國內(nèi)外電渣冶金發(fā)展概況
電渣冶金起源于美國，一九四O年霍普金斯取得了發(fā)明專利。一九五八年，蘇聯(lián)德聶泊爾特鋼廠工業(yè)電渣爐建成，現(xiàn)代電渣冶金開始進入工業(yè)化進程。46年來國內(nèi)外電渣冶金取得了突飛猛進的發(fā)展，新工藝、新技術(shù)層出不窮，形成了一個跨專業(yè)、跨行業(yè)的新學科。了解和掌握國內(nèi)外電渣冶金發(fā)展概況，對東北特鋼電渣冶金的定位及決策具有一定的參考價值。
1 國外電渣冶金發(fā)展概況
一九四○年雖然霍普金斯已取得了發(fā)明專利，但是由于當時技術(shù)上的封閉和不成熟，以及理論上存在著電渣冶金是埋弧過程的錯誤的主導思想，致使電渣冶金的發(fā)展長期處于停滯狀態(tài)。
現(xiàn)代電渣冶金技術(shù)是由前蘇聯(lián)發(fā)展起來的。烏克蘭巴頓電焊研究院在埋弧焊接過程中偶然發(fā)現(xiàn)，過多的渣液會使電弧熄滅，并使操作變得平穩(wěn)，于是發(fā)明了電渣焊。并在電渣焊的基礎(chǔ)上開發(fā)出電渣冶金技術(shù)。一九五八年，烏克蘭德聶泊爾特鋼廠建成了世界第一臺0.5t工業(yè)電渣爐，使電渣冶金進入了工業(yè)化生產(chǎn)進程。
進入六十年代，出于航空航天及軍備競賽的需要，蘇聯(lián)對電渣冶金開展了大量的研究工作，并曾一度把發(fā)展電渣冶金作為蘇聯(lián)的第二黨綱，極大地推動了電渣冶金的發(fā)展。而美國和西歐的一些國家，在真空電弧重熔與電渣金熔經(jīng)歷了七年激烈競爭后確認，電渣重熔不僅設(shè)備簡單，易于操作，成本較低，在質(zhì)量方面，除去氣不及真空電弧重熔外，結(jié)晶組織、鋼錠表面、脫硫及去除夾雜物的能力均優(yōu)于真空電弧重熔。因此，很多航空材料轉(zhuǎn)向由電渣重熔設(shè)備生產(chǎn)。一些生產(chǎn)真空冶金設(shè)備的專業(yè)廠家如美國的Consarc公司，西德的Loybold-Hereaus公司及奧地利的BohClr公司等，也都轉(zhuǎn)向生產(chǎn)電渣爐。由于很多國家都致力于發(fā)展電渣冶金，六、七十年代是電渣冶金飛躍發(fā)展的年代。
多年來，國外電渣冶金已不滿足于一般電渣錠的生產(chǎn)，在工業(yè)技術(shù)成熟的基礎(chǔ)上向著更深更廣的領(lǐng)域發(fā)展，形成了一個跨專業(yè)、跨行業(yè)的新學科。已開發(fā)出的工藝技術(shù)有：電渣熔鑄、電渣澆注、電渣轉(zhuǎn)注、電渣熱封頂、電渣離心澆注、電渣復合熔鑄及快速電渣重熔等。
尤其值得重視的是電渣熔鑄異形件的發(fā)展，小到幾十克重的不銹鋼假牙齒，大到幾十噸重的發(fā)電機轉(zhuǎn)子，直至重量超過百噸的水泥回轉(zhuǎn)窯爐圈等，均可不經(jīng)鍛造在異形水冷結(jié)晶器中直接熔鑄成型?，F(xiàn)在電渣熔鑄的主要產(chǎn)品有大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子、水輪機葉片、船舶柴油機大型曲軸、各種高壓容器、大型環(huán)件、各類軋輥、模具、透平渦輪盤、厚壁中空管、石油裂化管、齒輪毛坯、三通管、核電站壓水堆主回路管道等。種類規(guī)格之多，形狀之復雜不勝枚舉。
除此之外，實用性較強，具有發(fā)展前景的還有電渣熱封頂、電渣離心澆注及快速電渣重熔等。
