真空常壓與氣體保護(hù)電渣熔煉的比較

2012-11-06 劉喜海東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院

　　真空、常壓與氣體保護(hù)電渣熔煉都是用來提高鋼材及合金質(zhì)量的冶金技術(shù)，叁者的冶金特性有相似之處，也有不同的地方。本文通過分析對(duì)比，找出每種方法的利弊，供真空冶金工作者選用。

　　為了提高鋼材及合金的質(zhì)量，增加其品種，以適應(yīng)航空、航天、航海和核工業(yè)發(fā)展的需要，冶金工作者先后開發(fā)出了常壓，氣體保護(hù)和真空電渣冶煉技術(shù)與設(shè)備。這三種技術(shù)都是現(xiàn)代技術(shù)，三者的冶金特性有相似之處，也有不同的地方。相似之處主要體現(xiàn)在：冶煉過程都用渣料，都是渣電阻加熱;都采用自耗電極和水冷結(jié)晶器。不同的地方是：冶金機(jī)理、冶煉過程和產(chǎn)品質(zhì)量。

1、發(fā)展的歷史

　　常壓電渣爐(ESR)起源于20 世紀(jì)50 年代，1958 年5 月，在前蘇聯(lián)梅多厄爾院士領(lǐng)導(dǎo)下，在烏克蘭扎波洛什市德聶泊爾特鋼公司建成0.5 t，p909 型電渣爐4 臺(tái)，1959 年，美國(guó)霍普金斯領(lǐng)導(dǎo)新建3.6 t 電渣爐3 臺(tái)。1959~1965 年，美國(guó)和西歐各國(guó)電渣重熔與真空電弧重熔之間展開了激烈的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，1965 年西歐和美國(guó)冶金工作者做了全面、系統(tǒng)的研究，其結(jié)論是電渣重熔設(shè)備簡(jiǎn)單、生產(chǎn)費(fèi)用低、操作方便、鑄錠表面光潔，熱塑性好，成材率高。

　　這一結(jié)論，使得電渣重熔技術(shù)得到了迅速發(fā)展的機(jī)會(huì)。美國(guó)consare 公司、德國(guó)Loybold- Herealls 公司、英國(guó)Birlec 公司、奧地利Bohler 公司和日本真空株式會(huì)社都開始制造電渣爐。到1988 年，第一代電渣爐開始更新，電渣熔煉鋼的年產(chǎn)量達(dá)120 萬t，單個(gè)鑄錠重達(dá)165 t，同時(shí)出現(xiàn)了電渣熔鑄管件及異形鑄件，并且開始用電子計(jì)算機(jī)控制電渣熔煉過程。據(jù)2008 年的不完全統(tǒng)計(jì)，電渣鋼年產(chǎn)量為200 萬t，單個(gè)錠重達(dá)204 t。電渣熔煉過程的理論也得到了發(fā)展和完善。

　　我國(guó)電渣冶金技術(shù)幾乎與美、蘇同時(shí)起步，1959 年李正幫院士在衡陽冶金機(jī)械廠生產(chǎn)了100 kg 高速鋼電渣鑄錠，同年李院士與北京鋼鐵學(xué)院朱覺教授合作，采用電渣重熔法研制成功了航空軸承鋼。1960 年李院士負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)制造了我國(guó)第一代電渣爐。上海重型機(jī)械廠與北京鋼鐵學(xué)院合作，1981 年建成200t 級(jí)三相雙極串聯(lián)電渣爐。

　　東北大學(xué)劉喜海與第一重型機(jī)械廠于2008 年共同承擔(dān)核電用120 t 電渣爐。目前電渣冶金理論在不斷完善，電渣爐的爐型不斷創(chuàng)新，我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入了世界電渣冶金技術(shù)的先進(jìn)行列。

　　常壓電渣重熔是在大氣氣氛中進(jìn)行的，金屬中的氫、氧含量難于降低，氧的介入更多的由于熔渣上方的電極受熱氧化引起的。為解決這些問題，采用惰性氣體保護(hù)下的電渣重熔工藝，在防止增氫的同時(shí)，也防止增氧。

