电渣重熔技术的最新进展

电渣冶金的最新进展

陈希春1，冯涤1，傅杰2，周德光2

（1. 钢铁研究总院高温材料研究所，北京，100081；2. 北京科技大学电冶金研究所，北京，100083）

摘要：对电渣冶金的最新进展进行了综述，简要介绍了导电结晶器技术、快速电渣重熔、洁净金属喷射成形以及可控气氛电渣冶金，包括真空电渣重熔、惰性气体保护下电渣重熔、高压下电渣重熔等技术。这些技术的出现，在改善与消除传统电渣冶金局限性的同时，进一步发扬了电渣冶金技术的优越性，使电渣冶金显示出了更强大的生命力、更宽广的应用前景。

关键词：电渣冶金；导电结晶器；高纯净度

中图分类号：

Recent Development of Electroslag Metallurgy

CHEN Xi-chun1，FENG Di1，FU Jie2，ZHOU De-guang2

(1. Central Iron & Steel Research Institute, Beijing 100081，China；

2. University of Science & Technology Beijing, Beijing 100083，China)

Abstract: The recent advances in Electroslag Metallurgy have been reviewed in this paper. Some important innovative technologies, such as Current-conductive Mold, Electroslag Rapid Remelting, Clean Melt Spray Forming, and V acuum Electroslag Remelting, Electroslag Remelting under Inert Gases, Electroslag under High Pressure, Electroslag Remelting under Ca-containing Fluxes are introduced briefly. With the development of these advanced technologies, which avoid some disadvantages existing in the traditional ESM successfully, Electroslag Metallurgy is entitled to further improvement and wider application.

Keyword: Electroslag Metallurgy；Current-conductive Mold；High Cleanliness

现代电渣冶金技术起源于前苏联乌克兰巴顿电焊研究所，在电渣焊的基础上开发出了电渣重熔技术。由于电渣冶金在技术经济上具有一系列的优越性，如金属性能的优异性（包括纯净度高、组织致密、成分均匀、表面光洁），经济上的合理性（设备简单、操作方便、生产费用低于真空电弧重熔、金属成材率高）以及工艺的稳定灵活并具有很好的可控性，世界各国都致力于发展该技术，并取得了迅速的发展。电渣冶金从最初的电渣重熔技术开始，现已发展成为一门跨行业、跨专业的新学科，开拓

作者简介：陈希春（1973-），男，在站博士后；收稿日期：2002-01-06；修订日期：2002-04-03

出了不少的新分支，如电渣熔铸、电渣浇注、电渣转注、电渣热封顶、电渣自熔模、电渣离心浇铸、电渣直接还原、电渣焊接、电渣表面镀膜等。根据最新资料[1~2]推算，世界电渣钢的产量约为90万吨/年，钢种有低合金高强钢、轴承钢、工具钢、模具钢、不锈耐热钢、高温合金、耐蚀合金和电热合金等。世界各国生产材料钢号已超过400个。近年来，电渣冶金进一步扩大应用于生产有色金属，如Al、Cu、Ti、Mo、Cr合金及贵金属Ag合金。

同时，电渣冶金也存在着局限性，如熔炼和凝固速度偏低、自耗电极氧化以及熔渣吸气以及活泼金属的氧化等。如何发展电渣冶金技术的优越性，改善与消除其局限性，一直是电渣冶金技术发展道路上的主要课题。最近，在广大电渣冶金工作者的不懈努力下，电渣冶金技术又有了新的突破。开发了导电结晶器（CCM，Current-conductive Mold）、快速电渣重熔（ESSR，Electroslag Rapid Remelting）、洁净金属喷射成形（CMSF，Clean Melt Spray Forming）以及可控气氛电渣冶金，包括真空电渣重熔（V AC-ESR，V acuum Electroslag Remelting）、惰性气体保护下电渣重熔（Electroslag Remelting under Inert Gases）、高压下电渣重熔（PESR、Electroslag under High Pressure）、含钙熔渣电渣重熔（Electroslag Remelting under Ca-containing Fluxes）等技术。这些技术的出现，使电渣冶金再一次显示出了强大的生命力、宽广的发展前景，使得电渣冶金与现代工业生产相匹配、为工农业国防尖端的发展提高更多、更好的优质材料成为可能。

