電渣冶金法制造軋輥技術研究進展

丁家偉，丁 剛，強穎懷

(1.中國礦業大學 材料科學與工程學院，江蘇 徐州 221008;2.江蘇新亞特鋼鍛造有限公司，江蘇 丹陽 212322)

電渣冶金法制造軋輥技術研究進展

丁家偉1，丁 剛2，強穎懷1

(1.中國礦業大學 材料科學與工程學院，江蘇 徐州 221008;2.江蘇新亞特鋼鍛造有限公司，江蘇 丹陽 212322)

系統介紹了目前國內外采用電渣冶金法制造軋輥的各種工藝，分析了各種工藝的優缺點，介紹了目前國內外電渣冶金工藝制造軋輥的技術研究進展狀況，著重介紹了近幾年國內外所研究和開發的各種新型電渣冶金法制造軋輥工藝及其性能.

電渣冶金;軋輥;制造工藝

軋輥是軋機的重要部件之一，是軋鋼行業的大宗消耗件。軋輥質量的優劣直接決定著軋鋼生產工藝的合理性和所軋制產品的質量及經濟性和生產效率.如何提高軋輥的性能和使用壽命，適應現代軋鋼業發展的需要是當今軋輥制造業所面臨的一個重要課題.軋制技術自動化、連續化、重型化的不斷發展，對軋輥的性能提出了更高的要求［1］.為適應這一要求，近年來，國內外軋輥制造者在不斷研究和開發各種新型軋輥制造材料的同時，對軋輥制造工藝進行了大量的研究和開發，以期制造出性能優良的軋輥，滿足現代軋輥業發展的需要.軋輥制造材料和制造技術的發展，將永遠伴隨著軋制技術的進步而發展［2］.

1 電渣冶金工藝

電渣冶金是金屬及其合金的一種特殊熔煉方法［3］.它是一種利用強電流通過渣池區域而產生的焦耳熱將固態渣熔化成液態熔渣，自耗電極(或液態金屬)在高溫液態渣池中逐漸熔化和精練的方法.

電渣冶金與其他冶金方法的不同之處在于，在電渣冶金過程中，自耗電極的熔化、鋼－渣的冶金反應、鋼液的結晶、鑄錠的形成等都是在一個連續的工作程序中進行的.其冶金特點是重熔或熔鑄始終在液態渣層下進行，與大氣隔絕而不會被污染;液態金屬在銅制水冷結晶器中凝固不與耐火材料接觸;反應溫度高;鋼和渣充分接觸;渣池強烈攪拌;鋼渣界面電毛細震蕩以及順序結晶.

電渣冶金技術的發展，使其已派生出了許多分支，目前的電渣冶金包括電渣重熔、電渣熔鑄、電渣澆注、電渣轉注、電渣自熔模、電渣離心澆鑄、電渣熱封頂、電渣焊接、電渣復合等技術及新近開發的可控氣氛電渣冶金等新技術.因此，目前的電渣冶金已形成了一門跨行業、跨專業的新技術，稱之為“電渣冶金”［4］或“電渣冶金技術”.

電渣冶金由于它本身的特點，具有一系列的優越性:

圖1 電渣熔鑄原理圖Fig.1 Schematic diagram of electroslag casting

(1)性能的優越性:電渣產品金屬純凈度高、組織致密、成分均勻、表面光潔，產品使用性能優異;

(2)生產的靈活性:電渣重熔可生產各種圓錠、方錠、扁錠和空心錠以及圓管、方管等產品;電渣熔鑄還可以生產各種異形產品和雙金屬復合產品，所熔鑄的異形鑄件從幾g到150 t的產品和幾十噸重的復合軋輥;

(3)工藝的穩定性:質量與性能的再現性高，穩定性好;

(4)經濟上的合理性:設備簡單、操作方便、生產費用低，金屬成材率高;

(5)過程的可控性:過程控制參量較少且易于實現，便于自動化;

(6)質量的可控性:對產品微量的化學成分，夾雜物的形態及性質、晶粒尺寸、結晶方向、顯微偏析、碳化物顆粒度及結構等都能予以控制.

由于電渣冶金具有以上優越性，目前世界各國都大力發展，并不斷地研究和開發出新的工藝技術，以降低電耗，提高生產效率，不斷地開拓新的應用領域.

2 電渣冶金工藝在軋輥制造中的應用

在現代軋輥制造中，通常低負荷的熱軋輥用鑄造輥，而承受大負荷的熱軋輥及表面質量要求高的冷軋輥均用鍛造輥.隨著軋制技術自動化、連續化、重型化的不斷發展，軋制速度的提高及軋制負荷的增大，對熱軋輥要求具有更高的抗沖擊負荷及抗熱沖擊的能力以及在熱應力及反復負荷作用下的抗疲勞性能.對冷軋輥，由于軋制產品表面光潔度要求的提高，除要求軋輥有足夠的表面硬度及淬透深度以保證耐磨性外，還要求材質成分及組織高度均勻，金屬致密，確保軋輥表面硬度均勻以保證軋制產品的表面光潔度［5］.

為了滿足現代軋制工業對高性能軋輥的要求，迫使人們向電渣冶金領域開發，以制造出高性能的軋輥.

當前世界上應用電渣冶金法生產軋輥有4種形式:

(1)電渣重熔法(ESR):用電渣重熔法生產鑄錠，再經大型鍛壓設備成型.目前西歐、美國及日本和我國生產冷軋輥主要采用此種形式.