　　1998 年，德國(guó)ALD 公司為英國(guó)第五RIXSON高溫合金有限公司制造了第一臺(tái)惰性氣體保護(hù)電渣重熔爐(PESR)。這臺(tái)電渣爐在結(jié)晶器上方配置了一個(gè)密封罩，用惰性氣體把熔煉區(qū)與大氣隔離開。該熔煉過程是在完全無氧化的惰性氣氛下進(jìn)行的，熔渣和自耗電極不會(huì)被氧化，提高了重熔錠的純凈度。

　　20 世紀(jì)90 年代，德國(guó)Hanall 城Leybod 公司綜合了真空電弧重熔與電渣重熔的優(yōu)缺點(diǎn);對(duì)超級(jí)合金而言，真空電弧重熔純凈度高，氣體含量極低，成分可精確控制，凝固件好，鑄錠組織致密。但是，真空電弧重熔不能脫硫、磷等非金屬夾雜，且易形成白點(diǎn)及年輪狀偏析。常壓電渣熔煉金屬同樣會(huì)有良好的組織結(jié)構(gòu)和高的純度，而且脫硫效果好，不易形成白點(diǎn)和年輪狀偏析。但是，常壓電渣重熔過程中活潑元素?zé)龘p嚴(yán)重，成分難控制，氣體含量有時(shí)還會(huì)增加。因此，德國(guó)ALD真空技術(shù)公司將兩者結(jié)合開發(fā)了具備兩者優(yōu)點(diǎn)，克服兩者缺點(diǎn)的真空電渣重熔技術(shù)(VAC- ESR)。

2、設(shè)備的對(duì)比分析

　　真空、常壓、氣體保護(hù)電渣重熔設(shè)備都有機(jī)械傳動(dòng)部分、自動(dòng)控制系統(tǒng)、供電回路、水冷系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等。其結(jié)構(gòu)大同小異，功能基本相同。

2.1、常壓電渣爐

　　常壓電渣爐應(yīng)用很普遍，國(guó)內(nèi)外有許多生產(chǎn)廠家，種類比較多。主要有單相電渣爐、雙極串聯(lián)電渣爐、三相電渣爐等。圖1 給出的是一種典型的單相單極電渣爐，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)相對(duì)較低，占地面積小，操作與維護(hù)都比較方便。

2.2、氣體保護(hù)電渣爐

　　圖2 給出了美國(guó)康薩克公司生產(chǎn)的一種氣體保護(hù)電渣爐。從圖中可以看出，它比常壓電渣爐多了一個(gè)氣體保護(hù)罩，相應(yīng)的還應(yīng)該有一套供氣系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)比常壓電渣爐復(fù)雜，制造成本高，占地面積大，使用和維護(hù)都相對(duì)復(fù)雜。

　　奧地利INTECO 公司開發(fā)了一套以生產(chǎn)低鋁、硅含量的超純合金氣體保護(hù)電渣爐，采用套裝短模，多個(gè)電極自動(dòng)更換系統(tǒng)，用于生產(chǎn)長(zhǎng)度超過4 m 的鋼錠。其主要特性和技術(shù)數(shù)據(jù)是：最大錠子直徑Φ500 mm，長(zhǎng)4000 mm，最大電極長(zhǎng)2000 mm，變壓器功率為15 kA，30- 90VAC，自動(dòng)更換電極大約需要60 s。這套系統(tǒng)靠一個(gè)無鐵芯變壓器供電，能持續(xù)不斷地調(diào)整負(fù)荷端電壓，其中的高流線圈是一種改進(jìn)的并聯(lián)形式，以減少爐子的阻抗。

2.3、真空電渣爐

　　圖3 給出的是我們自行設(shè)計(jì)的真空電渣爐結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可以看出，真空電渣爐比常壓電渣爐多一套真空系統(tǒng)(包括真空室、真空機(jī)組);比氣體保護(hù)電渣爐多一套真空機(jī)組(包括閥門、管道、真空泵和測(cè)試儀表)，少一套充氣系統(tǒng)。因此，真空電渣爐比前倆者造價(jià)高，占地面積大，功耗高，操縱與維護(hù)都比較麻煩。真空電渣爐目前還處在工業(yè)實(shí)驗(yàn)階段，最大熔煉直徑為1100 mm，重約1500 kg，錠材質(zhì)量好。