電渣冶金新技術(shù)

電渣冶金新技術(shù)

20世紀(jì)40年代，美國霍尼申請了電渣冶金專利，這開始引起了電渣冶金技術(shù)的關(guān)注。時至今日,電渣冶金技術(shù)在高溫合金、精密合金、電熱合金等生產(chǎn)領(lǐng)域占有重要地位,生產(chǎn)鋼種達(dá)到400多個。隨著電渣冶金技術(shù)的發(fā)展,目前又出現(xiàn)了許多新的電渣冶金設(shè)備和生產(chǎn)工藝,這些設(shè)備和工藝都具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和長處,使電渣冶金技術(shù)再次顯示出強(qiáng)烈的生命力和廣闊的應(yīng)用前景。本文將介紹幾種國內(nèi)外新近開發(fā)的電渣冶金新技術(shù),在國內(nèi)還很少有相關(guān)的報(bào)導(dǎo)。1ting-成網(wǎng)技術(shù)弧渣重熔(ArcSlagRemelting-ASR)是前蘇聯(lián)巴頓電焊研究院開發(fā)出來的,屬于電渣重熔技術(shù)的一種,它吸收了電渣重熔和真空電弧重熔的優(yōu)點(diǎn)。1.1加料口口向其中加入渣料圖1和圖2是弧渣重熔技術(shù)的兩種應(yīng)用形式簡圖,圖1的弧渣重熔設(shè)備是在傳統(tǒng)電渣重熔爐結(jié)晶器的上部安裝了一個加料器,可以通過加料口向其中加入渣料,同時加料器還將周圍大氣與熔煉室隔離開。圖2所示的弧渣重熔設(shè)備是在真空電弧重熔爐基礎(chǔ)上安裝了密封裝置而構(gòu)成的,但在重熔時加入渣料,并使用中空電極,可以從中空電極的孔道通入氣體,實(shí)現(xiàn)對重熔氣氛的控制。正由于ASR設(shè)備與ESR和VAR的設(shè)備密切聯(lián)系,可以將現(xiàn)有ESR和VAR設(shè)備很方便的轉(zhuǎn)換成ASR設(shè)備。1.2電磁場及電極直徑對rs-qp的影響圖2所示設(shè)備重熔時,電弧柱直接作用于鋼液面上,同時具有一定的保溫作用的環(huán)形渣池的存在,還促進(jìn)了金屬熔池的外圍加熱作用,使金屬熔池的受熱更均勻,所形成的金屬熔池比VAR和ESR淺平。在高溫下,金屬和熔渣形成一部分蒸氣,都參加到電流的傳輸過程中。電弧區(qū)域溫度高達(dá)2000℃左右,鋼中的一部分氧化物夾雜在此溫度下可以分解,而不分解的夾雜物可以被熔渣吸收,因此ASR具有比VAR更好的提純精煉效果。供電制度是ASR過程最重要的參數(shù),ASR的供電制度主要決定于電極直徑,如圖3所示,電極直徑小于150mm左右時,重熔過程的能量密度強(qiáng)烈依賴于電極直徑,而當(dāng)電極直徑大于150mm左右時,重熔過程的電流密度對電極直徑的依賴性大大降低,實(shí)驗(yàn)研究表明A區(qū)的熔煉處于非穩(wěn)態(tài)條件下,而B區(qū)則處于穩(wěn)態(tài)條件。ASR與ESR技術(shù)相比,ASR技術(shù)能耗降低了大約30%左右,渣量消耗也僅為電渣重熔的50%。從中空電極的孔道吹入氮?dú)?吹入的氮?dú)獗浑娀‰x子化,改善了鋼液吸氮的熱力學(xué)和動力學(xué)條件,可以生產(chǎn)高氮鋼,應(yīng)用ASR技術(shù)能生產(chǎn)直徑860mm,高度1900mm,重達(dá)8t的Mn18Cr18N鋼。2鋼鉻鉆孔法的去除2.1cm2c技術(shù)潔凈金屬形核鑄造技術(shù)(CleanMetalNucleatedCasting-CMNC)集電渣重熔和噴射冶金為一身,既保留了電渣重熔的優(yōu)點(diǎn),也繼承了噴射冶金的長處。設(shè)備的熔煉系統(tǒng)為傳統(tǒng)的ESR,如圖4所示,但在結(jié)晶器渣池位置中部設(shè)有絕緣部件,避免結(jié)晶器的分流,并采用了雙回路供電,使電流密度更均衡。此設(shè)備既可以使用自耗電極,也可以使用非自耗電極進(jìn)行重熔,在使用非自耗電極時,非自耗電極材質(zhì)必須合適,否則表面需要涂上適當(dāng)?shù)牟牧?以避免對鋼水造成污染。CMNC技術(shù)中,電渣重熔形成的鋼液從結(jié)晶器底端流出,在霧化噴頭作用下形成被加速的霧化液滴。由于霧化液滴較大的表面積和相對速率,加之和周圍氣體之間溫差較大,很快就被其周圍氣體所冷卻,最后落入半固相金屬熔池鑄模中。