各項新一代自耗電極電渣重熔技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r國內(nèi)已有較多的介紹，本文不再繁述.本文重點對液態(tài)金屬電渣澆鑄技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行論述.

自耗電極電渣重熔雖然具有許多優(yōu)點，但該工藝仍然存在以下不足之處:

(1)電耗較高，重熔費用高:

目前廣泛應(yīng)用的電渣重熔及電渣熔鑄工藝的一個共同的問題是生產(chǎn)率低、電耗較大.眾所周知，目前世界各國電渣重熔電耗一般為1300～1 600 kW·h/t(單相)或1 100 kW·h/t(三相)，而實際有效利用功率僅為輸入功率的20%～30%.當(dāng)電渣熔鑄空心管件時電耗更高.

(2)生產(chǎn)工藝流程較一般煉鋼方法復(fù)雜.

(3)生產(chǎn)效率低:

為了獲得高質(zhì)量的鋼錠，不得不把重熔速度控制在一定的允許范圍之內(nèi)，電渣熔鑄的生產(chǎn)效率僅100～400 kg/h.因而，電渣重熔通常是用犧牲生產(chǎn)效率和耗費大量電能來換取高質(zhì)量的電渣鋼.

電渣重熔一爐一個鋼錠，批量小，檢驗量增加，管理不便.若以自耗電極鋼母爐號為一批，必須以保證工藝穩(wěn)定性及性能再現(xiàn)性為前提.

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，一直貫穿電渣冶金技術(shù)發(fā)展的始終.因此，國內(nèi)外在尋找電渣重熔提高生產(chǎn)率、降低單位電耗的新途徑方面，進(jìn)行了大量研究.近年來，不斷地開發(fā)出新的工藝技術(shù)途徑來加以改進(jìn)，如采用大填充比，選用高電阻渣系，以求克服上述缺陷，降低電耗，提高生產(chǎn)效率，改善產(chǎn)品的質(zhì)量.

為進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，降低能耗，蘇聯(lián)在上世紀(jì)60年代后期研究成功了液態(tài)金屬電渣澆注法.

液態(tài)金屬電渣澆注法是在電渣重熔基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一個分支.它兼有電渣重熔、合成渣洗，液渣保護(hù)澆注和電渣加熱補(bǔ)縮的綜合優(yōu)點.這個工藝的基本原理是:將液態(tài)金屬直接注入加熱的精煉渣中，在進(jìn)行液態(tài)金屬直接精煉時，用石墨電極或水冷非自耗電極來保持渣池溫度.然后，將液態(tài)金屬按一定速度注入水冷結(jié)晶器內(nèi)，渣池溫度及鋼錠成形條件是分別進(jìn)行控制的［9］.電渣澆注把合成渣洗、液渣保護(hù)和電渣精煉三者結(jié)合在一起，兼有三者的特點.

目前電渣澆注有以下4種基本形式:

第一是使用空心石墨電極電渣澆注法，該方法是在置于水冷銅制底座上的水冷結(jié)晶器中，液態(tài)鋼從澆包通過空心石墨電極澆入預(yù)先過熱到1 700～1 850℃的渣中.隨著結(jié)晶器則充滿程度升高電極，但其末端一直以固定深度插在渣中，以保持對渣池的加熱.

第二種是使用自耗金屬電極通過中間槽的電渣澆注方法，該方法是把鋼水先澆到中間槽，自耗電極在結(jié)晶器內(nèi)是以偏心的形式插入結(jié)晶器內(nèi)對爐渣進(jìn)行加熱，鋼水通過中間槽澆到盛有過熱爐渣的結(jié)晶器內(nèi).

第三種方法是雙電極加熱澆注法，該方法是將雙極串聯(lián)非自耗石墨電極插入較短的水冷結(jié)晶器內(nèi)對渣池進(jìn)行熔化和加熱，該結(jié)晶器裝有帶保溫帽的普通鑄錠錠模，液體金屬通過2根石墨電極之間注入［9］.