(2)電渣熔鑄法(ESC):用電渣熔鑄直接成型，不經壓力加工，鑄態使用.蘇聯側重發展電渣熔鑄軋輥.

(3)電渣熔鑄堆焊復合法(Eskcladding):在磨損的舊軋輥或芯棒外周圍用電渣法堆焊一層合金鋼以修復舊輥或制造雙金屬復合輥.奧地利及捷克斯洛伐克和日本均在電渣熔鑄堆焊復合軋輥方面從事開發.

(4)液態金屬電渣連續復合法(ESSLM):采用液態金屬在導電結晶器內以連續澆注的方式對芯棒表面復合一層所需成分的軋輥工作層材料，然后通過抽錠裝置將所復合好的軋輥從結晶器內逐步抽出.該工藝既可以制造新軋輥，也可以對廢舊軋輥進行二次修復.烏克蘭巴頓電焊研究所、烏克蘭ELMET－ROLL－MEDOVAR GROUP軋輥集團和比利時MK廠從事該技術的研究、開發和應用.

2.1 電渣重熔法(ESR)［6］

電渣重熔法(ESR)制造軋輥是在水冷結晶器中，借助于液態電渣的電阻熱將自耗電極熔化并成型的軋輥制造方法.電渣重熔期間自耗電極不斷熔化并通過液態渣層精煉后在結晶器內自下而上順序凝固，整個過程中都有鋼液不斷進行補縮，消除了鋼錠凝固過程中的選分結晶，因此采用電渣重熔方法生產的冷軋輥金屬純凈，組織致密，成分均勻，鑄錠表面光潔，特別是枝晶偏析小，沒有宏觀偏析，顯微偏析程度也很輕，而且非金屬夾雜物數量非常少且細小而彌散，從而保證軋輥表面硬度均勻，無大尺寸夾雜聚集引起的應力集中.材料具有較高的韌性和強度，這有利于改善軋輥鋼的抗疲勞能力、熱沖擊抗力和軋輥綜合性能.

電渣重熔冷軋輥具有其它制造工藝所無法比擬的技術優勢，世界各國均在大力投入對它的技術開發.由于電渣重熔軋輥屬二次重熔精煉，需增加設備投資，因而軋輥的制造周期長，需要消耗大量的二次重熔電能，使軋輥的制造成本大大提高.但由于所制造的軋輥具有的良好質量，足以彌補制造成本的增加.

2.2 電渣熔鑄法［7］(ESC)

電渣熔鑄軋輥制造工藝主要有以下幾種，即:整體熔鑄法、插入輥頸熔鑄法和分段熔鑄法.

2.2.1 整體熔鑄法

它是采用三階梯組合式結晶器進行制造，即上下輥頸部分分別采用二組結晶器，工作輥部分采用一組結晶器，將上述結晶器組裝成上輥頸—工作輥身—下輥頸三階梯式.

制造工藝為:自耗電極首先在下輥頸結晶器內進行電渣熔化，待熔化至結晶器頂部時，快速將輥身結晶器連接到輥頸結晶器的上端，此時電渣熔鑄過程不停止，仍然連續進行，當熔鑄至輥身結晶器的頂部后，再將上輥頸結晶器快速連接在輥身結晶器的上端，自耗電極連續熔鑄，在此生產過程中根據渣量消耗情況不斷地補充固態渣.待熔鑄完上輥頸后，打開組合式結晶器，取出熔鑄好的軋輥，送入熱處理爐進行熱處理.

為了提高生產效率，也可以采用兩種直徑的自耗電極，即小規格的輥頸自耗電極和大直徑的輥身自耗電極，采用雙臂交替工藝熔鑄.

電渣熔鑄軋輥由于是二次重熔，因而電耗高，生產成本高，且只適合于制造小型整體軋輥.

圖2 用抬結晶器法熔鑄整體軋輥Fig.2 Electroslag casting roll using lifting crucible

2.2.2 插入輥頸熔鑄法

它是將上、下輥頸預先制造成型，先將一個輥頸放在特殊底水箱上伸入結晶器內作引錠頭，輥身自耗電極在結晶器內熔鑄，利用重熔過程熔渣電阻熱使輥頸和輥身熔合，繼續熔鑄輥身，待熔鑄到輥身結晶器的頂部后，將第二個輥頸電極快速更換，在水冷結晶器內進行少量熔化，停電將軋輥頸直接插入熔池，其操作似電渣接觸焊，即完成了整個軋輥的熔鑄，也可將輥身電極在熔化完輥身后，將電極余頭停電直接插入輥身結晶器內.

這種方法很經濟，不僅可用預制好的輥頸，而且可以利用舊輥頸，適合制造小型整體材料的軋輥.主要缺點是在上部輥身與輥頸的結合處易發生少量夾渣、縮孔和疏松等微缺陷，因而應嚴格控制上輥頸的插入工藝，以防止和減少上述缺陷的產生.

圖3 電渣熔鑄輥身焊合一個輥頸，插入另一輥頸方法制備軋輥Fig.3 Electroslag casting roll barrel and welding one roll neck and insert another roll neck

2.2.3 分段熔鑄法

它是按輥身與輥頸的尺寸分別做二個結晶器(或制作成一個含有輥身和輥頸的整體結晶器)，然后將預先制作好的輥頸安裝在特殊的底水箱伸入結晶器內，將輥身電極在輥身結晶器內進行電渣熔鑄，待熔鑄到結晶器的頂端后，將輥頸結晶器快速連接到結晶器的上部.同時，不停地連續熔鑄，直到熔鑄完整個輥頸.

