電渣重熔技術(shù)新進展

電渣重熔技術(shù)新進展第1頁/共80頁電渣重熔的起源B.E.Paton,B.I.Medovar,1952:firstESRingotatPWI第2頁/共80頁ESR:發(fā)展歷程的簡要回顧1952-1958:實驗室研究1958:在前蘇聯(lián)和中國工業(yè)化1963:開始在西方國家工業(yè)化1967:召開第一國際會議1970-1980:在全世界推廣應(yīng)用1980-1990:保護氣氛和加壓電渣爐1990-穩(wěn)定發(fā)展期2000:ESRLM,ESRR?

,ESCC（電渣連鑄）???第3頁/共80頁生產(chǎn)效率低：熔化速度低、單件生產(chǎn)，成本高電耗高：1400～1700kWh/t氟的污染：傳統(tǒng)渣系中含70%CaF2產(chǎn)品潔凈度低：大氣下重熔，元素易氧化、氣體含量高大鋼錠凝固偏析嚴(yán)重：凝固控制不能定量化特大型板坯電渣重熔技術(shù)不過關(guān)，尤其是我國傳統(tǒng)電渣重熔不足第4頁/共80頁技術(shù)路線第5頁/共80頁1.電渣連鑄（ESCC)——生產(chǎn)效率傳統(tǒng)ESR：熔池深度與電極熔化速度成正比，為保證鋼錠結(jié)晶質(zhì)量，熔化速度與錠直徑之比不超過1。ESCC：將熔化和結(jié)晶的熱過程分離，使熔化速度與金屬熔池深度幾乎不相關(guān);將連鑄思想引入電渣過程。第6頁/共80頁1.電渣連鑄——理論分析渣池及鑄錠中的溫度場分布傳統(tǒng)ESRESCC第7頁/共80頁1.電渣連鑄——實驗室研究電渣連鑄實驗裝置（東北大學(xué)）第8頁/共80頁電渣連鑄坯的低倍組織

MacrographontransversalsectionMacrographonlongitudinalsection第9頁/共80頁1.電渣連鑄——工業(yè)應(yīng)用世界最大斷面的電渣連鑄設(shè)備（興澄特鋼公司）第10頁/共80頁1.電渣連鑄——產(chǎn)品300×340mm合金鋼方坯Φ600×6000mm合金鋼圓坯

世界最大斷面的電渣連鑄坯（興澄特鋼）第11頁/共80頁電渣連鑄技術(shù)的不斷完善第12頁/共80頁

1.電渣連鑄——流程的變革（意義）新流程：實現(xiàn)電渣生產(chǎn)高級特殊鋼的連續(xù)化、高效化和低成本化傳統(tǒng)流程：鋼錠單件生產(chǎn)效率低、成材率低、電耗高

第13頁/共80頁2.低滲透率節(jié)能型低氟渣系大型鋼錠的氫控制，節(jié)能減排測定電渣重熔渣系的氫滲透率，找出與渣成分的關(guān)系,使氫的控制定量化；應(yīng)用后節(jié)能減排效果顯著：噸鋼節(jié)電200kWh，鋼中基本不增氫并明顯減少氟的排放。第14頁/共80頁不同渣系氫含量在重熔過程的變化（ALD）起始階段是氫含量最高的區(qū)間第15頁/共80頁2.低滲透率節(jié)能型低氟渣系測定了電渣重熔渣系的氫滲透率式中：JH2—滲過渣層單位時間內(nèi)鋼中增氫量，mol·min-1；l—

渣層厚度，cm；S

—

渣層截面積，cm2；PH2—熔渣中氫的滲透率,mol·cm-1·min-11-剛玉管；2-MgO坩鍋；3-石墨坩鍋；4-熔體；5-加熱部件；6-保護氣氛；7-控溫和測溫?zé)犭娕迹?-溫度計；9-恒溫水??；10-氣體

氫滲透率測定實驗裝置示意圖第16頁/共80頁電渣重熔渣系的氫滲透率渣編號L0L1L2L2-1L2-2L3氫滲透率，×10-6mol.cm-1.min-10.482.380.982.184.222.36鋼液中氫隨時間變化曲線第17頁/共80頁2.低滲透率節(jié)能型低氟渣系氫在氣、渣和金中的行為機理氫在渣中的存在形式：H2O作為兩性氧化物，在硅酸鹽熔渣中的存在形態(tài)取決于渣堿度或硅氧陰離子的聚合程度。在酸性渣中，H2O與橋氧結(jié)合形成羥基OH；在堿性渣中，H2O與硅氧陰離子的非橋氧結(jié)合，使硅氧陰離子聚合并生成氫氧根離子OH-；在強堿性渣中，H2O與渣中的自由氧離子結(jié)合并形成OH-。水汽在ESR渣中的溶解度與渣成分關(guān)系：CaF2-CaO-Al2O3三元系中CaO含量越高，渣中的氫含量也越高；適當(dāng)加入SiO2

