电渣冶金的回顾与展望

1、电渣冶金的回顾与展望李正邦摘要制备超纯优质金属材料的精细冶金不断地向前发展，近期电渣冶金的进展令人瞩目。高压电渣重熔(PESR)，真空电渣重熔(VarESR)使重熔金属质量达到高纯水平。电渣热封顶(ESHT)生产巨型钢锭具有技术与经济上的潜在优势。关键词精细冶金电渣冶金高压电渣重熔真空电渣重熔电渣热封顶前苏联电渣重熔工业化起步较早，1958年乌克兰扎波洛什市德聂伯尔建立了电渣重熔车间，拥有0.5 t P909型电渣炉4台1，美国费尔思斯特林公司(Firth Sterling)于1959年建立了3.6 t工业电渣炉，而在工业上全面推广直至1965年才开始2。我国于1958年在电渣焊的基础上掌握电

2、渣重熔技术，于1960年在重庆特殊钢厂及大冶钢厂建立电渣重熔车间3。从世界范畴论，电渣重熔工业生产已经历了41个春秋(19581999年)。电渣重熔属于冶金专业，特种熔炼学科。电渣技术的发展，派生出许多专业分支。电渣冶金包括：电渣重熔、电渣熔铸、电渣转注、电渣浇注、电渣离心浇铸、电渣热封顶、电渣焊接、电渣表面镀膜等。1电渣冶金的历程1.1缓慢发展的25年(19401965年)2美国R.K.Hopkins首先于1940年获得电渣直接熔炼专利，早年Kellogg公司用于生产高速钢及高温合金(Fe-16Cr-25Ni-6Mo)，直到 1959年Firth-Sterling公司建立3台3.6t电渣炉进

3、行电渣重熔，美国电渣技术才定型。1965年Firth-Sterling公司破产，被Vasco公司及Allvas公司兼并，该技术才逐渐公诸众。50年代由于钛合金需要一度增长，到1965年美国真空电弧重熔能力达15.3万t/年，60年代钛合金市场萧条，相当一部分真空电弧重熔炉转为生产超级合金及优质合金钢。同时理论研究落后，Hopkings及其同事认为电渣过程是“埋弧放电”。1.2飞跃发展的10年(19651975)419591965年在美国和西欧电渣重熔与真空电弧重熔之间展开了强烈的技术竞争，时间持续7年之久。1965年西欧美国冶金工作者作了全面的、系统的研究，其结论是电渣重熔设备简单，生产费用低

4、廉，操作方便，铸锭表面光洁，热塑性好，成材率高。电渣重熔在纯净度方面不亚于真空电弧重熔。去硫，去除非金属夹杂物均超过真空电弧重熔，仅去气(N、H、O)不及真空电弧重熔，而在铸锭结晶方面优于真空电弧重熔，铸锭组织的致密性、化学成分均匀性还超过真空电弧重熔，没有低倍缺陷，成品率高(见表1)。法国航空材料中心用电渣重熔钢制造协和喷气式客机起落架。表1电渣重熔同真空电弧重熔比较(英国W.A.Duckworth资料)Table 1Comparison between ESR and VAR according to data of W.A.Duckworth比较指标真空电弧重熔电渣重熔含氧：普通钢、沸腾

5、钢降低降低降低少些同样降低含氮：溶解氮、化合氮降低实际不变同样降低实际不变含氢：普通钢、沸腾钢降低降低降低少些同样降低含硫很少变化用含CaO基渣可大量降低，对易切削钢可保持不变非金属夹杂物氧化物去除，硫化物不变可去除氧化物、硫化物化学均匀性因元素在真空挥发不均均匀性提高异相性降低同样降低热塑性高更高铸锭表面需要加工不需加工合格率55%65%95%100%设备特性直流电源，真空系统，运行可靠性差交流电源，设备简单，运转可靠生产费用比电渣高24倍低廉美国、西欧电渣技术发展极为迅速，其表现：(1) 产量呈抛物线增长1960年3万t1965年29万t1969年48万t1973年80万t1975年110

6、万t(2) 锭重呈几何级数增长1959年3.6 t1960年12 t1965年30 t1970年80 t1975年165 t(3) 产品扩大：生产的优质钢及超级合金到1975年近300个牌号，开始用于生产有色金属(Al、Cu、Ti合金)及贵金属(Ag合金)。(4) 打破专业及行业的界限：19691970年苏联电焊研究所提出了电渣熔铸异形铸件ESC和双极串联电渣焊ESWB两项新技术，中国、日本、美国、西德、加拿大相继在电渣熔铸上有突破。电渣技术从焊接技术扩大到冶金领域，再扩大到铸造行业。 1.3稳定发展的10年(19751985年)5电渣钢产量继续增长，到1985年达到120万t。第1代电渣炉开

