大型電渣重熔值得注意的幾個問題

向大林

(上海重型機(jī)器廠有限公司，上海200245)

隨著重大型裝備向高參數(shù)、大容量發(fā)展，大鍛件的尺寸、噸位也越來越大，如第三代核電AP1000反應(yīng)堆壓力容器法蘭接管段筒體需要600 t以上的鋼錠來制造，汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子交貨尺寸長11 m，直徑最大達(dá)2.8 m，鍛件重量達(dá)365 t，鋼錠重量要達(dá)到700 t。而且鍛件的質(zhì)量和性能要求越來越高，鍛件報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)也不斷加大。鋼錠的冶金質(zhì)量是獲得優(yōu)質(zhì)大鍛件的基礎(chǔ)和先決條件，在大鍛件生產(chǎn)中起關(guān)鍵性作用。為了保證大鍛件質(zhì)量，降低廢品率，生產(chǎn)高均勻性、高純凈度金屬材料的電渣重熔越來越受到青睞。近些年，國內(nèi)外都在紛紛上馬大型電渣爐生產(chǎn)大鍛件用鋼錠。但電渣重熔本是一種生產(chǎn)小錠的特種熔煉技術(shù)，而且是在20世紀(jì)50年代末、60年代初才發(fā)展起來的。蘇聯(lián)巴頓電焊研究所(Ин_(dá)тэлектросварки им .Е.О .Патона)把電渣焊的相似過程移植到冶金領(lǐng)域，1958年5月，在德聶伯特殊鋼廠(Завод 《 Днепро-спецсталь》)建立了第一臺工業(yè)電渣爐(P909型)，生產(chǎn)直徑500 mm，重500 kg的電渣錠，電渣重熔技術(shù)才開始實(shí)際工業(yè)應(yīng)用[1～4]。迄今為止，電渣重熔只有50多年短暫歷史。

50多年來，電渣重熔的大型化頗費(fèi)周折，獲得成功的案例并不多，這個現(xiàn)象引人深思，令人費(fèi)解。本文通過對電渣重熔大型化發(fā)展過程的簡要回顧，結(jié)合筆者從事200 t級電渣爐技術(shù)工作30年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出一些值得注意的問題并加以討論，供大型電渣爐的同行參考。

1 大型化的開端——100 t電渣爐(1965年)

鋼錠的生產(chǎn)通常分為兩步，即熔煉和澆鑄，而電渣重熔則把熔煉和澆鑄兩道工序合二為一。在同一個金屬模內(nèi)，兩道工序同時進(jìn)行，同時完成,而且錠模是強(qiáng)制水冷。電渣重熔過程中，金屬在渣池中以薄膜形式微量熔化，渣/鋼反應(yīng)接觸面大，渣溫高，渣池活躍，金屬受到熔渣強(qiáng)烈有效的精煉凈化。在重熔和鑄錠同時進(jìn)行的過程中，鋼水始終不接觸耐火材料，不接觸空氣，免受耐火材料污染和二次氧化。特別是，鋼錠凝固條件優(yōu)越，是在強(qiáng)制冷卻的、很陡的溫度梯度條件下進(jìn)行，具有定向漸進(jìn)結(jié)晶特點(diǎn)。因此，在爐外精煉還不普遍也不發(fā)達(dá)的當(dāng)時，電渣重熔的出現(xiàn)，顯示出強(qiáng)大的生命力，各國競相開發(fā)，紛紛采用。20世紀(jì)60年代，電渣重熔迅速發(fā)展成為包括我國在內(nèi)的世界各國生產(chǎn)高純凈度、高均勻性、耐高溫高壓、耐腐蝕磨損、抗沖擊疲勞、抗中子輻照等質(zhì)量要求苛刻的金屬材料的主要冶金方法。

中國科技人員睿智卓識，對這一新生事物表現(xiàn)出極大的敏感性。電渣重熔既從內(nèi)部創(chuàng)造了精煉凈化金屬的良好條件，又從外部杜絕了夾雜物的來源，尤其具有對于結(jié)晶至關(guān)重要的優(yōu)越的冷卻條件，而且它把熔煉和鑄錠兩道工序合二為一，為解決當(dāng)今世界上大鋼錠的“純凈度”和“均勻性”兩大冶金質(zhì)量難題提供了將兩者緊密結(jié)合的最佳條件。同時，電渣重熔設(shè)備簡單，投資很少，工藝靈活，適應(yīng)性、可控性強(qiáng)，操作易于掌握，質(zhì)量可靠性高，經(jīng)濟(jì)合理有效。這些都是其他冶金方法無可比擬的。因此，電渣重熔問世不久，他們就迅速將這種本來是生產(chǎn)小鋼錠的技術(shù)創(chuàng)造性地引入大型鑄鍛件行業(yè)，用以生產(chǎn)大鍛件用優(yōu)質(zhì)大型鋼錠。

1965年，很多國家包括一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家剛剛開始起步研究電渣重熔技術(shù)，世界電渣爐的容量還僅僅在幾噸的范圍，在沈鴻及林宗棠的倡導(dǎo)和組織下，上海重型機(jī)器廠就已建成了100 t的3相大型電渣爐(圖1)。這是世界上最早的大型電渣爐，也是當(dāng)時世界上最大的電渣爐。其結(jié)晶器直徑為1 500 mm和2 100 mm兩種，內(nèi)膽為鋼質(zhì)，是由3節(jié)疊合而成的固定式長結(jié)晶器(1 650 mm×3)。

