真空电渣炉的发展策略

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学机械工程与自动化学院 作者:谢元华

  真空电渣熔炼具有脱氧性能好、防止金属氧化等众多优点。真空电渣炉的发展是冶金工作者关心的问题,但目前真空电渣炉的发展很慢。本文将分析真空电渣炉发展缓慢的原因、找出其问题并给出相应的发展方向和策略。

  真空电渣熔炼是在真空电弧熔炼和气体保护电渣熔炼基础上发展起来的特种钢熔炼技术。实现真空电渣熔炼技术的设备称为真空电渣炉。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为真空电渣炉是提高冶金产品质量、改善冶炼产品品质、增加冶炼产品品种的先进冶金设备,具有很好的发展前景。然而,目前世界上只有少数几个国家才有这种设备。我国至今还没有这种设备上市,甚至在科研界,对这种设备的发展还具有争论。本文站在支持新生事物的角度,对真空电渣炉的发展提出一些认识和策略。

1、真空电渣炉的诞生和发展现状

  20 世纪90 年代德国Hanau 城Leybold 公司综合了真空电弧重熔的特点:对超级合金而言,真空电弧重熔纯净度高、气体含量极低、成分可精确控制、凝固件质量好、铸锭组织致密、成分比较均匀;但是,真空电弧重熔不能脱除硫等有害的非金属夹杂,而且容易形成白点及产生年轮状偏析。同时,普通电渣炉熔炼金属的特点如下:熔炼的合金具有良好的组织结构、纯度高、脱除硫等非金属夹杂物效果良好、不容易形成白点或产生年轮状偏析;但是,普通电渣重熔过程中活泼元素的烧损较多,成分控制困难,气体含量有时会增加。

  考虑到真空电弧重熔与普通电渣重熔各自的优缺点,德国ALD 真空工业有限公司开发了能利用两者优点、克服两者缺点的真空电渣重熔技术与设备。并且利用真空电渣重熔设备生产出锭径250 mm,锭重360 kg 的重熔锭。铸锭表面光滑,无任何表面缺欠,在有效脱硫的情况下,活泼元素钛、铝等几乎没有烧损。

  真空电渣熔炼金属具有良好的特性,表1 给出了Inconel 718 合金在真空电渣重熔后的金属成分变化情况。从表1 可以看出真空电渣重熔脱硫效果十分显著,活泼元素Ti、Al 等没有烧损。表2 为不同冶炼方法钢制模具的单个模次成本对比。从表2 可以看到,随着模具钢质量的提高,尽管模具的生产总成本依次提高,但压铸件实际单个成本却呈下降趋势,真空电渣重熔钢模具的实际单件成本仅为普通材料模具的45.5%,实际生产成本最低。

表1 Incone1718 合金真空电渣重熔前后的化学成分对比(wt%)

Incone1718 合金真空电渣重熔前后的化学成分对比

表2 不同冶炼方法钢制模具的单个模次成本对比

不同冶炼方法钢制模具的单个模次成本对比

  这些事实引起了冶金工作者的注意和兴趣,特别是在特殊钢的冶炼方面,需要新的冶炼技术。为此,德、意、日、美等国家先后开发生产出了真空电渣炉,目前已有真空电渣炉和真空电渣重熔产品上市,并销售到了其他国家。图1 为这些国家开发出来的真空电渣熔炼设备的原理示意图。我国李正邦院士最先介绍了真空电渣炉。沈阳金属研究所申报了“一种低氧低夹杂物铜铬合金触头的生产方法”的专利,专利说明该方法结合了真空感应电炉熔炼与真空电渣重熔两种技术,被称为双联技术。东北大学刘喜海等人成立了真空电渣炉研究小组,先后发表了几篇有关真空电渣炉方面的文章。并且于2013 年3 月由刘景远工程师设计,沈阳科友真空有限公司制造的10 kg 真空电渣炉已经诞生,正在进行各种实验研究。图2 为该设备外形照片。

真空电渣炉的发展策略

2、真空电渣炉发展过程中遇到的难题

  很多人都看到了真空电渣炉的特点:

