陳 瑞 宋照偉 張春銘

(沈陽鑄造研究所，遼寧110022)

電渣重熔振動(dòng)電極方法研究

陳 瑞 宋照偉 張春銘

(沈陽鑄造研究所，遼寧110022)

介紹一種電渣重熔振動(dòng)電極方法，從理論上分析了該方法的技術(shù)優(yōu)勢并進(jìn)行了初步試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：在同等試驗(yàn)條件下，振動(dòng)電極方法比傳統(tǒng)電渣重熔過程平均節(jié)能10%以上，并且電渣錠凝固質(zhì)量更好。

電渣重熔；振動(dòng)電極；熔化速率；節(jié)能

電渣重熔(含電渣熔鑄)的特點(diǎn)是在精煉條件下獲得凝固質(zhì)量良好的鋼錠或鑄件。與其它精煉方法相比，電渣重熔的最大缺點(diǎn)是高成本和高能耗[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界各國電渣重熔鋼平均耗電量為(1 300～1 600) kWh/t[2]，能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于AOD、VOD和LF等其它精煉方法。另外，電渣重熔某些特殊合金鋼或大噸位鋼錠時(shí)，仍然存在著結(jié)晶組織粗大和宏觀偏析等問題，這些問題一直沒能得到較好的解決，成為制約電渣重熔技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

電渣重熔過程從自耗電極熔化到鋼錠凝固結(jié)晶伴隨著一系列的物理化學(xué)變化。多年來，電渣冶金行業(yè)一直把優(yōu)化電渣重熔工藝和改變結(jié)晶狀況等作為節(jié)省電耗、提高電渣錠凝固質(zhì)量的重點(diǎn)研究方向，并取得了一定效果[3～6]。

本文提出了電渣重熔振動(dòng)電極方法，該方法操作簡單，在現(xiàn)行的大、中、小型電渣爐設(shè)備上均可實(shí)現(xiàn)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

1 試驗(yàn)方案

1.1 振動(dòng)平臺(tái)裝置

所謂電渣重熔振動(dòng)電極法，即在電渣爐橫臂夾頭上加裝一個(gè)振動(dòng)源，自耗電極裝卡在振動(dòng)源上，通過振動(dòng)源帶動(dòng)自耗電極在振動(dòng)條件下熔化。試驗(yàn)用振動(dòng)源采用三維振動(dòng)平臺(tái)裝置，如圖1所示。該振動(dòng)平臺(tái)采用6臺(tái)1.1 kW、額定轉(zhuǎn)速2 860 r/min的調(diào)速電機(jī)、振動(dòng)彈簧和其他組件等組焊而成。每兩臺(tái)電機(jī)為一組。根據(jù)電機(jī)安裝方向不同，最終實(shí)現(xiàn)振動(dòng)平臺(tái)的三維振動(dòng)。

圖1 振動(dòng)電極試驗(yàn)裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of vibration electrode test device

振動(dòng)平臺(tái)激振力為10 000 N～15 000 N，振幅為0～4 mm，振動(dòng)頻率為2 Hz～50 Hz，平臺(tái)振動(dòng)頻率和振幅大小可通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。該振動(dòng)平臺(tái)不僅可使自耗電極向單一方向振動(dòng)，也可實(shí)現(xiàn)三維振動(dòng)。通過開、關(guān)振動(dòng)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電渣重熔和振動(dòng)電極電渣重熔過程的轉(zhuǎn)換。

1.2 試驗(yàn)過程

將振動(dòng)平臺(tái)安裝在700 kVA的電渣爐上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)電極選用20號(hào)連鑄圓鋼。在相同試驗(yàn)條件下，通過開、關(guān)振動(dòng)平臺(tái)分別測量出傳統(tǒng)電渣重熔和振動(dòng)電極電渣重熔過程中自耗電極的熔化速率，進(jìn)而評(píng)價(jià)各自能耗及凝固質(zhì)量情況。試驗(yàn)用重熔工藝參數(shù)見表1。

表1 電渣重熔試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experiment parameters of electroslag remelting

圖2 試驗(yàn)前后熔化速率對(duì)比Figure2 Comparison of the melting rate before and after the experiment

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 熔化速率變化

試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，振動(dòng)電極電渣重熔過程中，電極的熔化速率明顯大于傳統(tǒng)電渣重熔下電極的熔化速率。經(jīng)計(jì)算，振動(dòng)電極電渣重熔的熔化速率比傳統(tǒng)電渣重熔的熔化速率平均提高了10%以上，即節(jié)能10%以上。

產(chǎn)生這種情況的原因是：在相同試驗(yàn)條件下，傳統(tǒng)電渣重熔與振動(dòng)電極電渣重熔所產(chǎn)生的電阻熱相同。振動(dòng)電極電渣重熔時(shí)，自耗電極在激振力作用下與液態(tài)渣池間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)加快，形成強(qiáng)烈攪拌。根據(jù)傅里葉定律，由于自耗電極與液態(tài)渣池相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度增大，對(duì)應(yīng)的熱流密度也增大，熱交換加強(qiáng)，自耗電極熔化速率也就加快了。

另外，自耗電極在激振作用下高速振動(dòng)，與液態(tài)渣池形成強(qiáng)烈攪拌、相對(duì)高速的運(yùn)動(dòng)，金屬熔滴在物理攪拌力作用場下脫離電極棒熔化表面的時(shí)間也要早于傳統(tǒng)電渣重熔過程，從而也使得自耗電極熔化速率加快。