下面，将对以上电渣冶金技术的最新进展作进一步的介绍。

1. 导电结晶器技术

导电结晶器技术是由乌克兰巴顿电焊研究所“Elmet-Roll”密多瓦尔科研组和奥地利“Inteco”公司独立研究开发的[3]。基本原理如图1所示，与传统电渣重熔过程电流从自耗电极经过熔渣到达重熔锭（结晶器保持中立或与重熔锭同电位）不同，导电结晶器技术可以有多种方式让电流经过渣池，如电极—结晶器/重熔锭、结晶器—重熔锭、结晶器—结晶器等。

在此基础上，“Elmet-Roll”密多瓦尔科研组开发了液态金属电渣冶金技术（EST-LM）[4]和双回路电渣冶金技术（EST-TC）[5]，“Inteco”公司开发了电渣连续浇铸技术（ESCC）[6]等。

如图2所示，液态金属电渣冶金技术无需制造和准备自耗电极，导电结晶器就起到了非自耗电极的作用，并且改变了传统电渣重熔过程中温度参数与电效率之间的特定关系，大大增强了控制渣池和熔池之间热分配的能力，这在传统电渣重熔过程中是无法实现的，图3表明，液态金属电渣冶金技术使熔池的深度减小了，这对获得均匀细小的组织是十分有益的，如图4所示。“Elmet-Roll”密多瓦尔科研组与Novokramatorsk机械制造工厂应用液态金属电渣冶金技术批量生产了直径为740mm，工作层为高速钢的复合热轧辊，试用结果表明，使用寿命比标准的铸铁轧辊提高了4～4.5倍[7]。当必须使用自耗电极的时候，就演变成双回路电渣冶金技术，如图5所示，可以获得同样的效果。

图1 导电结晶器技术原理图

Fig.1 Schematic of Current Conductive mould

(a) (b) (c)

(a)—电渣镀层；(b)—熔铸空心锭；(c)—熔铸实心锭

图2 液态金属电渣冶金技术示意图

Fig.2 Diagrams of electroslag technologies with liquid metal

(a) (b) (c)

(a)—真空电弧重熔；(b)—传统电渣重熔；(c)—液态金属电渣冶金

图3 熔池形状

Fig.3 Structure and shape of metal pool

(a) (b)

(a)—液态金属电渣冶金；(b)—传统电渣重熔

图4 镍基合金管坯的低倍组织图

Fig.4 Macrostructure of nickel-based alloy pipe billet

produced by the ESR-LM (a) and classical ESR (b)

图5 双回路电渣冶金技术原理图图6 电渣连续浇铸技术示意图

Fig.5 Diagram of ESR-TC process

Fig.6 Arrangement of the electroslag continuous casting process

图6是电渣连续浇铸技术的原理图，渣池由从导电结晶器输入的电流加热，可以保护熔池表层不被大气氧化并且在结晶器内壁与凝固壳之间起到了润滑剂的作用。由于有加热渣池的保护，可以使连续铸钢的速度大幅度降低，而不会导致铸锭表面质量的恶化，这一技术使易偏析合金，如高速工具钢、镍基合金等的连续铸钢成为可能。

2. 快速电渣重熔技术

传统电渣重熔过程中重熔速度的控制依据熔化速度（kg/h）与重熔锭直径（mm）之比不到或略大于1，对于一些易偏析合金如工具钢、高温合金等，这一比值低至0.65～0.75。这样，重熔小直径钢锭

时熔炼速度就很低，导致了相当高的冶炼费用，尽管小直径重熔锭具有细小的枝晶结构可以直接进行轧制，然而300～400mm以下重熔锭的广泛应用仍是难以逾越的鸿沟。

而奥地利“Inteco”公司在导电结晶器技术基础上发展起来的快速电渣重熔技术可以很好地克服这一问题[8]。如图7所示，快速重熔主要设备导电T型结晶器。应用这一技术重熔直径为100～300mm 的小直径钢锭时，其熔化速度与重熔锭直径之比可以达到3～10，见图8，在T型结晶器上部较大直径的自耗电极熔化速度高达300～1000 kg/h。

图7 快速电渣重熔的T型导电结晶器图8 200mm方坯快速电渣重熔

Fig.7 T shape current conductive mould of ESRR technology

Fig.8 200mm square ESRR billet

在过去的四年中，为了更好地掌握这一技术，进行了大量的试验工作[8~10]，包括100mm、140mm、160mm、200mm的方坯，钢种有高速工具钢、不锈钢、高温合金如718等。结果表明，各种小直径重熔锭具有良好内在质量和表面质量，可以直接进行热轧；在自耗电极熔化速度高达500kg/h以上时，重熔锭组织均匀细小，没有发现明显的偏析和疏松。