在上述各種軋輥制造工藝中，當需要制造大長度的軋輥時，要采用抽錠裝置將輥身從結晶器中抽出或采用抬升結晶器的工藝，以制造大長度的軋輥產品.

2.3 電渣熔鑄堆焊復合法［8］(Eskcladding)

電渣復合法是將兩種不同性能的金屬材料，經過一定的電渣冶金工藝，在具有一定形狀的水冷結晶器內，將其復合成一個整體，使之具有不同的性能，以滿足不同的使用工藝的要求.

由于電渣熔鑄堆焊復合軋輥所具有的各項優良性能，世界各國均在積極地從事各種電渣熔鑄堆焊復合軋輥制造工藝的研究和開發，目前所開發的復合制造工藝主要有:(1)多電極熔鑄復合法;(2)自耗結晶器熔鑄復合法;(3)多絲電極堆焊復合法;(4)管狀電極熔鑄堆焊復合法;(5)旋轉結晶器熔鑄堆焊復合法;(6)電渣熔鑄熔焊復合法;(7)雙金屬自耗電極熔鑄復合法.

圖4 電渣熔鑄輥身和一個輥頸并熔接另一個輥頸的方法Fig.4 Electroslag casting roll barrel and roll neck and casting another roll neck

2.3.1 多電極熔鑄復合法［8］

將軋輥工作層材料做成小直徑自耗電極，將軋輥芯棒固定在T型結晶器的中心，在電極把持器上安裝2～8根上述所制造的小直徑的自耗電極，將熔化后的渣液澆入結晶器和芯棒的空隙中形成渣池，預熱芯棒表面.將自耗電極在T型結晶器內的上部大截面處內進行電渣熔鑄，鋼液通過渣池時被清洗和精練，同時渣池上浮.所熔化后的金屬液復合在已被高溫熔渣所預熱的芯棒表面，在水冷結晶器的冷卻下凝固，形成冶金結合的復合層.所復合好的軋輥被抽錠設備從結晶器內抽出.

該工藝的關鍵在于控制T型結晶器內的金屬液位，使金屬液體始終保持在接近T型結晶器的變截面交接處，使金屬在T型結晶器的下部凝固，以防止金屬液在T型結晶器的上部凝固而使熔煉過程中斷.同時，控制熔化速度和渣液溫度，以防止液渣對芯棒表面的過度熔化而影響復合質量.該工藝的優點是在復合時不受結晶器尺寸的影響，可以制造各種厚度復合層的軋輥.缺點是金屬液位控制技術難度大，結晶器結構復雜，復合工藝控制技術難度大.

2.3.2 自耗結晶器熔鑄復合法［7］

采用電渣熔鑄或其他工藝先制造出空心狀的軋輥輥身坯料.其外形尺寸等于所需制造的軋輥輥身的外形尺寸，內徑等于這個軋輥輥頸的直徑.將輥芯和輥頸材料做成自耗電極，將所制造好的空心軋輥用作結晶器，在該結晶器的上下端部分別連接下輥頸和上輥頸尺寸的結晶器，然后將熔化的液態電渣倒入結晶器內，在結晶器和空心軋輥坯料內進行熔鑄上下輥頸和芯棒.

圖5 在多極電渣爐上熔鑄復合軋輥Fig.5 Casting composite roll using ESR furnace with several electrodes

該工藝的關鍵是要控制好芯棒在軋輥芯部熔化速度和熔鑄后的冷卻工藝.

該工藝的優點是復合工藝簡單，易于控制復合質量，生產效率高，適合于制造小規格的復合軋輥.缺點是由于兩種材料的膨脹系數差，在復合層處易產生裂紋，同時當熔鑄工藝不當，復合層處易產生夾雜，影響復合層質量，且無法保證芯棒與輥套的同心度.

圖6 利用自耗電極熔鑄復合軋輥Fig.6 Casting compound roll using consumable electrode

2.3.3 多絲電極堆焊復合法［8］

將軋輥工作層材料制造成絲電極，將芯棒固定在結晶器的中心，將多根絲電極經專門的送料機送入水冷結晶器內，在渣池內熔化，所熔化的金屬與芯棒形成復合層.

為了保證復合層厚度的均勻性，采用芯棒旋轉的方式;為了制造長規格的復合軋輥，采用向上抬升結晶器的工藝，其余工藝與上述相同.

該工藝由于需預先制造絲電極，生產成本較高.由于使用絲電極進行熔鑄復合，因而僅能制造復合層較薄的復合軋輥，且制造工藝復雜，目前，在生產中很少使用.

圖7 線電極電渣表面層堆焊軋輥(移動式結晶器)Fig.7 Bead weld roll with line electrode(movable crucible)

2.3.4 管狀電極熔鑄堆焊復合法［8］

該工藝是日本于1986年研究開發的一種電渣雙金屬復合軋輥制造工藝.它是將軋輥工作層材料制造成管狀空心自耗電極，將作為輥頸和輥芯的鍛鋼軸安裝在水冷結晶器中間，二者保持同心;將管狀電極插入結晶器與芯棒間隙處進行電渣熔鑄，為防止造成短路和電弧擊穿結晶器，應保證其內外壁不與結晶器和芯棒接觸;所熔化的金屬液不斷地充滿二者之間的空隙形成復合層，并使鍛鋼軸表面熔融，鋼液凝固后與芯軸表面形成冶金結合而成為雙金屬復合軋輥;在操作過程中，采用溫度遞減的方式，使渣溫始終保持在一定的穩定范圍內，以防在熔鑄復合的后期，由于渣溫的升高使芯棒的上部熔化過多而造成的復合層質量問題.