第四種方法是分批澆注法，該方法是為了制取大型鍛造鋼錠而研發(fā)的，這種鋼錠具有高度的物理、化學(xué)均勻性，硫和非金屬夾雜物等有害元素含量低，沒有粗大的偏析，特別是沒有V偏析，軸外偏柝(胡子偏析)，中心疏松及鋼錠頭部縮孔等缺陷，整個鋼錠致密而均質(zhì)，鋼錠的結(jié)晶均按徑一軸向延伸，從而保證由液體金屬至鍛件的整個過程可用量不低于90%，是具有較高的過程經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的優(yōu)質(zhì)鋼錠.烏克蘭巴頓電焊研究所開發(fā)了一種生產(chǎn)大型電渣鋼錠的方法——分批電渣澆鑄方法(見圖1).

分批電渣澆注區(qū)別于一般的電渣重熔所獲得金屬的方法，而是直接從液體金屬得到鑄件.分批電渣鑄造可以配合金屬預(yù)先真空處理或者在真空感應(yīng)中熔煉，這對生產(chǎn)白點敏感性鋼尤為重要.

圖1 分批電渣澆注示意圖Fig.1 Scheme of partial electroslag casting

這一方法的最大優(yōu)點是在煉鋼設(shè)備容量相對小的情況下，能獲得重量實際上不受限制的鋼錠，例如200 t鋼錠，可以用此法分4～6批依次鑄成，它可以在僅有小容量煉鋼爐(20～50 t)下澆鑄實際上幾乎無限制的優(yōu)質(zhì)大鋼錠(200 t)，并使得普通錠中的V型偏析、軸外偏析、中心疏松和縮孔缺陷得以顯著改善.

為獲得優(yōu)質(zhì)鋼錠，分批電渣澆鑄中須保證以下主要條件:

(1)澆鑄時精煉渣在金屬中的乳化作用強(qiáng)烈的處理金屬，以及金屬分批(爐)澆鑄期間渣池與熔池界面上金屬與過熱渣的迸一步相互作用;

(2)金屬在錠模內(nèi)由下而上的定向連續(xù)結(jié)晶，同時錠模中經(jīng)常保持有少量的液態(tài)金屬，以使金屬熔池內(nèi)達(dá)到較高的溫度梯度.

第一個因素保證鋼錠內(nèi)含硫量與非金屬夾雜物的較高的純度，第二個因素則限制鋼錠內(nèi)區(qū)域偏析的發(fā)展及消除粗大的收縮缺陷和偏析根源.

電渣澆注鋼質(zhì)量的提高最終反映在產(chǎn)品的使用壽命上.烏克蘭電焊研究所與齊良賓冶金廠和重型機(jī)器制造用電工鋼廠曾廣泛進(jìn)行分批電渣澆鑄法的試驗生產(chǎn)驗證，均獲得了具有十分高的機(jī)械性能(特別是塑性和沖擊韌性)和良好質(zhì)量的大型電渣鋼錠.用所試制的電渣澆注錠制成的大型冷軋輥壽命，較之普通澆注鋼提高1.5～2倍.

我國北京鋼鐵研究總院、大連鋼廠和重慶特殊鋼廠在上世紀(jì)80年代共同對鋼液電渣澆注新工藝進(jìn)行了研究，采用自耗金屬電極通過中間槽的電渣澆注方法將電弧爐冶煉的鋼水由中間包過渡槽澆入盛有熔化且過熱的堿性合成渣的結(jié)晶器中，澆鑄電渣鋼錠.研制工作對13個鋼種進(jìn)行了120余爐次包渣澆注工藝試驗，生產(chǎn)了200多噸鋼錠，錠重有20 kg、450 kg、1.5 t和2 t四種.經(jīng)檢驗及使用表明，電渣澆注的鋼錠表面質(zhì)量好，達(dá)到電熔重熔錠水平，解決了結(jié)構(gòu)鋼的針孔狀夾雜及混晶問題，并使發(fā)紋合格率達(dá)到100%，改善了不銹鋼高低倍質(zhì)量.電渣澆注結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼及軸承鋼都能顯著改善鋼的冶金質(zhì)量，提高金屬收得率約10%，比電渣重熔節(jié)電約75%，軸承鋼的額定疲勞壽命提高30%，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益［10］.

電渣澆注工藝在上世紀(jì)60年代末期和70年代一度是熱門課題，但由于技術(shù)上存在兩個問題未能解決，使該項技術(shù)擱淺，即:

(1)鑄錠中部出現(xiàn)縮孔及疏松;

(2)電渣澆注精煉效果不如重熔而且不穩(wěn)定［11］.

