21世纪电渣冶金的新进展

2004年9月　　　　　　　

特殊钢　

SPECIALSTEEL　

Vol.25.No.5　　　　September　2004　　　　・1・

・综述・

21世纪电渣冶金的新进展

李正邦

(钢铁研究总院,北京100081)

摘　要　电渣技术经过46年的发展,已形成“电渣冶金”新学科,包括电渣重熔(ESR)、电渣熔铸(ESC)、

电渣转注、电渣浇注、电渣离心浇铸、电渣热封顶、电渣焊接和电渣复合等。目前世界电渣钢年生产能力120万t,用于生产低合金高强度钢、轴承钢、工模具钢、不锈耐热钢和高温合金。最大电渣锭重200t,正在设计建造360t电渣重熔炉。高压电渣重熔(PESR)和真空电渣重熔(VacESR)使重熔金属质量达到高纯水平。电渣热封顶生产的大型电渣锭成本是普通电渣锭生产成本的1Π4,具有技术和经济上的潜在优势。述评了优质大型电渣锭制备,真空电渣重熔、高压电渣重熔,快速电渣重熔技术的进展和电渣重熔炉型的发展趋势。

关键词　电渣冶金　高压电渣重熔　真空电渣重熔　电渣热封顶　快速电渣　电渣复合

ANewAdvanceElectroslagMetallurgyinthe21thCentury

LiZhengbang

(CentralIronandSteelInstitute,Beijing100081)

Abstract　Anewbranchoflearning2ElectroslagMetallurgyhasbeenestablishedbydevelopmentofelectroslagtechn2

()()ologyfor46yearsincludingelectroslagremeltingESR,electroslagcastingESC,electroslagturningcasting,Boher

electroslagtapping,electroslagcentrifugalcasting,electroslaghot2topping,electroslagweldingandelectroslagcladding.Atpresent,theannualproductioncapacityofESRsteelinthewholeworldis1200000ttoproducelowalloyhighstrengthsteel,bearingsteel,toolanddiesteel,stainlessandheatresistantsteelandsuperalloy.ThemaximumESRingotis200tanda360tESRfurnaceisdesigningandbuilding.Thepressurizedelectroslagremelting(PESR)andvacuumESR(Vac2ESR)maketheremeltedmetalgethighcleannesslevel.TheproductioncostofheavyESRingotproducedbyelectroslaghot2topping(ESHT)isonefourthofthatbyordinaryESR,sotheESHThasgreatpotentialeconomicandtechnicaladvantage.TheadvanceonqualityheavyESRingotmanufacturing,vacuumESR,pressurizedESR,ESHT,electroslagcladdingandthedevelopmenttrendofESRfurnacetypearepresentedinthispaper.

MaterialIndex　ElectroslagMetallurgy,PressurizedESR,VacuumESR,ElectroslagHot2Topping,ElectroslagRapidRemelting,ElectroslagCladding

　　1958年乌克兰扎波洛什市的德聂伯尔建立了电渣重熔车间,拥有015tP909型电渣炉4[1]

台。美国费尔思斯特林公司(Firthsterling)于1959年建造316t工业电渣炉,美欧国家1965年

寿命是电炉钢轴承的3135倍;(2)生产的灵活性:电渣重熔可生产圆锭、方锭、扁锭及空心锭。电渣熔铸可生产圆管、椭圆管、偏心管、方形管。所熔铸的异形铸件从几克重的金属假牙到150t的水泥回转窑炉圈;(3)工艺的稳定性:质量与性能的再现性高;(4)经济上的合理性:设备简单,操作方便,生产费用低于真空电弧重熔,金属成材率高;(5)过程的可控性:过程控制参量较少,目标参量易达到,便于自动化。对产品微量化学成分,夹杂物的形态及性质、晶粒尺寸、结晶方向、显微偏析、碳化物颗粒度及结构等都能予以控制。

电渣冶金的局限性及其解决途径为:(1)电耗较高:各国电渣重熔电耗一般为1300～1600kWhΠt,而电渣熔铸空心管件电耗更高。采用大填

才开始在工业上全面推广。我国于1958年在电渣焊的基础上掌握电渣重熔技术,于1960年在重庆特殊钢厂及大冶钢厂建立电渣重熔车间

[3]

