新一代電渣冶金技術(shù)滿足高品質(zhì)特殊鋼需求

新一代電渣冶金技術(shù)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(shù)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(shù)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(shù)誕生早期就開始進行電渣冶金工藝理論和設(shè)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(shù)研發(fā)。電渣連鑄技術(shù)兼具電渣冶金和連鑄的技術(shù)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(shù)。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(guān)。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(gòu)；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(shù)在國內(nèi)2家鋼鐵企業(yè)也得到了成功應(yīng)用。特厚板坯電渣重熔技術(shù)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(gòu)件（高壓容器、鍋爐、反應(yīng)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(shè)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(shù)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(lǐng)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(shù)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(guān)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(yīng)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(shè)計出了合理的電渣爐結(jié)構(gòu)布置方式。在上述研究基礎(chǔ)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(shù)（恒渣阻控制）、研制了智能化電渣爐成套設(shè)備和工藝技術(shù)。可控氣氛電渣爐有效防止氧化過去，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(guān)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(shù)。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(shù)。（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(shè)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(shù)，其原理如下所示。電渣液態(tài)澆注技術(shù)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