ESR的设备选型和工艺选择

孟繁德 摘要 本文介绍 了电渣重熔的优越性和适宜用电渣炉冶炼的特殊钢和特殊合金 ，以及 炉子吨位及结构的选型和工艺规范的制定等 ，这对生产高质量电渣钢 和新建电渣重熔车间 是十分重要的。 关键词：电渣重熔设备 奎喃 比＼巷慵产 Choice of the Equipment Style and Technique for Electroslag Remelting M一 _『f= Ahstraet The special steels and alloys suitabletomclt~ by ESRandthe superiority of ESR have beenintroduced in this paper．The decisima ofthe capacity and the structure ofthe electroslag fllrllace andthe processing parameters，which are veryimportantfor producing high quality ESR steels and bIIdding new ESR workshop，aIe also discussed． Keyw0卫ds： 口ecm ag r锄 1jng Equipment Techniqu e 1．电渣重溶技术的竞争力 1．1 电渣重熔技术的发展 电渣重熔是在电渣焊接 的基 础上 发展 起来的。电渣重熔技术作为一种 冶炼手段 用于大生产已有 40多年历史了。1958年乌 克兰扎波洛市德聂伯尔 厂建立 了电渣重熔 车间，1959年美 国费尔思——斯 特 林公司 建成了 3．6T工业电渣炉Ll J．1965年英 国设 菲尔德——布朗公司将 1台 7T真空电弧炉 改为电渣重熔炉。我国于 1960年在大冶钢 厂和重庆特殊钢厂建成了电渣重熔车间 ．从 此，电渣重熔在国内特殊钢厂全面推广．目 前国内冶金系统 已有工业 电渣炉 86台．年 生产能力 l0万 T。 电渣重熔的原理如图 1所示 。 1．2 电渣重熔的优越性 在 2O世纪的五、六十年代 ，电渣重熔与 真空电弧重熔之间展开了激烈竞争 ．时间长 达7年之久．1965年西欧和美 国冶金 工作 者作了全面的、系统的研究分析 ．认为 电渣 重熔设备简单 ．生产费用低 ，操作方便 ．铸锭 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面光洁，热塑性好 ，成材率高．具有很强的 生命力 ，但在去除气体方面不及真空电弧重 熔。进入七十年代之后 ，电渣钢的产量在国 外呈抛物 线上 升，从 1960年的 3万吨 发展 到 1975年的 110万吨．锭重也从 l2吨发展 到 165吨【IJ，它的优越性概括为 以下几点。 (1)细化 晶粒 ：由于结 晶器及水冷底板 的强冷却作 用，熔炼过程 中金属液快 速冷 却 ，晶粒来不及长大 ，在钢锭内部呈细小均 匀分布，起到改善钢锭内部组织的作用。 (2)减少钢中非金属夹杂及杂质 ：，由于 维普资讯 http://www.cqvip.com 22 · 上 海 钢 研 2OOO年第 2期 在重熔过程中，电极下端的金属液滴是一滴 一 滴通过一定厚度的熔渣层，与呈镜面的金 属液相 比，金属液滴的 比表面(单位重量 占 表面积)要大几百倍【 ，增加 了钢 一渣界面 积，熔渣吸附金属滴中的非金属夹杂及杂质 的质点的能力大大增加 ；同时钢中的杂质在 通过纯净的渣层过程 中，按分配定律重新进 行分配，使得钢液中的夹杂浓度 降低 ，起到 渣洗的作用。特别是大块的夹杂物 ，如橄榄 石、硅酸盐等夹杂物 去除 明显 ，电渣重熔对 硫化物及砷 、锑 、铋 也有 去除作用，采用高 CaO渣系时 ，可去除 60％的 s。经电渣后 ， 钢中的硫化物一般≤1．0级，氧化物≤1 5 级 。 (3)改善钢的热加工性能 ：由于电渣重 熔后，钢锭晶粒变得细小均匀 ，钢锭的组织 变得致密 ，钢锭表面光滑 ，加上钢 中大型夹 杂物及非金属质点减少 ，在热加工过程 中应 力集中和裂纹源大大减少 ，因此锻造和热轧 过程 中易 产生 的开裂和裂纹 可 避 免。 (4)提高钢锭的加工成材率：由于 电渣 重熔过程是连续冶炼连续凝固过程 ，在一炉 正常冶炼之后即进行封顶补缩 ，如果封顶朴 缩工艺合理，钢锭头部可以做到无缩孔或有 10—15ram的光滑凸台L ，加上 电渣锭表面 无需剥皮和热加工性能好等优势，电渣锭 比 普通模 铸钢锭的热加工成材率可提 高 5— 7％ 图 1 电渣重熔 原理圈 但电渣重熔也有不足之处 ，诸如灵活性 差 ，只能将化学成分一定的电极重熔 ，基本 不改变原始钢的成分。另外，电渣重熔生产 率低，一台公称 lT的电渣炉，一个工作 日只 能生产 6T一8T钢锭 ，同时它是二次耗能炼 钢 ，耗电占电渣钢成本的大部分 ，它的电耗 为 1800—2OOOk fl1，r，使吨钢成本增加。如 果是单相电渣炉，还 会造 成 电网用电不平 衡 ，尤其是小钢厂，炉座少时更为明显。 为了便于对比，表 1列出电渣重熔与另 外几种冶炼方法的对 比。 电板 结晶器 渣晨 钢液 钢键 底板 1．3 电渣置熔的适用性 电渣炉可以冶炼所有黑色金属材料和 合金及部分有色金属，但综合考虑成本、质 量、产量等因素，用电渣炉冶炼特殊钢 、特种 合金，尤其是冶炼热加工性能差，易偏析，流 动性不好，合金比高的钢种和合金更为合 适。电渣重熔的重量从几公斤到数百吨，钢 锭截面的形状可以是园形、正方形或矩形。 电渣重熔可以解决要求压缩 比大 的锻件或 大规格板材，目前世界上最大的电渣炉是德 国萨尔钢厂的 165T电渣炉及我国上海重型 机器厂的 200'I"级电渣炉⋯。由于电渣重熔 维普资讯 http://www.cqvip.com 2O00年第 2期 上 海 钢 研 ·23· 适用范围广 ，又具有独特的优势 ，全世界 电 渣钢生产能力 已超过 120万 T／年，预计 21 世纪电渣钢将 占钢产量的 0．2％，即 160万 T／年。世界 各 国 电渣 冶炼 的钢 号 已超 过 40O个．我国能生产的电渣钢和合金牌号 已 达 243个。这些钢种主要用于：航空、航天 、 导弹、高压容器 、发热元件 、高寿命模具 、弹 簧及结构件。以美国为例，电渣钢的钢种和 合金分布为：碳结构和低合金钢 22％，工具 模钢 27％．不锈及耐热钢 20％ ．精密及高温 合金 31％。 表 1 电渣重熔 同其他几种冶炼方法的比较 比较内容 电渣重熔 真空 自耗 电弧 电弧炉 真 空感应炉 原材料 粗炼电极 本钢种电极 适应性强 有一定要求 成分调整 基本不能调整 不艉调整 灵括 鞍灵括 气体含量 氧 降低部分 降低 可脱氧 降低 ，脱 氧 氮 基本不降 降低 少降 降低 氢 不降 降低 降低部分 降低 非金属夹杂物 去夹杂明显 去除少 去除部分 去除少 去磙 可去除 不去除 可去除大部 去除很少 成分均匀性 改善 不改善 有偏析 有偏析 钢锭表面 不需加工 不需加工 较粗糙 需加工 热塑性 好 较好 波动大 一般 热加工收得率 94一锝％ 8D一92％ 85—92％ 80—90％ 冶炼成本 高于电弧炉 ， 高 低 较高 低于真空感应炉 设备费用 设备简单，投资步 高．真空加 设备投资大 高，真空系统 直流电源 设备复杂 加变变电器 表 2 常见的电渣重熔钢种 钢 种 用 途 举 例 弹簧铜 机车弹簧、机械弹簧 6珊_丑WA．70~MnA 滚珠轴零钢 高性能轴承 、微型轴承 C-C115．GCr9S 缸 碳结构 对发纹、夹杂要求高的瞥棒 20A．45．$45A 台金结构钢 高强度构件、耐冲击构件 45CrNiMoVA．38SIMnMoW'VA 摸具钢 高寿命热作模具 H13．cG一2 不锈钢 易形成裂纹的不锈钢 20l3 Q1 ．Ql螂 鸵 精密台金 热塑性差的电阻台金及软磁舍金 6．,120，IJ'／9，Fe—Cr—AI 高温合金 由于易偏析．热塑性差，大部分 GHTI8，169，800．600 高温台金需电渣重熔 2．电渣炉的类型及选择 电渣炉的类型繁多 ，各有优缺点。中国 电渣冶金可以说起步早，发展速度快 ，炉子 数量多 ，吨位小 ，类型复杂 ，各电渣车间炉型 不同，甚至在同一电渣车间炉型有几种。炉 型大致可分为以下类型： (1)按电极交替冶炼分：单臂和双臂。 