霧化而成的小顆粒液滴在下落過程中完全失去其熱量,當(dāng)它到達(dá)鑄模鋼液面以前已完全凝固,在鑄模的半固態(tài)熔池中可能被重新熔化,而大顆粒液滴仍然是液體狀態(tài),中等顆粒的液滴呈半固相狀態(tài),通過合理的控制,可以使那些已經(jīng)凝固的小顆粒液滴作為形核點(diǎn),促進(jìn)凝固。2.2cmnp技術(shù)燃?xì)廨啓C(jī)渦輪盤是渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)中樞,而渦輪機(jī)的效率受點(diǎn)火溫度的影響,點(diǎn)火溫度又受到渦輪機(jī)材料性能的限制,這就促使鋼鐵工業(yè)通過增加高性能合金來提高渦輪盤性能,同時為提高渦輪動力,還要生產(chǎn)大型渦輪盤。然而,這些要求使得傳統(tǒng)方法鑄造出的渦輪盤性能不均、并且增大了缺陷產(chǎn)生的可能性,CMNC技術(shù)為生產(chǎn)高性能的渦輪盤提供了有利的工具。圖5所示是傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝路線與CMNC技術(shù)生產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)渦輪盤的過程對比圖。對于小鋼坯生產(chǎn),CMNC技術(shù)減少了生產(chǎn)工序,對于大鋼坯生產(chǎn),雖然工序基本相當(dāng),但CMNC技術(shù)所生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)鋼錠質(zhì)量仍然是值得推薦的工藝。同時在傳統(tǒng)路線的生產(chǎn)大直徑的鋼錠時,只有當(dāng)最后一道鍛造工序結(jié)束后,晶粒度足夠細(xì)小時才能進(jìn)行超聲探傷,如果鋼錠不合格就增加了熱加工過程中的經(jīng)濟(jì)損失,而CMNC技術(shù)所生產(chǎn)的鋼錠由于晶粒度細(xì)小,完全可以避免這樣的損失。金相檢測表明,CMNC技術(shù)所生產(chǎn)鑄錠的鑄態(tài)組織為均一等軸晶,晶粒度0.075mm(ASTM4.5),如圖6所示,而作為對比實(shí)驗(yàn)研究的傳統(tǒng)三步法VAR重熔后鑄錠的鑄態(tài)晶粒尺寸一般大于20mm。2.3優(yōu)質(zhì)鑄錠的關(guān)鍵CMNC技術(shù)雖然具有很多顯著的優(yōu)點(diǎn),但合理的操作和控制是得到優(yōu)質(zhì)鑄錠的關(guān)鍵。恒定的電極插入渣池的深度是控制電壓或者電壓波動的關(guān)鍵,噴射液滴直徑和氣液比例,速率,噴射距離等過程參數(shù)影響鑄模中鋼液的固相分?jǐn)?shù),從而影響鑄錠的質(zhì)量,必須進(jìn)行合理的控制。3電渣重熔鑄法眾所周知,電渣重熔技術(shù)生產(chǎn)效率較低,尤其是在生產(chǎn)直徑300~400mm的小直徑鋼錠時生產(chǎn)率更低,因此目前很少使用傳統(tǒng)的電渣重熔爐進(jìn)行小直徑鋼錠的生產(chǎn)。連鑄具有生產(chǎn)效率高,生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于冶金工業(yè),目前世界上大約有60%左右的鋼錠都是由連鑄的方法生產(chǎn)的,但是考慮到表面質(zhì)量和中心致密性問題,有些鋼種仍然需要用其它的方法進(jìn)行生產(chǎn),尤其是工具鋼和易偏析合金。1996年快速電渣重熔(ESRR)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,其生產(chǎn)率介于電渣重熔和連鑄之間。圖7是Holzgruber等人開發(fā)的電渣快速熔鑄及重熔方坯設(shè)備的簡圖,該技術(shù)使用T型結(jié)晶器,增大了填充比,使熔速大幅度提高。在導(dǎo)向器和傳動滾的共同作用下,可以連續(xù)的進(jìn)行抽錠,待抽出的鑄錠足夠長時,使用自動的火焰槍將其截?cái)?這樣實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn),大大的提高了勞動生產(chǎn)率,提高了金屬收得率和成材率,并且節(jié)約了能耗。4t型結(jié)晶器的應(yīng)用為了解決傳統(tǒng)電渣重熔生產(chǎn)率較低的問題,中國國內(nèi)開發(fā)出了使用T型結(jié)晶器的雙極串聯(lián)電渣連鑄技術(shù)(DESCC),如圖8所示,雙極串聯(lián)技術(shù)與單極技術(shù)比較,最大的優(yōu)點(diǎn)就是單位電耗低,噸鋼電耗低于1100kW·h,并且具有較高的功率因數(shù),特別是生產(chǎn)扁錠和板坯錠時,優(yōu)點(diǎn)更加突出。