電渣重熔新技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
電渣冶金是目前生產(chǎn)高品質(zhì)材料的重要方法，經(jīng)過電渣重熔的鋼，純度高、含硫量低、非金屬夾雜物少、鋼錠表面光滑、結(jié)晶均勻致密、金相組織和化學(xué)成分均勻，廣泛應(yīng)用于航天航空、軍工、能源﹑船舶、電子、石化、重型機(jī)械和交通等許多國民經(jīng)濟(jì)的重要領(lǐng)域。 電渣重熔是由于電極熔化，金屬液滴形成和滴落均在一個較純凈的環(huán)境中實現(xiàn)，該過程中熔池內(nèi)的金屬和爐渣之間會發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，具有良好的冶金反應(yīng)熱力學(xué)和動力學(xué)條件，是制備高端特殊鋼和特種合金的終端冶煉工藝 。
電渣重熔具備以下基本特點：（１）具有較為純凈的重熔環(huán)境，液態(tài)渣層使得整個重熔過程都與大氣隔絕，減少了大氣對鋼液的污染；（２）良好的冶金反應(yīng)條件，電渣重熔渣池溫度較一般煉鋼工藝溫度要高，這為凈化鋼液的各類物理化學(xué)反應(yīng)提供了十分優(yōu)異的熱力學(xué)條件；（３）提供了由下而上定向凝固的冷卻條件，電極逐漸熔化而形成的金屬熔池受到結(jié)晶器的冷卻作用，由下而上逐層凝固，并推動金屬熔池和熔渣向上移動。 當(dāng)鋼錠凝固收縮時，凝固鋼錠上方的金屬熔池可以及時補(bǔ)充鋼液，從而有效地避免了疏松和縮孔等鑄造缺陷的產(chǎn)生；（４）受結(jié)晶器側(cè)壁的強(qiáng)制水冷作用，熔渣在結(jié)晶器壁上凝固形成了一層渣殼，隨著鋼錠凝固推動金屬熔池和渣池向上移動，則金屬熔池上升過程中會重新熔化一部分已經(jīng)凝固的渣皮，使渣皮薄而均勻，從而保證了重熔鋼錠良好的表面質(zhì)量 。
１９３５ 年，美國的 Ｈｏｐｋｉｎｓ 進(jìn)行了渣中自耗電極熔化試驗，并于 １９４０ 年獲得電渣熔煉專利 ，隨后被 Ｋｅｌｌｏｇｇ 公司采用用于生產(chǎn)高速鋼及高溫合金，１９５８ 年首臺工業(yè)電渣爐在烏克蘭誕生 。 傳統(tǒng)電渣重熔工藝僅使用一根電極，通常會由于生產(chǎn)大型電渣鑄錠而受到限制 。 而采用三相分布電極供電的電渣爐不僅可以降低電渣重熔系統(tǒng)的無功功率，而且可以提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量 ，這是因為三電極電渣重熔的溫度分布比傳統(tǒng)電渣重熔的溫度分布均勻得多。 如上所述，電極在渣池中被產(chǎn)生的焦耳熱熔化，此外，當(dāng)電流通過熔融爐渣時，熔池中的流場和傳熱行為也會受到電磁力的影響 。 采用導(dǎo)電結(jié)晶器技術(shù)的電渣爐允許電流流過結(jié)晶器 ，由于淺平的金屬熔池的存在，從而帶來了良好的鑄錠表面質(zhì)量，并減少了鑄錠的元素偏析 。 因此，導(dǎo)電結(jié)晶器已被廣泛應(yīng)用于新的電渣冶金技術(shù)中，如液態(tài)電渣澆鑄（ＥＳ?ＣＬＭ）和快速電渣重熔（ＥＳＲＲ）技術(shù)等 。
傳統(tǒng)電渣重熔技術(shù)還存在其他缺點，例如，生產(chǎn)成本增加（必須準(zhǔn)備電極）、不能連續(xù)操作（需要更換電極）以及電極熔化速率受到限制。 配備有導(dǎo)電結(jié)晶器的 ＥＳＣＬＭ 技術(shù)可以較好地解決上述問題。 ＥＳＣＬＭ 的基本原理為首先將液態(tài)金屬儲存在保溫澆注設(shè)備中，然后將熔融鋼液澆注流過熔渣，最后在結(jié)晶器中凝固成鑄錠。 Ｐｏｌｉｓｈｋｏ 等 試圖比較傳統(tǒng)電渣重熔和液態(tài)電渣澆鑄不同工藝下電渣錠的純凈度，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的電渣重熔工藝相比，經(jīng) ＥＳＣＬＭ 重熔后的鑄錠顯示出較低的殘余硫含量和較小的非金屬夾雜物尺寸。
