電渣冶金的回顧與展望
摘要：制備超純優(yōu)質(zhì)金屬材料的精細(xì)冶金不斷地向前發(fā)展，近期電渣冶金的進(jìn)展令高溫電渣重熔(PESR)，真空電渣重熔(VarESR)使重熔金屬質(zhì)量達(dá)到高純水平。電渣 封頂(ESHT)生產(chǎn)巨型鋼錠具有技術(shù)與經(jīng)濟(jì)上的潛在優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞:精細(xì)冶金；電渣冶金；高壓電渣重熔；真空電渣重熔；電渣熱封頂
Retrospect and prospect of electroslag metallurgy
Abstract:Preparation of super pure metal materials of fine quality metallurgical constantly moving forward, the recent progress of electroslag metallurgy for high temperature electric slag remelting (PESR), vacuum electroslag remelting (VarESR) make the remelting quality of metal is very high purity. Electroslag caps (ESHT) production of large steel ingot has potential advantages in technology and economy.
Keywords:Fine metallurgy ;Electroslag metallurgy ;High voltage slag remelting ;Vacuum electroslag remelting ;Electroslag hot caps
前蘇聯(lián)電渣重熔工業(yè)化起步較早，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［1］，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，而在工業(yè)上全面推廣直至1965年才開始［2］。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］。從世界范疇論，電渣重熔工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)歷了41個春秋(1958～1999年)。電渣重熔屬于冶金專業(yè)，特種熔煉學(xué)科。電渣技術(shù)的發(fā)展，派生出許多專業(yè)分支。電渣冶金包括：電渣重熔、電渣熔鑄、電渣轉(zhuǎn)注、電渣澆注、電渣離心澆鑄、電渣熱封頂、電渣焊接、電渣表面鍍膜等。
1 電渣冶金的歷程
1.1 緩慢發(fā)展的25年(1940～1965年)
美國R.K.Hopkins首先于1940年獲得電渣直接熔煉專利，早年Kellogg公司用于生產(chǎn)高速鋼及高溫合金(Fe-16Cr-25Ni-6Mo)，直到 1959年Firth-Sterling公司建立3臺3.6t電渣爐進(jìn)行電渣重熔，美國電渣技術(shù)才定型。1965年Firth-Sterling公司破產(chǎn)，被Vasco公司及Allvas公司兼并，該技術(shù)才逐漸公諸眾。50年代由于鈦合金需要一度增長，到1965年美國真空電弧重熔能力達(dá)15.3萬t/年，60年代鈦合金市場蕭條，相當(dāng)一部分真空電弧重熔爐轉(zhuǎn)為生產(chǎn)超級合金及優(yōu)質(zhì)合金鋼。同時理論研究落后，Hopkings及其同事認(rèn)為電渣過程是“埋弧放電”。
1.2 飛躍發(fā)展的十年(1965～1975)［4］
1959～1965年在美國和西歐電渣重熔與真空電弧重熔之間展開了強烈的技術(shù)競爭，時間持續(xù)7年之久。1965年西歐美國冶金工作者作了全面的、系統(tǒng)的研究，其結(jié)論是電渣重熔設(shè)備簡單，生產(chǎn)費用低廉，操作方便，鑄錠表面光潔，熱塑性好，成材率高。電渣重熔在純凈度方面不亞于真空電弧重熔。去硫，去除非金屬夾雜物均超過真空電弧重熔，僅去氣(N、H、O)不及真空電弧重熔，而
在鑄錠結(jié)晶方面優(yōu)于真空電弧重熔，鑄錠組織的致密性、化學(xué)成分均勻性還超過真空電弧重熔，沒有低倍缺陷，成品率高.產(chǎn)品擴(kuò)大生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)鋼及超級合金到1975年近300個牌號，開始用于生產(chǎn)有色金屬(Al、Cu、Ti合金)及貴金屬(Ag合金)。
