電渣冶金工藝特點及應用
摘 要 電渣技術經過50年的發展，如今已經形成電渣冶金新學科。其技術經濟上的優越性促成電渣冶金的迅速發展。現代工業生產對材料要求的不斷提高使得電渣冶金工藝在未來有其重要的價值和發展前景。
關鍵詞 電渣冶金 工藝特點 應用
The features and applications of
electroslag metallurgy process
Wang Yang, Gao Guo Cai
Abstract: Electroslag technology has formed the electroslag metallurgy subject during the development of fifty years. The superiority of economy promoted the fast development of the electroslag metallurgy. The electroslag metallurgy has important value and development prospect to cope with the strict requirement of modern industrial production on materials in the future.
Keywords:Electroslag metallurgy Technological feature Application
電渣冶金是金屬及其合金的一種特殊熔煉方法。它是一種利用強電流通過渣池區域所產生的焦耳熱將固態渣熔化成液態熔渣，自耗電極（或液態金屬）在高溫液態渣池中逐漸熔化和精煉的方法。
電渣冶金包括：電渣重熔、電渣熔鑄、電渣轉注、電渣澆注、電渣離心澆鑄、電渣熱封頂、電渣焊接、電渣復合、電渣直接還原、及新近開發的可控氣氛電渣冶金等。
電渣冶金誕生二十世紀四十年代末，在烏克蘭巴頓電焊研究院工作人員發現，當電流通過熔渣（渣池）時產生的熱量使焊絲（金屬電極）熔化，可將零件的兩邊焊接起來，由此電渣法形成。標志著電渣法在冶金工業中進一步發展及電渣重熔工藝誕生的事件是1952年烏克蘭巴頓電焊研究院在世界上第一次熔煉出具有優良特性的小型奧氏體電渣鋼錠。1958年第一臺工業電渣爐在扎布羅什扎的德聶波爾鋼廠投入運行，標志著電渣重熔特種冶金誕生[1,2]。
1.冶金工藝特點
電渣重熔冶金的特點是熔鑄始終在液態渣層下進行，不與大氣接觸；液態金屬在銅制水冷結晶器中凝固，不與耐火材料接觸；冶金反應溫度高；金屬液與熔渣接觸充分；渣池攪拌強烈；金屬液與熔渣界面由于毛細效應而發生振蕩及順序結晶。
1.1.渣池溫度高
一般渣池表面層溫度可達到1700℃，而電極下端至金屬熔池中心區域溫度最高，由此可知電渣渣池的溫度要更高。電渣重熔常用渣系CaF2+Al2O3的熔點為1300℃左右，一般鋼的熔點在1400℃至1500℃之間。較高的渣過熱度和鋼液的過熱度可以促進一系列物理化學反應的進行，有利于非金屬夾雜的去除和脫硫。
表1 不同鋼種熔點及重熔渣池溫度[3]
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鋼號
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鋼的熔點
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渣池溫度
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45
GCr15SiMn
GCr15
12Cr2Ni4A
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1495℃
1450℃
1455℃
1499℃
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1760℃
1725℃
1750℃
1760℃
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鋼號
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鋼的熔點
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渣池溫度
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1Cr13
1Cr18Ni9Ti
1Cr18Ni22W2Ti2
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1503℃
1452℃
1374℃
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1775℃
1850℃
1860℃
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1.2.金屬液與熔渣接觸充分
電渣重熔過程液態金屬和熔渣充分接觸發生在三個階段：
(1)第一階段自耗電極熔化端面上所形成的液體金屬膜與熔渣接觸過程。
自耗電極端頭，在熔渣內受熔渣的電阻熱，沿表面逐層熔化，熔化金屬沿錐頭形成薄膜，金屬細流沿錐面滑移，在端頭匯聚成滴。金屬流內可能產生湍流，不斷更新表面。
(2)第二階段為熔滴中金屬的精煉。
此段過程中電極端頭金屬液在重力和電磁引縮效應作用下，脫離電極滴落，穿過液態渣池，落入到金屬熔池。滴內金屬可能產生環流。
(3)第三階段為金屬在金屬熔池中的精煉。
金屬熔池上表面始終在渣層下和熔渣長時間相接觸。
表2 電渣重熔各階段鋼液與熔渣接觸條件比較
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鋼渣界面積
(mm2)
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熔滴、金屬熔池質量
(g)
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比面積