該工藝所制造的復合層厚度可達50～70 mm，當生產薄壁的復合軋輥時，則可以采用T型結晶器復合.

該工藝的技術關鍵是控制整個輥身熔透深度.采用該工藝制造復合軋輥具有制造工藝簡單，復合層質量好，生產成本低，結合處顯微組織致密、無偏析和裂紋，結合層具有較高的強度等優點.但該工藝在復合過程中由于電流不均勻地通過渣池，使芯棒周圍渣池的溫度不均勻，造成在重熔過程中高渣溫區域或低渣溫區域幾乎固定不變，使輥身和芯棒左邊和右邊熔透深度不同，熔透深度不均勻.隨著距芯棒底部距離增加，由于重熔過程中芯棒的溫度逐漸升高，熔透深度增大，使輥身熔透深度和輥芯上下熔透層深度控制困難，這對于復合軋輥來說是不利的，且無法制造薄壁層復合軋輥.

圖8 管式電極熔鑄軋輥(用管電極固定式結晶器)Fig.8 Casting roll with tube electrode(Stable crucible)

2.3.5 旋轉結晶器熔鑄堆焊復合法［9］

由于管狀電極熔鑄堆焊復合法制造的復合軋輥具有的各項良好性能，因而受到了軋輥制造工作者的關注.但由于該工藝存在著輥身熔透深度不均勻，輥身熔透深度和輥芯上下熔透層深度控制困難等缺點而限制了該工藝的應用.

為了克服上述缺陷，獲得均勻的熔透深度，日本于1988年研究開發了一種旋轉電渣復合法，即在管狀電極復合法的基礎上，將芯棒和結晶器以相同的速度圍繞軸線同步旋轉，而管電極不旋轉［2］.

采用這種旋轉雙金屬電渣熔鑄堆焊復合工藝，經實驗證明，由于芯棒和結晶器旋轉，使渣池中電流密度不同造成的溫度分布不均勻的區域得到改變，能夠得到均勻的渣池溫度，使軋輥工作層和芯棒復合層周邊的熔透深度幾乎相同，通過旋轉可以獲得均勻的周邊熔透深度;在熔合表面有一個幾mm厚的過渡區，芯棒和復合層熔合處結合良好，結合部強度高，具有良好的表面質量和熔合冶金界面質量，且合金元素的分布在兩邊幾乎相等;外層的宏觀組織致密和金屬純凈度高.因而，采用旋轉法制造的雙金屬復合軋輥具有良好的質量.

該工藝由于采用結晶器和芯軸旋轉，使設備龐大，結構、控制系統復雜，造價高，生產工藝復雜，目前僅有日本在使用該工藝進行少量的生產復合冷軋輥.

圖9 旋轉電渣熔鑄雙金屬復合軋輥示意圖Fig.9 Circumrotate electroslag casting bimetallic composite roll

2.3.6 電渣熔鑄熔焊復合法［10］

該工藝是將輥頸和輥身分別制造，然后將經電渣熔鑄好的輥身和輥頸采用電渣焊的方法熔焊成一整體，形成雙金屬復合軋輥.

該工藝的優點是復合工藝簡單，質量易于控制，但由于輥頸與輥身材料的不同，焊接操作不當，易在焊接處產生裂紋.當生產大直徑的輥身時，軋輥制造成本高，焊接困難，該工藝僅適用于小規模的復合軋輥生產.

2.3.7 雙金屬自耗電極熔鑄復合法

該工藝是將輥頸和輥身兩種材料按照輥頸和輥身所需的重量預先焊接成一個整體的自耗電極，然后在組合式結晶器內按照整體熔鑄軋輥工藝進行電渣熔鑄，即形成了輥頸與輥身分別為兩種材料的雙金屬復合軋輥.

用該工藝制造雙金屬復合軋輥的優點是工藝簡單，輥頸與輥身結合處質量好，缺點是輥身和輥頸的尺寸需經過嚴格的計算，否則難以得到保證，且僅適用于制造小規格的雙金屬復合軋輥.

3 國外電渣重熔軋輥新技術［6］

為提高電渣重熔軋輥的質量，國外近年來不斷開發出新的技術，其中比較好而實用的技術有:

3.1 電渣重熔軋輥加入非金屬附加物NFA處理

在電渣重熔過程中往金屬溶池加入非金屬附加物NFA即可提高金屬純凈度，又可以改善鑄錠結晶組織，以電渣熔鑄冷軋軋輥為例，加NFA處理后電渣熔鑄軋輥使用壽命是平爐鋼鍛件的2.5倍.

3.2 電渣重熔軋輥氫的控制

軋輥要求控制鋼中氫含量，氫含量超過極限易引起氫脆裂紋，同時由于鋼中氫含量高對鋼錠必須進行長時間的擴氫退火，一般要求金屬熔池中w［H］≤2.5×10－6，要達到此要求，國外提出以下原則:

(1)對鑄造電極的鋼液進行去氣處理，降低自耗電極含氫量.

(2)重熔前或重熔過程中對熔池進行處理.(3)采用干燥空氣及惰性氣體保護.

通過以上處理，可以使軋輥鋼中氫的含量控制在所要求的范圍內.