圖1 100 t電渣爐Figure 1 100 t ESR furnace

重熔啟動用自耗電極爐內(nèi)化渣。渣料中常常有30%～50%的一次返回渣，渣化清即用Al塊對爐渣進(jìn)行預(yù)脫氧，渣池深度(350～380)mm。重熔過程中控制熔化速度，并用Al粉或/和Ca-Si粉對爐渣進(jìn)行脫氧。同時每隔(2～3)h取渣樣和鋼樣分析，根據(jù)分析結(jié)果隨時調(diào)整脫氧制度。自耗電極由原有1 t小電弧爐生產(chǎn)，以小拼大，用50多爐乃至100多爐電極重熔成一根大型電渣錠。3根自耗電極夾持在同一個升降機(jī)構(gòu)上，由一臺3相爐用變壓器(7 500 kVA)向3根電極供電同時重熔。所夾持的3根自耗電極同時上升或同時下降。自耗電極經(jīng)車削加工而成，帶螺紋接頭。電極與電極通過電極頭螺紋連接，和電弧爐石墨電極的連接方法相仿(圖2)。接電極時無需停電，邊連接邊送進(jìn)，熔煉過程照樣進(jìn)行，可生產(chǎn)50 t至100 t大型電渣錠。設(shè)備于1965年初安裝，1965年4月開始熱調(diào)試，用?1 500 mm結(jié)晶器于1965年6月29日熔煉出55 t電渣錠。同年9月27日，用?2 100 mm結(jié)晶器熔煉出第一根100 t電渣錠(60CrMnMo，?2 025 mm×4 050 mm，圖3)。1965年共生產(chǎn)了4根100 t重的電渣錠。截止1972年11月，共熔煉生產(chǎn)了46根大型電渣錠，鋼種有60CrMnMo，35MnMoV，34CrMnMo，34CrNiMo，34CrNi3Mo，30CrMnMoNb，9Cr2Mo，37SiMn2MoV，34CrMo1A，34CrNi3MoV等。

圖2 自耗電極Figure 2 Consumptive electrodes

100 t電渣爐把當(dāng)時世界上的電渣錠重量提高了兩個數(shù)量級，并且解決了上海重型機(jī)器廠120 MN水壓機(jī)缺乏大鋼錠的無米之炊問題，為制造我國當(dāng)時最大的軋機(jī)2 300 mm冷軋機(jī)支撐輥?zhàn)龀隽朔e極貢獻(xiàn)。

由于自耗電極需要機(jī)械加工，工序太繁雜，金屬損耗大，生產(chǎn)成本高，特別是后來發(fā)現(xiàn)重熔至螺絲接頭處時有小塊電極金屬脫落掉入金屬熔池，使鍛件超聲波探傷通不過而報(bào)廢。這和20世紀(jì)30年代美國霍普金斯(R.K.Hopkins)用管狀自耗電極熔煉時，重熔金屬中不時發(fā)現(xiàn)有未熔化的管子電極碎片的情況相類似[5]。此外，二次回路的壓降和電感損失都較大，變壓器容量的利用率和電效率都較低，鋼內(nèi)膽結(jié)晶器在疊合處常常發(fā)生局部熔化粘錠，使用壽命短，也不安全。因此，該爐于1972年底停止生產(chǎn)。

圖3 100 t電渣錠Figure 3 A 100 t ESR ingot

100 t電渣爐在世界上首開了電渣重熔大型化的先河，對大型電渣重熔的設(shè)備和工藝進(jìn)行了開創(chuàng)性的嘗試和探索，積累了極其寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2 大型化的典型——160 t電渣爐(1971年)和200 t級電渣爐(1981年)

2.1 薩爾鋼廠160 t電渣爐

1971年，西德薩爾鋼廠(Saarstahl)建成結(jié)晶器直徑2 300 mm的160 t電渣爐，1980年10月生產(chǎn)出第一根160 t電渣錠。廠方稱，用普通方法制造大鍛件，技術(shù)上遇到的困難和經(jīng)濟(jì)上遭受的損失，使得在已經(jīng)具備大型熔煉和澆鑄手段的情況下被迫上了電渣爐。這座電渣爐(圖4)設(shè)四個機(jī)架，四組彼此獨(dú)立的供電系統(tǒng)分別對各機(jī)架供電。每組供電系統(tǒng)有一臺變壓器經(jīng)可控硅變頻裝置輸出(0～10)Hz的低頻電供重熔用，以降低大電流二次回路的感抗，提高功率因數(shù)。自耗電極由130 t電弧爐熔煉，經(jīng)DH提升脫氣處理之后澆鑄而成。當(dāng)使用?2 300 mm、?1 700 mm結(jié)晶器時，4根電極同時重熔。當(dāng)改換成?1 300 mm、?1 000 mm結(jié)晶器時，則采用單電極重熔，通過更換電極和抽錠操作，能生產(chǎn)長達(dá)(5～6)m的電渣錠，相應(yīng)的錠重為160 t、90 t和50 t、30 t。