3. 洁净金属喷射成型技术

非金属夹杂物对气涡轮发动机高温合金部件的低循环疲劳寿命有重要的影响，脆性的夹杂物经常是裂纹源，从而导致了高温合金部件的早期失效。因此，消除或限制此类夹杂物的大小尺寸就显得十分重要。

目前，在高纯净度铸造、锻造高温合金生产工业中普遍采用三联工艺（真空感应熔炼＋电渣重熔＋真空电弧重熔）。真空感应熔炼制备具有适当化学成分的自耗电极，在电渣重熔工序去除脆性的氧化物夹杂获得较高的纯净度，最后通过真空电弧重熔获得无宏观偏析、组织均匀的毛坯，这一组合工艺很快就成为了标准的冶炼工艺。然而，这一工艺生产成本高、冶炼周期长。为了克服这一问题，通用电气公司开发了洁净金属喷射成型技术，并已申请了美国专利[11~13]。有机地结合了电渣精炼和喷射成

型优点的洁净金属喷射成型技术可以十分快速、经济地满足航空发动机以及工业用气涡轮发动机部件制造的需求。

如图9所示，具有合格成分的自耗电极经电渣重熔后得到纯净的液态金属，通过底部浇铸系统，即冷壁感应引导系统（CIG），液态金属到达喷射成型室，在这里，稳定的气流把液态金属雾化成可快速凝固的金属滴，然后可直接制得高质量无缺陷的铸锭，以及各种尺寸、近终成形的合金铸件。这一技术有效地减少了工序，特别是对一些难以锻造的沉淀强化高温合金部件的制造来说，具有重要的意义。另外，在减少生产时间、降低生产成本的同时，液态金属喷射成型技术明显地提高了铸件的纯净度，表1对高温合金718真空感应自耗电极、三联工艺重熔锭和洁净金属喷射成型铸件中的氧化物夹杂进行了比较。

图9 洁净金属喷射成型技术示意图

Fig.9 Schematic of CMSF process

表1 不同工艺高温合金718的洁净度数据

T ab.1 Inconel 718 cleanliness data of different process

4. 可控气氛电渣冶金

4.1 真空电渣重熔

应用于航空领域的高温合金必须在真空下电弧重熔，这样重熔后金属具有良好的组织结构和高的纯净度，并且成分易于控制，然而，真空电弧重熔不能脱硫且易形成白点及产生年轮状偏析。众所周知，电渣重熔金属同样具有良好的组织结构和高的纯净度，脱硫效果好，不易形成白点及产生年轮状偏析，但电渣重熔过程中活泼元素烧损大，成分控制困难，气体含量有时会增加。考虑到以上情况，德国的ALD真空技术公司开发了结合两者优点、克服两者不足的真空下电渣重熔技术[14]。工业性试验结果表明，直径为250mm、重量约为300kg的真空下电渣重熔锭表面光滑，无任何表面缺陷，在有效脱硫的情况下，活泼元素如钛、铝等没有烧损，表2列出了718合金重熔前后的化学成分。美国、奥地利等建成了真空电渣重熔炉[15~16]。

表2 718合金真空下电渣重熔前后的化学成分（%）

T ab.2 Chemical analysis of electrode and ingot Inconel 718

4.2 惰性气体保护下的电渣重熔

过去电渣熔炼都是在大气气氛或者为了防止增氢而在干燥空气下进行的。六十年代初以来的研究表明，重熔合金中的氧含量取决于主要脱氧元素的浓度和该脱氧元素的氧化物在渣中的活度，此外，渣池上的氧分压也或多或少也产生一定的影响，氧的介入除了直接与Fe、Mn和其它重元素的阳离子发生反应外，更多的是由于熔渣上方电极受热被氧化引起的。在过去的几十年中，普遍通过往渣池中加入脱氧剂如Al、CaSi、FeSi、Mg等的方法对熔渣连续脱氧，然而这样就会引起熔渣组分的变化，从而使重熔锭中的易氧化元素含量的不一致。近来，采用惰性气体保护下的电渣重熔，在防止增氢的同时，也可以有效地防止氧的增加。相信在不久的将来，电渣冶金过程的惰性气体保护将成为通用措施之一。