為了解決上述技術(shù)所存在的不足，烏克蘭首都基輔的Elmet－Roll、巴頓電焊研究所的B.I.梅多瓦爾院士的兒子 L.B.梅多瓦爾，W.Holzgruber及其團(tuán)隊和奧地利Inteco公司于上世紀(jì)90年代開發(fā)出了第二代液態(tài)金屬電渣澆注技術(shù)，發(fā)明了導(dǎo)電結(jié)晶器液態(tài)電渣澆注工藝(ESS LM)［12］，其主要原理如圖 2 所示.

導(dǎo)電結(jié)晶器液態(tài)電渣澆注的特征是沒有自耗電極，這樣可以省去電極制備的工序和成本.其核心是采用了導(dǎo)電結(jié)晶器技術(shù).電渣澆注過程中，經(jīng)中間包感應(yīng)控溫的低過熱度鋼水，注入一個側(cè)面導(dǎo)電的上結(jié)晶器中，在下結(jié)晶器中凝固成錠.由于澆注速度很慢，所以采用了感應(yīng)加熱的中間包.由于凝固過程速度可控，鋼錠的凝固質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)電渣重熔相一致.這種方法由于渣－金界面的過熱度明顯低于標(biāo)準(zhǔn)電渣重熔過程，而且結(jié)晶器導(dǎo)電方式的金屬熔池更加淺平，其鑄錠速度比傳統(tǒng)電渣重熔速度提高3倍以上，因而效率顯著提高.不僅可以生產(chǎn)實心錠，而且在生產(chǎn)空心錠和雙金屬復(fù)合軋輥方面具有明顯的優(yōu)勢.

該工藝雖然較傳統(tǒng)的電渣熔鑄工藝提高了生產(chǎn)效率，降低了電耗，且與上述工藝1～3相比所生產(chǎn)的鋼錠質(zhì)量好，但也發(fā)現(xiàn)其有一些缺點，一是仍然存在生產(chǎn)效率低，導(dǎo)電結(jié)晶器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度大，設(shè)備的控制技術(shù)要求高;二是中間包鋼水強(qiáng)烈過熱和高溫下長時間保存都會導(dǎo)致合金元素和脫氧劑氧化加速，鋼包爐襯使用壽命低，鋼水的沖刷造成耐火材料爐襯對金屬材料的污染，而只能在鋼水流經(jīng)渣池的過程中被部分排除掉，且鋼水長時間的保溫增加能耗等.

圖2 第二代液態(tài)金屬電渣澆注技術(shù)示意圖Fig.2 Scheme of second generation liquid metal electroslag casting technololy

3 新型第二代液態(tài)金屬電渣澆注工藝

針對目前國內(nèi)外現(xiàn)有液態(tài)金屬電渣澆注工藝和設(shè)備所存在的問題，我們研究開發(fā)了新型的第二代液態(tài)金屬電渣澆注工藝和設(shè)備，以解決目前液態(tài)金屬電渣澆注“鑄錠中部出現(xiàn)縮孔及疏松和電渣澆注精煉效果不如重熔而且不穩(wěn)定”等缺陷，對降低能源消耗，提高生產(chǎn)效率具有重要意義.

該工藝是將爐外精煉工藝、合成渣洗工藝、惰性氣體保護(hù)技術(shù)、凝固組織控制技術(shù)、電磁攪拌技術(shù)、超聲波振動和電渣冶金技術(shù)相互結(jié)合，綜合集成而成.所開發(fā)的工藝和設(shè)備實現(xiàn)了能源消耗少、生產(chǎn)效率高、操作簡便、生產(chǎn)成本低，所制造的鋼錠鑄錠中部無縮孔及疏松，金屬材質(zhì)純凈且精煉質(zhì)量穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到或接近電渣重熔鋼錠，并實現(xiàn)該工藝和設(shè)備的工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用.

該新型液態(tài)電渣澆注設(shè)備主要由化渣爐、電渣爐、環(huán)形電極夾持器、電極、結(jié)晶器、氣密保護(hù)罩、雨淋式澆注漏斗、惰性氣體保護(hù)環(huán)、芯棒夾持送入裝置、金屬凝固組織控制裝置、底水箱、抽錠設(shè)備、鋼水爐外精煉系統(tǒng)等組成.電渣爐的供電變壓器既可以用單相，亦可以為三相，優(yōu)選三相.

