国内外电渣冶金发展概况

国内外电渣冶金发展概况
　　电渣冶金起源于美国，一九四O年霍普金斯取得了发明专利。一九五八年，苏联德聂泊尔特钢厂工业电渣炉建成，现代电渣冶金开始进入工业化进程。46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。了解和掌握国内外电渣冶金发展概况，对东北特钢电渣冶金的定位及决策具有一定的参考价值。
1 国外电渣冶金发展概况　　一九四○年虽然霍普金斯已取得了发明专利，但是由于当时技术上的封闭和不成熟，以及理论上存在着电渣冶金是埋弧过程的错误的主导思想，致使电渣冶金的发展长期处于停滞状态。 　　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埋弧焊接过程中偶然发现，过多的渣液会使电弧熄灭，并使操作变得平稳，于是发明了电渣焊。并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。 　　进入六十年代，出于航空航天及军备竞赛的需要，苏联对电渣冶金开展了大量的研究工作，并曾一度把发展电渣冶金作为苏联的第二党纲，极大地推动了电渣冶金的发展。而美国和西欧的一些国家，在真空电弧重熔与电渣金熔经历了七年激烈竞争后确认，电渣重熔不仅设备简单，易于操作，成本较低，在质量方面，除去气不及真空电弧重熔外，结晶组织、钢锭表面、脱硫及去除夹杂物的能力均优于真空电弧重熔。因此，很多航空材料转向由电渣重熔设备生产。一些生产真空冶金设备的专业厂家如美国的Consarc公司，西德的Loybold-Hereaus公司及奥地利的BohClr公司等，也都转向生产电渣炉。由于很多国家都致力于发展电渣冶金，六、七十年代是电渣冶金飞跃发展的年代。 　　多年来，国外电渣冶金已不满足于一般电渣锭的生产，在工业技术成熟的基础上向着更深更广的领域发展，形成了一个跨专业、跨行业的新学科。已开发出的工艺技术有：电渣熔铸、电渣浇注、电渣转注、电渣热封顶、电渣离心浇注、电渣复合熔铸及快速电渣重熔等。 　　尤其值得重视的是电渣熔铸异形件的发展，小到几十克重的不锈钢假牙齿，大到几十吨重的发电机转子，直至重量超过百吨的水泥回转窑炉圈等，均可不经锻造在异形水冷结晶器中直接熔铸成型。现在电渣熔铸的主要产品有大型发电机转子、水轮机叶片、船舶柴油机大型曲轴、各种高压容器、大型环件、各类轧辊、模具、透平涡轮盘、厚壁中空管、石油裂化管、齿轮毛坯、三通管、核电站压水堆主回路管道等。种类规格之多，形状之复杂不胜枚举。 　　除此之外，实用性较强，具有发展前景的还有电渣热封顶、电渣离心浇注及快速电渣重熔等。 　　电渣热封顶(ESHT)即电渣热补缩有两种类型。一是大型铸锭的电渣热封顶，二是大型铸件的电渣热封顶。其功效都在于减小缩孔深度，消除疏松和偏析，提高铸锭及铸件的成材率。大型铸锭的电渣热封顶是用一般冶炼方法冶炼的钢液浇入盛有渣料的钢锭模。由于融渣的比重大大小于钢液，因此在锭模内钢液上面迅速形成一个渣池，将金属电极或石墨电极插入渣池，适量输入电能即可进行热封顶。采用金属电极热封顶，可使金属液以熔滴的形式不断地填充缩孔，效果优于石墨电极。但必须制备与铸锭化学成分相同的“本钢种”金属电极。 　　在采用电渣热封顶技术的国家中，奥地利采用水冷保温帽，意大利采用耐火材料做保温帽，乌克兰采用石墨衬和耐火水泥勾缝的保温帽。水冷保温帽热损失稍高，但可避免耐火材料污染钢液，并且没有耐火材料消耗。 　　日本特殊电极份公司与小松制造厂推出冒口加热装置，实质上是用于铸件的电渣热封顶装置。