  1) 真空环境中的低气体压力使冶炼的物理过程发生了改变,有利于气体的脱出。在真空条件下,物质的物理性质会发生改变,沸腾温度会降低。例如,水在常压下沸腾温度为100 ℃,而在真空条件下只要70 ℃~80 ℃,随真空度的变化而变化。金属也是一样,例如锌在常压下906 ℃沸腾,而在真空条件下只要800多℃即可沸腾。铅在常压下沸点为1740 ℃,而在真空中1000 ℃即可蒸发。就是说在真空条件下,金属的沸点降低了,有利于金属的气化,蒸发和脱气。

  真空条件下,金属熔化时原来夹杂在金属中的气体放出后能很快离开金属熔液被真空泵抽走。原来金属与气体生成的化合物,在熔炼过程中分解放出的气体也很快被真空泵抽走。

  在真空条件下,渣的温度、粘度、透气性都有改变,随冶炼温度的升高,渣的湿含量降低、粘度降低、透气性变好,使得熔炼过程中气体夹杂物减少,更容易脱气。

  金属在真空中精炼不会形成气孔或中间夹杂。金属或氧化物在真空中形成气体之后其分子直径很小且分散性好。在真空中多原子分子倾向于分解成较少原子组成的分子,形成的气体分子很小,粒径一般在10-10 m,容易被真空系统抽走。

  2)真空环境中气体稀薄,金属氧化物被还原成气态金属或液态金属,金属与气体生成的化合物也能被分解放出气体,金属在熔化过程中无论在液态或是固态都不会被氧化。

  3)真空电渣重熔可实现节能环保。从表面上看真空电渣重熔比普通电渣重熔多了一套真空系统,必然增加设备的成本和运转费用,但实际上并非如此。真空电渣重熔无废水、废气、废渣,对环境极少污染;金属回收率高,烧损少;能解决普通电渣炉解决不了的问题,提高了熔炼产品的质量和销售价格,效益好。因此,可以从长期使用真空电渣重熔的高度分析,实现了环保节能,提高产品质量节能,增加效益节能。综合分析的结果,真空电渣重熔设备的投资和运转费用增加可以忽略。

  同时,也发现了真空电渣炉的广泛用途:真空电渣熔炼适合于真空感应熔炼或普通电渣熔炼后金属锭的重熔和精炼。精炼后的金属锭中O2、N2、H2 等气体含量极低,硫、磷等非金属夹杂很少,金属产品的质量有较大提高,适合于航空、航天、航海、军工、高铁和核工业等高端技术领域的应用。

  但是,真空电渣炉的发展确实很慢,究其原因,主要有:

  1)真空电渣炉的用渣

  真空电渣熔炼过程中渣的作用与常压电渣熔炼和气体保护电渣熔炼中所起的作用一样,主要是消除金属中的硫、磷等夹杂物和起发热元件的作用。具体表现在:

  (1)渣起发热元件的作用。重熔过程中热量通过焦耳效应产生,符合常规的电阻发热定律。因此,应该确保渣阻与供给功率的电压、电流之间的平衡关系。大多数渣的电阻率在熔炼温度下为0.2~0.8 Ω·cm,熔炼温度通常比金属熔化温度高200~300 ℃。在高温度下渣呈液态。重熔电流、电压、渣池深度和渣电阻率之间的关系很复杂,把这种关系调到最佳值是操作者的技术。

  (2)熔渣对非金属材料是溶剂。当金属电极进入渣池时,电极端部达到熔化温度,就会形成金属熔化膜,熔化的金属靠自重汇成熔滴,暴露出来的非金属夹杂将熔解在渣里,起到了冶炼提纯金属的作用。因此,渣的成分必须能溶解杂质又不影响渣的性质,为此,在重熔时必须连续调整渣成分。