[2]

。

电渣重熔属于冶金专业,特种熔炼学科,重熔精炼分支。电渣技术的发展,派生出许多专业分支,形成一门跨行业、跨专业的新学科,称之为“电渣冶金”,它包括:电渣重熔、电渣熔铸、电渣转注、电渣浇注、电渣离心浇铸、电渣热封顶、电渣焊接、

电渣复合等。电渣冶金优越性为:(1)性能的优越性:电渣产品金属纯净、组织致密、成分均匀、表面光洁,使用性能优异,如GCr15电渣钢制成轴承

充比、用高比电阻渣系,以降低电耗;(2)氟的污

・2・

特殊钢第25卷

染:电渣含较多CaF2,重熔时逸出HF、SiF4、AlF3、SF6、CF4等有害气体危害工人健康,造成环境污

染。应推广低氟渣与无氟渣;(3)批量少管理不便:电渣重熔1炉一个钢锭,若以自耗电极钢母炉号为一批,必须以保证工艺稳定性及性能再现性为前提。

1　电渣冶金的现状

耐热钢、含N超高强钢、管坯、冷轧辊生产领域中

占绝对优势,该领域真空电弧重熔必为电渣重熔取代;(3)在超级合金领域(高温合金、耐蚀合金、精密合金、电热合金),电渣重熔与真空电弧重熔处于竞争局面,在上世纪80年代末,电渣重熔在产量上已超过真空电弧重熔;(4)在有色金属生产方面,电渣重熔不断取得进展;(5)电渣重熔空心锭和电渣重熔异形铸件具有独特地位,如石化工业用的合金炉管及三维空间异形铸件曲轴;(6)电渣冶金的发展前途是电渣技术走出单一结晶器重熔而与钢铁冶金流程相结合成在线工序,成为冶炼、精炼、连铸的一个环节。3　电渣冶金新技术3.1　优质大钢锭制备

世界电渣钢的生产能力约为120万tΠ年,实

际生产近100万tΠ年。乌克兰巴顿院士曾预计,21世纪电渣钢可占钢总产量的1%。发达国家(不包括前苏联和东欧)现有工业电渣炉228台。世界最大的电渣炉是:德国萨尔钢厂165tFB45Π165G型电渣炉和我国上海重型机械厂200t级电渣炉。前苏联新西伯利亚电热厂200t级电渣炉因技术未过关已放弃。最大的板坯电渣炉是俄罗斯双极串联70t板坯电渣炉。乌克兰双极串联电渣焊可焊接直径3m的铸件,焊缝纵向截面可达

2

10m。世界上最大电渣车间在乌克兰扎波洛什市德聂伯尔特钢厂,有电渣炉22台,美国Cabot公司、德国蒂森公司车间产能超过10万tΠ年。

世界各国生产材料钢号已超过400个。今年电渣重熔进一步扩大,应用于生产有色金属Al、Cu、Ti、Mo合金及贵金属Ag合金。

世界各国电渣技术研究中心有:乌克兰巴顿电焊研究院、俄罗斯电热设备科学院BHИЭTO,美国联邦矿业局Albany冶金研究中心,加拿大哥伦比亚大学电渣实验室,德国Max2Plank研究所等。

世界上电渣冶金技术先进的国家是乌克兰、中国、美国、德国、日本、英国、奥地利和俄罗斯。应用电渣冶金成熟的国家有瑞典、法国、捷克、比利时和印度。已掌握了电渣冶金技术的有意大利、西班牙、卢森堡、以色列、南非、澳大利亚、巴西、韩国、波兰、匈牙利、罗马尼亚、越南、朝鲜等。

世界性电渣冶金国际会议召开过13次之多,联合国工业开发署UNIDO19年至1990年均在基辅办电渣技术研讨班,重点向第三世界国家推广电渣熔铸技术。21世纪电渣炉建设速度将加快,产能年增长可大于10%。2　电渣冶金的未来

