电渣冶金新技术

电渣冶金新技术

20世纪40年代，美国霍尼申请了电渣冶金专利，这开始引起了电渣冶金技术的关注。时至今日,电渣冶金技术在高温合金、精密合金、电热合金等生产领域占有重要地位,生产钢种达到400多个。随着电渣冶金技术的发展,目前又出现了许多新的电渣冶金设备和生产工艺,这些设备和工艺都具有一些独特的优点和长处,使电渣冶金技术再次显示出强烈的生命力和广阔的应用前景。本文将介绍几种国内外新近开发的电渣冶金新技术,在国内还很少有相关的报导。1ting-成网技术弧渣重熔(ArcSlagRemelting-ASR)是前苏联巴顿电焊研究院开发出来的,属于电渣重熔技术的一种,它吸收了电渣重熔和真空电弧重熔的优点。1.1加料口口向其中加入渣料图1和图2是弧渣重熔技术的两种应用形式简图,图1的弧渣重熔设备是在传统电渣重熔炉结晶器的上部安装了一个加料器,可以通过加料口向其中加入渣料,同时加料器还将周围大气与熔炼室隔离开。图2所示的弧渣重熔设备是在真空电弧重熔炉基础上安装了密封装置而构成的,但在重熔时加入渣料,并使用中空电极,可以从中空电极的孔道通入气体,实现对重熔气氛的控制。正由于ASR设备与ESR和VAR的设备密切联系,可以将现有ESR和VAR设备很方便的转换成ASR设备。1.2电磁场及电极直径对rs-qp的影响图2所示设备重熔时,电弧柱直接作用于钢液面上,同时具有一定的保温作用的环形渣池的存在,还促进了金属熔池的外围加热作用,使金属熔池的受热更均匀,所形成的金属熔池比VAR和ESR浅平。在高温下,金属和熔渣形成一部分蒸气,都参加到电流的传输过程中。电弧区域温度高达2000℃左右,钢中的一部分氧化物夹杂在此温度下可以分解,而不分解的夹杂物可以被熔渣吸收,因此ASR具有比VAR更好的提纯精炼效果。供电制度是ASR过程最重要的参数,ASR的供电制度主要决定于电极直径,如图3所示,电极直径小于150mm左右时,重熔过程的能量密度强烈依赖于电极直径,而当电极直径大于150mm左右时,重熔过程的电流密度对电极直径的依赖性大大降低,实验研究表明A区的熔炼处于非稳态条件下,而B区则处于稳态条件。ASR与ESR技术相比,ASR技术能耗降低了大约30%左右,渣量消耗也仅为电渣重熔的50%。从中空电极的孔道吹入氮气,吹入的氮气被电弧离子化,改善了钢液吸氮的热力学和动力学条件,可以生产高氮钢,应用ASR技术能生产直径860mm,高度1900mm,重达8t的Mn18Cr18N钢。2钢铬钻孔法的去除2.1cm2c技术洁净金属形核铸造技术(CleanMetalNucleatedCasting-CMNC)集电渣重熔和喷射冶金为一身,既保留了电渣重熔的优点,也继承了喷射冶金的长处。设备的熔炼系统为传统的ESR,如图4所示,但在结晶器渣池位置中部设有绝缘部件,避免结晶器的分流,并采用了双回路供电,使电流密度更均衡。此设备既可以使用自耗电极,也可以使用非自耗电极进行重熔,在使用非自耗电极时,非自耗电极材质必须合适,否则表面需要涂上适当的材料,以避免对钢水造成污染。CMNC技术中,电渣重熔形成的钢液从结晶器底端流出,在雾化喷头作用下形成被加速的雾化液滴。由于雾化液滴较大的表面积和相对速率,加之和周围气体之间温差较大,很快就被其周围气体所冷却,最后落入半固相金属熔池铸模中。雾化而成的小颗粒液滴在下落过程中完全失去其热量,当它到达铸模钢液面以前已完全凝固,在铸模的半固态熔池中可能被重新熔化,而大颗粒液滴仍然是液体状态,中等颗粒的液滴呈半固相状态,通过合理的控制,可以使那些已经凝固的小颗粒液滴作为形核点,促进凝固。2.2cmnp技术燃气轮机涡轮盘是涡轮叶片的旋转中枢,而涡轮机的效率受点火温度的影响,点火温度又受到涡轮机材料性能的限制,这就促使钢铁工业通过增加高性能合金来提高涡轮盘性能,同时为提高涡轮动力,还要生产大型涡轮盘。然而,这些要求使得传统方法铸造出的涡轮盘性能不均、并且增大了缺陷产生的可能性,CMNC技术为生产高性能的涡轮盘提供了有利的工具。图5所示是传统生产工艺路线与CMNC技术生产燃气轮机涡轮盘的过程对比图。对于小钢坯生产,CMNC技术减少了生产工序,对于大钢坯生产,虽然工序基本相当,但CMNC技术所生产的优质钢锭质量仍然是值得推荐的工艺。同时在传统路线的生产大直径的钢锭时,只有当最后一道锻造工序结束后,晶粒度足够细小时才能进行超声探伤,如果钢锭不合格就增加了热加工过程中的经济损失,而CMNC技术所生产的钢锭由于晶粒度细小,完全可以避免这样的损失。金相检测表明,CMNC技术所生产铸锭的铸态组织为均一等轴晶,晶粒度0.075mm(ASTM4.5),如图6所示,而作为对比实验研究的传统三步法VAR重熔后铸锭的铸态晶粒尺寸一般大于20mm。