我国电渣冶金技术从引进至今已有50年的发展历史,无论在工艺理论、生产技术、装备水平和产品开发等方面都取得了巨大成就,为我国航天航空、军工国防、国民经济等诸多领域的建设和发展均作出了巨大贡献。
多年来,国外电渣冶金已不满足于一般电渣锭的生产,而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。该领域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。其产品包括几十克重的不锈钢假牙齿、几十吨重的发电机转子,甚至重量超过百吨的水泥回转窑炉圈等,品种多样,应用广泛。
我国是世界上电渣冶金起步较早的国家之一。40多年来,我国的电渣冶金始终保持着旺盛的发展趋势。随着我国科学技术的发展,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、火车提速等诸多因素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。
电渣冶金的技术装备发展现状
电渣重熔(ESR)是利用电流通过液态熔渣产生电阻热来加热和精炼金属的一种特种熔炼方法。其目的是在初炼的基础上进一步提纯钢水并改善钢锭的结晶组织,从而获得高质量的钢锭。其产品性能优越、纯度高、含硫量低、非金属夹杂物少、钢锭表面光滑、结晶均匀致密、金相组织和化学成分均匀。
电渣冶金主要的设备是电渣炉,其具有生产灵活、操作方便、工艺稳定、 经济合理、过程可控等优点,生产钢种涉及碳素钢、合金结构钢、轴承钢、模具钢、高速钢、不锈钢、耐热钢、超高强度钢、高温合金、精密合金、耐蚀合金、电热合金等400多个品种,产品遍及国民经济的各个行业,在航空、航天、军工、汽车工业、石油化工、铁路部门、能源工业、轻工业等诸多领域都有着广泛的应用。
目前,全世界电渣钢的年生产能力约为300万吨。我国大部分特殊钢厂都建有电渣重熔车间,拥有工业电渣炉300多座,年生产能力可达80万吨~100万吨,而且我国电渣钢的产量每年正以20%~30%的速度递增。国外有关专家曾乐观预计,世界电渣钢产量可占钢材总产量的1%,表明电渣钢仍具有很大的发展空间。
近年来,电渣钢供不应求,电渣冶金技术不断发展。国际上以乌克兰、奥地利、美国有关公司为代表,研发了一系列新设备、新技术。在国内,有关单位相继开发了电渣连铸(ESCC)、超大型板坯电渣炉、高压电渣炉、保护气氛恒熔速电渣炉等新设备和新炉型。国内有关冶金企业也相继应用了电渣热封顶、电渣离心浇注等新技术,开发了超大型板坯电渣炉、保护气氛恒熔速电渣炉等新炉型。
电渣热封顶技术,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将一般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金属电极。采用电渣热封顶,提高金属收得率后,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。
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的保护下进行。国内目前从奥地利、德国、美国引进的几台电渣炉基本形式都为保护气氛电渣炉,而国产电渣设备则只有宝钢特殊钢分公司配备了气体密封保护罩装置。同时,此型号电渣炉可实现恒熔速熔炼、短网采用密排平行和同轴导电布置等,熔速控制、控制精度相当于引进设备的水平,为电渣冶金的发展开创了更加广阔的空间。
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0.5吨,大型的一般也不超过3吨。上世纪80年代中期,很多国家都有了50吨以上的电渣炉,目前世界上最大的电渣炉是我国上海重型机械厂的200吨电渣炉及德国萨尔钢厂的165吨电渣炉。最大的板坯电渣炉是俄罗斯双极串联70吨板坯电渣炉。我国最大的板坯电渣炉是舞阳钢铁公司的40吨双极串联大型板坯电渣炉。该板坯电渣炉主要产品为特种用钢大型扁锭,最大锭重40吨,最大断面尺寸为950毫米×2000毫米,最大重熔锭40吨,其中截面为世界第一位。相比传统电渣炉,在国内超大吨位电渣炉设备中首次实现了低频电源控制,保证了三相平衡的供电要求;采用双极串联重熔,大幅度降低了电耗,提高了熔化率,节能明显;结晶器移动式抽锭,成功解决了大型钢锭重熔时的结晶器配置问题;采用保温措施,实现了钢锭在线保温。
节能环保的高端设备是研发重点
同轴导电、电极插入深度控制、称重恒熔速控制率、导电结晶器等技术的纷纷问世,表明了我国电渣技术,尤其是电渣炉装备技术近年来的快速进步,标志着我国已迈进电渣强国的行列。未来,电渣技术和装备将向着节能、环保、“高、精、尖”方向发展,具体方向有以下几种:
一是快速电渣重熔技术。2002年,奥地利在电渣快速重熔的基础上实现了连铸电渣快速重熔(CC—ESRR)技术,同年,我国电渣研究工作者在结合电渣重熔和连铸技术优点的基础上,在国内首次成功地开发了电渣连铸(ESCC)技术。目前有关厂家为江阴兴澄特种钢铁有限公司设计研发的2台连铸式电渣炉,成功进入生产阶段。经检测,其产品质量优异,具有良好的内在质量和表面质量。该技术节能、高效、产品灵活,具有广阔的应用前景。
二是电渣复合技术。我国一些厂家已经开始使用离心铸造法生产高速钢轧辊,开发了类似乌克兰ESS LM技术的复合轧辊生产工艺,但还没有大量投入生产。目前,国内厂家高速钢轧辊的市场空间很大,因此,使用ESS LM技术生产高速钢复合轧辊后,将有助于提高我国轧辊制造水平和轧材产品的质量与市场竞争力。
三是加压电渣炉。加压电渣炉主要用于生产高氮奥氏体不锈钢。1980年德国建立了第一台加压电渣炉,熔炼室氮压力高达4.2MPa,属于全封闭式电渣炉,重熔后钢中氮含量与自耗电极相比有很大的提高。近几年来奥地利、保加利亚等国家也建造了高压电渣炉。日前,我国已开发出加压电渣重熔设备,填补了国内电渣冶金领域的一项空白。该加压电渣炉的最高设计工作压力为7.0MPa,并设有完备的水-气平衡系统。利用该设备可成功开发出成分均匀、组织致密的火力发电机护环用高氮奥氏体不锈钢等系列钢种,其中氮含量可高达1.2%。高氮不锈钢的研发应用对交通运输、建筑、宇航空间工业、海洋工程、原子能和军事工业等许多领域将产生深远的影响。
四是真空电渣炉。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。目前世界上仅有德国、意大利、日本等国家有小型的真空电渣炉。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。目前,国内一些冶金高校、研究机构等也将真空电渣炉装备的研发作为课题。