21世纪电渣冶金仍具有6个方面的优势:(1)电渣重熔在中型及大型锻件生产中,将处于优势地位;(2)在优质工具钢、模具钢、双相不锈

随着动力设备的大型化及核电站的建设,需

要100t至360t的大钢锭。1971年德国萨尔钢厂建成FB45Π165G低频电渣炉。(2～10Hz),生产

[4]

的最大锭重165t。1981年我国上海重型机械厂建成200t级的三相双极串联电渣炉,最大锭重205t

。近年世界各国致力于开发新技术制备大

钢锭,如电渣热封顶(ESHT)技术。

我国在电渣冶金起步阶段,已掌握了铸钢件

[6]

电渣热封顶技术,在铸件冒口中造液渣,形成渣池,用石墨电极浸入渣中,通交流电产生电阻热,起发热冒口作用,铸件凝固后仅有很浅的洼坑,不象通常冒口那样出现深坑,冒口切除量减少。以后进一步用金属自耗电极,输入功率递减,填充金属补缩,可做到冒口平整,无需再切除。

电渣热封顶用于生产大型铸锭(图1),目的在于消除普通铸锭的疏松与偏析。即用普通炼钢方法冶炼出的钢水,经二次精炼(钢包精炼、脱气处理)。热封顶开始时,铸锭外层形成一层凝固金属壳,由于快速凝固,成分较均匀,组织致密,而电渣热封顶的功能是填充顶部因收缩产生的缩孔,以及减少因选择结晶产生的凝固偏析。马治内尔(P.Machner)[7]指出:电渣重熔避免了产生晶雨(锭底负偏析),这是熔池温度总是保持凝固点以上,使推进的凝固前沿处于未凝固状态。在伯乐电渣热封顶(BEST)即控制全部条件满足上述要求。

[8]

米契尔(A.Mitchell)研究结果提出浇注后凝固速度随时间变化,电渣热封顶填充速度应同

[5]

第5期

李正邦:21世纪电渣冶金的新进展・3・

比是8∶3∶2。可见铸锭越大,电渣热封顶经济上的潜在优势愈大。3.2　真空电渣重熔(VacuumElectroslagRefining)德国Hanau城Leybold公司在上世纪90年代,综合了真空电弧重熔ESR的优点。对超级合金而言,真空电弧重熔纯净度高,气体含量极低,成分可精确控制,凝固件好,铸锭组织致密,成分较均匀,但由于是无渣精炼对脱硫不利,且易形成白点及产生年轮状偏析、硫含量极低、夹杂物细小弥散,但合金含易氧化元素重熔烧损大,成分难于控制,而且气体含量较高。Leybold公司真空电渣重熔炉的锭径250mm,锭重360kg。重熔In2conel718合金,重熔用CaO2Al2O3系的无氟渣(表

[11]

1),重熔的Inconel718合金成分变化见表2,

[10,11]图1　电渣热封顶原理图

Fig.1　Principleshematicofelectroslagshot2topping

步,维持金属循环,保持温度梯度,输入比功率为018kWhΠkg。

奥地利的VEW(VereiningteEdeleltahlwer)电渣热封顶采用水冷保温帽。意大利采用耐火材料做保温帽,即TREST(Ternirefractoryelectroslagtopping

[9]

process),乌克兰冶金工作者用石墨衬,并用耐火水泥粘结缝。采用水冷保温帽虽热损失稍高,但降低了耐火材料消耗。目前采用VEW法已铸成55t的大钢锭,用TREST已铸出62t的大钢锭。

[8]

热封顶100t的计算模型已完成。

制造大锭有三种方法:电渣重熔ESR、电渣中心填充MHKW和电渣热封顶ESHT,三者的成本

Al、Ti含量基本不变,Mg含量在标准范围。3.3　高压电渣重熔(PressureElectroslagRefining)

表1　真空电渣重熔VacESR前后渣成分Π%

Table1　Ingredientvariationofslagbeforeandaftervacu2umESRΠ%

渣组元重熔前重熔后变化量Al2O345.0043.701.30CaO45.0045.000MgO4.303.70-0.60TiO25.006.401.40SiO20.150.170.02表2　Inconel718合金真空电渣重熔前后化学成分Π%