热封顶过程中，将带有石墨电极的活动的三角支架，固定在已浇注完毕的砂型上，然后将石墨电极降至冒口端的渣中通电保温，防止铸件在凝固过程中产生缩孔及疏松等缺陷。实验报告表明，同样是7.6t的铸钢件，用常规方法浇注的铸件，冒口重量为3.52t，而用电渣热封顶的方法冒口重量仅为620kg。收得率由常规方法的68%提高到92%。过去必须开动两台电炉同时浇注才能满足铸件重量要求的产品，采用电渣热封顶，提高金属收得率后，有时仅开动一台炉子即可浇注成，使电费、耐火材料费、人工费、火切费及热处理费等均明显降低。 　　电渣离心浇注是把有衬电渣冶炼及离心浇注两项技术融合在一起，将有衬电渣炉冶炼的钢液连同融渣一起倒入模内，在离心铸造的旋转过程中，模具内表面形成均匀的渣壳，为各种异形铸件表面质量的提高创造了有利条件;液态金属在离心力的作用下凝固结晶，成为组织致密的铸件。该技术在国内外应用较为广泛。 　　快速电渣重熔的内容已由 2003年《辽宁特殊钢》杂志第一期详细刊载，故不赘述。 　　随着电渣冶金的发展及金属材料要求的不断提高，钢锭大型化已成为电渣冶金发展的必然趋势。最初各国工业电渣炉容量仅为0.5t，大一些的一般也不超过3吨。八十年代中期，很多国家都有了50吨以上的电渣炉，就连印度这样的发展中国家也建立了88吨电渣炉。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。世界上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台电渣炉和年产10万吨电渣钢的生产能力。 　　在理论上，电渣冶金去除非金属夹杂物的机理发生了极大变化。过去受苏联的影响电渣冶金工作者普遍认为，电渣冶金去除非金属夹杂物主要靠夹杂物从金属熔池中向上浮升，之后被融渣吸附。当浮升速度大于金属的结晶速度时，夹杂物就能得以去除;当浮升速度小于金属的结晶速度时，夹杂物就残留在金属中。 　　我国李正邦等电渣冶金工作者经过实验，提出电渣冶金去除非金属夹杂物主要靠电极末端熔滴形成的过程。这一过程使近三分之二的夹杂物得以去除。其余三分之一是在熔滴通过渣池向金属熔池过渡及夹杂物由金属熔池向上浮升等阶段去除的。这一理论在80年代逐渐为诸多国家的电渣冶金工作者所接受，在1988年第九届国际真空冶金会议上，美国真空冶金学会主席G·K·Bhat博士表示：“从此去夹杂物机理之争可以结束”。 　　在工艺方面，正常重熔期采用递减功率代替了恒功率输入，使电渣钢的冶金质量得到很大的提高。扩大充填比(电极直径/结晶器直径)已成为电渣冶金发展的必然趋势。很多欧美国家都采用大充填比的工艺，充填比一般控制在0.7-0.8左右，收到了明显的节电效果。在渣系的研究和使用上，已不局限于惯用的ANF-6即CaF 2 /Al 2 O 3 ＝70/30的为数不多的渣系，各种二元渣、三元渣、四元渣及五元渣的出现，为提高电渣冶金工艺的适用性和再现性创造了有利条件。 　　在电渣冶金设备的设计与制造方面，应用了很多新技术、新材料，实现了电渣冶金先进的工艺思想与生产实际的完美结合。尤其是保护性气氛电渣炉、高压电渣炉和真空电渣炉相继问世，为电渣冶金的发展开创了更加广阔的空间。早期的保护性气氛电渣炉是在结晶器上方安置了可输入气体的环形保护罩，结晶器与大气是相通的。封闭结晶器并起到保护作用的主要靠氩气、氨气及干燥空气较空气重的比重。另外，气体输入过程中也有一定的压力。保护性气氛电渣炉在防止电渣钢增氢，减少易氧化元素烧损方面作用比较明显。 　　新型保护性气氛电渣炉属于全封闭式电渣炉，结晶器上方用气密保护罩封闭、冶炼是在全封闭式惰性气体保护下进行的，因此，保护效果会更好些。 　　