2.2 上海重型機(jī)器廠200 t電渣爐

20世紀(jì)70年代，我國第一座核電站秦山核電站開始籌建，秦山核電大鍛件需要360 t重的電爐鋼錠。為了經(jīng)濟(jì)而可靠地向核電站提供核電大鍛件，在深入研究了大鍛件生產(chǎn)的主要質(zhì)量問題和特殊性，認(rèn)真總結(jié)了上海重型機(jī)器廠20世紀(jì)60年代100 t電渣爐的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在朱覺教授的精心指導(dǎo)下，上海重型機(jī)器廠于1981年創(chuàng)建了世界上最大的200 t級電渣爐(圖5，圖6，圖7)，并于1983年10月31日生產(chǎn)出第一根205 t電渣錠。爐子設(shè)3個機(jī)架，呈等邊三角形布置，每個機(jī)架的電極支臂上夾持呈串聯(lián)形式的兩根自耗電極。3個機(jī)架各由一臺單相變壓器供電，6根電極構(gòu)成3相雙極串聯(lián)回路。自耗電極由40 t電弧爐熔煉，經(jīng)RH循環(huán)脫氣處理之后澆鑄而成。爐子裝備了干燥空氣保護(hù)、除塵和煙氣凈化設(shè)施。重熔過程中交錯更換電極，根據(jù)鍛件需要，可通過抽錠生產(chǎn)240 t(?2 730 mm×5 200 mm)以內(nèi)的任意重量的電渣錠。若更換成直徑3 300 mm的結(jié)晶器，則可生產(chǎn)300 t重的電渣錠。就重量上說，240 t電渣錠相當(dāng)于400 t電爐錠，可生產(chǎn)200 t重的鍛件；300 t電渣錠相當(dāng)于500 t電爐錠，可生產(chǎn)250 t 重的鍛件。該電渣爐還可用于單相重熔，生產(chǎn)不同直徑、各種噸位的中小型電渣錠。

圖4 160 t電渣爐在熔煉生產(chǎn)Figure 4 160 t ESR furnace at remelting

爐子建成后，針對重熔工藝的關(guān)鍵技術(shù)展開了全方位、多層面的深入系統(tǒng)的研究，攻克了一系列重大技術(shù)難題，主要有：

(1)均勻性控制技術(shù)[6～8]解決了用成分有差異的若干爐號、數(shù)十根電極，通過幾個晝夜重熔成一根200t電渣錠的成分均勻性問題。

(2)大功率、快熔速、高冷卻和強(qiáng)脫氧工藝為獲得高質(zhì)量巨型電渣錠提供了重要保證。大功率供電，渣溫高，冶金反應(yīng)的動力學(xué)條件好，精煉凈化效果強(qiáng)。雖然熔速高達(dá)5 t/h以上，但由于有高速強(qiáng)制冷卻，使得熔池淺，成分均勻，組織致密。強(qiáng)制脫氧使渣池始終保持低氧位(FeO≤0.3%)，高冶金性能。因此，200 t級電渣爐生產(chǎn)的電渣錠熱塑性良好，鍛壓時一次壓下量達(dá)1 000 mm也不開裂。電渣錠中心的密度與錠邊緣密度一致。錠中心的二次枝晶間距僅為2 mm。氧化物0.5級，硫化物找不到。直徑為2 m的鍛件，超聲波探傷起始靈敏度?1.1 mm也能通過[9]。

圖5 200 t級電渣爐在熔煉生產(chǎn)Figure 5 200 t-class ESR furnace at remelting

圖6 核電用207 t電渣錠Figure 6 A 207 t ESR ingot for nuclear power

圖7 核電用205 t電渣錠Figure 7 A 205 t ESR ingot for nuclear power

(3)低氫控制技術(shù)[10～12]解決了高濕度氣候條件下長時間重熔獲得低氫巨型電渣錠的難題。盡管上海氣候潮濕，空氣濕度高達(dá)30 g H2O/m3，熔煉區(qū)氣/渣接觸面積有5 m2大，但幾個晝夜的重熔過程中，低氫控制技術(shù)使重熔與天氣和季節(jié)無關(guān)。使用冷渣料對低氫控制沒有明顯影響。電渣錠中的氫含量都不超過2×10-6，大部分在1.4×10-6以下。數(shù)十個大鍛件，包括直徑為2 000 mm的汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子，完全取消擴(kuò)氫退火后無一發(fā)現(xiàn)白點(diǎn)。

(4)低鋁控制技術(shù)[13～15]掃除了電渣重熔法生產(chǎn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的障礙。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中的鋁不允許超過0.010%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，而電渣重熔獲得低鋁非常困難。當(dāng)用低鋁電極重熔時，總是發(fā)生增鋁，因?yàn)樵泻写罅夸X。當(dāng)電極中的鋁超過0.010%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，重熔過程中更難以將其降至0.010%以下。用自主研發(fā)的低鋁、低氧、低硫兼得的重熔工藝技術(shù)[16，17]批量生產(chǎn)的高、中、低壓汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子，鋁均控制在0.005%～ 0.007%之間，氧、硫均在25×10-6以下，大部分為20×10-6。

30年來，200 t級電渣爐一直在生產(chǎn)運(yùn)行，在完成國家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目的攻關(guān)任務(wù)中做出了一個又一個重大貢獻(xiàn)，不斷受到國內(nèi)外專家的關(guān)注和推崇。主要產(chǎn)品有：