有利于降低渣中的氫含量，但過高且相反。第18頁/共80頁采用保護氣氛、返回渣及預(yù)熔渣的實驗結(jié)果預(yù)熔渣是減少鋼中氫含量的有效手段渣系大氣濕度%水氣分壓Pa備注L2-320328保護氣氛L2-4203282.1kg返回渣+0.9新L2-536626預(yù)熔渣L2-645737預(yù)熔渣＋爐底烘烤第19頁/共80頁（2）低滲透率節(jié)能型低氟渣系低滲透率節(jié)能型低氟渣系設(shè)計思想不采用傳統(tǒng)的ANF-6渣（70%CaF2-30%Al2O3），雖然其氫滲透率最低，但存在氟污染嚴(yán)重、電耗高的問題；采用CaO、MgO部分替代CaF2減少氟的污染問題，適當(dāng)添加SiO2以降低氫的滲透率；低導(dǎo)電率的低氟五元渣系CaF2-CaO-Al2O3-MgO-SiO2

有利于降低電耗和改善鋼錠凝固質(zhì)量。應(yīng)用效果節(jié)能減排效果顯著：工業(yè)應(yīng)用后取得了噸鋼節(jié)電200kWh以上的顯著效果，同時保證了鋼中基本不增氫并明顯減少了氟的排放。第20頁/共80頁3.保護氣氛電渣重熔技術(shù)大氣下ESR過程的化學(xué)反應(yīng)第21頁/共80頁第22頁/共80頁保護氣氛ESR主要作用可以完全避免電極和爐渣的氧化Ti,Zr,Al,Si等元素的氧化燒損可以基本避免,特別有利于含Al,Ti高溫合金的窄成分控制可以獲得高潔凈度的鋼錠用Ar保護時可以防止鋼的吸氮和吸氫對于含N鋼可以采用氮氣保護對脫硫效果有一定影響保護氣氛電渣爐第23頁/共80頁不同熔煉方法的潔凈度第24頁/共80頁第25頁/共80頁雙聯(lián)工藝和三聯(lián)工藝GH4169合金各工序S和氣體含量統(tǒng)計值(×10-4%)第26頁/共80頁不同保護狀態(tài)ESR錠部分元素的統(tǒng)計平均值第27頁/共80頁不同保護狀態(tài)ESR錠部分元素的統(tǒng)計平均值ProtectingstateGH4169GH2132△C△Al△TiSONSVAROVARNVAR△C△Al△Ti％×10-4%×10-4%%%Meltingintheair0.0040.060.09112465151454SimpleArgasprotection0.0030.040.04131459141553-0.004-0.110.36AllclosedArgasprotection0.0000.020.017553141352-0.001-0.030.05第28頁/共80頁保護氣氛電渣重熔高氮不銹鋼試驗效果氣體保護階段CSiMnPSCrNOMoAl氮收得率％脫硫率%脫氧率%Mn燒損%無重熔前0.0550.2617.70.0150.01517.60.690.0025-<0.0381.240-842.1重熔后0.0470.2415.60.0150.00917.50.560.0046-<0.03N2重熔前0.0580.2018.530.0210.01519.930.830.0036-<0.0397.56030.50.23重熔后0.0520.1718.300.0200.00620.010.810.0025-<0.03N2重熔前0.0480.4518.190.0200.01519.100.710.00712.23<0.0397.25349.30.65重熔后0.0450.4017.540.0200.00718.590.690.00362.03<0.03第29頁/共80頁4.加壓電渣重熔高氮鋼1873K下幾種奧氏體不銹鋼中氮的溶解度與氮分壓的關(guān)系加壓電渣爐第30頁/共80頁ImprovementandmechanicalpropertiesofX8CrMn1818第31頁/共80頁5.凝固偏析控制技術(shù)隨著鋼錠直徑的增加，中心的冷卻條件惡化，鋼錠中心偏析、疏松、縮孔等普通鋼錠的缺陷會隨著產(chǎn)生，電渣鋼錠的凝固特征消失，鋼的各種性能下降隨著電流的增加，短網(wǎng)的設(shè)計難度增加，能耗增加三相平衡問題加重背景：大型電渣爐的問題第32頁/共80頁1000mm直徑的ESR鋼錠電渣錠上部中心所出現(xiàn)的縮孔第33頁/共80頁1000mm直徑的ESR鋼錠1600mm附近的疏松情況第34頁/共80頁1000mmESR鋼錠取樣分析第35頁/共80頁縮孔分析鋼中的縮孔第36頁/共80頁宏觀偏析率：宏觀偏析分析第37頁/共80頁組織及碳化物分析第38頁/共80頁枝晶間距分析結(jié)果第39頁/共80頁5.凝固偏析控制技術(shù)