7、始更新。但据西方情报分析，前苏联电渣钢产量约4045万t。东欧国家约45万t。到1985年止，西方工业电渣炉达204台，其中38台是1975年以后新建。这一阶段随重熔锭型的扩大，电渣熔铸管件及异形铸件的出现，对金属质量要求日益严格，研究电渣重熔过程的理论模型应运而生，包括：(1) 热传递模型；(2) 物质传递模型(热力学模型、薄膜及渗透理论为基础的新传质模型)；(3) 热塑性模型。A.Mittchell和F.S.Suarcz等人成功地把热传递模型与现代凝固理论结合起来，用热传递模型求得温度场，预测铸锭显微结构。计算机实际应用于电渣重熔，实现熔速、渣池电阻、电压波动闭环控制。1.4酝酿新的突破(

8、19851999年)这一阶段一些生产超级合金的公司继续扩大生产能力，如美国Teledyne Allvac公司建立23 t 电渣炉。Inco合金国际公司两台电渣炉于1986年投产生产Ni基合金、Co基合金及其它耐热合金板坯及圆锭，锭重18 t。1992年Consarc公司制造100 t电渣炉在日本钢厂投产。19901998年美国Consarc公司制造27台。从美国生产的品种看超级合金所占比重最大，其中：碳钢及低合金钢22%工具钢及模具钢27%不锈钢及耐热钢20%镍基及钴基超级合金31%各厂产品结构相对稳定。西欧与美国致力于电渣热封顶ESHT法及电渣自熔模MHKW法生产大钢锭。前苏联主要应用双极串

9、联电渣焊。铸焊结合生产大毛坯，并研究电渣分批浇铸生产大锭。前苏联巴顿电焊研究所用电渣坩埚炉，熔炼获得纯净钢水，与离心浇铸结合形成电渣离心浇铸CESC，将钢水浇入耐用金属模，形成电渣耐用模EPMC。 2电渣冶金的现况根据有关资料推算，世界上电渣钢的生产能力，超过120万t/年。乌克兰巴顿院士曾预计在21世纪，电渣钢可占钢总产量的0.2%。西方国家(不包括前苏联和东欧)现有工业电渣炉228台。世界最大的电渣炉是德国萨尔钢厂165 t FB45/165G型电渣炉及我国上海重型机器厂200 t级电渣炉。前苏联新西伯利亚电热厂200t级电渣炉因技术未过关，已宣告失败。最大的板坯电渣炉是俄罗斯双极串联70

10、 t板坯电渣炉。乌克兰双极串联电渣焊可焊接直径3 m的铸件，焊缝纵向截面可达10m2。世界上最大电渣车间是乌克兰扎波洛什市德聂泊尔特钢厂电渣车间。有电渣炉22台，生产能力超过10万t/年。世界各国生产材料钢号已超过400个。目前世界各国的电渣技术研究中心有：乌克兰巴顿电焊研究院、俄罗斯电热设备科学院，美国联邦矿业局Albany冶金研究中心，加拿大哥伦比亚大学电渣实验室等。世界上电渣冶金技术先进的国家是乌克兰、美国、中国、德国、日本、英国、奥地利；应用电渣冶金成熟的国家有俄罗斯、瑞典、法国、捷克、比利时、印度；已掌握电渣冶金技术的有意大利、西班牙、卢森堡、以色列、南非、澳大利亚、巴西、韩国、波兰

11、、匈牙利、罗马尼亚、越南、朝鲜等。世界性电渣冶金国际会议召开过12次，从1975年起，电渣重熔与真空冶金合并，通称“国际真空冶金会议”，每3年一届，电渣冶金论文在历届会议上占相当大的比例。联合国工业开发署UNIDO 19891996年多次在基辅助办电渣技术研讨班，重点向第三世界国家推广电渣熔铸技术。3电渣冶金的未来621世纪电渣冶金仍然具有下列优势：(1) 电渣重熔在中型及大型锻件生产中，将处于垄断地位。(2) 在优质工具钢、模具钢、双相不锈耐热钢、含N超高强钢、管坯、冷轧辊领域中占绝对优势，真空电弧重熔在这一领域必为电渣重熔所取代。(3) 在超级合金领域(高温合金、耐蚀合金、精密合金、电热合