(1)爐子建成首先是生產(chǎn)秦山核電站核島大鍛件用電渣錠。1981年10月10日重熔出127t核電用電渣錠，1983年10月31日和11月18日連續(xù)兩次生產(chǎn)出205 t和207 t核電用電渣錠，到1984年底共生產(chǎn)核電用電渣錠24根，錠重多在(130～170)t之間，完成了秦山核電站核島大鍛件所需大鋼錠的生產(chǎn)任務(wù)。用電渣錠成套生產(chǎn)的蒸發(fā)器和穩(wěn)壓器等核電大鍛件，經(jīng)有關(guān)部門5大類35項(xiàng)材料內(nèi)在質(zhì)量嚴(yán)格測試，技術(shù)性能符合設(shè)計(jì)要求，綜合質(zhì)量達(dá)到ASME標(biāo)準(zhǔn)，通過國家級鑒定和驗(yàn)收。秦山核電站1991年12月15日并網(wǎng)發(fā)電，提前兩年達(dá)到年發(fā)電設(shè)計(jì)能力。20年過去了，作為“國之光榮”，秦山核電站至今運(yùn)行情況良好。

(2)此后，相繼批量生產(chǎn)了300 MW發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、300 MW～600 MW汽輪機(jī)高-中壓和低壓轉(zhuǎn)子、560 t加氫反應(yīng)器等大鍛件，全部通過國家級鑒定和驗(yàn)收。

(3)進(jìn)入21世紀(jì)，憑借技術(shù)優(yōu)勢，批量生產(chǎn)了核潛艇堆內(nèi)構(gòu)件、三峽工程710 MW水輪機(jī)導(dǎo)葉軸頭、1 000 MW核電站堆內(nèi)構(gòu)件、1 000 MW超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子等高合金大鍛件，獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

一個國家的鋼鐵工業(yè)發(fā)展和冶金技術(shù)水平，既要看鋼的產(chǎn)量、品種和質(zhì)量，還要看能生產(chǎn)多大的鋼錠和大鋼錠的質(zhì)量有多高。巨型鋼錠的生產(chǎn)技術(shù)反應(yīng)了一個國家重工業(yè)的發(fā)展水平和科學(xué)技術(shù)的攻堅(jiān)能力，也是一個企業(yè)實(shí)力和等級水平的象征。作為中國的自主原創(chuàng)技術(shù)，200 t級電渣爐開辟了生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)巨型鋼錠的新方法、新途徑，因?qū)κ澜缣胤N熔煉技術(shù)的重大貢獻(xiàn)，曾于1988年在美國舉行的第九屆國際真空冶金會議(9th ICVM)上獲大獎(圖8)。在我國的工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展過程中，由中國人獨(dú)創(chuàng)，從研究開發(fā)到付諸工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用并達(dá)到世界領(lǐng)先地位，在國際上獲獎的重大項(xiàng)目還為數(shù)不多。

圖8 第九屆國際真空冶金會議頒發(fā)的獎牌Figure 8 The media(9 th ICVM)

2.3 其它大型電渣爐

此外，還有一些見諸于蘇聯(lián)文獻(xiàn)的蘇聯(lián)建造大型電渣爐的報(bào)道。如，1979～1980年在新克拉馬托爾斯克機(jī)器制造廠(НКМЗ)安裝了ЭШП-150型電渣爐[18～20]。據(jù)稱，該電渣爐由3臺單相變壓器供電，總功率為(12～14)MVA(4 800 kVA×3 )。液渣啟動，采用上部加大的漏斗形結(jié)晶器(?3 360 mm)。上部加大處為熔化部分，下部為成型部分(?2 550 mm)，其截面積等于自耗電極的總截面積或者大20%。渣量(11～12)t。結(jié)晶器加大處裝有鋼液面?zhèn)鞲衅鳎€有供注入或排出液渣用的孔眼。熔煉過程中向金屬熔池和渣池吹入惰性氣體。可熔煉直徑(1 800～2 700)mm、重(80～200)t的電渣錠和外徑(1 800～2 700)mm、內(nèi)徑(600～800) mm的空心錠，并可同時熔煉3個重(30～60)t的電渣錠。采用7根電極操作，熔煉80 t錠時電極直徑為650 mm，熔煉200 t錠時電極直徑為1 000 mm。重熔時電極不進(jìn)給，短網(wǎng)也不動，只有結(jié)晶器上移。蘇聯(lián)出口朝鮮千里馬鋼廠的200 t電渣爐也是這種爐型結(jié)構(gòu)，但是根本無法開爐煉鋼，請中國專家去也愛莫能助。

又如，УШ-108型電渣爐[20]，變壓器容量為3 500 kVA×3(單相)，可熔煉?2 500 mm/100 t的空心錠和實(shí)心錠；日丹諾夫重型機(jī)器廠(ЖЗТМ)的УШ-100型電渣爐[20]，變壓器容量為2 500 kVA×3(單相),可熔煉?2 300 mm/120 t的空心錠和實(shí)心錠，等等。但是30年過去了，至今也未見那些爐子投入生產(chǎn)使用的報(bào)道。

3 大型化的新進(jìn)展(2008年以后)