3.3 酸性渣重熔軋輥用鋼

酸性渣透氣性差，可以防止重熔過程吸氫，采用酸性渣電渣重熔可以控制鋼中非金屬夾雜物呈硅酸鹽為主的塑性夾雜，避免形成剛玉型的脆性夾雜，不至于在軋輥工作時導致應力集中，疲勞破壞.

4 電渣冶金法制造軋輥工藝研究新進展

雖然電渣冶金有上述許多優點，但電渣冶金也存在著局限性，如熔煉和凝固速度偏低、自耗電極氧化、熔渣吸氣以及活撥金屬的氧化等［11］，且生產工藝流程較一般煉鋼方法復雜，電耗高，重熔費用高，生產效率低.

因此，近年來國內外均在開展各種研究工作，不斷研究開發出新的工藝技術途徑來加以改進，以求克服上述缺陷，降低電耗，提高生產效率，改善產品質量.目前，在國內外電渣冶金工作者的不懈努力下，電渣冶金技術又有了新的突破.相繼開發出了可控氣氛電渣冶金、電渣表面鍍膜、潔凈金屬噴射成形(CMSF)、高壓下電渣重熔(PESR)、導電結晶器電渣冶金(CCM－ESR)、快速電渣重熔(ESRR)等技術［12］，其中適合與軋輥制造的技術主要是快速電渣重熔(ESRR)和導電結晶器電渣冶金(CCM－ESR)技術.

4.1 快速電渣重熔(ESRR)法［12］

奧地利Inteco公司在導電結晶器和雙回路原理的基礎上開發出了快速電渣重熔ESRR技術，它是在T型結晶器多流電渣重熔的基礎上發展起來的，在T型結晶器壁上嵌入導電元件，使電流通過自耗電極→渣池流入→導電元件→返回變壓器，如此改變了結晶器熱分配.使鋼－渣熔池界面遠離電極端頭，使金屬熔池深度與輸入功率無關，所熔鑄好的鋼錠通過抽錠設備從結晶器內抽出.應用這一裝置重熔直徑為100～300 mm的小直徑的鋼錠時，其電極直徑之比可以達到3～10，在T型結晶器上部較大直徑的自耗電極的熔化速度可高達300～1 000 kg/h，且所重熔的小直徑的鋼錠均具有良好的內在質量和表面質量，重熔錠組織均勻細小，無明顯的偏析和疏松.

該工藝適用于制造冷軋輥和熱軋輥坯料.

圖10 快速電渣重熔用的T型導電結晶器Fig.10 T－type current conductive mold used for rapid ESR furnace

4.2 ESSLM液態金屬電渣復合工藝［13］

1997年烏克蘭 ELMET—ROLL—MEDOVAR GROUP軋輥集團的工程師與烏克蘭巴頓焊接研究所的科學家們聯合，將導電結晶器技術應用于復合軋輥的制造，開發了把液態金屬用于電渣包覆表面的電渣復合軋輥制造工藝和設備(簡稱ESSLM工藝)［12］，進行高速鋼復合軋輥的工業化生產.

該工藝是在CPC工藝的基礎上與導電結晶器液態金屬電渣連續澆注工藝相互結合開發的一種復合軋輥制造法.它與CPC法不同的是充分利用電渣的凈化作用，將芯棒材料安裝在專門設計的導電水冷結晶器的中心，導電水冷結晶器代替非自耗電極對電渣進行加熱，使液渣保持在高溫狀態，將需復合的外層金屬液以一定的速度和方式澆入導電水冷結晶器中，使金屬液在穿過熔融渣層的過程中受到電渣的精練.外層金屬液與已經被電渣預熱的軋輥輥芯表面熔合，形成復合層，并通過抽錠設備從結晶器內抽出.高溫液態電渣同時還起到對芯棒加熱和表面清洗及隔離所澆入的金屬液與空氣的接觸，從而對金屬液進行保護的作用.

ESSLM工藝的優點是，可使用各種成分的材料進行復合，且所澆入的外層金屬在通過液態渣池時受到電渣精練作用，提高了外層金屬的純凈度，所制造的復合軋輥組織致密度高，無疏松、裂紋，無縮孔等缺陷;外層金屬與芯棒融合良好，主要合金元素、硬度及顯微組織在高度方向和橫段面上的分布均勻，產品質量高，生產效率高(是傳統電渣重熔方法的幾十倍)，且生產成本低，電能消耗少，設備簡單，可控工藝參數少，可生產任意成分的復合軋輥，并且還可以修復舊的軋輥.

該工藝與CPC工藝相比，設備簡單，所生產的產品質量好，但是仍然存在生產效率低，導電結晶器結構復雜，技術難度大，設備的控制技術要求高等缺點.

圖11 液態金屬電渣復合法Fig.11 Electroslag surfacing with liquid metal

4.3 復合電渣冶金法制造鋼結硬質合金復合軋輥工藝［14］

鋼結硬質合金是以鋼作黏結劑，以難熔化合物顆粒作硬質相而得到的復合材料，是一種介于工、模具鋼與硬質合金之間的新型高性能結構材料，也是制造軋輥的良好材料.與一般工、模具鋼相比，其壽命提高3～5倍乃至10倍以上，具有工、模具鋼不可替代的優勢;與硬質合金相比，它可以進行各種機械加工和熱處理，具有韌性好、生產成本低等一系列優點.鋼結硬質合金主要靠粉末冶金法制備，由于受設備及制作工藝的限制，目前國內外尚無法制造大尺寸的鋼結硬質合金，無法將鋼結硬質合金應用于板帶材軋輥，限制了該材料的應用.