12、金)，电渣重熔与真空电弧重熔处于竞争局面；在80年代末，电渣重熔在产量上已超过真空电弧重熔。(4) 在有色金属生产方面，电渣重熔处于方兴未艾的阶段。(5) 电渣重熔空心锭和电渣重熔异形铸件具有独特地位，如石化工业用的合金管及曲轴。(6) 电渣冶金的发展前途是走出单一结晶器重熔而与钢铁冶金流程结合成在线工序，成为冶炼、精炼、连铸的一个环节，如中间包电渣加热。4电渣冶金新技术4.1优质大钢锭制备随着动力设备的大型化及核电站的建设，生产大于100360 t的大钢锭已成当务之急。早在1971年德国萨尔钢厂Searshl GmbH建成FB45/165G低频电渣炉(210Hz)，最大锭重165 t7。美国

13、Consarc公司制造了4台92100 t同轴电渣炉。1981年我国上海重型机器厂建成200 t级的三相双极串联电渣炉，最大锭重205 t8。目前显示生命力的技术是电渣中心填充及电渣热封顶。4.1.1电渣中心填充技术MHKW9，10电渣中心填充技术MHKW法是米德威尔海宾斯托(Midvale-Heppenstall)和克洛伊克纳威克(Klockner-Werhe)两家公司联合研究成功的生产大锭的新技术。重量超过100 t的铸锭，往往是用电弧炉或转炉钢经真空脱气，浇注成大锭。将铸锭加热到锻造温度，热冲空中心或掏孔，疏松、偏析区被去除。铸锭在400 左右保温，在较小功率的电渣重熔下进行电渣填充，因

14、空心锭代替了水冷铜模，故又称“电渣自熔模”。电渣填充过程是用固渣引燃，自耗电极利用电流通过渣池析出电阻热将自耗电极熔化，自熔模内壁熔化率相当充填金属的1/5。炼好后MHKW锭热送加热、锻造。填充过程要保持熔深均匀，输入功率必须递减。而且自熔模与填充金属有温差，避免同步收缩而产生显微裂纹，因此，自熔模的预热、保温至关重要。采用MHKW法生产过程见图1。用65 t的电渣炉，采用MHKW法即可生产340 t的大锭；外部为85CrMoV7，内心为C10低碳钢(含碳0.1%)的锭，经锻造后制成外硬、内部韧软的冷轧辊，性能显著提高。图1电渣中心填充生产工序(MHKW工艺)Fig.1Production p

15、rocedure of ESR Center Filling Refining4.1.2电渣热封顶ESHT11电渣热封顶示意图见图2，用于生产大型铸锭，目的在于消除普通铸锭的疏松与偏析。即用普通炼钢方法冶炼出的钢水，经炉外精炼(钢包精炼、脱气处理)。热封顶开始时，铸锭外层形成一层凝固金属壳，由于快速凝固，成分及组织较均匀，而电渣热封顶的功能是填充因收缩产生的缩孔，以及减少因选择结晶产生的凝固偏析。马治内尔(P.Machner)12指出：电渣重熔避免了产生晶雨(锭底负偏析)，这是熔池温度总是保持凝固点以上温度，使推进的凝固前沿处于未凝固状态，在伯乐电渣热封顶(BEST)即控制全部条件满足上述要求

16、。图2电渣热封顶原理示意图Fig.2Principle scheme of electroslag hottopping米契尔(A.Mitchell)13研究结果提出浇注后凝固速度随时间变化，电渣热封顶填充速度应同步，维持金属循环，保持温度梯度，输入比功率为0.8 kWh/kg，见图3。图3100 t铸锭电渣热封顶浇注后凝固速度及金属加入速度的变化13Fig.3Change of electroslag hottopping metal feed rate and freezing rate after teeming for 100 ton ingot13奥地利的VEW(Vereiningt

17、e Edeleltahlwer)电渣热封顶采用水冷保温帽。意大利采用耐火材料做 保温帽，即TREST(Terni refractory electroslag topping process)14，乌克兰冶金工作者用石墨衬，并用耐火水泥粘结缝。采用水冷保温帽虽热损失稍高，但免除了耐火材料消耗。目前采用VEW法已铸成55 t的大锭，用TREST已铸出62 t的大锭。热封顶100 t的计算模型已完成13。美国Consarc公司100 t电渣热封顶设备已定型。 制造大锭有3种方法：电渣重熔ESR、电渣中心填充MHKW、电渣热封顶ESHT；其成本比是832。可见铸锭越大，电渣热封顶经济上的潜在优势愈大