為了滿足市場急需，提升企業(yè)核心競爭力，上海重型機(jī)器廠有限公司2008年著手投建結(jié)晶器直徑為3 700 mm的450 t電渣爐。450 t電渣錠相當(dāng)于(600～700)t電爐錠，覆蓋了當(dāng)前世界上所有最大噸位的鍛件用鋼錠。歷時一年，于2009年4月建成(圖9)，5月5日熱調(diào)試成功，現(xiàn)已投入試運(yùn)行。2009年開爐重熔11爐，根據(jù)鍛件需要，現(xiàn)已順利重熔出220 t、320 t的核電壓力容器用電渣錠。450 t電渣爐的產(chǎn)品對象主要是百萬千瓦級核電機(jī)組的核島鍛件、汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子、管板和大型支撐輥等超大型鍛件。

此外，第一重型機(jī)械集團(tuán)公司的120 t電渣爐從2010年5月已開始調(diào)試；東北特鋼正在大連基地上馬100 t電渣爐(從奧地利Inteco公司引進(jìn))，計(jì)劃在2011年7月投入運(yùn)行；無錫橋聯(lián)集團(tuán)的300 t電渣澆注爐已從2009年開始設(shè)計(jì)(由烏克蘭巴頓電焊研究所的Elmet-Roll-Medovar Group 承擔(dān))，還有一些單位正在籌建200 t和400 t電渣爐。尤為可喜的是，通裕重工股份有限公司通過技術(shù)改革，實(shí)現(xiàn)了電渣重熔技術(shù)的提升和跨越。2009年4月冶煉出第三代核電AP1000主管道用超低碳控氮不銹鋼(SA376 TP316LN)72 t電渣錠，而且是一次成功；2009年生產(chǎn)的幾根75 t電渣錠，錠高4.1 m，錠子上下成分一致，底部質(zhì)量、頂部補(bǔ)縮和低倍組織優(yōu)良，潔凈度高。[H]=1×10-6，[O]=17×10-6，[S]=20×10-6。2010年4、5月，通裕重工又率先順利生產(chǎn)出一套第三代核電AP1000主管道用超低碳控氮不銹鋼(SA376 TP316LN)大型電渣錠8根。這不僅是國內(nèi)也是世界上首次成套生產(chǎn)出AP1000主管道用核級超低碳控氮不銹鋼大型電渣錠。AP1000主管道是我國引進(jìn)AP1000核電技術(shù)項(xiàng)目中唯一沒有引進(jìn)國外技術(shù)的核島關(guān)鍵設(shè)備，被稱之為核電站的“主動脈”，屬于核1級設(shè)備。AP1000主管道用超低碳控氮不銹鋼大型電渣錠的生產(chǎn)技術(shù)是AP1000主管道制造的核心技術(shù)，是主管道制造的限制性環(huán)節(jié)。AP1000主管道用超低碳控氮不銹鋼大型電渣錠成套生產(chǎn)成功，解決了我國第三代核電主管道國產(chǎn)化的瓶頸制約問題，對于我國大力發(fā)展核電事業(yè)是一個不小的貢獻(xiàn)。迄今為止，通裕重工已生產(chǎn)(70～82)t的大型電渣錠近20根，質(zhì)量穩(wěn)定。

據(jù)報(bào)道，日本、德國、意大利以及歐洲其他一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家近年也在陸續(xù)投建250 t、150 t、145 t、120 t、110 t、100 t大型電渣爐。

圖9 450 t電渣爐在熔煉生產(chǎn)Figure 9 450 t ESR furnace at remelting

4 大型電渣爐值得注意的幾個問題

電渣爐相對于電弧爐等其他熔煉設(shè)備而言是比較簡單的，但由于設(shè)備容量的大型化而引發(fā)的一些問題則不容忽視。世界上好幾臺大型電渣爐都不成功的教訓(xùn)是深刻的。根據(jù)筆者從事200 t級電渣爐技術(shù)工作30年的實(shí)踐，認(rèn)為大型電渣爐至少以下幾方面值得認(rèn)真注意：

4.1 電渣重熔工藝設(shè)計(jì)是靈魂

設(shè)備是正常生產(chǎn)的基本保障，對生產(chǎn)工藝有關(guān)鍵性影響。所謂“工欲善其事，必先利其器”，在某種意義上甚至可以說設(shè)備比生產(chǎn)工藝本身還重要。其實(shí)生產(chǎn)設(shè)備是根據(jù)生產(chǎn)工藝而設(shè)計(jì)的，它在各方面的工作性能必須要滿足生產(chǎn)工藝的要求，需要兩者的和諧統(tǒng)一，完美結(jié)合。并且設(shè)備要有很強(qiáng)的適應(yīng)性，要能充分滿足生產(chǎn)工藝所涉及的調(diào)整范圍。好些大型電渣爐不好用，甚至無法重熔生產(chǎn)，常常是缺少工藝設(shè)計(jì)。重熔工藝是生產(chǎn)電渣錠的各種過程參數(shù)、規(guī)范程序和操作方法。重熔工藝設(shè)計(jì)是全面規(guī)劃和具體描述電渣重熔生產(chǎn)實(shí)施意圖的過程，是電渣爐設(shè)計(jì)中的“靈魂”。