為提高生產(chǎn)效率，本工藝可采用多熔位結(jié)晶器進(jìn)行液態(tài)電渣澆注，采用雙支臂或三支臂電渣爐，用兩個支臂或三個支臂分別在兩個熔位或三個熔位進(jìn)行液態(tài)金屬電渣澆注出兩個或三個電渣錠，還可以用兩個支臂交換電極，在電渣錠模冷期間，在中心熔位進(jìn)行液態(tài)電渣澆注另一個電渣錠，所澆注的鋼錠既可以是同一規(guī)格，亦可以是不同的規(guī)格，從而提高電渣爐的有效利用率和生產(chǎn)的靈活性，可以根據(jù)錠型的不同合理安排生產(chǎn).

新型液態(tài)金屬電渣澆注工藝保持了自耗電極熔鑄技術(shù)的各種優(yōu)點，如鑄錠的化學(xué)均勻性和物理均勻性好，避免了普通鑄錠中常見的縮孔、縮松、軸向裂紋、斑點、偏折、皮下氣泡等缺陷;金屬中有害雜質(zhì)的含量低.

3.1 新型液態(tài)金屬電渣澆注設(shè)備

實現(xiàn)本新型液態(tài)金屬電渣澆注工藝的設(shè)備主要由化渣爐、電渣爐、環(huán)形電極夾持器、電極、結(jié)晶器、氣密保護(hù)罩、雨淋式澆注漏斗、惰性氣體保護(hù)環(huán)、芯棒夾持送入裝置、電磁攪拌裝置、超聲波震動裝置、底水箱、抽錠設(shè)備、鋼水電渣精煉系統(tǒng)(鋼包滑動水口自動開澆與底吹氬一體化設(shè)備系統(tǒng))、鋼水澆注過濾系統(tǒng)等組成.

(1)電渣爐

電渣爐設(shè)備采用單相多極串聯(lián)電源電渣爐或三相電源電渣爐，優(yōu)選三相電源電渣爐，電渣爐既可為單立柱，亦可以為雙立柱，采用環(huán)形電極夾持器，電極升降系統(tǒng)采用無級調(diào)速自動控制，設(shè)有快速和慢速升降系統(tǒng)，以實現(xiàn)電極的快速升降和精確控制電極的插入深度;電渣爐控制方式可以采用有載調(diào)壓或磁性無極調(diào)壓，以保證在渣阻不變的條件下，實現(xiàn)電流和電壓按照同一斜率下降或增加的自動控制.

(2)環(huán)形電極夾持器

為改善結(jié)晶器壁部的熔渣向金屬的傳熱，促使鋼錠更好地成形，本工藝采用了環(huán)形電極夾持器.可以有效地防止結(jié)晶器出現(xiàn)分流和過熱現(xiàn)象，可借助于在金屬熔池四周均勻配置的電極通過結(jié)晶器壁部的熔渣對金屬熔池進(jìn)行加熱.對金屬熔池周邊進(jìn)行加熱，既可阻礙鋼錠表面形成渣皮，并可防止結(jié)晶器壁部出現(xiàn)金屬硬殼，以利于所澆注金屬液由下向上的順序凝固，有利于金屬凝固時的補(bǔ)縮，減少金屬凝固過程中氣孔的形成.

環(huán)形電極夾持器的電極夾持?jǐn)?shù)量為2或3的倍數(shù)，即采用4～6根自耗或非自耗電極在環(huán)上均勻分布，優(yōu)選6根，使單相電渣爐和三相電渣爐可以共用，導(dǎo)電方式為單相多極串聯(lián)和三相串聯(lián).

(3)電極

本工藝采用非自耗電極或自耗電極進(jìn)行加熱，非自耗電極采用石墨，自耗電極采用與所澆注的金屬相同材質(zhì)的材料.采用自耗電極進(jìn)行加熱時，當(dāng)澆注完畢后，可以實現(xiàn)在加熱熔渣的同時進(jìn)行補(bǔ)縮，獲得一舉兩得之目的.

