真空常壓與氣體保護電渣熔煉的比較

2012-11-06 劉喜海東北大學材料與冶金學院

　　真空、常壓與氣體保護電渣熔煉都是用來提高鋼材及合金質量的冶金技術，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量，增加其品種，以適應航空、航天、航海和核工業發展的需要，冶金工作者先后開發出了常壓，氣體保護和真空電渣冶煉技術與設備。這三種技術都是現代技術，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晶器。不同的地方是：冶金機理、冶煉過程和產品質量。

1、發展的歷史

　　常壓電渣爐(ESR)起源于20 世紀50 年代，1958 年5 月，在前蘇聯梅多厄爾院士領導下，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，1959 年，美國霍普金斯領導新建3.6 t 電渣爐3 臺。1959~1965 年，美國和西歐各國電渣重熔與真空電弧重熔之間展開了激烈的技術競爭，1965 年西歐和美國冶金工作者做了全面、系統的研究，其結論是電渣重熔設備簡單、生產費用低、操作方便、鑄錠表面光潔，熱塑性好，成材率高。

　　這一結論，使得電渣重熔技術得到了迅速發展的機會。美國consare 公司、德國Loybold- Herealls 公司、英國Birlec 公司、奧地利Bohler 公司和日本真空株式會社都開始制造電渣爐。到1988 年，第一代電渣爐開始更新，電渣熔煉鋼的年產量達120 萬t，單個鑄錠重達165 t，同時出現了電渣熔鑄管件及異形鑄件，并且開始用電子計算機控制電渣熔煉過程。據2008 年的不完全統計，電渣鋼年產量為200 萬t，單個錠重達204 t。電渣熔煉過程的理論也得到了發展和完善。

　　我國電渣冶金技術幾乎與美、蘇同時起步，1959 年李正幫院士在衡陽冶金機械廠生產了100 kg 高速鋼電渣鑄錠，同年李院士與北京鋼鐵學院朱覺教授合作，采用電渣重熔法研制成功了航空軸承鋼。1960 年李院士負責設計制造了我國第一代電渣爐。上海重型機械廠與北京鋼鐵學院合作，1981 年建成200t 級三相雙極串聯電渣爐。

　　東北大學劉喜海與第一重型機械廠于2008 年共同承擔核電用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新，我國已經進入了世界電渣冶金技術的先進行列。

　　常壓電渣重熔是在大氣氣氛中進行的，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，采用惰性氣體保護下的電渣重熔工藝，在防止增氫的同時，也防止增氧。

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

　　20 世紀90 年代，德國Hanall 城Leybod 公司綜合了真空電弧重熔與電渣重熔的優缺點;對超級合金而言，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，且易形成白點及年輪狀偏析。常壓電渣熔煉金屬同樣會有良好的組織結構和高的純度，而且脫硫效果好，不易形成白點和年輪狀偏析。但是，常壓電渣重熔過程中活潑元素燒損嚴重，成分難控制，氣體含量有時還會增加。因此，德國ALD真空技術公司將兩者結合開發了具備兩者優點，克服兩者缺點的真空電渣重熔技術(VAC- ESR)。

2、設備的對比分析

　　真空、常壓、氣體保護電渣重熔設備都有機械傳動部分、自動控制系統、供電回路、水冷系統和輔助系統等。其結構大同小異，功能基本相同。

2.1、常壓電渣爐

　　常壓電渣爐應用很普遍，國內外有許多生產廠家，種類比較多。主要有單相電渣爐、雙極串聯電渣爐、三相電渣爐等。圖1 給出的是一種典型的單相單極電渣爐，其結構簡單，造價相對較低，占地面積小，操作與維護都比較方便。

2.2、氣體保護電渣爐

　　圖2 給出了美國康薩克公司生產的一種氣體保護電渣爐。從圖中可以看出，它比常壓電渣爐多了一個氣體保護罩，相應的還應該有一套供氣系統，其結構比常壓電渣爐復雜，制造成本高，占地面積大，使用和維護都相對復雜。

　　奧地利INTECO 公司開發了一套以生產低鋁、硅含量的超純合金氣體保護電渣爐，采用套裝短模，多個電極自動更換系統，用于生產長度超過4 m 的鋼錠。其主要特性和技術數據是：最大錠子直徑Φ500 mm，長4000 mm，最大電極長2000 mm，變壓器功率為15 kA，30- 90VAC，自動更換電極大約需要60 s。這套系統靠一個無鐵芯變壓器供電，能持續不斷地調整負荷端電壓，其中的高流線圈是一種改進的并聯形式，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計的真空電渣爐結構示意圖。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(包括真空室、真空機組);比氣體保護電渣爐多一套真空機組(包括閥門、管道、真空泵和測試儀表)，少一套充氣系統。因此，真空電渣爐比前倆者造價高，占地面積大，功耗高，操縱與維護都比較麻煩。真空電渣爐目前還處在工業實驗階段，最大熔煉直徑為1100 mm，重約1500 kg，錠材質量好。