樹枝晶間距

枝晶間距越小，組織越致密，鋼錠發(fā)生疏松、縮孔、偏析等凝固缺陷的可能性越小，晶粒度也越小，鋼的機械性能也越好。lⅠlⅡLⅠ：一次晶間距LⅡ：二次晶間距鋼錠結(jié)晶質(zhì)量的衡量方法第40頁/共80頁理論關(guān)系：LST=alⅡ3LST—局部凝固時間（枝晶凝固時間）：某一點從鋼的液相線溫度下降至固相線溫度所經(jīng)歷的時間∴l(xiāng)Ⅱ=αε-1/3=β(LST)1/3枝晶間距與凝固條件的關(guān)系實驗測定lⅡ=αε-n=β(LST)nn=1/3~1/2，一次晶間距接近1/2局部凝固時間對樹枝間距的影響第41頁/共80頁最大碳化物尺寸與局部凝固時間的關(guān)系第42頁/共80頁熱平衡測試與遞減功率工藝控制模型電渣重熔鋼錠凝固過程數(shù)學(xué)模型電磁場方程Maxwell方程電流密度方程第43頁/共80頁流體流動方程渦流輸運方程方程熱平衡測試與遞減功率工藝控制模型電渣重熔鋼錠凝固過程數(shù)學(xué)模型第44頁/共80頁傳輸方程傳熱方程熱平衡測試與遞減功率工藝控制模型電渣重熔鋼錠凝固過程數(shù)學(xué)模型第45頁/共80頁Flemings方程邊值條件的確定 （1）磁場 （2）流體流動 （3）溫度場熱平衡測試與遞減功率工藝控制模型電渣重熔鋼錠凝固過程數(shù)學(xué)模型第46頁/共80頁渣池及鑄錠中溫度場分布熱平衡測試與遞減功率工藝控制模型電渣重熔鋼錠凝固過程數(shù)學(xué)模型第47頁/共80頁化渣期正常重熔期補縮期交換電極ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧ功率時間Ⅰ起弧造渣，Ⅱ低功率化渣，Ⅲ高功率化渣，Ⅳ交換電極后遞增功率，Ⅴ遞減功率重熔，Ⅵ快速遞減功率補縮，Ⅶ慢速遞減功率補縮，Ⅷ恒功率保溫?zé)崞胶鉁y試與遞減功率工藝控制模型遞減功率工藝控制模型

第48頁/共80頁自耗電極熔化速度的測試方法和自動控制系統(tǒng)

稱量系統(tǒng)采用4臺梅特勒-托利多稱量傳感器和一臺PANTHER智能儀表實現(xiàn)熔化重量及熔化速率計算，稱量傳感器通過變送器將電極重量轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電流信號傳送給智能儀表，智能儀表信息經(jīng)現(xiàn)場總線PROFIBUS傳送至PLC系統(tǒng)，從而實現(xiàn)電極熔化速度控制。傳感器PLCPROFIBUS4-20mA

智能儀表變送器第49頁/共80頁電極插入位置測試方法與自動調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)

通過對電流和電壓曲線在線跟蹤檢測，建立了判斷和調(diào)整電極插入位置的最優(yōu)算法，實現(xiàn)了電極最優(yōu)插入位置控制。通過現(xiàn)場實施有效地提高了鋼錠表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量，穩(wěn)定了操作并降低了電耗?！娏鹘o定+PID電機速度調(diào)節(jié)熔化電流—電壓給定+PID勵磁電壓調(diào)節(jié)二次電壓第50頁/共80頁電渣爐智能檢測與控制系統(tǒng)

開發(fā)了電渣爐檢測與自動化控制系統(tǒng)，包括變壓器二次電壓無級有載調(diào)壓控制系統(tǒng)、電極稱量和熔化速度控制系統(tǒng)、最佳電極插入渣池深度的智能控制方法、基于專家系統(tǒng)的智能化遞減功率工藝控制模型。實現(xiàn)全過程的自動化操作，保證鋼錠的最佳質(zhì)量和組織和成分高度的重現(xiàn)性，最高的生產(chǎn)效率和最低電能消耗。第51頁/共80頁