  (3)渣是电渣重熔工艺中的精炼剂。重熔过程中化学反应的主要部位在电极端部金属熔膜与渣的界面处,这里的金属膜条件对于快速反应是最理想的。

  (4)渣起到保护金属免受污染的作用。由于金属在渣层下熔化和凝固,已熔化的金属不会与大气接触而氧化。

  (5)渣能形成结晶器衬。由于水冷结晶器壁温度维持在渣熔点温度以下,熔渣与结晶器之间必定形成渣壳,这层渣壳起着结晶衬的作用。在真空条件与渣的联合作用下,达到了真空电渣重熔冶金,精炼金属的目的。

  在真空电渣熔炼过程中,渣温达1973~2173 K,氟化物渣蒸汽压高,污染环境,不适合真空电渣熔炼。比较适合真空电渣熔炼的渣,应该是无氟渣系,高碱性渣。通常要求该类渣系具有以下特性:①电导率值比较大;②熔点低,挥发物少,蒸汽压低;③化学性质稳定,具有脱氧,脱硫、磷能力。虽然无氟渣在防止污染和提高电渣重熔热效率方面具有突出的优越性,但目前在世界上仍处于试验阶段。甚至在研究无氟渣方面积累了丰富经验的蒂森特殊钢公司克雷费尔德钢厂大量采用的仍是含氟渣40%CaO+40%Al2O3+20%CaF2及70%CaF2+30%Al2O3。这是由于无氟渣电渣重熔存在以下问题,研究无氟渣应探索解决这些问题的途径。

  (1)引燃问题。无氟渣熔点高、导电率低,引燃困难。应调整渣成分适当降低渣的熔点,采用高电压的化渣炉熔渣,液渣引燃,然后重熔阶段再降低电压。

  (2)铸锭成形问题。无氟渣电渣重熔铸锭表面附着的渣皮薄,但厚度不均匀,影响铸锭表面光洁度。这是由于通用无氟渣成分一般选择5CaO·3Al2O3 共晶点附近,该共晶点附近液相线陡升。当液相渣成分稍微波动时,渣熔点变化显著,影响铸锭成形。因此使用无氟渣电渣重熔时输入功率要稳定。

  (3)氢的问题。CaO-Al2O3 渣系中自由氧离子O2- 活度较高,容易与大气中的水蒸气、结晶器壁上的冷凝水以及渣中的结晶水反应形成羟基负离子(OH-)溶于渣中,再进一步以[H]溶于钢中。同时无氟渣- 钢之间氢的分配系数小,CaO-Al2O3渣(H)/ [H]≈1,而70%CaF2+30%Al2O3 渣(H)/ [H]为7~10,所以使用无氟渣应充分烘烤脱水,保持气氛干燥,同时渣中可适当加入SiO2,以减少O2- 活度。

  (4)球状夹杂物的问题。德国加玛尔试验发现,用CaO-Al2O3 渣重熔合金结构钢时,钢中球状夹杂物平均级别比用CaF2-Al2O3 渣重熔时高26.5%。前苏联梅多瓦尔试验发现,CaO-Al2O3 渣重熔轴承钢时,球状夹杂物平均级别高一倍。根据定性分析, 这类夹杂物是铝酸盐钙mCaO·nAl2O3,应考虑改变电极冶炼终脱氧制度和调整渣成分解决。

  (5)关于工作电压过高的问题。无氟渣的电导率低,使用无氟渣电渣重熔时,往往需要较高的工作电压。

  特别重要的是渣的真空特性直至今日还未见到有人研究报道。渣的真空特性包括渣的放气量、放出的气体成分、气体中是否含有颗粒、颗粒度大小、渣的含水量、渣与水的结合情况、渣的透气性、渣的粘温特性等,到现在还不清楚。这些特性非常重要,不但会影响真空冶金效果,而且还会影响真空电渣炉的设计与制造,甚至关系到真空电渣炉的发展、前途和命运。