電渣熱封頂(ESHT)即電渣熱補縮有兩種類型。一是大型鑄錠的電渣熱封頂，二是大型鑄件的電渣熱封頂。其功效都在于減小縮孔深度，消除疏松和偏析，提高鑄錠及鑄件的成材率。大型鑄錠的電渣熱封頂是用一般冶煉方法冶煉的鋼液澆入盛有渣料的鋼錠模。由于融渣的比重大大小于鋼液，因此在錠模內(nèi)鋼液上面迅速形成一個渣池，將金屬電極或石墨電極插入渣池，適量輸入電能即可進行熱封頂。采用金屬電極熱封頂，可使金屬液以熔滴的形式不斷地填充縮孔，效果優(yōu)于石墨電極。但必須制備與鑄錠化學成分相同的“本鋼種”金屬電極。
在采用電渣熱封頂技術(shù)的國家中，奧地利采用水冷保溫帽，意大利采用耐火材料做保溫帽，烏克蘭采用石墨襯和耐火水泥勾縫的保溫帽。水冷保溫帽熱損失稍高，但可避免耐火材料污染鋼液，并且沒有耐火材料消耗。
日本特殊電極份公司與小松制造廠推出冒口加熱裝置，實質(zhì)上是用于鑄件的電渣熱封頂裝置。熱封頂過程中，將帶有石墨電極的活動的三角支架，固定在已澆注完畢的砂型上，然后將石墨電極降至冒口端的渣中通電保溫，防止鑄件在凝固過程中產(chǎn)生縮孔及疏松等缺陷。實驗報告表明，同樣是7.6t的鑄鋼件，用常規(guī)方法澆注的鑄件，冒口重量為3.52t，而用電渣熱封頂?shù)姆椒翱谥亓績H為620kg。收得率由常規(guī)方法的68%提高到92%。過去必須開動兩臺電爐同時澆注才能滿足鑄件重量要求的產(chǎn)品，采用電渣熱封頂，提高金屬收得率后，有時僅開動一臺爐子即可澆注成，使電費、耐火材料費、人工費、火切費及熱處理費等均明顯降低。
電渣離心澆注是把有襯電渣冶煉及離心澆注兩項技術(shù)融合在一起，將有襯電渣爐冶煉的鋼液連同融渣一起倒入模內(nèi)，在離心鑄造的旋轉(zhuǎn)過程中，模具內(nèi)表面形成均勻的渣殼，為各種異形鑄件表面質(zhì)量的提高創(chuàng)造了有利條件;液態(tài)金屬在離心力的作用下凝固結(jié)晶，成為組織致密的鑄件。該技術(shù)在國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛。
快速電渣重熔的內(nèi)容已由 2003年《遼寧特殊鋼》雜志第一期詳細刊載，故不贅述。
隨著電渣冶金的發(fā)展及金屬材料要求的不斷提高，鋼錠大型化已成為電渣冶金發(fā)展的必然趨勢。最初各國工業(yè)電渣爐容量僅為0.5t，大一些的一般也不超過3噸。八十年代中期，很多國家都有了50噸以上的電渣爐，就連印度這樣的發(fā)展中國家也建立了88噸電渣爐。目前，世界上最大的電渣爐是我國上海重型機器廠的200噸電渣爐及德國薩爾鋼廠的165噸電渣爐。世界上最大的電渣鋼生產(chǎn)廠家是烏克蘭德聶泊爾特鋼廠，該廠擁有22臺電渣爐和年產(chǎn)10萬噸電渣鋼的生產(chǎn)能力。
在理論上，電渣冶金去除非金屬夾雜物的機理發(fā)生了極大變化。過去受蘇聯(lián)的影響電渣冶金工作者普遍認為，電渣冶金去除非金屬夾雜物主要靠夾雜物從金屬熔池中向上浮升，之后被融渣吸附。當浮升速度大于金屬的結(jié)晶速度時，夾雜物就能得以去除;當浮升速度小于金屬的結(jié)晶速度時，夾雜物就殘留在金屬中。
我國李正邦等電渣冶金工作者經(jīng)過實驗，提出電渣冶金去除非金屬夾雜物主要靠電極末端熔滴形成的過程。這一過程使近三分之二的夾雜物得以去除。其余三分之一是在熔滴通過渣池向金屬熔池過渡及夾雜物由金屬熔池向上浮升等階段去除的。這一理論在80年代逐漸為諸多國家的電渣冶金工作者所接受，在1988年第九屆國際真空冶金會議上，美國真空冶金學會主席G·K·Bhat博士表示：“從此去夾雜物機理之爭可以結(jié)束”。