高压电渣炉主要用于生产发电机护环用无磁高氮奥氏体不锈钢。高压电磁炉属于全封闭式电渣炉，重熔过程中熔炼室的氮气压力高达4.2MPa。自耗电极由电弧炉生产，氮是以Si3N4 的形式加入钢中的。德国已用高压电渣炉生产出直径为一米，重达20吨的电渣锭。重熔后钢中氮含量与自耗电极相比有很大的提高。含氮0.85%-1.05%的元磁护环钢屈服强度达到1500N/mm 2 以上，满足了核电站建设的技术要求。近几年来奥地利、保加利亚等国家也建造了高压电渣炉。 　　真空电渣炉始建于德国，它结合和保留了真空电弧炉及电渣炉的优点，克服了二者的缺点，使重熔金属不仅具有良好的结晶组织、高的纯净度、低的含硫量及气体含量，而且消除了白点及年轮状偏析，没有元素烧损，使高温合金的重熔质量得到极大的改善。真空电炉炉和真空电渣炉同样是在真空状态下进行精炼，其主要区别在于，真空电弧炉的精炼是在没有融渣的情况下进行的，精炼过程属于电弧过程，而真空电渣炉的精炼是自耗电极自始自终插入融渣之中，精炼过程属于电渣过程。目前世界上仅有德国、意大利、日本等国家有真空电渣炉，其普及率不高的原因，除造价因素外，工艺技术的适应性方面还存在着一定的问题。
2 我国的电渣冶金发展概况　　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，大连钢厂及上钢五厂的电渣炉先后建成投产。紧随其后齐齐哈尔钢厂、抚顺钢厂等工业电渣炉相继建成投产。四十多年来，我国电渣冶金始终保持着旺盛的发展趋势势。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。洛阳轴承研究所于一九九七年发表在《特殊钢》杂志第四期的题目为《轴承钢冶炼工艺对滚动轴承额定功率负荷系数的影响》的文章中，对电弧炉、真空脱气和电渣工艺冶炼的204轴承进行寿命试验后，得出的结论是：“真空脱气钢的轴承额定寿命比电炉钢提高4倍，接触疲劳额定寿命提高0.8倍;用电渣钢制造的轴承平均额定寿命比电炉钢提高11倍，接触疲劳额定寿命提高2倍”。这一事实说明，真空脱气无法代替电渣重熔。 　　近些年来，由于电渣钢产品质量优异，越来 越多的用户订货时在合同的冶炼方法一栏明确要求“电渣重熔”。由于电渣炉属于投资少、见效快的项目，无论是冶金行业，还是机械行业均看好电渣钢产品市场，纷纷出资建造电渣炉，很多厂家同时建造几台电渣炉。目前国内新建电渣炉的数量之多，速度之快令人难以想象。 　　从趋势上看，新建电渣炉向着钢锭大型化的方向发展。八十年代，绝大多数厂家的电渣炉都在三吨以下，而近10年来十吨以上的电渣炉已相当普遍。就连山东民营企业也建起了40吨电渣炉。 　　另外，引进电渣炉的数量也呈增加的趋势，一九七九年，齐齐哈尔钢厂从西德莱保尔德——海拉斯公司引进了一台十吨单相、单支臂、双熔位、保护性气氛电渣炉。之后近20年的时间里， 没有厂家再从国外引进电渣炉。九十年代末期以来，邢台轧辊厂、内蒙二机及上钢五厂先后从美国引进了四台电渣炉。 　　随着引进电渣炉数量的增加，国外电渣炉一些先进技术也逐渐被移植。重力传感器的使用为电子称重系统的应用以及计算机控制熔化速率提供了必要条件。 　　从我国电渣炉的发展情况看，控制系统已由简单的自耦，甚至手动控制，发展为可控硅或PLC控制，部分厂家采用了计算机控制。但是由于我国在冶炼工艺与计算机的结合方面存在着薄弱环节，当前很多厂家的计算机控制实质上还是停留在一般的冶炼过程控制上。真正意义上的计算机控制应当是在控制冶炼过程的同时，控制熔化速率及熔池的深度和形状。 　　