新一代電渣冶金技術滿足高品質(zhì)特殊鋼需求

新一代電渣冶金技術滿足高品質(zhì)特殊鋼需求姜周華多年來，我國電渣冶金技術得到了不斷發(fā)展，截至目前，我國擁有工業(yè)電渣爐近500臺，年生產(chǎn)能力超過80萬噸。傳統(tǒng)電渣重熔技術存在生產(chǎn)效率低、電耗高、氟化物污染環(huán)境、電渣過程吸氣、大型鋼錠偏析嚴重等問題，東北大學從電渣冶金技術誕生早期就開始進行電渣冶金工藝理論和設備方面的研究，并取得了一系列的研究成果。電渣連鑄大幅提高生產(chǎn)效率傳統(tǒng)電渣重熔采用一次重熔一個鋼錠的間歇式生產(chǎn)方式，不僅生產(chǎn)效率低，而且后步鍛造或初軋開坯過程中鋼錠頭尾去除量大，成材率低，導致生產(chǎn)成本較高。另外，傳統(tǒng)電渣重熔由于電流路徑存在局限，電極熔化速度受到很大限制（當重熔直徑小于300毫米鋼錠時，生產(chǎn)效率極低，生產(chǎn)成本相當高）。從2002年起，東北大學鋼鐵冶金研究所開始進行電渣連鑄技術研發(fā)。電渣連鑄技術兼具電渣冶金和連鑄的技術優(yōu)勢，主要采用雙極串聯(lián)、交換電極、Cs137液面檢測與控制、連續(xù)拉坯以及在線切割等技術。由于采用了T型結(jié)晶器，雙極串聯(lián)渣池的高溫區(qū)主要集中在兩個電流的導電端頭，改變了傳統(tǒng)電渣重熔的熱場分布，使金屬熔池深度與輸入功率基本無關。此外鑄錠自T型結(jié)晶器中抽出，在空氣中受空氣對流冷卻（而固定式結(jié)晶器重熔時，鑄錠收縮與結(jié)晶器內(nèi)壁形成氣隙，對冷卻不利）。1一電極；2一結(jié)晶器；3一渣池；4一金屬液面檢測裝置；5—金屬熔池；6一重熔方坯；7一拉坯機構；8一切割裝置；9一控制系統(tǒng)上圖為電渣連鑄原理示意圖工業(yè)試驗表明，電渣連鑄比傳統(tǒng)電渣重熔可提高熔化速度1倍?3倍，電耗下降20%?30%,成材率提高8%?12%,鑄坯表面、內(nèi)部質(zhì)量均與傳統(tǒng)電渣錠相當，實現(xiàn)了提高質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低成本的目的。同時，電渣連鑄技術在國內(nèi)2家鋼鐵企業(yè)也得到了成功應用。特厚板坯電渣重熔技術滿足高端需求隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，高端特厚板需求量旺盛（如高端模具鋼、鍋爐容器鋼、核電用鋼等）。電渣重熔厚板坯具有以下優(yōu)越性：一是電渣錠組織致密，成分均勻，在寬闊的溫度區(qū)間內(nèi)，具有良好的加工塑性，可以允許更小的加工壓縮比（如用700毫米厚的電渣扁錠可生產(chǎn)350毫米厚板）。二是電渣重熔扁錠可省去開坯工序，直接上厚板軋機，降低鍛壓比，節(jié)省工時。三是電渣重熔錠軋制鋼板性能優(yōu)良，與普通鋼板比較，橫向塑性、韌性大大提高，顯著改善了各向異性、斷裂韌性、缺口敏感性和低周波疲勞等指標。四是電渣重熔鋼板可焊性良好。由于焊縫熱影響區(qū)縮小，可以省去大型焊接結(jié)構件（高壓容器、鍋爐、反應堆殼體）焊接后正火處理工序。五是具有良好的的低溫抗冷脆性。六是與模鑄相比，電渣重熔生產(chǎn)特厚板產(chǎn)品質(zhì)量好，成材率可提高9%?18%，足以抵消全部重熔費用；省去了開坯工序，降低了實際生產(chǎn)成本。