電渣爐還沒有形成標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。大型電渣爐的工業(yè)化生產(chǎn)，也才僅僅40年短暫時間。奧地利Inteco公司總裁W. Holzgruber博士說，技術(shù)上突破100 t的電渣爐僅有德國薩爾鋼廠和中國上海重型機(jī)器廠兩家。可想而知，大型電渣重熔特別是100 t以上的爐子的工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是極其有限的。這種本來是生產(chǎn)小錠的特種熔煉技術(shù)，爐容量十倍百倍地?cái)U(kuò)大，使得很多工藝因素復(fù)雜化，這不是一個簡單的數(shù)量增加，而是跨越，質(zhì)的飛躍。科學(xué)上的新發(fā)現(xiàn)可以通過論文和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)很快地在全世界范圍內(nèi)傳播開來，知識全球共享，但新的工藝技術(shù)卻是企業(yè)的Know-how(專有技術(shù))，是企業(yè)的看家本領(lǐng)，是企業(yè)的核心競爭力，往往具有知識產(chǎn)權(quán)，具有獨(dú)占性，保密程度很高。如果沒有掌握大型電渣重熔的工藝技術(shù)，工藝設(shè)計(jì)又從何談起？如果設(shè)備設(shè)計(jì)者對重熔工藝茫然無知，那這種由沒有靈魂的設(shè)計(jì)建造的設(shè)備怎么可能好用？

蘇聯(lián)本是電渣重熔技術(shù)的發(fā)源地，但是蘇聯(lián)的大型電渣爐并不成功，其主要原因就在于蘇聯(lián)沒有掌握大型電渣重熔工藝技術(shù)。對此，Ю.B.Латаш教授、A.Г.Богаченко博士都曾向筆者證實(shí)，并一再稱贊中國200 t電渣重熔技術(shù)的先進(jìn)性。

美國康薩克公司(Consarc Corp.)也不掌握大型電渣重熔工藝技術(shù)。盡管康薩克電渣爐設(shè)備特別是供電部分做得還不錯，但康薩克大型電渣爐注定是不好用的。康薩克公司總裁R.J.Roberts博士曾稱贊中國的200 t級電渣爐“是一個很好的設(shè)計(jì)”。

奧地利Inteco公司稱，他們2008年開始設(shè)計(jì)的一臺250 t電渣爐，采用的是3～4根(60～80)t的自耗電極。可以想象，電極的制備不是件容易的事，支撐電極的結(jié)構(gòu)也不會輕便，變壓器容量也會非常之大。因?yàn)樵摴具€為意大利FOMAS鍛造廠設(shè)計(jì)了一臺結(jié)晶器直徑為2 050 mm的120 t電渣爐，計(jì)劃于2011年2月投產(chǎn)，也采用同樣的方案，變壓器容量有30 000 kVA之大，超過30年前蘇聯(lián)建造的結(jié)晶器直徑為3 360 mm的200 t電渣爐變壓器容量的兩倍。我國東北特鋼在2009年也向該公司引進(jìn)了一臺類似結(jié)構(gòu)的100 t電渣爐。這些爐子都還沒有建成，祝愿它們都能順利投產(chǎn)。

20世紀(jì)80年代，中國的200 t級電渣爐之所以能一次調(diào)試成功就重熔出合格的90 t轉(zhuǎn)子電渣錠，第二次調(diào)試就重熔出合格的127 t核電電渣錠，爐子建成3年就生產(chǎn)出核電蒸發(fā)器用205 t電渣錠，是因?yàn)?00 t級電渣爐是根據(jù)我國電渣冶金的開山祖師朱覺教授及劉海洪教授的工藝思想進(jìn)行設(shè)計(jì)的，是建立在100 t電渣爐的工程實(shí)踐和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上的。中國的450 t電渣爐從設(shè)計(jì)制造到安裝調(diào)試僅只一年時間，也是一次調(diào)試成功就投入生產(chǎn)運(yùn)行。如果沒有200 t級電渣爐20多年的技術(shù)開發(fā)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，那是不可想象的。中國的200 t級電渣爐和450 t電渣爐的成功說明，工藝思想的確是電渣爐的靈魂。

4.2 設(shè)備是產(chǎn)品之母，工藝是產(chǎn)品之父

產(chǎn)品的制造過程，都必須利用一定的設(shè)備通過一定的工藝才能實(shí)現(xiàn)。設(shè)備是產(chǎn)品之母，工藝是產(chǎn)品之父。即使?fàn)t子好用，也還有個會不會用的問題。因此，必須全面掌握熔煉軟技術(shù)和一系列檢測技術(shù)。如電制度、渣制度、溫度制度、速度制度、啟動技術(shù)、換電極技術(shù)、抽錠技術(shù)、高均勻性控制技術(shù)、低氫控制技術(shù)、低氧控制技術(shù)、低鋁控制技術(shù)、脫氧技術(shù)、補(bǔ)縮技術(shù)、脫錠技術(shù)、爐氣分析技術(shù)、爐渣分析技術(shù)、熔池檢測技術(shù)等。必須強(qiáng)化氣氛可控、重熔過程可控和凝固過程可控，提高過程控制水平，才能穩(wěn)定可靠地生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。不掌握這些專有技術(shù)，在生產(chǎn)中、在質(zhì)量上都會產(chǎn)生很大的迷茫、困惑和麻煩。比如，電渣重熔首先要造渣，上海重型機(jī)器廠的200 t級電渣爐5 t渣料，用時75 min，鋼錠底部質(zhì)量良好以至在生產(chǎn)筒體鍛件時無需切除；可是一些爐子1 t渣料，通常要用150 min，鋼錠底部質(zhì)量還不盡如人意。又如，電渣重熔結(jié)束前要進(jìn)行補(bǔ)縮，有的20 t電渣錠補(bǔ)縮折騰好幾個小時，結(jié)果鋼錠頂部不是包了一包渣就是存在暗縮孔。至于低氫控制問題，那更是普遍存在的了。而設(shè)備設(shè)計(jì)和銷售單位往往并不具備這些專有技術(shù)。長期以來，我們習(xí)慣更多地依賴科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)，但近百年世界產(chǎn)業(yè)發(fā)展的歷史表明，真正起作用的技術(shù)幾乎都來自企業(yè)(比如，通訊領(lǐng)域的貝爾，汽車領(lǐng)域的福特，飛機(jī)領(lǐng)域的波音和空客，化工領(lǐng)域的杜邦和拜耳，機(jī)床領(lǐng)域的西門子，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的IBM、英特爾、微軟，等等)。道理很簡單，實(shí)際熔煉時開發(fā)的技術(shù)和生產(chǎn)現(xiàn)場積累的經(jīng)驗(yàn)才是真實(shí)可靠的，才是有實(shí)用價(jià)值的。