在传动机构方面，已由精密球型丝杠及液压传动取代了钢丝绳及梯型丝杠，使支臂及托锭承重小车的升降更加灵活、平稳、准确。另外，立柱旋转取代了支臂旋转，不仅解决了支臂旋转巨大的齿轮制造及安装方面的困难，而且减少了零部件重量，所占空间及造价，转动更加灵活，设备外观给人以简洁明快之感。 　　变压器由过去的冶炼过程中必须断电换档的无载有级调压，发展为不需断电即可发迹和调整冶炼电压的有载有级和有载无级变压器，有载无级变压器可以在带有负载，即在冶炼过程中，不需断电就可把电压调整到任何所需位置。有载无级调压变压器的出现，为实现真正意义上的计算机控制提供了必要条件。从变压器的冷却方式上，由原来的强制油循环冷却，发展为干式风冷。随着铁芯材料质量的提高，变压器发热的现象明显减弱，自冷式变压器将成为电渣炉用变压器的发展方向。西安变压器厂为山东一企业制造的 40t 电渣炉用 6000KVA 大型变压器就是采用自行冷却方式冷却的。其主要缺点是为了增大散热面积，变压器的体积较大。 　　为了减少电抗造成的电能损失，消除散磁、降低电流的搅拌作用，防止出现点状偏析，同轴设计电路（同轴导电立柱、同轴电缆）将会成为电渣炉今后的发展方向，到目前为止，国内引进的五台电渣炉全部采用的同轴设计电路。 　　另外，二次环路中通过强大的电流，在电渣炉附近空间会形成一个强大的交变磁场，磁场内的钢铁构件，甚至混凝土中的钢筋都要产生涡流发热，即增加了网路的电能损耗，又有损于结构件的强度。这一点应当成为新型电渣炉设计必须考虑的问题。 　　从国内电渣钢产量及生产能力方面也呈现出迅猛发展的态势。李正邦著《电渣冶金原理及应用》及姜周华著《电渣冶金的物理化学及传输现象》的文章中记载：我国冶金系统有工业电渣炉 86 台，电渣钢年生产能力为 10 万台。可在短短的几年内，仅东北特钢就成为拥有 30 台电渣炉，形成年产 8.5-9 万吨电渣钢的生产能力。目前，已形成年产两万吨电渣钢生产能力的厂家有抚顺特钢、北满特钢、大冶特钢和西宁特钢。 　　我国是电渣冶金起步较早的国家，属于电渣冶金技术先进的国家。但是在采用电渣熔铸、电渣浇注、电渣转注、电渣热封顶、电渣离心浇注、电渣复合熔铸、快速电渣重熔等新技术方面普及面不宽，甚至在某些领域近乎处于空白状态。 　　我国在电渣熔铸异形件方面工作开展较早，很多厂家及院所在六、七十年代就对曲轴、炮管、飞机发动机涡轮盘、轧辊、模块等异形件进行过研制，但是电渣熔铸异形件这项技术始终没有真正发展起来。目前，实现工业化生产具有代表性的有西宁特钢电渣熔铸轧辊、模块；沈阳铸造研究所的大型电站用水轮机叶片、挖掘机复合斗齿、气压机连杆；成都冶金硬面技术加工厂的供无缝管生产用复合穿孔顶头等。 　　东北特钢成立后，北满、抚顺、大连三地合一，电渣炉总数为 30 台，可形成年产 8.5-9 万吨电渣钢的生产能力。成为世界上电渣炉炉台总数第一、产量规格一流的大型电渣钢生产集团公司。在发展战略上，东北特钢的电渣冶金不能仅仅满足于做大，更重要的是要做精、做强，使我们的电渣钢质量在国内最高、成本最低、产品最具市场竞争力、产品综合实力达到国际一流水平。因此如何打造东北特钢电渣冶金航母，是摆在我们面前的一项重要课题。我们坚信，有东北特钢电渣冶金雄厚的基础及资源共享、优势互补这一得天独厚的环境，三地之间互相学习、互相促进、取长补短、共同提高，通过不断地优化和改进工艺，推广新工艺、新技术，努力提高电渣钢的实物质量，降低生产制造成本，东北特钢的电渣冶金定会取得更大的发展。
作者：隋铁流　 http://www.china001.com/