２０１３ 年，中國東北大學(xué)的 Ｄｏｎｇ 等 在 Ｍｅｄｏｖａｒ Ｇｒｏｕｐ 先前開發(fā)的技術(shù)的基礎(chǔ)上用導(dǎo)電環(huán)代替導(dǎo)電結(jié)晶器，設(shè)計了一種類似但不同的 ＥＳＣＬＭ 技術(shù)。 然后，他們發(fā)現(xiàn)電流密度、電磁力和焦耳熱分布聚集在爐渣池的上部區(qū)域，并且通過抽錠操作提高了生產(chǎn)效率。
根據(jù)電渣重熔的實際工業(yè)生產(chǎn)情況，通常將熔速設(shè)置為電極直徑的 ０．６ 到 １．０ 倍（舉例說明：電渣重熔過程中熔速一般為結(jié)晶器直徑的 ０．６～０．８ 倍，直徑的單位取 ｍｍ，如果冶煉直徑為 ７００ ｍｍ 的圓形電渣錠，平均熔速一般應(yīng)控制在 ４９０～５６０ ｋｇ／ ｈ） 。 因此，生產(chǎn)小鑄錠是不經(jīng)濟(jì)的，特別是當(dāng)鑄錠的直徑小于 ４００ ｍｍ 時生產(chǎn)效率較低。 ＩＮＴＥＣＯ 公司通過開發(fā)快速電渣重熔工藝（ＥＳＲＲ）技術(shù)提出了一種非常好的解決方案，以解決此類問題。 ＥＳＲＲ 的熔速比常規(guī)電渣重熔的熔速高 ３～４ 倍，ＥＳＲＲ 的核心裝備是 Ｔ 形結(jié)晶器。 此外，電渣連鑄（ＥＳＣＣ）技術(shù)己將傳統(tǒng)的電渣重熔工藝和連鑄技術(shù)相結(jié)合并且實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。 通過 ＥＳＲＲ 和 ＥＳＣＣ 工藝重熔的鑄錠可以直接成為可軋制的產(chǎn)品，無需進(jìn)行任何額外的鍛造操作，從而降低了產(chǎn)品成本并縮短了生產(chǎn)周期。 Ｌｉ 等 和 Ｆｕ等 將連續(xù)定向凝固技術(shù)引入電渣重熔（ＥＳＲ?ＣＤＳ）中，該措施是通過減少熔融金屬池的徑向傳熱進(jìn)一步減少 ＥＳＣＣ 工藝鑄錠的徑向結(jié)晶。 Ｑｉ 等發(fā)現(xiàn) ＥＳＲ?ＣＤＳ 鑄錠具有較小的枝晶間距，且柱狀晶粒的生長方向幾乎平行于鑄錠的軸線。
Ｄｏｎｇ 等 發(fā)現(xiàn)，ＥＳＲ?ＳＴＣＣＭ 金屬熔池變淺，這有利于提高鑄錠的凝固質(zhì)量。 彭龍生研究發(fā)現(xiàn)，將熔煉后的若干鑄件串聯(lián)焊接成一體形成自耗電級，并采用特殊的工藝（如對脫落的金屬熔滴進(jìn)行熔融時，將未熔融的自耗電級暫停 １０ ～２０ ｓ后再使其下降，并將下降速度提高１0％ ～ 20％）進(jìn)行處理，可顯著節(jié)省能源和原材料，提高生產(chǎn)速率，縮短生產(chǎn)時間，得到純度更高的鑄錠。
雖然我國電渣重熔技術(shù)的誕生和發(fā)展幾乎與國外同步，但在 ２０ 世紀(jì)末有長達(dá) ２０ 多年的時間里幾乎停滯不前，導(dǎo)致進(jìn)入 ２１ 世紀(jì)時我國電渣重熔工藝、裝備及產(chǎn)品質(zhì)量均明顯落后于西方發(fā)達(dá)國家。 傳統(tǒng)電渣重熔技術(shù)耗能高、氟污染重、生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，無法滿足高端裝備的材料需求。 隨著人們對能源利用率和環(huán)保要求的提高，裝備大型化、高效化成為發(fā)展方向，從而對高端裝備的關(guān)鍵材料提出更高要求 。 歷經(jīng) ５０ 多年的不斷發(fā)展，電渣重熔技術(shù)已經(jīng)成為生產(chǎn)電力、石化、軍工等高端關(guān)鍵材料的重要方法。 本文主要介紹近年來電渣重熔新技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。
１ 電渣重熔新技術(shù)的研究現(xiàn)狀
１．１ 快速電渣重熔技術(shù)