2.2 低倍組織變化

將兩種工藝下的兩組試樣進(jìn)行了解剖和低倍腐蝕，鋼錠低倍組織如圖3所示。

從圖3可以看出，傳統(tǒng)電渣重熔工藝下，結(jié)晶方向垂直于金屬熔池切線方向，與鋼錠軸向夾角為45°左右；而振動(dòng)條件下的試樣結(jié)晶方向垂直于金屬熔池切線方向，更趨向于鋼錠軸向結(jié)晶。說明振動(dòng)電極電渣重熔的金屬熔池比傳統(tǒng)電渣重熔的金屬熔池淺平。

圖3 兩種試樣低倍組織對(duì)比Figure3 Comparison of the macrostructure of two kinds of specimens

圖4 兩種工藝的熔化特征Figure 4 Melting characteristics of two kinds of processes

振動(dòng)電極電渣重熔的金屬熔池淺平的原因是：在傳統(tǒng)電渣重熔條件下，金屬熔滴主要在重力和電磁力的作用下，在電極端頭部位滴落，穿過渣池，進(jìn)入金屬熔池，電極端頭下部的溫度最高，因此此時(shí)的金屬熔池形狀主要為彎月面狀，如圖4(a)所示。在振動(dòng)電極電渣重熔條件下，受激振力的作用，電極在渣池內(nèi)部高速運(yùn)動(dòng)，從電極端頭滴落的金屬熔滴更細(xì)小，下落分布更均勻，此時(shí)的金屬熔池形狀呈扁平狀，如圖4(b)所示。

金屬熔池的存在是電渣冶金反應(yīng)進(jìn)行的必要條件之一，金屬熔池的形狀和深度直接決定著鋼錠的結(jié)晶方向，從而影響鋼錠的凝固質(zhì)量。金屬熔池淺平時(shí)，鋼錠的軸向結(jié)晶趨向增大，二次枝晶間距減小，縮孔、縮松等缺陷出現(xiàn)的幾率降低[7]。因此，振動(dòng)電極電渣重熔條件下，鋼錠凝固的枝晶偏析減少，凝固質(zhì)量得到改善。

2.3 精煉能力理論分析

李正邦、曾樂等提出，電渣重熔去除非金屬夾雜物主要發(fā)生在電極熔化末端，目前這一結(jié)論已得到國際公認(rèn)[7]。振動(dòng)電極電渣重熔時(shí)，金屬熔滴尺寸小于傳統(tǒng)電渣重熔形成的液滴，電極棒端面上的鋼液膜厚度均勻且極薄(與非金屬夾雜物的尺寸相當(dāng))。液態(tài)金屬層越薄，鋼渣接觸界面積和吸附能力就越大，對(duì)去除大尺寸的非金屬夾雜物越有利。

電渣重熔精煉去夾雜的另一重要過程是金屬熔滴在熔渣中的停留期間(或通過路徑)發(fā)生的。振動(dòng)電極條件下，從電極棒端面上甩出的細(xì)小鋼液滴受電極運(yùn)動(dòng)的影響，滴落路徑相比非振動(dòng)電極發(fā)生改變，致使其通過渣池的平均路程和時(shí)間比傳統(tǒng)電渣重熔增加，相對(duì)延長了“過濾”時(shí)間。因此振動(dòng)電極條件下可進(jìn)一步提高電渣重熔的精煉能力。

3 結(jié)論

(1)提出了電渣重熔振動(dòng)電極新方法。初步試驗(yàn)表明，在同等條件下，振動(dòng)電極電渣重熔比傳統(tǒng)電渣重熔過程節(jié)能10%以上。

(2)電渣重熔振動(dòng)電極法可以獲得淺平金屬熔池，從而改善鋼錠凝固質(zhì)量。

(3)理論分析表明，電渣重熔振動(dòng)電極法可提高電渣重熔過程的精煉效果。

[1] B.I.Medovar，L.B.Medovar.Electroslag technologies in the 21st century.Advanced in Special Electrometallurgy，2001，17(1)：14-19.

[2] 李正邦.21世紀(jì)電渣冶金的新進(jìn)展.特殊鋼，2004，25(5)：1-5.

[3] Alghisi D，Milano M，Pazienza L.In：Morandi R ed.The 2nd Int Cofon New Developments in Metallurgical ProcessTechnology.Riva Del Garda：Association Italian Metallurgy，2005：19.

[4] ]Weber V.In：Lee P D ed.The 2nd Int Confon High Order Non-Oscillatory Methods for Wave Propagation，Trento：Deutsche Forschungsgemeinschaft.2007：83.

[5] 董艷武，姜周華，肖志新，李正邦.電渣重熔工藝參數(shù)對(duì)鋼錠凝固質(zhì)量的影響.東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，30(11)：1598-1601.

[6] 陳希春，任昊，付銳，馮滌. 電渣重熔高溫合金凝固組織控制的研究進(jìn)展.特鋼技術(shù)，2011，17(68)：1-4.

[7] 李正邦.電渣冶金的理論與實(shí)踐[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

編輯 杜青泉

Research on a Method of Electroslag Remelting Process with Vibration Electrode

ChenRui，SongZhaowei，ZhangChunming

This paper introduces a method of electroslag remelting process with vibration electrode, and analyses the technique advantages theoretically and experimentally. The result show that the energy saving in this method is more 10% than that in the traditional ESR process under the same experimental condition, and the quality of solidification is improved as well.

ESR；vibration electrode；melting rate；energy conservation

2013—11—01

國家自然科學(xué)基金計(jì)劃(51275320)

TF142

A