1.3 穩(wěn)定發(fā)展的10年(1975～1985年)［5］
電渣鋼產(chǎn)量繼續(xù)增長，到1985年達(dá)到120萬t。第1代電渣爐開始更新。但據(jù)西方情報分析，前蘇聯(lián)電渣鋼產(chǎn)量約40～45萬t。東歐國家約4～5萬t。到1985年止，西方工業(yè)電渣爐達(dá)204臺，其中38臺是1975年以后新建。 這一階段隨重熔錠型的擴(kuò)大，電渣熔鑄管件及異形鑄件的出現(xiàn)，對金屬質(zhì)量要求日益嚴(yán)格，研究電渣重熔過程的理論模型應(yīng)運而生，包括：(1) 熱傳遞模型； (2) 物質(zhì)傳遞模型(熱力學(xué)模型、薄膜及滲透理論為基礎(chǔ)的新傳質(zhì)模型)； (3) 熱塑性模型。
1.4 醞釀新的突破(1985～1999年)
這一階段一些生產(chǎn)超級合金的公司繼續(xù)擴(kuò)大生產(chǎn)能力，如美國Teledyne Allvac公司建立23 t 電渣爐。Inco合金國際公司兩臺電渣爐于1986年投產(chǎn)生產(chǎn)Ni基合金、Co基合金及其它耐熱合金板坯及圓錠，錠重18 t。1992年Consarc公司制造100 t電渣爐在日本鋼廠投產(chǎn)。 西歐與美國致力于電渣熱封頂ESHT法及電渣自熔模MHKW法生產(chǎn)大鋼錠。前蘇聯(lián)主要應(yīng)用雙極串聯(lián)電渣焊。鑄焊結(jié)合生產(chǎn)大毛坯，并研究電渣分批澆鑄生產(chǎn)大錠。 前蘇聯(lián)巴頓電焊研究所用電渣坩堝爐，熔煉獲得純凈鋼水，與離心澆鑄結(jié)合形成電渣離心澆鑄CESC，將鋼水澆入耐用金屬模，形成電渣耐用模EPMC。
2 電渣冶金的現(xiàn)況
根據(jù)有關(guān)資料推算，世界上電渣鋼的生產(chǎn)能力，超過120萬t/年。烏克蘭巴頓院士曾預(yù)計在21世紀(jì)，電渣鋼可占鋼總產(chǎn)量的0.2%。西方國家(不包括前蘇聯(lián)和東歐)現(xiàn)有工業(yè)電渣爐228臺。世界最大的電渣爐是德國薩爾鋼廠165 t FB45/165G型電渣爐及我國上海重型機器廠200 t級電渣爐。前蘇聯(lián)新西伯利亞電熱廠200t級電渣爐因技術(shù)未過關(guān)，已宣告失敗。最大的板坯電渣爐是俄羅斯雙極串聯(lián)70 t板坯電渣爐。烏克蘭雙極串聯(lián)電渣焊可焊接直徑3 m的鑄件，焊縫縱向截面可達(dá)10m2。世界上最大電渣車間是烏克蘭扎波洛什市德聶泊爾特鋼廠電渣車間。有電渣爐22臺，生產(chǎn)能力超過10萬t/年。世界上電渣冶金技術(shù)先進(jìn)的國家是烏克蘭、美國、中國、德國、日本、英國、奧地利；應(yīng)用電渣冶金成熟的國家有俄羅斯、瑞典、法國、捷克、比利時、印度；已掌握電渣冶金技術(shù)的有意大利、西班牙、盧森堡、以色列、南非、澳大利亞、巴西、韓國、波蘭、匈牙利、羅馬尼亞、越南、朝鮮等。
世界性電渣冶金國際會議召開過12次，從1975年起，電渣重熔與真空冶金合并，通稱“國際真空冶金會議”，每3年一屆，電渣冶金論文在歷屆會議上占相當(dāng)大的比例。
3 電渣冶金的未來
21世紀(jì)電渣冶金仍然具有下列優(yōu)勢：(1) 電渣重熔在中型及大型鍛件生產(chǎn)中，將處于壟斷地位。(2) 在優(yōu)質(zhì)工具鋼、模具鋼、雙相不銹耐熱鋼、含N超高強鋼、管坯、冷軋輥領(lǐng)域中占絕對優(yōu)勢，真空電弧重熔在這一領(lǐng)域必為電渣重熔所取代。(3) 在超級合金領(lǐng)域(高溫合金、耐蝕合金、精密合金、電熱合金)，電渣重熔與真空電弧重熔處于競爭局面；在80年代末，電渣重熔在產(chǎn)量上已超過真空電弧重熔。(4) 在有色金屬生產(chǎn)方面，電渣重熔處于方興未艾的階段。(5) 電渣重熔空心錠和電渣重熔異形鑄件具有獨特地位，如石化工業(yè)用的合金管及曲軸。(6) 電渣冶金的發(fā)展前途是走出單一結(jié)晶器重熔而與鋼鐵冶金流程結(jié)合成在線工序，成為冶煉、精煉、連鑄的一個環(huán)節(jié)，如中間包電渣加熱。
4 電渣冶金新技術(shù)
4.1 優(yōu)質(zhì)大鋼錠制備
隨著動力設(shè)備的大型化及核電站的建設(shè)，生產(chǎn)大于100～360 t的大鋼錠已成當(dāng)務(wù)之急。早在1971年德國薩爾鋼廠Searshl GmbH建成FB45/165G低頻電渣爐(2～10Hz)，最大錠重165 t［6］。美國Consarc公司制造了4臺92～100 t同軸電渣爐。1981年我國上海重型機器廠建成200 t級的三相雙極串聯(lián)電渣爐，最大錠重205 t［7］。目前顯示生命力的技術(shù)是電渣中心填充及電渣熱封頂。
