真空常压与气体保护电渣熔炼的比较

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学材料与冶金学院 作者:刘喜海

  真空、常压与气体保护电渣熔炼都是用来提高钢材及合金质量的冶金技术,叁者的冶金特性有相似之处,也有不同的地方。本文通过分析对比,找出每种方法的利弊,供真空冶金工作者选用。

  为了提高钢材及合金的质量,增加其品种,以适应航空、航天、航海和核工业发展的需要,冶金工作者先后开发出了常压,气体保护和真空电渣冶炼技术与设备。这三种技术都是现代技术,三者的冶金特性有相似之处,也有不同的地方。相似之处主要体现在:冶炼过程都用渣料,都是渣电阻加热;都采用自耗电极和水冷结晶器。不同的地方是:冶金机理、冶炼过程和产品质量。

1、发展的历史

  常压电渣炉(ESR)起源于20 世纪50 年代,1958 年5 月,在前苏联梅多厄尔院士领导下,在乌克兰扎波洛什市德聂泊尔特钢公司建成0.5 t,p909 型电渣炉4 台,1959 年,美国霍普金斯领导新建3.6 t 电渣炉3 台。1959~1965 年,美国和西欧各国电渣重熔与真空电弧重熔之间展开了激烈的技术竞争,1965 年西欧和美国冶金工作者做了全面、系统的研究,其结论是电渣重熔设备简单、生产费用低、操作方便、铸锭表面光洁,热塑性好,成材率高。

  这一结论,使得电渣重熔技术得到了迅速发展的机会。美国consare 公司、德国Loybold- Herealls 公司、英国Birlec 公司、奥地利Bohler 公司和日本真空株式会社都开始制造电渣炉。到1988 年,第一代电渣炉开始更新,电渣熔炼钢的年产量达120 万t,单个铸锭重达165 t,同时出现了电渣熔铸管件及异形铸件,并且开始用电子计算机控制电渣熔炼过程。据2008 年的不完全统计,电渣钢年产量为200 万t,单个锭重达204 t。电渣熔炼过程的理论也得到了发展和完善。

  我国电渣冶金技术几乎与美、苏同时起步,1959 年李正帮院士在衡阳冶金机械厂生产了100 kg 高速钢电渣铸锭,同年李院士与北京钢铁学院朱觉教授合作,采用电渣重熔法研制成功了航空轴承钢。1960 年李院士负责设计制造了我国第一代电渣炉。上海重型机械厂与北京钢铁学院合作,1981 年建成200t 级三相双极串联电渣炉。

  东北大学刘喜海与第一重型机械厂于2008 年共同承担核电用120 t 电渣炉。目前电渣冶金理论在不断完善,电渣炉的炉型不断创新,我国已经进入了世界电渣冶金技术的先进行列。

  常压电渣重熔是在大气气氛中进行的,金属中的氢、氧含量难于降低,氧的介入更多的由于熔渣上方的电极受热氧化引起的。为解决这些问题,采用惰性气体保护下的电渣重熔工艺,在防止增氢的同时,也防止增氧。

  1998 年,德国ALD 公司为英国第五RIXSON高温合金有限公司制造了第一台惰性气体保护电渣重熔炉(PESR)。这台电渣炉在结晶器上方配置了一个密封罩,用惰性气体把熔炼区与大气隔离开。该熔炼过程是在完全无氧化的惰性气氛下进行的,熔渣和自耗电极不会被氧化,提高了重熔锭的纯净度。

  20 世纪90 年代,德国Hanall 城Leybod 公司综合了真空电弧重熔与电渣重熔的优缺点;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,凝固件好,铸锭组织致密。但是,真空电弧重熔不能脱硫、磷等非金属夹杂,且易形成白点及年轮状偏析。常压电渣熔炼金属同样会有良好的组织结构和高的纯度,而且脱硫效果好,不易形成白点和年轮状偏析。但是,常压电渣重熔过程中活泼元素烧损严重,成分难控制,气体含量有时还会增加。因此,德国ALD真空技术公司将两者结合开发了具备两者优点,克服两者缺点的真空电渣重熔技术(VAC- ESR)。

2、设备的对比分析

  真空、常压、气体保护电渣重熔设备都有机械传动部分、自动控制系统、供电回路、水冷系统和辅助系统等。其结构大同小异,功能基本相同。

2.1、常压电渣炉

  常压电渣炉应用很普遍,国内外有许多生产厂家,种类比较多。主要有单相电渣炉、双极串联电渣炉、三相电渣炉等。图1 给出的是一种典型的单相单极电渣炉,其结构简单,造价相对较低,占地面积小,操作与维护都比较方便。

2.2、气体保护电渣炉

  图2 给出了美国康萨克公司生产的一种气体保护电渣炉。从图中可以看出,它比常压电渣炉多了一个气体保护罩,相应的还应该有一套供气系统,其结构比常压电渣炉复杂,制造成本高,占地面积大,使用和维护都相对复杂。

  奥地利INTECO 公司开发了一套以生产低铝、硅含量的超纯合金气体保护电渣炉,采用套装短模,多个电极自动更换系统,用于生产长度超过4 m 的钢锭。其主要特性和技术数据是:最大锭子直径Φ500 mm,长4000 mm,最大电极长2000 mm,变压器功率为15 kA,30- 90VAC,自动更换电极大约需要60 s。这套系统靠一个无铁芯变压器供电,能持续不断地调整负荷端电压,其中的高流线圈是一种改进的并联形式,以减少炉子的阻抗。

2.3、真空电渣炉

  图3 给出的是我们自行设计的真空电渣炉结构示意图。从图中可以看出,真空电渣炉比常压电渣炉多一套真空系统(包括真空室、真空机组);比气体保护电渣炉多一套真空机组(包括阀门管道真空泵和测试仪表),少一套充气系统。因此,真空电渣炉比前俩者造价高,占地面积大,功耗高,操纵与维护都比较麻烦。真空电渣炉目前还处在工业实验阶段,最大熔炼直径为1100 mm,重约1500 kg,锭材质量好。

  综合上述分析可以看出,真空电渣重熔技术与设备,熔炼的金属锭材质量好,其它冶炼方法不能替代,冶炼环境清洁环保,有利于工人身体健康。因此发展真空电渣重熔技术与设备,必然会成为真空冶金的重要发展方向。

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