维普资讯 http://www.cqvip.com 上 海 钢 研 单臂电渣 炉：用一根电极冶炼 一支钢 锭。此种设备 简单 ，由于电极较长，厂房高 2O0O年第 2 度高，如冶钢集 团、五钢集团的电渣炉。见 图 2。 图 2 单臂非抽锭电渣炉 柬脊脯 小车 图 3 双臂交替连续抽锭电渣炉 双臂 电渣炉：用二 根横臂夹 持两根 电 极，交替冶炼一支钢锭 。此种炉设备复杂一 维普资讯 http://www.cqvip.com 2O0O年第 2期 上 海 钢 研 ·25 · 些 ，厂房高度不必太高，锭重可 以增加。 (2)按结晶器结构分：固定式和抽锭式。 固定式结晶器 ：结 晶器座在 水冷底板 上 ，易操作 ，钢锭长度小于结晶器高度 ，钢锭 长度有限。 抽锭式结晶器 ：通过拉锭装置 向下连续 抽取钢锭。设 备复杂，易漏钢 ，钢锭长度增 加。图 3是双臂连续抽锭 电渣炉。 (3)按冶炼电极数 目分 ：单电极和多电 极。 单 电极 ：只有一 根电极在 结晶器 中重 熔 ，这是最常见的电渣炉。 多 电极 ：由两根 以上电极在同一结晶器 中重熔 ，一般用于扁锭或特大型钢锭。 此外，电渣炉还有 ：有衬电渣炉，真空电 渣炉 ，高压电渣炉等。用户可以根据各 自的 产品要求及场地、资金等条件加以选择。如 果车问厂房高度足够，要求钢锭重量不大。 可以采用单臂、单电极、固定 式结晶器电渣 炉。如果要求大锭重，厂房高度受限制，可 以采用双臂单 电极抽锭式电渣炉 。这种炉型 设备大 ，基建费用也高。 3．工艺 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 的选择 3．1 主要参数 (1)渣成分：根据冶炼的钢种来选择渣 系，所谓渣系就是渣子的配比和成分。对渣 系的要求是熔点低 ，流动性好 ，渣电阻大 ，对 夹杂和杂质的吸附能力强。渣子性 能参数 为熔点、比热 、导热系数、粘度、透气性等【 。 电渣重熔常用的渣子有二元渣、三元渣 、多 元渣。二元 系：C$~2-CAIO，caF2-AI203，C．aF2- r,k,o，C．aF2-BaO；三元 系：C．aF2一CaO—A1203， C．aF2-CaO-BaO。C．aF2一M6,04a,03。无 论 哪 种 渣，氧化性 氧化物 的含量 尽量 要 低，要求 SiO2+MnO+FeO≤1．O％，特 别是 SiO2≤O． 3％ 。 以 caF2-Al203二元系渣为例，成分配 比 将直接影响它的流动性。钢中的夹杂含量及 冶炼速率。图 4表示 C．aF2一 渣成分对 流动性 、钢中的夹杂、冶炼速度的影响。 ~ -- 3 。 竣 聱兽 ~ -- 3 。 蜘 揣 幽 缝 嫂 ＼ §!'／ ＼ ／ ＼ ／ ／／— ＼ ／ 10 50 C- ～ 0-, z 图 4 渣成分对流动性 ．渣温 ．钢中夹杂物 ．熔炼 速 度的影响 (2)渣量 ：用渣层的厚度表示渣重量 。渣 层厚度应为 100—200ram，即结晶器直径的 1／"2～1／3，渣的重量为锭重的 3—4％。计算 公式：C=Ⅱ／2×D2 ，D：结晶器直径 ，米 ；h： 渣层高度 ，米；口：渣比重 。240O一250O公斤／ 米 。 (3)电极直径：电极直径与结晶器直径 之比为填充系数，它与冶炼功率，炉子结构， 冷却条件等有关 ，一般选填充系数 d／ D为 0 4—0．6。奥地利学者 w·霍尔兹格鲁伯建 议选 0．6±0．1，因为此时熔化速度和能耗可 灵 活调整 。 维普资讯 http://www.cqvip.com 上 海 钢 研 2000年第 2期 (4)电极长度 ：电极长度 由钢锭重量而 定，特别是单臂 电渣炉，电极长度应满足一 支钢锭的重量，如果电极过分长 ，它 自身阻 抗增加 ，耗电也增加。 (5)熔炼电流：与重熔 的钢种、渣系、渣 层厚度 、电极直径 、弧长等有关。 可用经验公式计算 ： I：jxS i：电流密度 ，^ ，m s：电极截面积 ，m 也可甩经验数据选择 ： 最大电流：hIm =46．5d+1160lA 最小 电流：Imln=31．3d+800A 最佳电流 ：Iopt=36．