4.3 特大電流問題

大型電渣爐是特大電流用電設(shè)備，有的甚至高達(dá)100 kA。因此，爐子短網(wǎng)電氣特性就顯得非常重要，否則功率因數(shù)不高，有功分量的效率太低，會給熔煉造成很大困難。

導(dǎo)體的感抗量是由導(dǎo)體本身磁通變化引起的自感和由相鄰導(dǎo)體磁通變化所引起的互感的幾何和。為了降低大電流網(wǎng)路感抗，提高功率因數(shù)(cosφ)，減少無功損耗，有的采用雙極串聯(lián)供電，通過平行布線和交錯布線，使電流回路互相靠近，外部磁場大大抵消。我國200 t級電渣爐和450 t電渣爐就采用了這種辦法，cosφ可高達(dá)0.80～0.93。

由于電感與電流頻率成正比，所以采用低頻電源可以降低短網(wǎng)大電流所引起的感抗損失，提高功率因數(shù)。德國萊寶公司(Leybold AG)制造的電渣爐大都采用低頻供電。比如，由萊寶公司設(shè)計(jì)制造的薩爾鋼廠的160 t電渣爐就是(0～10)Hz的低頻電源，達(dá)到較高的功率因數(shù)。

采用同軸布置或同軸電纜是減少短網(wǎng)電抗，提高功率因數(shù)的又一方案。美國康薩克公司(Consarc Corp.)制造的電渣爐就是采用的這種方案。它采用4根同軸布置的銅制立柱作為電極支架，同時又是水冷底板的返回導(dǎo)電柱。電極截面很大(充填比很高)，位于軸心，電極與立柱構(gòu)成的圓同軸，電極與立柱的電流方向相反，其互感正好與自感方向相反，外部磁場得以相互抵消，從而總的電感減小，最大限度降低短網(wǎng)感抗損失。并且爐用變壓器安放在緊靠爐體的上方平臺上，電流通過滑動接觸的銅碳合金或石墨電刷和導(dǎo)電銅柱從爐口上方不遠(yuǎn)處直接輸入電極，短網(wǎng)極短。為了降低感抗，在磁場包圍的空間內(nèi)的所有部件都采用不導(dǎo)磁材料。康薩克電渣爐的供電方式值得借鑒，但大充填比的一根電極重熔一根鋼錠的方案并不可取，根本不適宜大型電渣爐。比如，要用大于200 t的一根電極重熔一根200 t的電渣錠，那將是不可想象的事。事實(shí)上，我國引進(jìn)的幾臺20 t以上的康薩克電渣爐都不大好用。

4.4 低氫控制問題

氫是大鍛件報(bào)廢的主要原因之一，而且往往會成批報(bào)廢，一旦出現(xiàn)廢品，經(jīng)濟(jì)損失就會很大。所以，大鍛件中的氫有嚴(yán)格限制，不允許超過 2×10-6，當(dāng)氫為(5～7)×10-6時，大截面(比如?2 000 mm)鍛件就不得不進(jìn)行3 000 h以上的擴(kuò)氫退火處理，這使熱處理爐占用時間達(dá)數(shù)月之久，耗用燃油數(shù)百上千噸，非常不現(xiàn)實(shí)。電渣重熔在大氣下進(jìn)行，容易增氫。小爐子問題不大，但爐容量擴(kuò)大到百噸以上，結(jié)晶器截面大，大爐子充填比又小，在潮濕氣候條件下重熔，增氫更嚴(yán)重，難以防止，以致大型電渣重熔的低氫控制一直是世界性的技術(shù)難題，只有個別廠家攻克。低氫問題能否解決，不僅嚴(yán)重影響電渣鋼大鍛件的合格率和生產(chǎn)成本，甚至是大型電渣重熔能否立足的關(guān)鍵。