4.2 電渣中心填充技術(shù)MHKW［8，9］
電渣中心填充技術(shù)MHKW法是米德威爾—海賓斯托(Midvale-Heppenstall)和克洛伊克納—威克(Klockner-Werhe)兩家公司聯(lián)合研究成功的生產(chǎn)大錠的新技術(shù)。重量超過100 t的鑄錠，往往是用電弧爐或轉(zhuǎn)爐鋼經(jīng)真空脫氣，澆注成大錠。將鑄錠加熱到鍛造溫度，熱沖空中心或掏孔，疏松、偏析區(qū)被去除。鑄錠在400 ℃左右保溫，在較小功率的電渣重熔下進(jìn)行電渣填充，因空心錠代替了水冷銅模，故又稱“電渣自熔模”。電渣填充過程是用固渣引燃，自耗電極利用電流通過渣池析出電阻熱將自耗電極熔化，自熔模內(nèi)壁熔化率相當(dāng)充填金屬的1/5。煉好后MHKW錠熱送加熱、鍛造。填充過程要保持熔深均勻，輸入功率必須遞減。而且自熔模與填充金屬有溫差，避免同步收縮而產(chǎn)生顯微裂紋，因此，自熔模的預(yù)熱、保溫至關(guān)重要。
4.3 電渣熱封頂［10］
電渣熱封頂用于生產(chǎn)大型鑄錠，目的在于消除普通鑄錠的疏松與偏析。即用普通煉鋼方法冶煉出的鋼水，經(jīng)爐外精煉(鋼包精煉、脫氣處理)。熱封頂開始時，鑄錠外層形成一層凝固金屬殼，由于快速凝固，成分及組織較均勻，而電渣熱封頂?shù)墓δ苁翘畛湟蚴湛s產(chǎn)生的縮孔，以及減少因選擇結(jié)晶產(chǎn)生的凝固偏析。馬治內(nèi)爾(P.Machner)［11］指出：電渣重熔避免了產(chǎn)生晶雨(錠底負(fù)偏析)，這是熔池溫度總是保持凝固點以上溫度，使推進(jìn)的凝固前沿處于未凝固狀態(tài).米契爾(A.Mitchell)［12］研究結(jié)果提出澆注后凝固速度隨時間變化，電渣熱封頂填充速度應(yīng)同步，維持金屬循環(huán)，保持溫度梯度，輸入比功率為0.8 kWh/kg.奧地利的VEW(Vereiningte Edeleltahlwer)電渣熱封頂采用水冷保溫帽。意大利采用耐火材料做 保溫帽，即TREST(Terni refractory electroslag topping process)［13］，烏克蘭冶金工作者用石墨襯，并用耐火水泥粘結(jié)縫。采用水冷保溫帽雖熱損失稍高，但免除了耐火材料消耗。制造大錠有3種方法：電渣重熔ESR、電渣中心填充MHKW、電渣熱封頂ESHT；其成本比是8∶3∶2。可見鑄錠越大，電渣熱封頂經(jīng)濟(jì)上的潛在優(yōu)勢愈大。
4.4 真空電渣重熔Vacuum ［14］
德國Hanau城Leybold公司在90年代，綜合了真空電弧重熔及ESR的優(yōu)點 對超級合金，真空電弧重熔純凈度高，氣體含量極低，成分可精確控制，凝固件較好，鑄錠致密；由于無渣精煉脫硫不利，易形成白點及產(chǎn)生年輪狀偏析，合金易氧化元素重熔燒損大。Leybold公司建立了1臺真空電渣重熔爐，錠徑250mm，錠重360kg。重熔718合金，重熔用CaO-Al2O3系的無氟渣
4.5 高壓電渣重熔
奧氏體鋼中溶解氮可形成過飽和固溶體，提高屈服強度、低溫強度和蠕變強度。鐵素體鋼加氮形成細(xì)小彌散的氮化物，細(xì)化晶粒，提高沖擊韌性。冶煉含氮鋼關(guān)鍵是保證過飽和的氮溶解入鋼中，防止凝固過程析出。為此1980年德國建立了第1臺高壓電渣爐，熔煉室氮壓力高達(dá)4.2 MPa，生產(chǎn)鑄錠直徑1 m重16 t［15］。
5 結(jié)論
(1) 電渣冶金的產(chǎn)品組織致密、成分均勻、表面光潔、使用性能優(yōu)異以及具有生產(chǎn)靈活、工藝穩(wěn)定、過程可控、經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)點，是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)合金鋼及超級合金的主要手段之一，成為精細(xì)冶金的重要分支。
(2) 目前電渣冶金處于醞釀新突破的階段，真空電渣重熔、高壓電渣重熔及電渣熱封頂是技術(shù)的突破點。
(3) 可推斷電渣冶金在制備大型毛坯、超級合金、優(yōu)質(zhì)工模具鋼、雙相不銹鋼及含N超高強度鋼仍處于壟斷地位。
(4) 電渣冶金發(fā)展的重要前途是電渣技術(shù)走出單一結(jié)晶器并與鋼鐵冶金流程相結(jié)合成在線工序，成為冶煉、精煉及連鑄的一個環(huán)節(jié)。
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