2.3优质铸锭的关键CMNC技术虽然具有很多显著的优点,但合理的操作和控制是得到优质铸锭的关键。恒定的电极插入渣池的深度是控制电压或者电压波动的关键,喷射液滴直径和气液比例,速率,喷射距离等过程参数影响铸模中钢液的固相分数,从而影响铸锭的质量,必须进行合理的控制。3电渣重熔铸法众所周知,电渣重熔技术生产效率较低,尤其是在生产直径300~400mm的小直径钢锭时生产率更低,因此目前很少使用传统的电渣重熔炉进行小直径钢锭的生产。连铸具有生产效率高,生产成本低等优点,广泛应用于冶金工业,目前世界上大约有60%左右的钢锭都是由连铸的方法生产的,但是考虑到表面质量和中心致密性问题,有些钢种仍然需要用其它的方法进行生产,尤其是工具钢和易偏析合金。1996年快速电渣重熔(ESRR)技术应运而生,其生产率介于电渣重熔和连铸之间。图7是Holzgruber等人开发的电渣快速熔铸及重熔方坯设备的简图,该技术使用T型结晶器,增大了填充比,使熔速大幅度提高。在导向器和传动滚的共同作用下,可以连续的进行抽锭,待抽出的铸锭足够长时,使用自动的火焰枪将其截断,这样实现连续生产,大大的提高了劳动生产率,提高了金属收得率和成材率,并且节约了能耗。4t型结晶器的应用为了解决传统电渣重熔生产率较低的问题,中国国内开发出了使用T型结晶器的双极串联电渣连铸技术(DESCC),如图8所示,双极串联技术与单极技术比较,最大的优点就是单位电耗低,吨钢电耗低于1100kW·h,并且具有较高的功率因数,特别是生产扁锭和板坯锭时,优点更加突出。水冷T型结晶器的下部直径由所要铸造的钢锭直径所决定,而上部则由自耗电极的直径所决定,一般为了达到高重熔速度,要求上部直径至少是下部直径的1.5倍。金属的熔化速度为传统电渣重熔的2~4倍,铸坯的质量等同或优于传统电渣重熔处理的铸坯。该技术目前已在国内某钢厂得到实际应用,能够生产出ϕ600mm×6000mm合金钢圆坯以及300mm×340mm合金钢方坯。5旋转电极电渣重铬技术5.1旋转电极电渣重熔技术国立南乌拉尔大学早在1984年就对旋转电极电渣重熔技术进行过研究,但这种技术在国内还没有见到相关的报导。图9是传统电渣重熔技术与旋转电极重熔技术的流体力学特征对比示意图。与传统电渣重熔技术相比,旋转电极方法所形成的高温区靠近电极底端面,而传统电渣重熔形成的高温区位于电极锥头下方,渣池的中部位置。旋转电极重熔使得电极底端呈一个平面,金属熔滴在离心力的作用下几乎水平的飞离电极底端,使金属熔池底面接近水平,更好的保证铸锭的轴向结晶。与传统电渣重熔技术相比,旋转电极电渣重熔技术,电极旋转时,渣池高度相对较低,较少了渣池和结晶器壁的接触,从而减少大约9%~13%的热损失,在保证电极与金属熔池间距离的情况下,也使渣量减少10%~15%。此外由于电极的旋转还增加了金属熔滴在渣池中的停留时间,加大了精炼效果,重熔出的铸锭低倍组织无缺陷,钢锭高度和截面上的化学均匀性更好。同时,该技术靠改变电极旋转速度来调整渣池电阻的变化,而其它电渣技术都是通过调整渣量来调节渣阻的变化。5.2旋转电极重熔技术通过研究供电参数和旋转电极转速对电极熔化速度影响的关系,可以制定不同的工艺制度。图10是应用旋转电极重熔技术生产1Cr13钢时自耗电极熔化速度与其旋转速度的关系。图11是旋转电极重熔过程中供电参数和工艺特性值的变化。重熔过程中需要不断调整重熔的线速度,以调整渣池电阻,达到最初给定的生产率。6电渣熔铸用热u3000c与ess-lm技术乌克兰巴顿电焊研究所在导电结晶器的基础上开发了液态金属电渣冶金技术,如图12所示,这种技术无需制造和准备自耗电极,可以在一定程度上降低生产成本,这种技术既可以在金属芯棒的外层进行电渣镀生产具有一定厚度镀层的复合轧辊,称之为ESS-LM技术[图12(a)],也可以生产空心钢锭[图12(b)]和可以生产实心钢锭[图12(c)],(b)和(c)被统称为ESR-LM技术。ESS-LM技术生产轧辊的方法与旋转电渣熔铸生产冷轧辊的方法有些类似,都是在具有一定韧性的芯棒外层重熔出一层工作层。图13是Novokramatorsk机械制造厂应用ESS-LM技术所生产的直径740mm,工作层为高速钢的复合热轧辊,图14则是复合轧辊外层和内层的宏观组织,可以看出镀层的组织要比内层组织致密得多,这既可以保证轧辊芯部具有较好的韧性,又可以使外面的工作层达到较高的硬度,据称这种热轧辊寿命比传统方法所生产的铸铁轧辊高4~4.5倍。ESS-LM技术与日本生产轧辊所采用的CPC(Continuou