快速電渣重熔技術(shù)是在早年 Ｔ 型結(jié)晶器多流電渣重熔技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，奧地利 ＩＮＴＥＣＯ 公司在 ２０ 世紀(jì)９０ 年代末開發(fā)了這一技術(shù)。 該技術(shù)采用 Ｔ 型結(jié)晶器重熔大斷面電極，在結(jié)晶器壁上嵌入導(dǎo)電元件，使電源電流通過自耗電極?渣池?導(dǎo)電元件，返回變壓器，如此改變了結(jié)晶器內(nèi)的熱分配。 傳統(tǒng)的電渣重熔（ＥＳＲ）工藝可良好地控制鑄錠凝固，因此能夠生產(chǎn)具有均勻組織和無宏觀缺陷的特殊鋼和超合金鑄錠。 然而，ＥＳＲ 熔化率相當(dāng)?shù)?，因此對于小尺寸的錠是不經(jīng)濟(jì)的。 在標(biāo)準(zhǔn) ＥＳＲ 操作中，電渣重熔的熔化速率通常采用熔化速率（ｋｇ／ ｈ）與錠直徑（ｍｍ）之間的比率不超過或僅略微超過 １．０ 的方式進(jìn)行調(diào)整。 對于易偏析的合金，如工具鋼和高溫合金，該比例低至 0.65～0.75，這導(dǎo)致小直徑鋼錠和鋼坯的熔化速率相對較低。 因此，對于直徑低于 ３００～４００ ｍｍ 鋼錠，盡管其晶粒尺寸更小、更有利于軋制，但低的熔化速率產(chǎn)生的高生產(chǎn)成本導(dǎo)致采用 ＥＳＲ 方式生產(chǎn)非常受限。 但這一限制可通過采用電渣快速重熔技術(shù)克服，其熔體速率和直徑比達(dá)到 ３～１０，可用于生產(chǎn)直徑為 １００～３００ ｍｍ 的鋼坯 。
通過在 Ｔ 形結(jié)晶器中重熔較大尺寸的電極，可以實現(xiàn) 300～1000 ｋｇ／ ｈ的熔化速率（Ｔ 形結(jié)晶器示意圖見圖 １）。 快速電渣重熔技術(shù)（ＥＳＲＲ）的目的是提高常規(guī) ＥＳＲ 工藝涉及的熔化速率，以較為經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)成本生產(chǎn)特殊鋼和超級合金，同時避免了連續(xù)鑄造過程中不均勻的熔池形狀和出現(xiàn)凝固缺陷及表面質(zhì)量差等缺陷。
ＥＳＲＲ 設(shè)備示意圖如圖 ２ 所示，該設(shè)備采用大于重熔坯料尺寸的電極，以**限度提高熔化速率。 理想情況下，電極的橫截面應(yīng)至少為坯料橫截面的 １．５ 倍，**狀況下電極的橫截面則為坯料橫截面的 ２～３ 倍。 水冷結(jié)晶器的橫截面為 Ｔ 形，其下部較窄的部分由將要生產(chǎn)的鋼坯的截面決定，可以是圓形、方形或六角形，而上部則由自耗電極的**截面決定。 ＥＳＲＲ 的自耗電極與傳統(tǒng)的 ＥＳＲ 工藝一樣，當(dāng)電流從電極尖端進(jìn)入渣池時，自耗電極會在過熱的液態(tài)渣池中熔化。 ７０％～９０％的電流通過模具壁中非冷卻導(dǎo)電元件（通常是石墨或高熔點金屬，如鎢或鉬）返回，或 １０％～３０％通過重熔錠返回。 兩個返回位置之間的電流分配與各自的電阻成反比，這意味著通過鋼坯的電流部分將隨著鋼坯橫截面的減小以及電極尖端與液態(tài)金屬池之間距離的增加而減小。 隨著電極表面和接觸元件之間的距離減小，通過接觸元件的電流部分增加。 這在熔化速率增加的情況下特別重要，因為大部分所需的能量輸入是在電極和模具壁之間的渣表面產(chǎn)生的，液態(tài)金屬液面須保持在 Ｔ 形延伸部分以下，以防止結(jié)晶器上部區(qū)域的金屬凝固。
ＥＳＲＲ 流程的主要特點和基本特征可以總結(jié)為：（１）大尺寸電極；（２）近網(wǎng)狀小鋼錠；（３）與傳統(tǒng)的ＥＳＲ 工藝相比，熔體速率增加時，金屬熔池的形狀幾乎不受功率輸入水平的影響；（４）連續(xù)操作時產(chǎn)率高。 圖 ３ 為邢臺鋼鐵公司 ＥＳＲ ＆ ＥＳＲＲ ® 設(shè)備的實景圖，其技術(shù)特征在于：一個爐頭，電極交換，保護(hù)氣體罩。
２００３ 年，東北大學(xué)電渣項目組實驗室開發(fā)出雙極串聯(lián)、Ｔ型結(jié)晶器快速抽錠電渣重熔技術(shù)，分別生產(chǎn)出斷面為 ９０ ｍｍ×９０ ｍｍ 的方錠和 Φ１００ ｍｍ 的圓錠，并對影響重熔方坯質(zhì)量的低倍、高倍、夾雜物進(jìn)行檢驗。 結(jié)果表明，該技術(shù)生產(chǎn)的方坯表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量良好。 在此技術(shù)的基礎(chǔ)上，先后采用結(jié)晶器導(dǎo)電或雙極串聯(lián)供電、Ｔ型結(jié)晶器抽錠電渣重熔技術(shù)，為國內(nèi)多家特鋼企業(yè)生產(chǎn)出不同尺寸和錠型的電渣產(chǎn)品。 斷面尺寸有２８０ｍｍ×３２４ｍｍ、３４０ ｍｍ× ３４０ ｍｍ 的方坯，有 Φ２００ ｍｍ、Φ３００ ｍｍ、Φ４００ ｍｍ、Φ６００ ｍｍ、Φ８００ ｍｍ、Φ９００ ｍｍ、Φ１ ０００ ｍｍ和 Φ１ １００ ｍｍ 等各種規(guī)格的圓坯，鑄坯長度為４ ０００～６ ０００ ｍｍ。