18、。4.2真空电渣重熔Vacuum Electroslag Refining15德国Hanau城Leybold公司在90年代，综合了真空电弧重熔及ESR的优点。对超级合金，真空电弧重熔纯净度高，气体含量极低，成分可精确控制，凝固件较好，铸锭致密；由于无渣精炼脱硫不利，易形成白点及产生年轮状偏析，合金易氧化元素重熔烧损大。Leybold公司建立了1台真空电渣重熔炉，见图4。锭径250mm，锭重360kg。重熔Inconel 718合金，重熔用CaO-Al2O3系的无氟渣，重熔前后渣的成分变化见表2，Inconel 718合金成分变化见表316。图4真空电渣重熔VAR-ESR设备Fig.4Schem

19、atic of a VARESR plant表2真空电渣重熔VAR-ESR前后渣成分Table 2Ingredient of slag before and after VARESR渣组元渣含量/%变化量/%重熔前重熔后Al2O3CaOMgOTiO2SiO245.0045.004.305.000.1543.7045.003.706.400.17-1.300-0.601.400.02表3Inconel 718合金真空电渣重熔前后化学成分Table 3Chemical composition of Inconel 718 before and after VERESR元素合金成分/%变化量/%自耗

20、电极锭电渣重熔锭CCoCrFe0.0280.1818.9417.200.0280.1818.9717.20000.030MgMnMoNb0.00810.083.025.310.00530.083.025.32-0.0028000.01NiPSSi53.240.0100.0080.1353.240.0070.00070.130-0.003-0.0010TiVAlCu0.950.030.660.070.930.030.670.07-0.0200.0104.3高压电渣重熔Pressure Electroslag Refining奥氏体钢中溶解氮可形成过饱和固溶体，提高屈服强度、低温强度和蠕变强度。铁

21、素体钢加氮形成细小弥散的氮化物，细化晶粒，提高冲击韧性。冶炼含氮钢关键是保证过饱和的氮溶解入钢中，防止凝固过程析出。为此1980年德国建立了第1台高压电渣炉，见图5。熔炼室氮压力高达4.2 MPa，生产铸锭直径1 m重16 t17。图5高压电渣炉示意图Fig.5Schematic of Pressure ESR Plant高氮奥氏体钢主要用于生产发电机上护环(Retaining Rings)18，19，要求无磁性，屈服强度0.21 420 MPa，大气中冶炼奥氏体钢(Cr12%,Mn18%)含氮仅0.1%，性能无法达到要求。采用高压电渣重熔炉氮含量提高到1.05%，仅需20%冷加工量，0.21

22、 500 MPa，满足核电站要求。1996年德国又扩建两台高压电渣炉用于生产含氮轴承不锈钢及含氮高速钢20，21。最近奥地利、保加利亚也建立了高压电渣炉。5结论(1) 电渣冶金的产品组织致密、成分均匀、表面光洁、使用性能优异以及具有生产灵活、工艺稳定、过程可控、经济合理等优点，是生产优质合金钢及超级合金的主要手段之一，成为精细冶金的重要分支。(2) 目前电渣冶金处于酝酿新突破的阶段，真空电渣重熔、高压电渣重熔及电渣热封顶是技术的突破点。(3) 可推断电渣冶金在制备大型毛坯、超级合金、优质工模具钢、双相不锈钢及含N超高强度钢仍处于垄断地位。(4) 电渣冶金发展的重要前途是电渣技术走出单一结晶器并

23、与钢铁冶金流程相结合成在线工序，成为冶炼、精炼及连铸的一个环节。作者单位：(钢铁研究总院，北京 100081)参考文献1 ， ，,1962.132Nafaziger R H.Electroslag melting Parocess.Bulletin.United.States Bureau of Mines.1976.13李正邦.电渣冶金在中国的发展.中国金属学会第二届全国会议文集，1963.116.全国电渣冶炼第二届会议论文集，1964.94李正邦.国外电渣熔炼概况及进展.新金属材料，1973，(1)：205李正邦.国外电渣冶金现况及发展趋势.新金属材料，1978，(3)：176李正邦.电渣

24、冶金发展历程及未来.电渣冶金30周年学术会议文集，北京：冶金工业出版社，1990.37李正邦.钢铁冶金前沿技术.北京：冶金工业出版社，1997.1888Zhu Jue,The Development of a 200 ton ESR Furnace in China,Proceedings of 9th International Conference,Invited Paper,1988.1299Austel A.Proceedings of sixth International Conference on Vacuum melting,American Vacuum Society,San Diege,1979.74710Ellebrecht C.ESR Trends in the Production of Heavy Forging Ingots,同上，71811李正邦.利用电渣法减少铸钢件冒口.焊接，1959，(10)：712Machner P.Proceedings of Fifth International Symposium on Vacuum Metallurgy and electroslag Remelting Processes,Oct.1976.11