水冷T型結(jié)晶器的下部直徑由所要鑄造的鋼錠直徑所決定,而上部則由自耗電極的直徑所決定,一般為了達(dá)到高重熔速度,要求上部直徑至少是下部直徑的1.5倍。金屬的熔化速度為傳統(tǒng)電渣重熔的2~4倍,鑄坯的質(zhì)量等同或優(yōu)于傳統(tǒng)電渣重熔處理的鑄坯。該技術(shù)目前已在國內(nèi)某鋼廠得到實(shí)際應(yīng)用,能夠生產(chǎn)出?600mm×6000mm合金鋼圓坯以及300mm×340mm合金鋼方坯。5旋轉(zhuǎn)電極電渣重鉻技術(shù)5.1旋轉(zhuǎn)電極電渣重熔技術(shù)國立南烏拉爾大學(xué)早在1984年就對旋轉(zhuǎn)電極電渣重熔技術(shù)進(jìn)行過研究,但這種技術(shù)在國內(nèi)還沒有見到相關(guān)的報(bào)導(dǎo)。圖9是傳統(tǒng)電渣重熔技術(shù)與旋轉(zhuǎn)電極重熔技術(shù)的流體力學(xué)特征對比示意圖。與傳統(tǒng)電渣重熔技術(shù)相比,旋轉(zhuǎn)電極方法所形成的高溫區(qū)靠近電極底端面,而傳統(tǒng)電渣重熔形成的高溫區(qū)位于電極錐頭下方,渣池的中部位置。旋轉(zhuǎn)電極重熔使得電極底端呈一個平面,金屬熔滴在離心力的作用下幾乎水平的飛離電極底端,使金屬熔池底面接近水平,更好的保證鑄錠的軸向結(jié)晶。與傳統(tǒng)電渣重熔技術(shù)相比,旋轉(zhuǎn)電極電渣重熔技術(shù),電極旋轉(zhuǎn)時,渣池高度相對較低,較少了渣池和結(jié)晶器壁的接觸,從而減少大約9%~13%的熱損失,在保證電極與金屬熔池間距離的情況下,也使渣量減少10%~15%。此外由于電極的旋轉(zhuǎn)還增加了金屬熔滴在渣池中的停留時間,加大了精煉效果,重熔出的鑄錠低倍組織無缺陷,鋼錠高度和截面上的化學(xué)均勻性更好。同時,該技術(shù)靠改變電極旋轉(zhuǎn)速度來調(diào)整渣池電阻的變化,而其它電渣技術(shù)都是通過調(diào)整渣量來調(diào)節(jié)渣阻的變化。5.2旋轉(zhuǎn)電極重熔技術(shù)通過研究供電參數(shù)和旋轉(zhuǎn)電極轉(zhuǎn)速對電極熔化速度影響的關(guān)系,可以制定不同的工藝制度。圖10是應(yīng)用旋轉(zhuǎn)電極重熔技術(shù)生產(chǎn)1Cr13鋼時自耗電極熔化速度與其旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)系。圖11是旋轉(zhuǎn)電極重熔過程中供電參數(shù)和工藝特性值的變化。重熔過程中需要不斷調(diào)整重熔的線速度,以調(diào)整渣池電阻,達(dá)到最初給定的生產(chǎn)率。6電渣熔鑄用熱u3000c與ess-lm技術(shù)烏克蘭巴頓電焊研究所在導(dǎo)電結(jié)晶器的基礎(chǔ)上開發(fā)了液態(tài)金屬電渣冶金技術(shù),如圖12所示,這種技術(shù)無需制造和準(zhǔn)備自耗電極,可以在一定程度上降低生產(chǎn)成本,這種技術(shù)既可以在金屬芯棒的外層進(jìn)行電渣鍍生產(chǎn)具有一定厚度鍍層的復(fù)合軋輥,稱之為ESS-LM技術(shù)[圖12(a)],也可以生產(chǎn)空心鋼錠[圖12(b)]和可以生產(chǎn)實(shí)心鋼錠[圖12(c)],(b)和(c)被統(tǒng)稱為ESR-LM技術(shù)。ESS-LM技術(shù)生產(chǎn)軋輥的方法與旋轉(zhuǎn)電渣熔鑄生產(chǎn)冷軋輥的方法有些類似,都是在具有一定韌性的芯棒外層重熔出一層工作層。圖13是Novokramatorsk機(jī)械制造廠應(yīng)用ESS-LM技術(shù)所生產(chǎn)的直徑740mm,工作層為高速鋼的復(fù)合熱軋輥,圖14則是復(fù)合軋輥外層和內(nèi)層的宏觀組織,可以看出鍍層的組織要比內(nèi)層組織致密得多,這既可以保證軋輥芯部具有較好的韌性,又可以使外面的工作層達(dá)到較高的硬度,據(jù)稱這種熱軋輥壽命比傳統(tǒng)方法所生產(chǎn)的鑄鐵軋輥高4~4.5倍。ESS-LM技術(shù)與日本生產(chǎn)軋輥所采用的CPC(Continuou