3d+400A d为电极直径，IⅢl (6)熔炼电压 ：U=△U+Ui，即熔炼电压 等于网路电压降 AU加电弧电压 u。经验 公式为：U=aD+b a：系数，A肿 一6渣，a：0．12 D；结晶器直径 ．mm；填充比0．5时，b= 2O。 (7)电源空载电压 uD：取决于变压器的 外特性及冶炼强度 。 ’ Uo=U+I△U 1000，AUn=0．8一1．2 u：熔炼电压 I：熔炼电流 (8)冷却强度：将影响钢锭的表面质量 及钢锭内部组织 。冷却强度 可通过进出水 温度加以调整 ．一般要求结晶器出水温度≤ 65℃，底板 出水温度 ≤35℃，这样可 以保证 电渣锭渣壳厚度 1—2∞ ，柱状晶臂与锭轴 夹角 l3一I5a．见凰 5。 3，2 判据参数 判据参数是生产过程 中不易于观察和 测定的数据，它们艟反映工艺参数，也能反 映冶炼过程进行的情况和钢锭的质量。 (1)熔{也深度 h：熔{也底部轮廓线呈抛 物线(45o)形式，以保证柱晶有 45~夹角．熔 池深度应等于或大于结晶器半径 。渣温、电 耗及熔化速度与熔池深度成正比。 圈5 电渣铜锭1痛部的低倍组织 (2)电极埋人深度 H：指 电极 下端在渣 层表面以下的深度，一般 为 30—50ram。在 功率一定条件下，电极埋人深度与电压成反 比。 (3)渣池温度 t：它与渣的成分，电极埋 人深度、电流、电压、填充 比有关 ．渣温 一般 应在 1700—1800℃。 (4)渣壳厚度：决定于炉温．水冷强度、 渣系，厚度一般为 0．5—3．0ram。如果冷却 强度低，炉温高，剐渣壳较薄，钢锭表面光 洁。 (5)锭头丰满度：用锭头凹陷高度表示， 也是衡量朴缩好坏的参数。要求锭头凹陷 越小越好，取决于补缩工艺，补缩时间。正 常冶炼结束，即进人补缩阶段，0．5—1T电 渣炉补缩 时间在 5—10分钟 ，补缩方式采用 间断性停电，间断性进给电极．或连续减小 电流直到停电，然后再逐渐增加电流，再减 少，反复多次。 维普资讯 http://www.cqvip.com 2000年第 2期 上 海 钢 研 ·27· 3．3 工艺规范的选择及编制 3．3．1 电渣重熔常见的缺陷 电渣锭的外部缺陷有：头部缩孔 、表面 气孔、痴皮 、针孔、渣沟等。这些缺陷的产生 原因多由于冶炼电力曲线不合理，填充比不 合理，收弧太快 ，补缩时间太短，冷却水压力 流量披动，渣料烘烤不充分等原因造成 的。 电渣锭的内部缺陷有 以下几种： (1)偏析 ：一般出现在锭两头，特别是下 部 ，呈多层穿 晶心 园。这是 由于重熔 时 电 流 、电压波动 ，引起的热波动 ，使结晶条件不 稳定而gI起的。 (2)夹杂 ：横向呈多 向小裂 纹，裂纹 弯 曲，断断续续 ，裂纹 中为 CaF2，Al2o3夹杂。 一 般用固渣启动会出现这种缺蹈，尤其锭下 部较明显。 (3)自点：一般在锭底部横断面会出现 自点，表示有氢的存在。一般用固渣启动， 碴料烘烤不彻底，开始时有大量的氢溶于铜 中，造成钢中舍氢量过高。 3．3．2 工艺规范的选择及编锅 我们已经知道由于工艺和操作不当会 造成电渣钢的各种缺蹈甚至报废，因此工艺 规范对电渣重熔也是十分重 要的。应根据 以下原则来选择和编制工艺规范。 (1)了解钢种的基本性能，规格，质量要 求及电渣的目的。 (2)根据经验公式，依次确定各工艺参 数 ．编出初步工艺规范。 (3)按初步工艺试炼后 ，测出判据参数， 与推荐 的最佳判据参数 比较．如差别很太 ， 则应找出原因，修改初步工艺。 (4)经多次冶炼后 ，确定合理实用 的工 艺进行批量生产。 参考文献 [1]李正邦，特殊钢，第 2o卷第 5期，P】一2 [2]李正邦，付杰，特殊钢，第 20卷第 2期， P．48 【3]赵玉样．沈颐身，现代冶金原理，冶金工 业 出版社，J993，P448 [4]胨家祥，炼钢常用图表数据手册，冶金工 业出版杜，l984，P121 【5]w．霍尔兹格鲁伯(奥地利)，no。0ed 0f the皿lrid lntea'mfional Symposium Oil Elee 口Dslag and Other SpeeialMeI血喀Teehnolo- gY，part／／／ 维普资讯 http://www.cqvip.com