(4)氣密保護(hù)罩

為實現(xiàn)防氧化保護(hù)澆注，本工藝設(shè)計了一種電渣澆注氣相密封式保護(hù)罩，在保護(hù)罩體的外殼上連接有燃?xì)膺M(jìn)氣口，通過燃?xì)馊紵龑Y(jié)晶器進(jìn)行密封.

(5)雨淋式澆注漏斗

雨淋式澆注漏斗可以形成多流澆注，增加金屬與熔渣的接觸面積，提高渣洗效果.

(6)惰性氣體保護(hù)環(huán)

通過惰性氣體保護(hù)環(huán)向結(jié)晶器內(nèi)輸入惰性氣體，以保護(hù)所澆注的金屬不產(chǎn)生二次氧化.

(7)芯棒夾持送入裝置

這是電渣爐中的一個附加裝置，其作用是為控制液態(tài)金屬中心凝固組織，防止鋼錠中部產(chǎn)生縮孔及疏松和對金屬進(jìn)行孕育變質(zhì)細(xì)化精煉處理.該裝置安裝在電渣爐電極夾持器上部，固定在電渣爐立柱上，芯棒(或添加有孕育變質(zhì)劑的密封鋼管)通過環(huán)形電極夾持器的中心穿過，插入結(jié)晶器中心，通過調(diào)速電極和短絲杠進(jìn)行升降和定位控制.

(8)電磁攪拌裝置

本系統(tǒng)設(shè)有電磁攪拌裝置，電源為直流電源或交流電源，電流設(shè)計有自動往復(fù)無極調(diào)節(jié)系統(tǒng)，功率為電渣爐功率的10% ～15%.通過使用電磁強(qiáng)制攪拌金屬熔池及渣池，以改變金屬熔池的形狀，改善鋼錠子組織，從而減少或消除鋼錠的疏松和疏孔.

(9)超聲波震動裝置

本裝置設(shè)有超聲波振動設(shè)備，固定在環(huán)形電極夾持器或結(jié)晶器上，以改善鋼錠的宏觀組織，細(xì)化晶粒，減少或消除鋼錠的疏松和疏孔.

(10)鋼水電渣精煉系統(tǒng)

本系統(tǒng)由鋼水包、滑動水口、透氣磚、吹氬系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、鋼包電渣加熱系統(tǒng)等所組成.采用單相電渣爐雙極串聯(lián)非自耗電極或三相電渣爐非自耗電極進(jìn)行鋼水加熱，通過惰性氣體對鋼水進(jìn)行攪拌，實現(xiàn)鋼水的爐外精煉.

3.2 新型液態(tài)金屬電渣澆注工藝

將精煉好的鋼水以一定的速度均勻澆入雨淋式澆注漏斗內(nèi)，在惰性氣體的保護(hù)下以多柱流形式進(jìn)入結(jié)晶器內(nèi)的液態(tài)渣池內(nèi)，使金屬柱流通過渣洗而得到電渣的精練，液態(tài)金屬在水冷結(jié)晶器內(nèi)凝固成型并形成順序結(jié)晶;在金屬結(jié)晶過程中，通過電磁攪拌器使渣池和金屬熔池得到強(qiáng)烈攪拌，鋼渣充分接觸，增加渣洗效果，縮短鋼錠擴(kuò)散均勻化時間，改善金屬凝固組織;通過超聲波振動器，對金屬熔池施加超聲波，以改善金屬液流與熔渣的相互作用，提高金屬精煉效果，細(xì)化晶粒;在澆注過程中電極不斷地逐漸向上提升，始終保持在渣池內(nèi)對熔渣進(jìn)行加熱，由于不斷加入的液態(tài)金屬向結(jié)晶器模壁和下部已結(jié)晶的鑄錠強(qiáng)烈放熱，液態(tài)金屬總是以小量結(jié)晶方式強(qiáng)制結(jié)晶，形成自下而上的連續(xù)結(jié)晶;當(dāng)?shù)谝慌饘贊沧⑼戤吅?，停止一定的時間，使所澆入的金屬從下到上逐漸地凝固，當(dāng)熔渣層下邊還有少量液態(tài)金屬時，再澆入第二批金屬，所澆入的金屬與前一部分的金屬混合在一起，這樣重復(fù)地進(jìn)行澆注，直至達(dá)到所需重量為止，從而得到所需重量的致密而無缺陷的鑄錠;為提高生產(chǎn)效率，可采用多熔位結(jié)晶器進(jìn)行液態(tài)電渣澆注，采用雙支臂電渣爐，用兩個支臂分別在兩個熔位進(jìn)行液態(tài)電渣澆注出兩個電渣錠，還可以用兩個支臂交換電極，在電渣錠模冷期間，在中心熔位進(jìn)行液態(tài)電渣澆注另一個電渣錠，所澆注的鋼錠既可以是同一規(guī)格，亦可以是不同的規(guī)格，從而提高電渣爐的有效利用率和生產(chǎn)的靈活性，可以根據(jù)錠型的不同合理安排生產(chǎn).