在工藝方面，正常重熔期采用遞減功率代替了恒功率輸入，使電渣鋼的冶金質(zhì)量得到很大的提高。擴大充填比(電極直徑/結(jié)晶器直徑)已成為電渣冶金發(fā)展的必然趨勢。很多歐美國家都采用大充填比的工藝，充填比一般控制在0.7-0.8左右，收到了明顯的節(jié)電效果。在渣系的研究和使用上，已不局限于慣用的ANF-6即CaF 2 /Al 2 O 3 ＝70/30的為數(shù)不多的渣系，各種二元渣、三元渣、四元渣及五元渣的出現(xiàn)，為提高電渣冶金工藝的適用性和再現(xiàn)性創(chuàng)造了有利條件。
在電渣冶金設(shè)備的設(shè)計與制造方面，應(yīng)用了很多新技術(shù)、新材料，實現(xiàn)了電渣冶金先進的工藝思想與生產(chǎn)實際的完美結(jié)合。尤其是保護性氣氛電渣爐、高壓電渣爐和真空電渣爐相繼問世，為電渣冶金的發(fā)展開創(chuàng)了更加廣闊的空間。早期的保護性氣氛電渣爐是在結(jié)晶器上方安置了可輸入氣體的環(huán)形保護罩，結(jié)晶器與大氣是相通的。封閉結(jié)晶器并起到保護作用的主要靠氬氣、氨氣及干燥空氣較空氣重的比重。另外，氣體輸入過程中也有一定的壓力。保護性氣氛電渣爐在防止電渣鋼增氫，減少易氧化元素燒損方面作用比較明顯。
新型保護性氣氛電渣爐屬于全封閉式電渣爐，結(jié)晶器上方用氣密保護罩封閉、冶煉是在全封閉式惰性氣體保護下進行的，因此，保護效果會更好些。
高壓電渣爐主要用于生產(chǎn)發(fā)電機護環(huán)用無磁高氮奧氏體不銹鋼。高壓電磁爐屬于全封閉式電渣爐，重熔過程中熔煉室的氮氣壓力高達4.2MPa。自耗電極由電弧爐生產(chǎn)，氮是以Si3N4 的形式加入鋼中的。德國已用高壓電渣爐生產(chǎn)出直徑為一米，重達20噸的電渣錠。重熔后鋼中氮含量與自耗電極相比有很大的提高。含氮0.85%-1.05%的元磁護環(huán)鋼屈服強度達到1500N/mm 2 以上，滿足了核電站建設(shè)的技術(shù)要求。近幾年來奧地利、保加利亞等國家也建造了高壓電渣爐。
真空電渣爐始建于德國，它結(jié)合和保留了真空電弧爐及電渣爐的優(yōu)點，克服了二者的缺點，使重熔金屬不僅具有良好的結(jié)晶組織、高的純凈度、低的含硫量及氣體含量，而且消除了白點及年輪狀偏析，沒有元素燒損，使高溫合金的重熔質(zhì)量得到極大的改善。真空電爐爐和真空電渣爐同樣是在真空狀態(tài)下進行精煉，其主要區(qū)別在于，真空電弧爐的精煉是在沒有融渣的情況下進行的，精煉過程屬于電弧過程，而真空電渣爐的精煉是自耗電極自始自終插入融渣之中，精煉過程屬于電渣過程。目前世界上僅有德國、意大利、日本等國家有真空電渣爐，其普及率不高的原因，除造價因素外，工藝技術(shù)的適應(yīng)性方面還存在著一定的問題。
2 我國的電渣冶金發(fā)展概況
我國是世界上電渣冶金起步較早的國家之一。一九六○年，重慶特殊鋼廠、大冶特殊鋼廠，大連鋼廠及上鋼五廠的電渣爐先后建成投產(chǎn)。緊隨其后齊齊哈爾鋼廠、撫順鋼廠等工業(yè)電渣爐相繼建成投產(chǎn)。四十多年來，我國電渣冶金始終保持著旺盛的發(fā)展趨勢勢。隨著我國科學技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，航天航海、汽車制造、石油化工、電站建設(shè)、核設(shè)施、機械制造等諸多行業(yè)，以及軍工事業(yè)的發(fā)展、產(chǎn)品更新?lián)Q代、列車提速等諸多環(huán)節(jié)都對鋼的質(zhì)量提出越來越高的要求。電渣鋼以其金屬純凈度高、組織致密、成分均勻、金屬各向異性小、鋼錠表面光潔及成材率高等特點，進一步顯現(xiàn)出勃勃生機。洛陽軸承研究所于一九九七年發(fā)表在《特殊鋼》雜志第四期的題目為《軸承鋼冶煉工藝對滾動軸承額定功率負荷系數(shù)的影響》的文章中，對電弧爐、真空脫氣和電渣工藝冶煉的204軸承進行壽命試驗后，得出的結(jié)論是：“真空脫氣鋼的軸承額定壽命比電爐鋼提高4倍，接觸疲勞額定壽命提高0.8倍;用電渣鋼制造的軸承平均額定壽命比電爐鋼提高11倍，接觸疲勞額定壽命提高2倍”。這一事實說明，真空脫氣無法代替電渣重熔。