下面将介绍德国ALD公司于1998年为英国第五RIXSON高温合金有限公司制造的第一台惰性气体保护电渣重熔炉。如图10所示，这台电渣炉配备了一个密封罩把熔炼区域与大气完全隔离，用真空泵把空气排出后再充入氩气，并且通过计算机控制可全自动运行。熔炼过程是在完全无氧化的惰性气氛下进行的，因而，熔渣不会被氧化，也无需加入脱氧剂，重熔锭具有最佳的纯净度，图11很好地说明了这一点。

在六十年代初就试图尝试应用电渣重熔工艺生产海绵钛，但是由于氧和氮的问题而没有任何实质性的突破。现在，在全密封的惰性气体保护下，重熔钛就成为可能。实验是在ALD公司的惰性气氛电渣重熔炉上进行的，重熔锭的直径是170mm，熔渣的组成是工业纯的CaF2和2～9%的金属钙，结果见表3。乌克兰顿涅茨克国立技术大学和美国拉特罗布钢铁公司联合研究结果表明[17]，惰性气氛电渣重熔钛的纯净度与碘化物提纯钛相当，氧含量小于0.03%、氮小于0.005%、氢小于0.003%、碳小于

0.01%。乌克兰巴顿电焊研究所也同样得到了令人振奋的结果[18]，这又进一步拓宽了电渣冶金的应用范围。

图10 英国第五RIXSON高温合金Ltd. 的惰性气体保护ESR炉

Fig.10 ESR under inert gases furnace at Fifth Rixson superalloys Ltd. /UK

图11 不同工艺35NiCrMoV钢的纯净度

Fig.11 T ypical cleanliness values of 35NiCrMoV steel of different processes

表3 钛的电渣重熔结果（×10-4%）

T ab.3 ESR results of Ti alloys (×10-4%)

4.3 高压电渣炉

德国于1980年建成了世界上第一台高压电渣重熔炉[19]，见图12。这台炉子能生产直径1m，重达14.5吨的锭子，熔炼室氮气压力高达4.2Mpa。在这样的条件下，就可能首次生产氮含量超过1%的大尺寸奥氏体不锈钢锭，在铁素体和马氏体不锈钢中氮的含量也可以达到0.5%。氮是奥氏体稳定元素，其作用超过镍的30多倍，在奥氏体组织中溶解氮的增加可显著提高抗拉强度、屈服点和耐腐蚀性能。

图12 第一台高压电渣重熔炉（德国）

Fig.12 The first PESR furnace

保加利亚、奥地利也发展了类似工艺来生产高氮钢。

5. 结束语

以上简要地介绍了近年来国外在电渣冶金方面所取得的重要进展。这些成果的取得进一步发扬了电渣冶金技术独特的优越性，部分或完全克服了长期困扰电渣冶金发展的一些问题，电渣冶金显示了更强大的生命力，即使在炉外精炼技术飞速发展的今天，电渣冶金在许多方面仍具有较大的竞争力。如电渣重熔在中型及大型锻件生产、电渣重熔空心锭和电渣熔铸异型铸件方面地位仍将占有重要地位；在优质工模具钢、不锈钢以及其它特殊钢生产领域中占绝对优势，真空电弧重熔在这一领域必将为电渣重熔所取代；对高温合金、耐蚀合金、精密合金、电热合金等特殊合金，电渣重熔将在与真空电弧重熔的竞争中取得优势；电渣冶金在有色金属的冶炼方面将得到越来越多的应用；电渣冶金技术的发展不仅局限于结晶器内电渣重熔，电渣冶金亦将成为现代炼钢流程中的一环，钢包精炼、连铸中间包

加热、电渣热封顶、电渣多炉浇铸技术将有较快的发展。

我国电渣冶金起步于1958年，在1960年就实现了工业化，在过去的一段时间里，尤其是在六、七十年代，中国的冶金工作者们在电渣炉炉型结构、电渣重熔工艺，电渣重熔大钢锭、电渣熔铸异型铸件、有衬电渣熔炼、感应电渣离心浇铸及电渣提纯机理研究方面取得了创造性成果，受到国外同行承认，为我国国民经济、国防建设及科学技术的发展作出了重要的贡献。现在，面临了电渣冶金技术新的发展，我们必须加强基础研究、工艺研究与技术开发，在赶超世界先进水平的同时，为电渣冶金的发展作出更大的贡献。

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