(mm2/g)
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作用時間
(s)
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比面積時間
(mm2*s/g)
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電極末端
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14820
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4.9
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3218
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0.125
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410.2
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熔滴
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230.1
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4.9
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47.9
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0.088
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4.26
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金屬熔池
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4520
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28200
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0.16
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991
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159
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注：電極直徑Ф100mm，結晶器直徑Ф280mm，電流I＝4500A，電壓V＝55V，渣系AHФ-6渣，鋼種GCr15。
由表2可見，電渣重熔第一階段電極端部熔化的液態金屬與熔渣有效接觸面積非常大，并且金屬液膜很薄，傳質路程很短，所以對鋼渣的精煉反應非常有利，是電渣金屬的重要精煉階段。電渣重熔第二階段雖然比面積也很顯著，但由于熔滴與熔渣接觸時間不長，該階段對金屬的精煉效果不顯著。電渣重熔第三階段盡管鋼渣的比面積很小，而金屬液與熔渣一直保持接觸狀態，精煉時間長，彌補了其比面積小的不足。
1.3.渣池攪拌強烈
在電渣重熔過程中渣池被強烈攪拌，引起攪拌的原因是：
（1）電動力的作用
電極端頭呈錐狀，由于導電截面的變化，產生軸向電動力。
（2）電磁引縮效應力
電流通過渣池，產生自感磁場，電流通過磁場，產生向心方向的電磁力。
（3）重力作用
金屬熔滴受重力作用，在渣池中滴落，由于熔滴和熔渣之間存在附著力、摩擦力，必然帶動渣池運動。
（4）渣的對流
由于渣池的不同部位溫度不同，造成不同的比重，熔渣溫度越高則其比重越輕，因此比重較小的渣浮升，比重較大的渣就下沉，從而促使渣池產生對流。
（5）氣體逸出和膨脹的推力
在電渣重熔過程中，當鋼中的氣體由金屬熔池進入渣池逸出時，通常認為有一沸騰過程。這一過程必然促使渣池膨脹而產生推力，加劇渣池的攪拌。
1.4.電毛細振蕩
當交流電通過液態金屬與液態熔渣分界面時，金屬－熔渣界面發生強烈振蕩，稱為電毛細效應。這是由于交流電通過液體界面，引起極性交變，隨著兩個相界面上電位差的變化，相界面張力發生劇烈變化。
界面張力隨時間成周期性變化，變化頻率與交流電頻率相關。用頻率為50Hz交流電時，當熔渣作為陽極時相間張力增加，這時金屬－熔渣界面呈凸起彎月形，經過0.01秒，當渣成為陰極時相界面變成下凹彎月形。因此相界張力不斷交替增加或減少激起相界面劇烈振蕩。
對于直流電電渣重熔，一定組成的熔渣、金屬液，界面張力保持一定值，不發生電毛細效應。
由于交流電周期性變化，引起電極熔化末端液態金屬層與熔渣之間、金屬熔滴與熔渣之間以及金屬熔池與渣池之間等渣金交界處的界面張力也周期性變化，促使界面周期性振蕩，加強了傳質過程、擴大了界面反應面積，強化了金－渣反應，促使熔渣吸收或溶解鋼中夾雜物，促使氣體向渣中轉移[4]。
表3 不同電源電渣重熔的脫硫效果
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交流電源
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直流正接電源
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直流反接電源
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原始電極[S]含量
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0.032％
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0.032％
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0.032％