１．２ 保護(hù)氣氛電渣重熔技術(shù)
早期電渣重熔都是在大氣環(huán)境下進(jìn)行熔煉的，生產(chǎn)成本低、操作方便，但是電渣鋼中容易出現(xiàn) Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉ 等易氧化元素?zé)龘p和增氫等問題 。 為此，德國、美國、奧地利、中國等相繼開發(fā)出惰性氣氛保護(hù)電渣爐，整個重熔過程在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行，主要目的是防止重熔過程鋼中的活潑金屬元素氧化。１９９７ 年，**座基于奧地利專利 ＡＴ４０６．４５７ 的ＩＮＴＥＣＯ 保護(hù)氣氛 ＥＳＲ 工廠在維琴察瓦爾布魯納鋼鐵廠啟動，如圖４ 所示。
其中包括可伸縮底板和電極更換，并確保了在 １００％保護(hù)氣氛下操作，重熔過程中的自耗電極保持在密閉的保護(hù)氣罩下。 這是 ＥＳＲ 的一個里程碑，也是保護(hù)氣氛ＥＳＲ 技術(shù)的真正起點。 與早期傳統(tǒng)電渣爐相比，新開發(fā)的保護(hù)氣氛電渣重熔裝置應(yīng)用了全密閉氣氛保護(hù)、全自動一鍵式自動化控制、稱重恒熔速控制、同軸導(dǎo)電、框架式機(jī)械結(jié)構(gòu)、氧含量在線監(jiān)測等一系列技術(shù)改進(jìn)升級 。 ２００９ 年開始，國內(nèi)全自主設(shè)計的全密閉框架式稱重恒熔速保護(hù)氣氛電渣爐（圖 ５）在上海、常州等地投產(chǎn)后，新一代氣氛保護(hù)電渣爐設(shè)備和工藝在各企業(yè)大批量推廣應(yīng)用。
１．３ 導(dǎo)電結(jié)晶器技術(shù)
傳統(tǒng)的電渣重熔由電源、電極、渣池、鋼錠和底水箱構(gòu)成供電回路，發(fā)熱區(qū)主要集中在電極和渣金界面之間。 由于受傳統(tǒng)電渣重熔導(dǎo)電回路方式的限制，只能采用一次重熔?一個鋼錠的間歇式生產(chǎn)方式，這樣不僅生產(chǎn)效率低，而且鋼錠在后步鍛造或初軋開坯過程中鋼錠頭尾去除量較大，鋼的成材率很低 ，因而生產(chǎn)成本也較高。 導(dǎo)電結(jié)晶器技術(shù)與傳統(tǒng)電渣重熔技術(shù)不同，可以有多種方式讓電流經(jīng)過渣池，特殊的電流路徑能夠增強(qiáng)控制渣池和金屬熔池之間熱分配的能力，通過調(diào)節(jié)兩個回路的功率分配，可以調(diào)節(jié)結(jié)晶器壁附近渣池和金屬熔池的溫度分布，有利于控制成淺平的金屬熔池和增加熔池的圓柱段高度，從而可以在大幅度降低熔化速度的情況下保證鑄錠的表面質(zhì)量。 同時，由于熔池變淺，結(jié)晶趨于軸向，凝固偏析問題得到改善，鑄錠內(nèi)部質(zhì)量提高，從而有效解決了內(nèi)部質(zhì)量和表面質(zhì)量相互矛盾的問題 。 ２０１２年，東北大學(xué)特殊鋼冶金研究所為國內(nèi)某鋼廠開發(fā)了 ２５ｔ空心坯抽錠式電渣爐，該爐型的主要特征是采用雙電源供電、Ｔ型導(dǎo)電結(jié)晶器，可以有效地控制渣池和熔池溫度分布，生產(chǎn)出 Φ９００ ｍｍ／ Φ５００ ｍｍ 和 Φ６５０ ｍｍ／ Φ４５０ ｍｍ 斷面的空心電渣錠，**抽錠長度為 ６ ０００ ｍｍ。
在作為二次精煉技術(shù)的電渣重熔（ＥＳＲ）工藝中，熔渣和熔融金屬自始至終都處于湍流運(yùn)動狀態(tài)。 渣相中的電磁場、磁驅(qū)動流體流動、浮力驅(qū)動流動和傳熱會影響電極重熔過程和生產(chǎn)過程的能量效率。 另一方面，熔渣池的流動決定了電渣錠中的溫度分布和熔池分布，最終影響電渣錠的質(zhì)量。 導(dǎo)電結(jié)晶器是最近開發(fā)的用于擴(kuò)展 ＥＳＲ 功能的裝置，例如電渣快速重熔（ＥＳＲＲ）或電渣重熔連鑄（ＥＳＣＣ）以快速重熔生產(chǎn)長鋼坯，液態(tài)金屬電渣堆焊（ＥＳＳ ＬＭ）和液態(tài)金屬電渣重熔（ＥＳＲ ＬＭ）用于制造雙金屬坯料和實心或空心鋼錠 。