4 新型第二代液態(tài)金屬電渣澆注的優(yōu)點及經(jīng)濟(jì)效益

(1)金屬的收得率高，質(zhì)量好

新型液態(tài)電渣澆注工藝的優(yōu)點首先是鋼錠質(zhì)量優(yōu)于普通澆注鋼，接近或達(dá)到電渣重熔鋼.由于電渣澆注改善了錠子的表面質(zhì)量，提高性能，獲得無縮孔鋼錠，因而在鑄錠的頂部不會產(chǎn)生普通鑄錠經(jīng)常存在的那些缺陷，從而使鋼錠的收得率提高10% ～15%，此外，液態(tài)金屬電渣澆注無普通澆注鋼的湯道系統(tǒng)，所澆注的錠子沒有普通鋼錠那樣的大量切頭，鍛件和軋材的重量可達(dá)注入鑄模金屬重量的90%～95%.并且采用液態(tài)電渣澆注工藝比電渣熔鑄法可降低消耗25% ～30%，除補(bǔ)償電渣澆注費用外尚有剩余，甚至低于普通澆注鋼的成本，經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)得到明顯提高.

此外，液態(tài)金屬電渣澆注無需制造自耗電極，節(jié)省了制造自耗電極時的澆注湯道系統(tǒng)，無耐火材料消耗，因此，金屬收得率高.

(2)可以實現(xiàn)用小容量設(shè)備制造大型鋼錠

采用新型液態(tài)電渣澆注工藝便于多爐連澆，可以用小容量設(shè)備制造大型鋼錠.如采用容量為5～50 t的一座或兩座煉鋼爐澆鑄重量150～250 t的大型鑄件.該方法還可以很方便地得到各種截面形狀的鑄錠.

(3)電耗低

電渣澆注的電耗很低，約為400～500 kW·h/t鋼，僅為電渣重容的1/3～1/4.隨著鑄錠重量的增加，這一優(yōu)點將愈加明顯.經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的明顯提高，將賦予電渣澆注工藝強(qiáng)大的生命力.

(4)生產(chǎn)效率高

液態(tài)電渣澆注工藝由于液態(tài)金屬在澆注前采用爐外精煉預(yù)處理，且所輸入渣池的功率以及注入液態(tài)金屬的數(shù)量都能在相當(dāng)大的范圍內(nèi)調(diào)整，所以很容易得到最佳的熱力學(xué)工況，精煉反應(yīng)可以迅速而充分地進(jìn)行.當(dāng)所澆入電渣結(jié)晶器內(nèi)的鋼液在穿過液態(tài)渣池時，熔渣僅通過電毛細(xì)震蕩作用對鋼液起到一定的合成渣洗和二次精煉，無需像電渣熔鑄工藝那樣對液態(tài)金屬進(jìn)行熔化精煉，從而可以極大地提高金屬澆入結(jié)晶器內(nèi)的速度，使生產(chǎn)效率得到大幅度的提高.液態(tài)金屬電渣澆注工藝的生產(chǎn)效率可達(dá)3.5～6.5 t/h，可以比傳統(tǒng)的電渣重熔工藝提高3～5倍.

(5)生產(chǎn)靈活性大

由于可采用多熔位電渣澆注，且所澆注的鋼錠既可以是同一規(guī)格，亦可以是不同的規(guī)格，從而提高電渣爐的有效利用率和生產(chǎn)的靈活性，可以根據(jù)錠型的不同合理安排生產(chǎn).