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鑄錠[S]含量
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0.006％
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0.034％
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0.015％
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注：電極為45＃鋼，渣系為CaF2 80%+CaO 20％。
1.5.液渣保護及在渣殼中成型
由于不存在耐火材料的侵蝕問題，杜絕了由此帶入外來夾雜的可能性，同時金屬熔池上方始終有熱渣保護，能使鋼液不與大氣直接接觸，減輕了二次氧化和避免了一般鑄錠常見的縮孔、疏松、翻皮等缺陷。隨著電渣錠生長，熔池和渣池不斷上升，上升的渣池在水冷結晶器的內壁上形成一層均勻的光滑渣層，鋼液在液態熔渣覆蓋和渣殼包覆中凝固，渣皮對鋼錠的表面性質和結晶器－鋼錠間的潤滑性起著重要作用，因此鋼錠表面非常光潔。
1.6.金屬液順序凝固
由于金屬熔池同時受到上部渣池和熔滴的加熱和水冷結晶器的向下水平方向的散熱的雙重作用，結晶過程基本上是由下向上呈人字形或垂直生長，結晶方向由熱源的移動速度即熔池的結晶速度和熔池的形狀而定，因而又為電力制度所控制。由下向上的結晶有利于排出金屬液中的氣體和鋼液中的夾雜物。
2.電渣冶金應用
電渣冶金具有以下優越性：
(1)性能的優越性：電渣產品金屬純凈，組織致密，成分均勻，表面光潔。產品使用性能優異。如GCr15電渣鋼制成軸承壽命是電爐鋼軸承的3.35倍。
(2)生產的靈活性：電渣冶金不僅可生產圓錠、方錠、扁錠，而且能生產圓管、橢圓管、偏心管、方形管及異形鑄件，實現毛坯精化。所熔鑄的異形鑄件從幾克重的金屬假牙到150t的水泥回轉窯爐圈。
(3)工藝的穩定性：質量與性能的再現性高。可將電爐母爐號為一批抽檢。
(4)經濟上的合理性：設備簡單、操作方便、生產費用低于真空電弧重熔，金屬成材率高，對超級合金、高合金及大鋼錠而言，提高成材率，其效益足以抵消生產成本。
(5)過程的可控性：過程控制參量較少，目標參量易達到，便于自動化。對產品微量化學成分、夾雜物的形態及性質、晶粒尺寸、結晶方向、顯微偏析、碳化物顆粒度及結構等都能予以控制。
這些優點促使電渣冶金這一技術迅速推廣開來。工具鋼、結構鋼、低合金鋼和中合金鋼、高強度鋼、高合金不銹鋼和耐熱鋼，鐵、鎳和鎳鈷基合金，銅及其合金，電工鋼及合金，基于金屬間化合物的高活性鋼和合金都能進行電渣熔煉。
電渣法在特種冶金領域的進一步發展產生了電渣熔鑄。在許多情況下，電渣熔鑄可取代金屬的液態模鍛，并可得到具有最佳形狀和高質量的鍛件。此外，要求電渣熔鑄要達到金屬質量，如無缺陷、高的物理和機械性能、高純度（有害雜質和非金屬夾雜物低）等都能在電渣熔鑄中達到。電渣熔鑄的特點是有價合金元素的收得率高和完全消除了試生產階段的報廢。
在重型機器制造業中，電渣熔鑄用來生產冷壓和熱壓模的鋼坯、大型鋼包的耳軸和耳軸承板、冷熱軋輥、軋輥輥套、回轉爐、曲軸、冶金工具，也用來生產鑄焊高壓氣缸，尤其是用電渣熔煉法將支管直接熔接在容器鑄件上。用電渣熔煉法技術可使熔焊的支管與容器表面之間達到光滑過渡。用電渣熔煉焊接的支管表面既光滑又清潔，無須另外進行機械處理。
電渣重熔的產品涉及到原子能、宇航、船舶、電力、石油化工以及重型機械等工業部門。異型件有各種各樣的形狀和尺寸，其最大重量達幾百噸，最小的只有幾十克。如巨型發電機轉子軸、船舶柴油機大型曲軸、各種高壓容器、大型圓環件、各種類型的軋輥、動力管道的閥體、三通管、透平渦輪盤、厚壁中空管、核電站壓水堆的主回路管道（直管、彎管）、石油裂化爐管（圓、橢圓及U型管）、齒輪毛坯、各種模具（包括沖壓模具）和幾十克的假牙。
電渣冶金也存在著局限性，如熔煉和凝固速度偏低、自耗電極氧化、熔渣吸氣以及活潑金屬的氧化等。如何發揮電渣冶金技術的優越性，改善和消除其局限性，一直是電渣冶金技術發展的主要課題。最近電渣冶金技術又有了新的突破，相繼開發了導電結晶器、快速電渣重熔、潔凈金屬噴射成形及可控氣氛電渣冶金等技術[5]。這些技術的出現，使電渣冶金再一次顯示出了強大的生命力以及寬廣的應用前景。
3.結語
在爐外精煉技術飛速發展的今天，電渣冶金在許多方面仍具有較大的競爭力，如電渣重熔中型及大型鍛件、電渣重熔空心錠和電渣熔鑄異形鑄件均占有重要地位。特別是在優質工模具鋼、不銹鋼及其它特殊鋼生產領域，電渣冶金占有絕對優勢。此外，電渣冶金在有色金屬的冶煉方面也將得到越來越多的應用[6]。
現代工業生產需要的優質合金鋼及特種合金數量日益增多，對金屬材料質量和性能要求不斷提高，毛坯的重量和體積不斷增加，從而為電渣冶金提供了廣闊的發展空間，新技術的不斷出現也將推動電渣冶金的應用越來越廣泛。
參考文獻
1 B.E.Paton, B.I.Medovar, V.E.Paton. New Method of Electric Casting of Ingots. Bulletin of Technical Information, 1956, issue 1: 3~9.
2. B.E.Paton, B.I.Medovar, Yu.V.Latash. Electroslag Remelting of Steels and Alloys in Copper Water-cooled Mould. Avtomaticheskaya Svarka. 1958(11):5~15.
3. 李正邦. 電渣冶金原理及應用，北京：冶金工業出版社，1996.
4. 張家雯, 郭培民, 李正邦. 電渣重熔體系電毛細振蕩的研究. 鋼鐵, 2000, (5):23~25.
5. 陳希春, 馮滌, 傅杰, 周德光. 電渣冶金的最新進展. 鋼鐵研究學報, 2003,(2):62~67.
6. 李正邦. 21世紀電渣冶金的新進展. 特殊鋼, 2004, (9): 1~5.
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