使用導(dǎo)電結(jié)晶器的 ＥＳＲ 工藝示意圖如圖 ６ 所示。 熔化電極所需的能量是由爐渣的焦耳熱提供的，爐渣的電阻率比熔融金屬的電阻率高三個數(shù)量級。 渣池中的電流分布由導(dǎo)電結(jié)晶器控制。 隨著爐渣溫度升高至相關(guān)鋼的熔點以上，電極在其尖端熔化并形成液滴，隨后液滴通過熔融爐渣落入結(jié)晶器中。 通過強(qiáng)制冷卻，鋼水在結(jié)晶器中凝固成鋼坯。 然后不斷地從結(jié)晶器中將重熔的鋼坯拉出。 傳統(tǒng)連鑄中使用的二次冷卻段噴涂不適用于帶有導(dǎo)電結(jié)晶器的電渣重熔，以防止重熔高合金鋼時開裂。
１．４ 加壓電渣重熔
加壓電渣重熔是一種在密閉系統(tǒng)中和高壓氣氛（通常為氮氣）下進(jìn)行的電渣重熔，該設(shè)備的裝置圖如圖７所示。
氮是一種奧氏體穩(wěn)定元素，它能夠顯著增加奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度及抗張強(qiáng)度并改善其疲勞性能。 氮在鋼中的溶解度取決于鋼液面上氮的分壓。 為了提高氮在鋼中的溶解度，需提高鋼中固溶的氮含量，就必須使鋼液面上有高的氮壓力，加壓電渣重熔就是基于此發(fā)展起來的。 加壓電渣重熔與普通電渣重熔的差別在于加壓電渣重熔渣面以上的熔煉空間是密閉的，熔煉在高壓下進(jìn)行，渣料及合金料的添加也是在密閉條件下進(jìn)行的。 德國建成了上述高壓電渣重熔爐，電渣重熔出了含 Ｍｎ １８％、Ｃｒ １２％和 Ｎ 0.8％及 Ｃ1.０５％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的奧氏體不銹鋼，只用 ２０％的冷加工量其屈服強(qiáng)度便可高于 １ ５００Ｎ／ｍｍ２ ，滿足了核電設(shè)備的要求。 此外，在高氮不銹鋼屈服強(qiáng)度大幅度提高的同時，其韌性及熱加工性能的降低幅度不大 。
加壓電渣重熔工藝（ＰＥＳＲ） 主要用于生產(chǎn)高氮合金。１９７０ 年在 Ｋａｐｆｅｎｂｅｒｇ 安裝了一個中試設(shè)備，該設(shè)備能夠在２．５ ＭＰａ的**壓力下生產(chǎn)直徑為 ４００ ｍｍ、質(zhì)量為 １ｔ 的鑄錠（圖 ８）。 １９８０ 年，奧地利 ＩＮＴＥＣＯ 公司在埃森安裝了**臺規(guī)模生產(chǎn)的 ＰＥＳＲ 設(shè)備，該爐可生產(chǎn)直徑為 １ ｍ、質(zhì)量達(dá)１４ｔ的錠子，熔煉室氮氣壓力為 ４.２ ＭＰａ。 這臺爐子建立的背景是：新一代核電站發(fā)電設(shè)備需要屈服強(qiáng)度為 １ ４２０ Ｎ／ ｍｍ 的無磁護(hù)環(huán)，而用大氣熔煉的含 Ｃ ０．５％、Ｍｎ １８％、Ｃｒ ４．５％和Ｎ ０．１％的奧氏體鋼遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。
東北大學(xué)在 ２００７ 年成功開發(fā)出**壓力為 ７ ＭＰａ的１００ ｋｇ 加壓電渣爐，并利用復(fù)合電極的加壓電渣工藝制備了氮含量為 ０．８％～１．２％且成分均勻、組織致密的高氮奧氏體不銹鋼 Ｐ９００Ｎ、Ｐ９００ＮＭｏ 和 Ｐ２０００，產(chǎn)品具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。 目前，利用加壓感應(yīng)爐和加壓電渣爐雙聯(lián)工藝成功制備出 Ｃｒｏｎｉｄｕｒ ３０ 高氮馬氏體不銹鋼，可用于制造高性能航空航天軸承、模具鋼和刀具等。 ２０１８ 年，中國首臺５００ ｋｇ 加壓電渣爐在遼寧科技大學(xué)實驗室投入建設(shè)并調(diào)試成功（圖 ９）。 此前，該項目組又聯(lián)合裝備制造企業(yè)研制了１ 臺６ ｔ 的加壓電渣爐。
１．５ 真空電渣重熔技術(shù)