近些年來，由于電渣鋼產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)異，越來 越多的用戶訂貨時在合同的冶煉方法一欄明確要求“電渣重熔”。由于電渣爐屬于投資少、見效快的項目，無論是冶金行業(yè)，還是機械行業(yè)均看好電渣鋼產(chǎn)品市場，紛紛出資建造電渣爐，很多廠家同時建造幾臺電渣爐。目前國內(nèi)新建電渣爐的數(shù)量之多，速度之快令人難以想象。
從趨勢上看，新建電渣爐向著鋼錠大型化的方向發(fā)展。八十年代，絕大多數(shù)廠家的電渣爐都在三噸以下，而近10年來十噸以上的電渣爐已相當普遍。就連山東民營企業(yè)也建起了40噸電渣爐。
另外，引進電渣爐的數(shù)量也呈增加的趨勢，一九七九年，齊齊哈爾鋼廠從西德萊保爾德——海拉斯公司引進了一臺十噸單相、單支臂、雙熔位、保護性氣氛電渣爐。之后近20年的時間里， 沒有廠家再從國外引進電渣爐。九十年代末期以來，邢臺軋輥廠、內(nèi)蒙二機及上鋼五廠先后從美國引進了四臺電渣爐。
隨著引進電渣爐數(shù)量的增加，國外電渣爐一些先進技術(shù)也逐漸被移植。重力傳感器的使用為電子稱重系統(tǒng)的應(yīng)用以及計算機控制熔化速率提供了必要條件。
從我國電渣爐的發(fā)展情況看，控制系統(tǒng)已由簡單的自耦，甚至手動控制，發(fā)展為可控硅或PLC控制，部分廠家采用了計算機控制。但是由于我國在冶煉工藝與計算機的結(jié)合方面存在著薄弱環(huán)節(jié)，當前很多廠家的計算機控制實質(zhì)上還是停留在一般的冶煉過程控制上。真正意義上的計算機控制應(yīng)當是在控制冶煉過程的同時，控制熔化速率及熔池的深度和形狀。
在傳動機構(gòu)方面，已由精密球型絲杠及液壓傳動取代了鋼絲繩及梯型絲杠，使支臂及托錠承重小車的升降更加靈活、平穩(wěn)、準確。另外，立柱旋轉(zhuǎn)取代了支臂旋轉(zhuǎn)，不僅解決了支臂旋轉(zhuǎn)巨大的齒輪制造及安裝方面的困難，而且減少了零部件重量，所占空間及造價，轉(zhuǎn)動更加靈活，設(shè)備外觀給人以簡潔明快之感。
變壓器由過去的冶煉過程中必須斷電換檔的無載有級調(diào)壓，發(fā)展為不需斷電即可發(fā)跡和調(diào)整冶煉電壓的有載有級和有載無級變壓器，有載無級變壓器可以在帶有負載，即在冶煉過程中，不需斷電就可把電壓調(diào)整到任何所需位置。有載無級調(diào)壓變壓器的出現(xiàn)，為實現(xiàn)真正意義上的計算機控制提供了必要條件。從變壓器的冷卻方式上，由原來的強制油循環(huán)冷卻，發(fā)展為干式風冷。隨著鐵芯材料質(zhì)量的提高，變壓器發(fā)熱的現(xiàn)象明顯減弱，自冷式變壓器將成為電渣爐用變壓器的發(fā)展方向。西安變壓器廠為山東一企業(yè)制造的 40t 電渣爐用 6000KVA 大型變壓器就是采用自行冷卻方式冷卻的。其主要缺點是為了增大散熱面積，變壓器的體積較大。