目前國內外制造硬質合金或鋼結硬質合金復合軋輥的生產工藝均為二步法，即先用粉末冶金工藝制造出硬質合金或鋼結硬質合金輥環，然后再與鑄鐵(鋼)熔鑄成一體.其工藝流程相當復雜，且應用上有局限性，生產周期長.由于硬質合金與鋼或鐵的膨脹系數相差較大，潤濕性差，因而對制造工藝要求十分嚴格，成品率低.

目前，一種新的復合軋輥制造工藝及設備—復合電渣冶金法制造鋼結硬質合金復合軋輥工藝及設備已由江蘇金港特鋼有限公司研制成功.

該工藝設備是將電渣冶金與粉末冶金、金屬鑄造、噴射冶金及電磁攪拌鑄造等工藝相互結合而形成的一種性能優越、制備成本低廉的新型復合軋輥制造工藝和設備.它是在電渣冶金過程中將金屬芯棒固定在結晶器中心，將軋輥工作層基體金屬與增強顆粒通過特殊方式混合后，連續、均勻地加入結晶器內，在電磁場的攪拌下所澆入的鋼結硬質合金與已經被液態電渣加熱的芯棒材料復合成一體，在水冷結晶器的作用下快速結晶，形成順序凝固，制備成外層為能滿足各種冷軋和熱軋性能需要的含有30%～50%的 WC硬質合金顆粒的鋼結硬質合金，而芯部為高強度合金工具鋼、球墨鑄鐵或碳鋼的大尺寸復合軋輥.軋輥表面具有較高的耐磨性和耐腐蝕性及抗表面粗糙性和抗剝落性能，芯部具有高的強度和強韌性能.

這種全新的制備技術克服了粉末冶金法所存在的各種弊端，工藝簡單，周期短，制備成本降低50%，實現了二相材料的冶金結合，韌性比粉末冶金工藝提高60%，耐磨性提高1.5～2倍，可以制備各種大尺寸的鋼結硬質合金板帶材雙金屬復合軋輥，并實現了在制造鋼結硬質合金的同時與芯棒直接復合成一體的一步法制造工藝.

該工藝和設備除用于制造各種規格的冷軋和熱軋電冶鋼結硬質合金雙金屬復合軋輥外，還可用于生產各種高速鋼、高合金鋼復合軋輥和各種整體材質合金鑄鐵軋輥，可以用于各種材料廢舊軋輥的工作層的二次電渣覆層修復，因而具有一機多用之特點.

復合電渣冶金工藝的研制成功，結束了目前國內外在板帶材軋制中無鋼結硬質合金軋輥的歷史，使我國在此領域的研究和開發走在了世界的前列［15］.

該工藝的研制成功，將是國內外繼高速鋼復合軋輥后的又一次軋輥材料和制造技術上的革命.

4.4 感應電渣復合鑄造法［16］

感應電渣復合鑄造工藝及設備是由江蘇金港特鋼有限公司總工程師丁剛歷經十多年的努力研制成功的.

該工藝是將電磁感應鑄造技術、液態金屬電渣澆注技術、ESSLM工藝技術、CPC工藝技術和電磁攪拌鑄造技術相互結合研制而成的.在該工藝中，通過電磁感應加熱設備對安裝在水冷結晶器內的軋輥芯棒加熱，達到所預定的溫度后，電渣冶金設備將水冷結晶器內的固態電渣加熱熔化，將需復合的外層金屬液以一定的方式快速澆入水冷結晶器中，使金屬液在穿過熔融渣層的過程中受到電渣的精練.外層金屬液與已經被電磁感應加熱器預熱的輥芯材料表面熔合，并在水冷結晶器內凝固，金屬液澆注完畢后，感應加熱器繼續對所澆入的液態金屬和芯棒加熱，使兩種金屬間形成冶金復合層.待保溫一定時間后停止加熱，打開結晶器將復合軋輥取出.

采用電磁感應加熱器在澆注前對芯棒在結晶器內直接進行預熱，澆注后對軋輥進行保溫，一方面為了有利于雙金屬材料的良好復合，另一方面為了減少鑄造缺陷，讓軋輥外層金屬實現至下而上順序凝固，金屬液自動由上向下的流動，有利于金屬的補縮，從而縮短了補縮區的長度，減少了鑄造缺陷;在澆注過程中繼續對復合軋輥進行電磁感應加熱，可以降低芯棒的預熱溫度，減少芯棒材料的氧化，可以使液固時間增加，促使兩相材料的擴散更加充分，同時可以利用電磁攪拌作用，增加液體金屬對芯棒表面的沖刷，促進兩相材料之間的物質和能量交流［8］，使復合層界面易于控制，從而實現良好的冶金結合，且克服了常規鑲鑄復合工藝所存在的無法制造復合比小于8.0的雙金屬復合產品的弊端.

感應電渣復合鑄造工藝和設備除用于制造各種規格的高速鋼復合軋輥外，還可以制造各種合金材料的冷軋復合軋輥、熱軋復合軋輥和各種合金鑄鐵熱軋復合軋輥;采用該工藝和設備還可以制造各種合金材料的復合支撐輥、復合連鑄輥等各種輥類產品，尤其在大型復合支撐輥的制造上，由于其獨特的工藝性能和優良的產品質量，可以實現以鑄代鍛，可以不受設備和工藝的限制，實現用小型設備制造大體積的層狀復合支撐輥及其他各種復合產品，節省投資.同時，采用該工藝和設備尚可以制造整體材料的上述各種軋輥，還可以用于上述各種材料廢舊軋輥工作層的二次復合修復.

