新一代电渣冶金技术满足高品质特殊钢需求

新一代电渣冶金技术满足高品质特殊钢需求

    多年来，我国电渣冶金技术得到了不断发展，截至目前，我国拥有工业电渣炉近500台，年生产能力超过80万吨。
    传统电渣重熔技术存在生产效率低、电耗高、氟化物污染环境、电渣过程吸气、大型钢锭偏析严重等问题，东北大学从电渣冶金技术诞生早期就开始进行电渣冶金工艺理论和设备方面的研究，并取得了一系列的研究成果。

    电渣连铸大幅提高生产效率

    传统电渣重熔采用一次重熔一个钢锭的间歇式生产方式，不仅生产效率低，而且后步锻造或初轧开坯过程中钢锭头尾去除量大，成材率低，导致生产成本较高。另外，传统电渣重熔由于电流路径存在局限，电极熔化速度受到很大限制（当重熔直径小于300毫米钢锭时，生产效率极低，生产成本相当高）。
    从2002年起，东北大学钢铁冶金研究所开始进行电渣连铸技术研发。电渣连铸技术兼具电渣冶金和连铸的技术优势，主要采用双极串联、交换电极、Cs137液面检测与控制、连续拉坯以及在线切割等技术。
    由于采用了T型结晶器，双极串联渣池的高温区主要集中在两个电流的导电端头，改变了传统电渣重熔的热场分布，使金属熔池深度与输入功率基本无关。此外铸锭自T型结晶器中抽出，在空气中受空气对流冷却（而固定式结晶器重熔时，铸锭收缩与结晶器内壁形成气隙，对冷却不利）。

1—电极；2—结晶器；3—渣池；4—金属液面检测装置；5—金属熔池；
6—重熔方坯；7—拉坯机构；8—切割装置；9—控制系统
上图为电渣连铸原理示意图

    工业试验表明，电渣连铸比传统电渣重熔可提高熔化速度1倍～3倍，电耗下降20%～30%，成材率提高8%～12%，铸坯表面、内部质量均与传统电渣锭相当，实现了提高质量和生产效率，降低成本的目的。同时，电渣连铸技术在国内2家钢铁企业也得到了成功应用。

    特厚板坯电渣重熔技术满足高端需求

    随着国民经济的发展，高端特厚板需求量旺盛（如高端模具钢、锅炉容器钢、核电用钢等）。电渣重熔厚板坯具有以下优越性：一是电渣锭组织致密，成分均匀，在宽阔的温度区间内，具有良好的加工塑性，可以允许更小的加工压缩比（如用700毫米厚的电渣扁锭可生产350毫米厚板）。二是电渣重熔扁锭可省去开坯工序，直接上厚板轧机，降低锻压比，节省工时。三是电渣重熔锭轧制钢板性能优良，与普通钢板比较，横向塑性、韧性大大提高，显著改善了各向异性、断裂韧性、缺口敏感性和低周波疲劳等指标。四是电渣重熔钢板可焊性良好。由于焊缝热影响区缩小，可以省去大型焊接结构件（高压容器、锅炉、反应堆壳体）焊接后正火处理工序。五是具有良好的的低温抗冷脆性。六是与模铸相比，电渣重熔生产特厚板产品质量好，成材率可提高9%～18%，足以抵消全部重熔费用；省去了开坯工序，降低了实际生产成本。
    2006年至2009年，东北大学为某钢厂陆续成功建设了世界上最大的3台40吨板坯电渣炉，最大锭重达47吨，断面尺寸为950毫米×2000毫米。3台电渣炉投产以来，已成功开发了厚度为640毫米、760毫米、960毫米3种规格的P20、WSM718R、980、2.25Cr1Mo、16MnR(HIC)、20MnNiMo等10多个钢种。为提高产品质量水平，东北大学先后采用了冷却控制、结晶器锥度调整、渣系优化、干燥空气保护等先进工艺技术措施，月产量可达650吨/台以上，吨钢电耗1100千瓦时～1300千瓦时（处于国际上领先水平）锭-材成材率达85%（比普通钢锭成材率提高12%左右）。轧后板材的探伤指标，均符合SEL072-77和JB/T4730.3-2005的Ⅰ级标准。

    凝固偏析控制技术有效减少凝固缺陷

    随着钢锭直径的增加，中心冷却条件恶化，钢锭中心偏析、疏松、缩孔等普通钢锭的缺陷会随之而产生，电渣钢锭的凝固特征消失，使得钢材性能下降。
    避免这些凝固缺陷的关键是严格控制电极的熔化速度。为此，东北大学开发了电渣重熔过程凝固数学模型，将工艺参数与电渣锭凝固参数（如局部凝固时间和偏析系数等）相结合，实现了数学模型的实际应用，有效提高了产品质量。同时，还进行了电渣炉周围磁场强度分布的数值模拟，对不同的炉型布置方式进行了分析，设计出了合理的电渣炉结构布置方式。在上述研究基础上，东北大学开发了递减功率凝固控制模型、电极插入位置自动控制技术（恒渣阻控制）、研制了智能化电渣炉成套设备和工艺技术。

    可控气氛电渣炉有效防止氧化

    过去，常采用往渣池中加入脱氧剂（Al、CaSi、FeSi、Mg等）对熔渣连续脱氧，但是这会导致熔渣组分改变，从而使重熔锭中的易氧化元素含量与自耗电极不一致。针对上述问题，东北大学有关人员进行了大量研究，开发了几种可控气氛电渣重熔技术。
    惰性气体、干燥空气保护电渣炉。（楷体）惰性气体（Ar、N₂）保护电渣炉主要目的是防止重熔过程钢中活泼金属元素氧化。主要采用Ar气保护，而对于含氮钢则可以采用N₂，这样一方面可减少氮损失，另一方面也可减少昂贵的Ar气使用量。干燥空气保护电渣炉适合于重熔对氢比较敏感的钢种（特别是大型钢锭）。近期，他们研制的多台全密闭保护气氛电渣炉即将投入工业生产。
    加压电渣重熔技术。（楷体）近期，东北大学研制成功了100公斤加压电渣重熔炉。加压电渣炉设计最高工作压力为7.0兆帕，目前实验阶段的冶炼压力为2兆帕~3.5兆帕，利用加压电渣重熔工艺来 制备5种不同的高氮奥氏体不锈钢。在电渣重熔过程中二次电压为41V，电流为1500~2500A，渣系选择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，氮气采用99%工业氮气，实践证明，通过加压电渣重熔方法可以熔炼出氮含量达1.21%的高氮不锈钢。液态电渣浇注适满足复杂形状成型要求
    目前，东北大学与乌克兰巴顿电焊研究所合作为国内某企业开发了液态电渣浇注200吨级大型复合轧辊、300吨级大型空心钢锭和实心钢锭新技术，其原理如下所示。电渣液态浇注技术直接使用液态金属，不需要制备自耗电极，可省去电极制备的工序和成本，提高了操作灵活性，可实现复杂形状产品的电渣成型。导电结晶器是电渣液态浇注的核心技术，其上部导电环可作为非自耗电极，靠它向渣池提供电能，以补充不断消耗的热能。

图为电渣液态浇注技术示意图:  a)浇注复合轧辊；(b)浇注空心锭；(c)浇注实心锭