2006年至2009年，東北大學為某鋼廠陸續(xù)成功建設了世界上最大的3臺40噸板坯電渣爐，最大錠重達47噸，斷面尺寸為950毫米X2000毫米。3臺電渣爐投產(chǎn)以來，已成功開發(fā)了厚度為640毫米、760毫米、960毫米3種規(guī)格的P20、WSM718R、980、2.25Cr1Mo、16MnR（HIC）、20MnNiMo等10多個鋼種。為提高產(chǎn)品質(zhì)量水平，東北大學先后采用了冷卻控制、結(jié)晶器錐度調(diào)整、渣系優(yōu)化、干燥空氣保護等先進工藝技術措施，月產(chǎn)量可達650噸/臺以上，噸鋼電耗1100千瓦時?1300千瓦時（處于國際上領先水平）錠-材成材率達85%（比普通鋼錠成材率提高12%左右）。軋后板材的探傷指標，均符合SEL072-77和JB/T4730.3-2005的I級標準。凝固偏析控制技術有效減少凝固缺陷隨著鋼錠直徑的增加，中心冷卻條件惡化，鋼錠中心偏析、疏松、縮孔等普通鋼錠的缺陷會隨之而產(chǎn)生，電渣鋼錠的凝固特征消失，使得鋼材性能下降。避免這些凝固缺陷的關鍵是嚴格控制電極的熔化速度。為此，東北大學開發(fā)了電渣重熔過程凝固數(shù)學模型，將工藝參數(shù)與電渣錠凝固參數(shù)（如局部凝固時間和偏析系數(shù)等）相結(jié)合，實現(xiàn)了數(shù)學模型的實際應用，有效提高了產(chǎn)品質(zhì)量。同時，還進行了電渣爐周圍磁場強度分布的數(shù)值模擬，對不同的爐型布置方式進行了分析，設計出了合理的電渣爐結(jié)構布置方式。在上述研究基礎上，東北大學開發(fā)了遞減功率凝固控制模型、電極插入位置自動控制技術（恒渣阻控制）、研制了智能化電渣爐成套設備和工藝技術?？煽貧夥针娫鼱t有效防止氧化過去，常采用往渣池中加入脫氧劑（Al、CaSi、FeSi、Mg等）對熔渣連續(xù)脫氧，但是這會導致熔渣組分改變，從而使重熔錠中的易氧化元素含量與自耗電極不一致。針對上述問題，東北大學有關人員進行了大量研究，開發(fā)了幾種可控氣氛電渣重熔技術。惰性氣體、干燥空氣保護電渣爐。（楷體）惰性氣體（Ar、N2）保護電渣爐主要目的是

防止重熔過程鋼中活潑金屬元素氧化。主要采用Ar氣保護，而對于含氮鋼則可以采用N2，這樣一方面可減少氮損失，另一方面也可減少昂貴的Ar氣使用量。干燥空氣保護電渣爐適合于重熔對氫比較敏感的鋼種（特別是大型鋼錠）。近期，他們研制的多臺全密閉保護氣氛電渣爐即將投入工業(yè)生產(chǎn)。加壓電渣重熔技術。（楷體）近期，東北大學研制成功了100公斤加壓電渣重熔爐。加壓電渣爐設計最高工作壓力為7.0兆帕，目前實驗階段的冶煉壓力為2兆帕~3.5兆帕，利用加壓電渣重熔工藝來制備5種不同的高氮奧氏體不銹鋼。在電渣重熔過程中二次電壓為41V，電流為1500~2500A，渣系選擇ANF-6（70%CaF2-30%Al2O3）或63%CaF2-17%CaO-15%Al2O3-2%SiO2-3%MgO，渣量3公斤?3.5公斤，氮氣采用99%工業(yè)氮氣，實踐證明，通過加壓電渣重熔方法可以熔煉出氮含量達1.21%的高氮不銹鋼。液態(tài)電渣澆注適滿足復雜形狀成型要求目前，東北大學與烏克蘭巴頓電焊研究所合作為國內(nèi)某企業(yè)開發(fā)了液態(tài)電渣澆注200噸級大型復合軋輥、300噸級大型空心鋼錠和實心鋼錠新技術，其原理如下所示。電渣液態(tài)澆注技術直接使用液態(tài)金屬，不需要制備自耗電極，可省去電極制備的