從電磁場的基本理論麥克斯韋方程出發(fā)，系統(tǒng)地研究了電渣爐復(fù)雜磁場的測定方法和計算方法,提出測試方法并在現(xiàn)場實測驗證，形成了測試標(biāo)準(zhǔn)。開發(fā)成功了電渣爐大電流導(dǎo)體產(chǎn)生磁場的計算方法并開發(fā)相應(yīng)計算軟件,為優(yōu)化電渣爐結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)。6.基于電磁場分析的短網(wǎng)設(shè)計第52頁/共80頁麥克斯韋方程組定律微分形式積分形式法拉第定律

安培定律高斯定律高斯磁通定律電渣爐磁場的測試方法和計算機模擬軟件第53頁/共80頁電渣爐磁場的測試方法和計算機模擬軟件模型Ⅰ的磁感應(yīng)強度云圖

第54頁/共80頁模型Ⅱ的磁感應(yīng)強度云圖

電渣爐磁場的測試方法和計算機模擬軟件第55頁/共80頁電渣爐磁場的測試方法和計算機模擬軟件電渣爐不同二次大電流導(dǎo)體布置形式的磁場分布分析第56頁/共80頁電渣爐磁場的測試方法和計算機模擬軟件VH=KHIHBcosθ

IH——工作電流，AB——磁通密度，TKH——元件靈敏度，V/（A·T）VH——霍爾電勢，Vθ

——表示磁場方向和半導(dǎo)體平面的法線的夾角FB——磁場力，NFE

——電場子力，N

特斯拉計的測試原理為霍爾效應(yīng)，即在一塊半導(dǎo)體單晶薄片的縱向二端通以電流I，此時半導(dǎo)體中的電子沿著和I相反的方向運動。當(dāng)放入垂直于半導(dǎo)體平面的磁場B中，則電子會受到磁場子力FB的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)（即所謂勞侖茲力）使在薄片的一個橫端面上產(chǎn)生了電子積累，造成二橫端面之間建立了電場，即產(chǎn)生了電場子力FE，而起到阻止電子偏轉(zhuǎn)的作用。當(dāng)磁場力FB=電場子力FE時，電子的積累達(dá)到動態(tài)平衡，就產(chǎn)生了一個穩(wěn)定的霍爾電勢V，這一現(xiàn)象稱之為霍爾效應(yīng)。測試方法第57頁/共80頁電渣爐磁場的測試方法和計算機模擬軟件電渣爐磁場計算與實測結(jié)果的對比第58頁/共80頁7.電渣新技術(shù)的應(yīng)用

——20噸恒熔速保護氣氛電渣爐二次電壓有載無級可調(diào)保護氣氛（氬氣或氮氣）稱重傳感器連續(xù)測量電極熔化速度并實現(xiàn)熔速控制短網(wǎng)密排平行與同軸布置單爐頭雙熔煉工位20噸熔速控制保護氣氛電渣爐（寶鋼）第59頁/共80頁特大型板坯電渣爐（舞鋼）7.電渣新技術(shù)的應(yīng)用

——40噸大型板坯鑄電渣爐低頻供電：0-5Hz雙極串聯(lián)技術(shù)結(jié)晶器移動式抽錠二次冷卻最大斷面：1000×2000mm電耗：1000-1150kWh.t-1鋼錠質(zhì)量：滿足特殊用途高強特厚板第60頁/共80頁生產(chǎn)過程第61頁/共80頁電渣錠（950×2000×2800mm）第62頁/共80頁760×2000×2700mm電渣扁錠第63頁/共80頁鋼板最大厚度410mm整板滿足B/T4730.3-2005Ⅰ級要求，

局部按鍛件標(biāo)準(zhǔn)抽檢合格。

鋼種使用結(jié)晶器最大單重規(guī)格探傷標(biāo)準(zhǔn)探傷結(jié)果

P20640型、960型40≤410SEL072-77合Ⅰ級

WSM718R640型、760型33≤410JB/T4730.3-2005合Ⅰ級16MnR(HIC)640型33150～220SEL072-77合Ⅰ級

980640型2880～120JB/T4730.3-2005合Ⅰ級12Cr2Mo1R760型32150～180JB/T4730.3-2005合Ⅰ級S355J2+N-Z35760型、960型40≤410JB/T4730.3-2005合Ⅰ級品種與質(zhì)量第64頁/共80頁WSM718R鋼重熔前后主要成分變化情況

CSiMnPSNiCrAlMo重熔前0.360.381.180.0130.0030.911.830.0400.45重熔后0.350.421.120.0130.0030.901.810.0250.44變化量↓0.01↑0.04↓0.0600↓0.01↓0.02↓0.015↓0.01偏析量－0.02~＋0.02－0.04~＋0.06－0.0