真空電渣爐（ＶＥＳＲ）是近年來在國外出現(xiàn)的新一代電渣重熔設(shè)備，是在普通電渣爐（ＥＳＲ）、氣體保護(hù)電渣爐（ＩＥＳＲ）、加壓電渣爐（ＰＥＳＲ）和真空電弧爐（ＶＡＲ）基礎(chǔ)上發(fā)展出的新型重熔速凝鑄錠設(shè)備，如圖 １０ 所示。 真空電渣熔煉具有真空熔煉和電渣熔煉的雙重特點。 普通電渣爐重熔過程中存在活潑元素?zé)龘p大、有害氣體含量增加、錠頭尾成分控制困難等缺陷。 ＶＥＳＲ 的特點是其熔速比 ＥＳＲ 慢 ５５％，固化速度更快，能精控熔煉凝固全過程。 鋼錠過渡區(qū)域的柱狀晶體更少，［Ｏ］、［Ｈ］、［Ｎ］ 不增加或減少，帶狀偏析更低。 同時ＶＥＳＲ 能夠降低有害金屬含量，減少 Ｔｉ、Ａ１ 等燒損，鑄錠的表面質(zhì)量良好。 采用真空電渣重熔生產(chǎn) Ｗ 系列模具鋼，鋼的韌性、強(qiáng)度、耐磨性、抗冷熱疲勞裂紋疲勞能力、抗金屬粘著能力、抗沖蝕能力和抗氧化能力均明顯提高，其壽命高于普通電渣重熔模具鋼。 如采用 ＥＳＲ 生產(chǎn)的 ４０３ 模具鋼使用３００００ 次后就需修模，并且采用普通 ＥＳＲ 生產(chǎn)的 ４０３ 模具鋼可使電渣重熔高溫合金過程中活潑元素?zé)龘p大，成分控制困難，氣體含量通常會增加。
為滿足航空領(lǐng)域?qū)Ω邷睾辖鸬男枨?，德?ＡＬＤ 真空技術(shù)公司開發(fā)了真空電渣重熔技術(shù)。 工業(yè)性試驗結(jié)果表明，直徑為 ２５０ ｍｍ、質(zhì)量約 ３００ ｋｇ 的真空電渣重熔錠表面光滑，無任何表面缺陷，而且在有效脫硫的情況下，活潑元素（如鈦、鋁等）沒有燒損。 據(jù)報道，目前 ２０ ｔ 的真空電渣爐在國外已實現(xiàn)工業(yè)化。
１．６ 特厚板坯電渣重熔技術(shù)
目前，特厚板的生產(chǎn)主要是采用模鑄錠和電渣錠進(jìn)行鍛造或者軋制而成。 而模鑄鋼錠由于存在各種偏析及疏松缺陷，鍛造比要求較大，并且所得到的最終厚板的質(zhì)量受到很大的限制。 電渣重熔厚板坯的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在：（１）電渣錠潔凈度高、組織致密、成分均勻，在寬闊的溫度區(qū)間內(nèi)具有良好的加工塑性，可以允許更小的加工壓縮比。 （２）電渣重熔扁錠時，可以省去開坯工序，直接上厚板軋機(jī)，減少鍛壓比，節(jié)省工時。 （３）電渣重熔錠軋成的鋼板性能優(yōu)良，與普通鋼板比較，其橫向的塑性、韌性大大提高，各向異性、斷裂韌性、缺口敏感性和低周波疲勞指標(biāo)顯著改善。 （４）電渣重熔鋼板可焊性良好。 焊縫熱影響區(qū)縮小，可以省去大型焊接結(jié)構(gòu)件（如高壓容器、鍋爐、反應(yīng)堆殼體）焊接后的正火處理。（５）良好的使用性能。 電渣重熔鋼板具有良好的低溫抗冷脆性。 （６）與模鑄相比，使用電渣重熔生產(chǎn)特厚板時，由于鋼板組織致密、成分均勻、產(chǎn)品質(zhì)量好，成材率可提高 ９％ ～１８％，足以抵償全部重熔費(fèi)用；而且省去了開坯工序，實際生產(chǎn)成本反而降低 。
２００６ 年—２００９ 年東北大學(xué)為舞陽鋼廠建成了世界上最大斷面尺寸的三臺 ４０ ｔ 板坯電渣爐（圖 １１）。 該設(shè)備主要包括：低頻電源控制、雙極串聯(lián)重熔、結(jié)晶器移動式抽錠、電極稱量與熔化速度精確控制、干燥空氣保護(hù)和二次冷卻。 **錠重達(dá) ５０ ｔ，**斷面尺寸為 ９６０ ｍｍ×２ ０００ ｍｍ。 電渣爐自投產(chǎn)以來，已成功開發(fā)了厚度為 ６４０ ｍｍ、７６０ ｍｍ、９６０ ｍｍ 三種規(guī)格的 Ｐ２０、ＷＳＭ７１８Ｒ、９８０、２． ２５Ｃｒ１Ｍｏ、１６ＭｎＲ（ＨＩＣ）、２０ＭｎＮｉＭｏ 等 ２０ 多個鋼種，其主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)處于國際先進(jìn)水平。
１．７ 空心鋼錠電渣重熔技術(shù)
隨著核電、火電、水電、石化等的迅速發(fā)展，對筒形大鍛件的尺寸要求和質(zhì)量要求越來越高。 厚壁管特別是大、中口徑無縫厚壁管、特厚壁管的需求也不斷增加。 傳統(tǒng)筒形大鍛件都是采用普通實心鑄錠進(jìn)行空心鍛件的生產(chǎn)，其缺點是沖孔工序造成大量材料的浪費(fèi)；多次加熱和多工序變形容易改變鋼錠的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，影響產(chǎn)品質(zhì)量；難于加工超大型鍛件，不能保證產(chǎn)品的精度和材質(zhì)的均勻性。 