  2)真空电渣炉真空系统的设计

  真空电渣炉与普通电渣炉相比其主要区别在于多出一套真空系统,这套真空系统的设计既不同于真空电弧炉,也不同于真空感应炉。因为,真空电渣炉里有渣,熔炼过程中还要加渣,而且渣的真空特性还不清楚。所以,真空电渣熔炼需要的真空度是多少?主泵选用哪种类型的泵?熔炼过程中放气量有多大?选用多大抽速的真空泵?熔炼过程中挥发物的量有多大?颗粒物的直径有多大?选用什么样的过滤器?熔炼过程中放出的气体温度有多少?是否需要设置冷凝器?电极杆与真空罩之间的动密封如何设计?是否会有磨损问题?等等,一系列的问题都需要认真研究解决。上述问题都是暂时无法解决的难题。

3、发展真空电渣炉的策略

  任何事物的发展都不是一帆风顺的。遇到难题就放弃的观点是不科学的;看不到难题,盲目生产真空电渣炉也是不负责任的。新事物的成长都需要认真、耐心的去扶植,需要有人花时间去研究、探索。而探索的方法就是实践,实践是检验真理的唯一标准。

  对于设计、生产真空电渣炉的实践,可以分成两步走:

  1)从真空冶炼用渣的真空特性开始研究

  建立渣的真空特性试验台,研究渣在真空、常温环境下的放气量,放出的气体成分、颗粒度;研究渣在真空、高温(金属熔炼温度)下的放气量,放出的气体成分、颗粒度,渣的黏度、粘温特性,渣的透气性等;研究渣与金属是否有化学反应,渣与真空泵油是否会有化学反应。这些性能参数都是真空电渣炉设计计算必不可少的,这些研究都是基础性的研究。

  在熔炼过程中还要研究渣的电特性、冶金特性,在真空环境下加渣的物理特性。应该研究不同渣成分时的上述特性,配制、寻找适合真空电渣熔炼的、经济的、环保的新型渣系。

  2)建立小型实验用真空电渣熔炼系统

  设计、制造小型真空电渣炉比较省钱,实验用的设备比较灵活,可以随时拆装、改造;但是,必须功能齐全,特别是测试装置的功能、精度要求可靠。

  实验用真空电渣炉装配好后,需要进行真空冶炼实验。具体的实验方案,需要周密的编制,这里给出一种实验方案,供使用者参考。

  (1)空载性能实验

  设备安装好后,在没有加负载的情况下进行实验,检测真空电渣炉的空载性能:①真空性能实验:漏气率、极限真空度、真空室抽气到1 Pa 需要的抽气时间等;②控制性能实验:真空泵的运转、阀门的开启、关闭、测量仪表的运行、加料量的控制、电极杆的运行速度控制;③运动性能实验:电极杆、拖锭车、真空罩等运动部件需要运动灵活。

  (2)负载性能实验

  ①加渣引弧实验:首先实验在大气压下引弧,如果在大气压下引弧顺利,再进一步实验在真空状态下的引弧。真空度对于引弧会有什么影响?现在的实验还正在进行中,目前的现象是真空度对于引弧有较大的影响。在相同的引弧剂和渣料的情况下,真空度在800 Pa 时引弧顺利,600 Pa 时引弧困难,低于600 Pa 不能正常起弧。

  ② 正常熔炼实验:改变真空度,考察真空度对熔炼过程的影响;改变电流、电压,考察对熔炼过程的影响;改变熔炼速度,考察对熔炼过程的影响;改变冶炼钢的品种,考察对熔炼过程的影响;改变渣的配方,考察对熔炼过程的影响。

  ③检测冶金品质:对各种实验方法得到的熔炼金属锭,进行微观组织检测(包括组织结构、偏析程度、含气量、非金属夹杂等),金属性能检测等。

  ④稳定性能实验:考察设备长期运转的稳定性;冶炼金属锭的组织、成分、性能的稳定性;冶炼金属过程对真空设备的影响等。

  真空电渣冶炼技术、真空电渣炉都是新生事物,目前还不成熟、不完善、不尽如人意,需要发展、需要研究、需要冶金工作者的开发和扶植。发展真空电渣炉的途径很多,本文谈到的只是其中的一种,只是从机械设计与制造人员角度出发讨论问题,所讨论的问题可能有些片面,也可能会有不当之处,仅供关心真空电渣炉发展的科技工作者参考。

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