Table2　ChemicalcompositionsofalloyInconel718beforeandaftervacuumESRΠ%

成分C自耗电极0.028重熔锭0.028变化量0Co0.18

0.180Cr

Fe

Mg

Mn

Mo3.023.020Nb5.315.320.01Ni

P

S

Si

Ti

V

Al0.660.670.01Cu0.070.07018.9417.200.00810.0818.9717.200.00530.080.030-0.0028053.240.0100.0080.13

53.240.0070.0070.130-0.003-0.00100.950.03

0.930.03-0.020　　冶炼含氮钢关键是保证过饱和的氮溶解入钢

中,防止凝固过程析出。为此1980年德国建立了第一台高压电渣炉。熔炼室氮压力高达412

[12]

MPa,生产铸锭直径1m重16t。

高氮奥氏体钢主要用于生产发电机护环(Re2

[13,14]

tainingRings),要求无磁性,屈服强度σ0.2≥1420MPa,大气中冶炼奥氏体钢(Cr12%,Mn18%)含氮仅0.1%,性能无法达到要求。采用高压电渣重熔炉氮含量提高到1.05%,仅需20%冷加工量,σ0.2≥1500MPa,满足核电站要求。1996年德国又扩建两台高压电渣炉用于生产含

写:ESRR)

快速电渣重熔是在T型结晶器多流电渣重熔

[17]

(MultipleStrandT2mouldESR)基础上发展起来的,前苏联用多流电渣重熔同时抽出4根150mm的轴承钢GCr15方坯

[18]

,美国Consarc公司多流电

[17,19～21]

渣重熔同时抽出3根M2高速钢坯3.4.1　工艺原则

。该技

术省去开坯工艺,但重熔速度提高幅度有限。

标准电渣重熔经过40年实践,建立了熔速的经验公式,即熔速VM(kgΠh)与铸锭直径d(mm)之比不超过110(VMΠd≤110)。对于偏析敏感的工具钢及超级合金VMΠd≈0165～0175。低熔速导致生产成本增高,不利于小尺寸电渣锭的发展。

氮轴承不锈钢及含氮高速钢,奥地利、保加利

亚也建立了高压电渣炉。3.4　快速电渣重熔(ElectroslagRapidRemelting缩

[15,16]

・4・

[22]

特殊钢第25卷

近4年,W1Holzguber在Acciaiervalbuna进行大量试验,开发快速电渣重熔技术,对100～300mm的小型铸坯,熔速提高到300～1000kgΠh,使VMΠd=3～10。3.4.2　设备及工艺

表3　不同快速电渣重熔的工艺参数

Table3　Parametersofdifferentelectroslagrapidremelting

工艺

AISI402

电流Π电压Π重熔速度ΠkAVkg・h-1

8.49.28.6

716967

560600370

渣系

CAF3CAF3

气氛

N2N2N2

合金

添加剂

0.03%Al0.03%Al0.04%Al

重熔VALIB

AISI304L

采用T型结晶器,重熔大断面电极,在结晶器壁上嵌入导电元件,使电源电流通过自耗电极→渣池流入→导电元件→返回变压器,如此改变了结晶器热分配。使钢2渣熔池界面远离电极端头,熔化金属液滴温度是接近液相线滴汇聚于金属熔池,使金属熔池深度与输入功率无关。此外铸锭自T型结晶器中抽出,受空气对流冷却。而固定式结晶器重熔时,铸锭收缩与结晶器内壁形成气隙对冷却不利。

ESRR采用同位素Co60控制钢液面,灵敏度高达±2mm,优于前苏联采用电磁型钢液位检测器精确度±10mm。钢铁研究总院曾用金属探尺测金属液位,由于金属探尺测信号受液滴带电

[23]

滴落干扰,滤波问题仍未最后解决。

从表3可见,快速电渣重熔ESRR生产Φ145mm的铸锭,获得较高的熔速VM,输入功率较大,由于有氮气保护,可采用较高电压不要求电极插入深度。渣系采用CAF3(CaO35%+Al2O335%+CaF230%)及CAF4(CaO30%+Al2O330%+CaF240%),渣电导率在1600K分别为k=2及215Ωcm