20多年來，常有同行向筆者咨詢電渣重熔的低氫控制問題。他們可能是由于接觸較少，認(rèn)識有一定局限性，理解尚欠全面，低氫控制不理想。20世紀(jì)80年代末，200 t級電渣爐低氫控制難關(guān)被攻克，直徑2 000 mm的鍛件完全取消擴(kuò)氫退火，問題獲得圓滿解決。筆者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，大型電渣重熔的低氫控制決不是單一的孤立的問題，而是個系統(tǒng)工程，必須依據(jù)電渣冶金原理，從分析電渣重熔過程中氫的行為入手，從氣/渣/鋼三相系統(tǒng)控制氫的來源。要對控制氫的各個方面，如電極的制備與處理、渣的選擇與處理、大氣濕度變化規(guī)律、濕度檢測和爐渣定氫法、爐氣濕度及渣中氫臨界值的確定、爐內(nèi)啟動技術(shù)、初期渣氫峰的消除、保護(hù)罩形式、干燥爐氣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及保護(hù)效果確定、設(shè)備增氫的防止等進(jìn)行全方位的系統(tǒng)研究，結(jié)合具體爐型和當(dāng)?shù)貧夂蛑痦?xiàng)解決，各個環(huán)節(jié)有機(jī)聯(lián)系和動態(tài)配合，才能取得好的效果。

4.5 均勻性控制問題

均勻性是當(dāng)今世界大鋼錠的兩大冶金質(zhì)量難題之一，電渣重熔通過凝固控制和爐渣控制能使電渣錠達(dá)到很高的均勻性。

鋼錠在強(qiáng)制水冷條件下凝固是電渣技術(shù)的突出優(yōu)勢。眾所周知，鋼錠的成分和組織的均勻性取決于冷卻速度。但幾十年來，結(jié)晶器的設(shè)計(jì)一直憑經(jīng)驗(yàn)，并不十分清楚怎樣的結(jié)晶器結(jié)構(gòu)、結(jié)晶器內(nèi)冷卻水怎樣的流場冷卻速度才是最高的。這樣，電渣技術(shù)的突出優(yōu)勢就沒有得到充分發(fā)揮。小錠問題不大，大型錠直徑很大(有的已接近4 m)，要獲得高質(zhì)量，就必須深入研究達(dá)到超高冷卻速度的傳熱、結(jié)晶器冷卻水流場和結(jié)晶器結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)出更加合理的、有效的而不再是粗放的結(jié)晶器，力求使凝固冷卻速度盡可能高。

一根上百噸的電渣錠的重熔時間長達(dá)幾十個小時；采用干燥空氣保護(hù)通入爐內(nèi)的氧量每小時數(shù)百立方米；渣池中氣/渣接觸面有好幾平方米；重熔過程中電極表面的氧化和一些活性元素的燒損，其生成物每小時超過10 kg，這些氧化物在渣中不斷積累，使熔渣氧化性越來越強(qiáng)；為了控制合金元素的燒損，重熔過程中加入脫氧劑生成的脫氧產(chǎn)物達(dá)數(shù)百千克；隨著重熔過程的進(jìn)行，熔渣的一些組元不斷分解，比如從重熔開始到結(jié)束CaF2的濃度差可超過20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))；包覆鋼錠的渣皮使渣量不斷減少，而且渣皮進(jìn)行選分結(jié)晶，以致渣皮中的一些高熔點(diǎn)組元濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于渣池濃度，比如Al2O3的濃度，渣皮與渣池之間可相差將近20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。在這樣復(fù)雜多變的條件下長時間重熔，若不采取有效的措施，將會出現(xiàn)一系列問題。比如，渣成分將會發(fā)生很大的變化，電渣重熔是充分利用熔渣特性的冶金技術(shù)，渣成分的劇烈變化，將會引起熔渣的冶金性質(zhì)和工藝性質(zhì)隨之發(fā)生很大變化。于是，鋼中的活性元素將會隨著重熔的進(jìn)行燒損越來越嚴(yán)重，沿錠高方向的成分不均勻性就會越來越嚴(yán)重，鋼錠內(nèi)部純凈度受到的不良影響也會越來越嚴(yán)重。因此，大電渣長時間重熔的脫氧技術(shù)就顯得尤其重要，是保證電渣錠冶金質(zhì)量特別是保證沿錠高約5 m方向上成分均勻性的關(guān)鍵。要根據(jù)不同鋼種、不同熔速、不同渣系、不同產(chǎn)品要求，研發(fā)出簡便易行的脫氧技術(shù)，如脫氧劑的選擇、用量、用法等。

5 結(jié)語

目前，大型電渣重熔作為生產(chǎn)100 t以上直至300 t重大鍛件用巨型鋼錠的理想方法，正在推廣，但是其工業(yè)應(yīng)用時間不長，生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有限。筆者根據(jù)從事200 t級電渣爐技術(shù)工作30年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，設(shè)計(jì)建造大型電渣爐必須首先進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，必須全面掌握熔煉工藝技術(shù)。只有這樣才能設(shè)計(jì)制造出有實(shí)用價(jià)值的電渣重熔爐。

在電渣爐設(shè)計(jì)方面要著重考慮爐子的短網(wǎng)電氣特性，應(yīng)高度重視短網(wǎng)設(shè)計(jì)，否則功率因數(shù)不高，有功分量的效率太低，會給熔煉造成很大困難。

在熔煉技術(shù)方面，要重點(diǎn)解決低氫控制和成分均勻性問題。這是獲得優(yōu)質(zhì)大型電渣錠的關(guān)鍵技術(shù)。

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