新型感應電渣復合軋輥制造工藝具有比離心復合鑄造工藝更高的生產效率，可以使用鍛鋼等各種材質的芯棒材料和各種成分的軋輥工作層材料制造各種復合軋輥，且兩種材料間的界面結合強度高.可以根據不同的使用要求，自由地選擇不同強度要求的芯棒材料和不同性能的復合層材料生產復合軋輥.由于電渣冶金的作用，使該工藝制造的復合軋輥工作層材料具有致密度高，組織晶粒度細小，結晶組織優良，不易產生縮孔、疏松等鑄造缺陷，且主要合金元素、硬度及顯微組織在高度方向和橫斷面上的分布均勻，無成分偏析，軋輥工作層材質的純凈度高，具有較高的耐磨性和耐冷、熱疲勞性及現代軋輥工作層材料所需具備的各項性能［9］，芯部具有高的強度和韌性，所生產的產品質量易于控制.因而該工藝和設備具有一機多用，可控工藝參數少，生產工藝簡單易于操作，生產效率高，電耗低，成本低，設備簡單投資小，易于工業化生產等特點，是目前制造高速鋼等各種材質復合軋輥及大型復合支撐輥的最佳工藝和設備.

該工藝和設備填補了國內外空白，技術水平達到國際先進水平.

5 國內電渣冶金軋輥的生產和研究開發狀況

我國是世界上最早進行電渣冶金技術研究、開發和應用的國家，是目前世界上僅有的完全掌握和獨立發展電渣冶金技術的少數幾個國家之一［17］.在電渣冶金制造軋輥技術上，我國目前主要采用電渣重熔法制造冷軋輥用鋼錠［6］，然后經鍛造后制造冷軋輥，少部分小型軋輥制造企業采用電渣熔鑄工藝制造小型整體冷軋輥［18］.在采用電渣熔鑄工藝制造熱軋輥的研究上，國內五二研究所、內蒙古冶金研究院、鋼鐵研究總院和西寧鋼廠等現均在從事該技術的研究和開發工作，其中西寧鋼廠所制造的650整體鋼質熱軋輥經軋鋼使用效果良好［19］;五二研究所采用電渣球墨鑄鐵和30號鋼進行電渣熔鑄復合軋輥，采用雙臂交替抽錠式電渣爐制造了750×1 430 mm的輥身為球墨鑄鐵，輥頸和接頭為30號鋼的雙金屬復合軋輥;鋼鐵研究總院已開發了多種電渣冶金制造軋輥工藝［20］，對烏克蘭巴頓焊接研究所的“ESSLM液態金屬電渣復合工藝”也在進行研究和開發［21］，邢臺軋輥集團也曾將此技術列入了集團“十一五”發展規劃中［22］.

在新型電渣復合工藝的研究開發上，國內已有十多個單位在從事該項工作，已開發了液態電渣復合法、熔鑄熔焊復合法制造復合軋輥新工藝，目前已取得了良好的效果;內蒙古冶金研究院開發了新的電渣熔鑄鑄鐵軋輥工藝［23］，北京科技大學吳春京等［24］進行了“電渣工藝復合軋輥制造裝置數值模擬設計”;江蘇金特鋼有限公司所開發的復合電渣冶金法制造顆粒增強鋼基復合材料軋輥制造工藝和設備［15］、感應電渣復合鑄造法制造高速鋼復合軋輥和支撐輥工藝和設備［16］均填補了國內外空白，技術水平達到國際先進水平.

我國在電渣冶金工藝技術的研究開發上雖然獲得了一定的突破，取得了一定的成績，但在生產應用上與國外相比，尚存在著很大的差距.目前國內除在冷軋輥用鋼錠和小型冷軋輥的制造上得到了一定的應用外，在熱軋輥制造和熱軋輥復合上的應用較少.

6 結語

(1)電渣冶金工藝作為金屬材料的一種精煉技術，具有一系列的優越性.其去除雜質、非金屬夾雜物的能力優異，產品的組織致密、成分均勻、表面光潔、質量與性能再現性高，經電渣精煉后的金屬純凈度高、低倍組織好、生產工藝靈活性好、過程控制的參量少、鋼材成材率高、設備投資少.由于電渣冶金具有的上述各項優越性，世界各國均在致力發展電渣冶金軋輥制造技術，從最初的電渣重熔軋輥、電渣熔鑄軋輥，到使用管伏電極和旋轉電渣工藝生產復合軋輥.

(2)為了不斷降低成本，提高生產效率，近年來烏克蘭ELMET—ROLL—MEDOVAR GROUP軋輥集團開發了ESSLM液態金屬電渣復合法生產高速鋼復合軋輥新工藝，該工藝生產成本低，電能消耗少，設備簡單，可制造各種金屬成分的芯棒材料和工作層材料的復合軋輥，所制造的復合軋輥外層金屬的純凈度高，組織致密，無疏松、裂紋，縮孔等缺陷，且外層金屬與芯棒的界面結合好，無成分偏析.

(3)復合電渣冶金法制造鋼結硬質合金復合軋輥工藝及設備，解決了傳統制造工藝無法制造大尺寸的鋼結硬質合金復合軋輥的難題，可以制造大尺寸鋼結硬質合金板帶材復合軋輥.該工藝克服了目前國內外制造復合軋輥的諸多工藝缺陷和設備局限，實現了在制造電冶鋼結硬質合金軋輥工作層材料的同時，與芯棒材料直接復合成一體的一步法制造工藝，且制造成本比粉末冶金工藝降低50%以上.所生產產品范圍廣，技術先進，工藝易于掌握和推廣，設備投資小，一機多用.該工藝的研制成功，為新型復合材料軋輥的生產，開辟了一條新的技術途徑，填補了電渣冶金工藝上的空白，拓寬了電渣冶金的應用領域.