-1

-1

[19]

重熔AISL

WN1.4980重熔AN5

CAF4(14%TiO2)

径160mm):在VM达到300kgΠh时加FeS,硫印测得熔池呈V型,熔池深度约147mm,计算出凝固

1Π2系数C=37mmΠmin。凝固系数是凝固速度的标尺:S=Ct

1Π2

式中:S2凝固层厚度Πmm;t2凝固时间Πmin;Ct2凝

-1Π2

固系数Πmm・min。当熔速VM提高到600kgΠh,熔池呈U型,熔池深度约1mm,凝固系数C=46mmΠmin。标准电渣重熔ESR的凝固系数C=30～35mmΠmin

1Π2

1Π21Π2

,连铸凝固系数C=25～38mmΠmin。

1Π2

ESRR高的凝固系数C,从而在增大熔速条件下,

铸锭结构仍是致密、均匀、无疏松、无缩孔的。所生产的钢种有马氏体耐热钢AISI402、奥氏体不锈钢、AISI304L、高速工具钢M7、超级合金INC0718、高温耐磨合金WN1.4980。ESRR铸锭表面光洁,无需清理可直接热加工。3.5　电渣复合技术

乌克兰巴顿电焊研究院“Elmet2Roll”科研组近年开发了带电结晶器技术,成功地用于生产复

[24]

合轧辊(图2),带电结晶器起了非自耗电极作用,液态金属通过渣池,受到带电渣洗作用,进入金属熔池,在水冷结晶器中凝固形成电渣复合镀

,而以往通用ANF26渣(CaF270%+

-1

-1

Al2O330%)k=315Ωcm,渣电导率降低,使重

熔电效率显著提高。3.4.3　快速电渣重熔(ESRR)效果

熔池深度与凝固系数(ESRR重熔M2钢,锭

图2　液态金属电渣冶金技术示意图:(a)电渣镀层;(b)熔铸空心锭;(c)熔铸实心锭

Fig.2　Shematicofelectroslagmetallurgywithliguidmetal:(a)electroslagsurfacing;(b)meltingofhollowingot;(c)meltingofsolidingot

第5期

李正邦:21世纪电渣冶金的新进展・5・

层,电渣空心锭及电渣实心锭。“Elmet2Roll”组与Novokramatorsk机械厂合作,成功地生产直径740mm、工作层为高速钢、内芯为45号钢的复合轧辊,寿命是合金铸铁轧辊的4～415倍。4　电渣炉型的发展趋势

表4　电渣炉型式统计

Table4　StatisticdatafordifferentESRfurnacetype

项目结晶器

型式

固定式

抬升结晶器抽锭

固定式及抽锭两用不更换电极更换电极两可通用工频单相交流工频三相交流单相及三相两用低频直流

交流与直流两用液渣固渣两用

台数

9340261187781455151313888268

所占百分比

46.8320.9719.5112.6858.1337.833.9472.872.517.546.536.534.0272.1321.316.56

随着新电渣炉的研制和老一代电渣炉的更新,世界电渣炉制造业发展较快,美国Cansarc公司、德国ALD公司、奥地利INTECO公司、乌克兰Medovar研究所是制造中心。现役各种型式的电渣炉见表4。5　结论

(1)电渣冶金是21世纪生产优质合金钢及自耗电极

电源种类

引燃方法超级合金的主要手段之一,成为精细冶金的重要分支。

(2)真空电渣重熔、高压电渣重熔、电渣热封顶、快速电渣重熔及电渣复合是目前电渣技术的突破点。

(3)电渣冶金在制备大型毛坯、超级合金、优

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质工模具钢、双相不锈钢及含N超高强度无磁钢

等方面仍处于优势地位。

(4)电渣冶金发展重要前途是电渣技术走出单一结晶器工艺,而与钢铁冶金流程结合成在线工序,成为冶炼、精炼及连铸的一个环节。

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李正邦,男,69岁,中国工程院院士。主要研究领域:特

种冶金和二次精炼及高温合金、模具钢、高速钢等。

收稿日期:2004203209