用空心鋼錠生產(chǎn)大型筒體鍛件可節(jié)約材料費(fèi) １５％、加熱費(fèi) ５０％、鍛造費(fèi)３０％ 。 采用電渣重熔方法生產(chǎn)的空心鋼錠，其組織更加致密均勻，經(jīng)實驗驗證，相同外徑的空心鋼錠比實心鋼錠的二次枝晶間距更小。 經(jīng)力學(xué)性能測試，電渣重熔空心鋼錠的力學(xué)性能與傳統(tǒng)電渣實心鋼錠經(jīng)鍛造后的力學(xué)性能幾乎接近 。 ２０１２ 年由東北大學(xué)項目組和烏克蘭 Ｅｌｍｅｔ?Ｒｏｌｌ 公司合作開 發(fā) 了 大 型 電 渣 重 熔 空 心 鋼 錠 成 套 設(shè) 備 和 工 藝（圖 １２ａ）。 該電渣爐采用短結(jié)晶器的抽錠生產(chǎn)方式，**鋼錠尺寸為 Φ１ １００ ｍｍ×６ ０００ ｍｍ，可以兼容生產(chǎn)空心錠和實心錠兩種錠型 。 工業(yè)試驗表明，其生產(chǎn)的空心錠的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量均非常好。 結(jié)晶器組織致密、純凈度高，是生產(chǎn)高端厚壁管和筒體鍛件的理想材料。 該設(shè)備采用了一系列新技術(shù)和新工藝，主要包括雙電源、Ｔ 型結(jié)晶器導(dǎo)電、車載式電極升降機(jī)構(gòu)、基于電磁渦流法的液面檢測與自動控制系統(tǒng)，同時配備了抽錠拉力傳感器，這樣可以保證液面的精確控制，并保證內(nèi)結(jié)晶器不被抱死，也可防止漏渣和漏鋼事故。
由于采用了雙電源，在交換電極時結(jié)晶器仍然供電，保證了電極交換時結(jié)合處的內(nèi)部質(zhì)量和表面質(zhì)量，這是世界上首次采用該技術(shù)。 圖 １２ 為雙電源電渣重熔空心鋼錠的原理圖和空心錠結(jié)晶器 ３Ｄ 設(shè)計圖 。
１．８ 大型鋼錠電渣重熔技術(shù)
隨著裝備制造業(yè)的發(fā)展，高端特厚板鋼材品種的需求量十分巨大。 例如，高端模具鋼、鍋爐容器鋼、海洋工程用鋼、核電和水電用鋼等需要厚度大于 １５０ ｍｍ 甚至超過 ４００ ｍｍ的特厚板。 連鑄坯無法滿足厚度的需要，而且連鑄坯厚度超過 ３５０ ｍｍ 以上時很難控制其中心質(zhì)量。 模鑄扁錠雖然能夠滿足厚度的要求，但其凝固質(zhì)量差，無法滿足高質(zhì)量厚板（如ｚ 向性能）的要求 。
隨著電力、石化及冶金等領(lǐng)域裝備大型化、復(fù)雜化，對大型鑄鍛件行業(yè)提出了更高要求，１００ ｔ 以上的大型優(yōu)質(zhì)鋼錠需求量不斷增加。 大型鑄鍛件的生產(chǎn)能力主要集中在日本、韓國、中國和歐洲，采用電渣重熔技術(shù)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)大型鋼錠是發(fā)展趨勢。 進(jìn)入 ２１ 世紀(jì)以來，德國、意大利、日本和韓國等國家的企業(yè)建成的 １００ ｔ 以上的電渣爐已達(dá) １０ 多臺，**容量為 ２６０ ｔ（圖 １３）。 目前，我國有 ７ 臺 １００ ｔ 以上的電渣爐（圖 １４）。
由于大型鍛件需求的大噸位模鑄鋼錠尺寸和噸位的增加，其鑄態(tài)組織隨之惡化，縮孔、疏松、偏析、夾雜物聚集以及其它一些冶金缺陷也隨之增加，這給大鍛件的質(zhì)量造成嚴(yán)重的危害。 國內(nèi)外研究表明，采用電渣重熔工藝制造的鋼錠不但消除了疏松、縮孔、夾渣等缺陷，而且組織致密、成分均勻、各向同性，其綜合力學(xué)性能得到明顯改善和提高 。 因而，采用大型電渣爐重熔大型電渣鋼錠是理想的冶金工藝。 但由于大型鋼錠在電渣凝固過程中極其發(fā)生復(fù)雜的冶金物理化學(xué)變化，重熔大型電渣錠的工藝、經(jīng)驗、技術(shù)掌握較少，往往電渣重熔工藝的優(yōu)化靠大量的熱實驗反復(fù)修正，不但實驗難度大，實驗費(fèi)用高，周期長，而且往往只能捕捉到分散、有限的信息。
１．９ 綠色環(huán)保型電渣重熔新渣系開發(fā)