(6)可以用三相變壓器

用三相變壓器代替目前所廣泛應(yīng)用的單相變壓器，既可以保證網(wǎng)路電網(wǎng)的平衡，又可以進(jìn)一步降低電耗.

(7)生產(chǎn)成本低

液態(tài)電渣澆注的特征是沒有自耗電極，可以省去電極制備和電極焊接工序，節(jié)省了自耗電極焊接時大量電焊條的消耗，進(jìn)一步節(jié)省了成本，從而大大地減輕勞動強(qiáng)度，并提高勞動生產(chǎn)率.

5 第二代電渣冶金的發(fā)展方向

為了加快我國第二代電渣冶金技術(shù)的發(fā)展，建議開展以下幾方面的工作.

(1)液態(tài)金屬電渣澆注大型錠.一個國家大型鑄鍛件的自主化對大型設(shè)備制造和核電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的意義，也必將拉動大型錠電渣冶金技術(shù)的發(fā)展.采用液態(tài)金屬電渣澆注大型錠具有重要意義，但目前尚無成功經(jīng)驗，因此應(yīng)該十分重視有關(guān)理論和技術(shù)的研究，除對大型電渣錠重熔的共性技術(shù)研究以外，要特別重視電器參數(shù)的設(shè)計與控制，大型錠的金屬凝固機(jī)理和控制技術(shù)的研究.

(2)開發(fā)液態(tài)電渣澆注高合金鋼電渣連鑄技術(shù)，采用高爐一轉(zhuǎn)爐和電弧爐冶煉鋼水，配合爐外精煉，以進(jìn)一步提高優(yōu)質(zhì)合金鋼的質(zhì)量和成材率，提高生產(chǎn)效率，降低電渣連鑄能耗和成本.

(3)研究開發(fā)帶計算機(jī)控制的液態(tài)電渣澆注大型復(fù)合軋輥和大型復(fù)合支撐輥技術(shù).通過計算機(jī)控制，可保證單件生產(chǎn)的電渣澆鑄產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性.

(4)開展第二代電渣重熔過程的基礎(chǔ)理論研究，如惰性氣體、熔渣、金屬熔池三相反應(yīng)特征，快速熔煉與金屬液凝固特征的控制等，以推動我國第二代電渣冶金技術(shù)的快速發(fā)展.

6 結(jié)語

(1)電渣澆注是一項生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼錠的新工藝.它具有鋼包合成渣洗、液渣保護(hù)澆注及電渣重熔的綜合優(yōu)點，它對提高特殊鋼的質(zhì)量有較明顯的效果，且設(shè)備簡單，操作方便，可以極大地降低能源消耗，提高生產(chǎn)效率，并可以做到用小設(shè)備制造大型產(chǎn)品，節(jié)約設(shè)備投資，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益.

(2)電渣冶金節(jié)能降耗是一個長久課題.如何降低電渣冶金產(chǎn)品的生產(chǎn)制造成本，提升國產(chǎn)工模具鋼的市場競爭力是一個急需研究的長期課題.電渣澆注經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的明顯提高，將賦予電渣澆注工藝強(qiáng)大的生命力.

(3)加強(qiáng)對第二代電渣冶金技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究，如惰性氣體、熔渣、金屬熔池三相反應(yīng)特征，快速熔煉與金屬液凝固特征的控制等，縮小我國在第二代電渣冶金技術(shù)與國外的差距，推動我國第二代電渣冶金技術(shù)的快速發(fā)展.

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Technology research of the second generation electricity metallurgical slag

DING Jia-wei1，DING Gang2，QIANG Ying-huai1

(1.School of Materials Science＆Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，221008，China;2.Jiangsu Xinya Steel Forging Co.，Ltd.，Danyang 212322，China)

This paper discusses the technical features of the first generation system and the second electricity metallurgical slag，analyzes the advantages and disadvantages of domestic and international between the 1st and 2nd electricity metallurgical slag technology.It introduces present research and the progress of the second electricity metallurgical slag，and emphatically introduced the manufacturing process and properties of the new 2nd generation we developed，puts forward the development direction of electricity metallurgical slag.

the second generation electroslag metallurgy;manufacturing process;new liquid metal electroslag pouring

TF 748.6

A

1671-6620(2011)S1-0138-07

2010-10-15.

丁家偉 (1983—)，男，江蘇徐州人，碩士.