為了減少電抗造成的電能損失，消除散磁、降低電流的攪拌作用，防止出現(xiàn)點狀偏析，同軸設(shè)計電路（同軸導電立柱、同軸電纜）將會成為電渣爐今后的發(fā)展方向，到目前為止，國內(nèi)引進的五臺電渣爐全部采用的同軸設(shè)計電路。
另外，二次環(huán)路中通過強大的電流，在電渣爐附近空間會形成一個強大的交變磁場，磁場內(nèi)的鋼鐵構(gòu)件，甚至混凝土中的鋼筋都要產(chǎn)生渦流發(fā)熱，即增加了網(wǎng)路的電能損耗，又有損于結(jié)構(gòu)件的強度。這一點應(yīng)當成為新型電渣爐設(shè)計必須考慮的問題。
從國內(nèi)電渣鋼產(chǎn)量及生產(chǎn)能力方面也呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展的態(tài)勢。李正邦著《電渣冶金原理及應(yīng)用》及姜周華著《電渣冶金的物理化學及傳輸現(xiàn)象》的文章中記載：我國冶金系統(tǒng)有工業(yè)電渣爐 86 臺，電渣鋼年生產(chǎn)能力為 10 萬臺?？稍诙潭痰膸啄陜?nèi)，僅東北特鋼就成為擁有 30 臺電渣爐，形成年產(chǎn) 8.5-9 萬噸電渣鋼的生產(chǎn)能力。目前，已形成年產(chǎn)兩萬噸電渣鋼生產(chǎn)能力的廠家有撫順特鋼、北滿特鋼、大冶特鋼和西寧特鋼。
我國是電渣冶金起步較早的國家，屬于電渣冶金技術(shù)先進的國家。但是在采用電渣熔鑄、電渣澆注、電渣轉(zhuǎn)注、電渣熱封頂、電渣離心澆注、電渣復合熔鑄、快速電渣重熔等新技術(shù)方面普及面不寬，甚至在某些領(lǐng)域近乎處于空白狀態(tài)。
我國在電渣熔鑄異形件方面工作開展較早，很多廠家及院所在六、七十年代就對曲軸、炮管、飛機發(fā)動機渦輪盤、軋輥、模塊等異形件進行過研制，但是電渣熔鑄異形件這項技術(shù)始終沒有真正發(fā)展起來。目前，實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)具有代表性的有西寧特鋼電渣熔鑄軋輥、模塊；沈陽鑄造研究所的大型電站用水輪機葉片、挖掘機復合斗齒、氣壓機連桿；成都冶金硬面技術(shù)加工廠的供無縫管生產(chǎn)用復合穿孔頂頭等。
東北特鋼成立后，北滿、撫順、大連三地合一，電渣爐總數(shù)為 30 臺，可形成年產(chǎn) 8.5-9 萬噸電渣鋼的生產(chǎn)能力。成為世界上電渣爐爐臺總數(shù)第一、產(chǎn)量規(guī)格一流的大型電渣鋼生產(chǎn)集團公司。在發(fā)展戰(zhàn)略上，東北特鋼的電渣冶金不能僅僅滿足于做大，更重要的是要做精、做強，使我們的電渣鋼質(zhì)量在國內(nèi)最高、成本最低、產(chǎn)品最具市場競爭力、產(chǎn)品綜合實力達到國際一流水平。因此如何打造東北特鋼電渣冶金航母，是擺在我們面前的一項重要課題。我們堅信，有東北特鋼電渣冶金雄厚的基礎(chǔ)及資源共享、優(yōu)勢互補這一得天獨厚的環(huán)境，三地之間互相學習、互相促進、取長補短、共同提高，通過不斷地優(yōu)化和改進工藝，推廣新工藝、新技術(shù)，努力提高電渣鋼的實物質(zhì)量，降低生產(chǎn)制造成本，東北特鋼的電渣冶金定會取得更大的發(fā)展。
參 考 文 獻
1 李正邦.電渣冶金原理及應(yīng)用
2.李正邦.二十一世紀電渣重熔與電渣熔鑄的展望
3.姜周華.電渣冶金的物理化學及傳輸現(xiàn)象
4.傅 杰.特種熔煉與冶金質(zhì)量控制
5.日本特殊電極股份公司，熱封頂鑄造試驗調(diào)查報告 (end)