我國是鋼鐵大國，但一直面臨產(chǎn)能過剩、能耗高、污染大等一系列重大問題，處于金字塔尖的高端特殊鋼嚴(yán)重依賴進(jìn)口。 電渣重熔是生產(chǎn)高端特殊鋼的主要手段，其產(chǎn)品應(yīng)用于高端裝備制造領(lǐng)域。 傳統(tǒng)電渣重熔技術(shù)存在耗能高、氟污染重、效率低、產(chǎn)品質(zhì)量差等問題，大單重厚板和百噸級電渣錠無法滿足高端裝備的需求，嚴(yán)重制約著我國重大工程和重大裝備的建設(shè) 。 隨著各國環(huán)境保護(hù)意識的提高，開發(fā)低氟或無氟環(huán)保型渣系，研究渣系的物理化學(xué)性能以及重熔過程中的物理化學(xué)反應(yīng)，成為電渣冶金的重要研究方向。 研究表明，低導(dǎo)電率、低導(dǎo)熱系數(shù)和高黏度的爐渣能顯著提高電極熔化的熱效率。 低 ＣａＦ ２ 、高 Ａｌ ２ Ｏ ３ 或 ＳｉＯ ２ 的渣系存在較多尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的陰離子團(tuán)，從而導(dǎo)致簡單陽離子數(shù)量減少，電荷傳遞能力下降即電導(dǎo)率下降。 同時，大量復(fù)雜的陰離子團(tuán)導(dǎo)致黏度增加、導(dǎo)熱能力下降。 研究人員首次發(fā)現(xiàn)了渣系與能耗的內(nèi)在關(guān)系，率先開發(fā)了低氟節(jié)能環(huán)保型預(yù)熔渣并在行業(yè)推廣，可節(jié)電 ３００ ｋＷｈ／ ｔ 以上；創(chuàng)新研發(fā)了堿法干濕雙聯(lián)高效除氟技術(shù)，除氟后廢氣中的氟化物小于 １ ｍｇ／ Ｎｍ ３ ，達(dá)到國際最高環(huán)保標(biāo)準(zhǔn) 。
東北大學(xué)與沈陽賽美特新材料科技有限公司等企業(yè)合作研發(fā)，取得了一系列創(chuàng)新，設(shè)計了系列的低氟多組元節(jié)能環(huán)保型預(yù)熔渣系。 該節(jié)能環(huán)保型預(yù)熔渣系推廣到國內(nèi) ６０ 多家電渣鋼生產(chǎn)企業(yè)，電渣重熔品質(zhì)提升、降氟效果及噸鋼節(jié)電效果明顯。 同時， 采用電熔法制備預(yù)熔渣替代現(xiàn)場機(jī)械混合渣料，大幅度降低了現(xiàn)場粉塵污染。
１．１０ 電渣重熔新設(shè)備
一些典型的電渣重熔新設(shè)備及其技術(shù)特征見圖 １６—圖 １９。
２ 結(jié)語與展望
電渣冶金從 ２０ 世紀(jì) ５０ 年代誕生至今己有 ６０ 多年歷史。經(jīng)過國內(nèi)外幾代電渣冶金工作者的不斷探索和研究，電渣冶金技術(shù)得到了持續(xù)的發(fā)展，電渣爐的設(shè)備、工藝和產(chǎn)品種類繁多，新裝備、新工藝和新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。 電渣重熔已經(jīng)成為特殊鋼和特種合金不可或缺的特種冶金方法，在高品質(zhì)特殊鋼和特種合金的生產(chǎn)中具有舉足輕重的地位。
同軸導(dǎo)電電渣爐、保護(hù)氣氛電渣爐、加壓電渣爐和抽錠式電渣爐均是電渣爐設(shè)備方面的重要發(fā)展成果。
在抽錠電渣爐基礎(chǔ)上發(fā)展起來的電渣重熔空心鋼錠、快速電渣重熔（ＥＳＲＲ）和電渣連鑄（ＥＳＣＣ）等新技術(shù)是 ２１ 世紀(jì)以來電渣冶金技術(shù)的重大發(fā)展成果。 而在導(dǎo)電結(jié)晶器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的電渣重熔空心鋼錠技術(shù)代表了目前電渣冶金領(lǐng)域最前沿的技術(shù)之一。在技術(shù)開發(fā)的同時，國內(nèi)外許多學(xué)者對電渣重熔渣系、冶金反應(yīng)、傳輸現(xiàn)象和凝固過程等方面也做了大量的基礎(chǔ)性研究，為電渣冶金技術(shù)的發(fā)展奠定了重要的理論基礎(chǔ)。
電渣冶金技術(shù)雖已經(jīng)歷經(jīng)近 ６０ 年的發(fā)展，但仍具有強(qiáng)大的生命力。 在新的發(fā)展階段，電渣冶金技術(shù)將向高效、節(jié)能、環(huán)保以及滿足更高質(zhì)量的方向發(fā)展。
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