(4)感應電渣復合鑄造工藝及設備，綜合了目前國內外各種復合軋輥制造工藝的諸多優點，可以取代目前國內外所使用的離心鑄造、CPC、ESSLM等軋輥制造工藝，可以使用各種材質的芯棒材料制造高速鋼復合軋輥和各種材質的熱軋和冷軋復合軋輥、各種復合支撐輥、復合連鑄輥及各種單一相材料的軋輥.該工藝具有生產成本低、效率高，設備投資小，設備和工藝簡單，可控工藝參數少等優點，實現了在軋輥制造過程中各工藝參數的動態調整.所制造的軋輥工作層材質致密度高，組織晶粒度細小，界面結合強度高，組織純凈度高，韌性好，耐磨性高，抗疲勞性能好.

(5)感應電渣復合鑄造工藝和設備用于大型復合支撐輥的制造時，可以不受設備和工藝的限制，實現了用小型設備制造大體積的層狀復合產品，節省投資.由于其獨特的工藝性能和優良的產品質量，可以實現以鑄代鍛.

(6)我國在電渣冶金制造工藝技術的研究開發上已經取得了一定的創新性成果，在一些領域上已經填補了國內外空白，但在生產應用上與國外相比，尚存在著很大的差距.因此，加強技術推廣，加快產業化步伐，盡快實現新技術的產業化，縮小我國與國外的差距，是目前我國軋輥研究和軋輥制造業的當務之急.

［1］張富強，趙新，羅曉溪.鞍鋼熱帶連軋軋輥的現狀和前景［J］.鞍鋼技術，1997(9):21 －26.

［2］俞誓達.對21世紀我國軋輥制造業發展的幾點看法［J］.冶金設備備件信息專刊(冶金軋輥的現在和未來)，P1—16，北京:冶金工業出版社 2001，12.

［3］姜周華.電渣冶金的物理化學及傳輸現象［M］.沈陽:東北大學出版社，2000，9:1.

［4］李正邦.21世紀電渣冶金的新發展［J］.特殊鋼，2004(5):1－5.

［5］李正邦編譯.國外電渣重熔軋輥生產現狀及發展趨勢［M］//電渣重熔譯文集.北京:冶金工業出版社，1990:86－97.

［6］劉德富，徐德祥，李朝華.冷軋輥制造工藝的發展［C］//第七屆全國冶金軋輥學術交流年會論文集.2004:107－114.

［7］李正邦，等.電渣熔鑄［M］.北京:國防工業出版社，1979，9:140－162.

［8］李正邦，等.電渣熔鑄理論與實踐［J］.北京:高新技術應用出版社，1996.

［9］車向前譯.旋轉電渣重熔雙金屬復合軋輥的性能［M］//電渣重熔譯文集.北京:冶金工業出版社，1990:98－103.

［10］饒云福.中國，99103883.5［P］.

［11］陳希春，馮滌，傅杰，等.電渣冶金的最新進展［J］.鋼鐵研究學報，2003(2):62－67.

［12］陳永紅.電渣熔鑄技術的新發展［J］.上海金屬，2004(6):37－41.

［13］黃伯云，李成功，石力開.中國材料工程大典(第5卷)［M］.北京:化學工業出版社，2006:671－672.

［14］軋鋼新技術3000問－－－板帶暨軋輥分冊［M］.北京:中國科學技術出版社，2005:177－181.

［15］丁剛，強穎懷.復合電渣冶金法制造鋼結硬質合金復合軋輥新工藝［C］//全國軋輥技術研討會論文集.中國金屬學會，2005.10:46－50.

［16］丁家偉，丁剛、強穎懷.高速鋼復合軋輥制造新工藝—感應電渣復合鑄造工藝及設備簡介［C］//第四屆冶金軋輥年會論文集.中國鋼鐵工業協會冶金設備配件供應服務中心，2006，11:78 －85.

［17］李正邦，傅杰.電渣冶金在中國的發展［J］.特殊鋼，1999年增刊:1－8.

［18］薛慶國，徐衛國.電渣熔鑄帶鋼冷軋工作輥［J］.特殊鋼，1996(2):52－54.

［19］鄭建華，王川，編.軋輥生產使用與維護專題情報，第二分冊［M］.成都華冶信息研究所，1999:80－87.

［20］冶金工業部鋼鐵研究總院.中國，95119523.9［P］.

［21］冶金工業部鋼鐵研究總院.中國，96114043.7［P］.

［22］秦英方，劉書棟，張力.鋼鐵工業發展給軋輥制造業帶來的機遇和挑戰［C］//第三屆冶金軋輥年會論文集.中國鋼鐵工業協會冶金設備配件供應服務中心，2006，11:38－47.

［23］內蒙古冶金研究院.中國，97103215.7［P］.

［24］吳春京，沈定釗，楊國明，等.電渣工藝復合軋輥制造裝置數值模擬設計［J］.鋼鐵，1999(4):61－64.

The technology research progress of electroslag metallurgy produced roller

DING Jia-wei1，DING Gang2，QIANG Ying-huai1

(1.School of Materials Science＆Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，China;2.Jiangsu Xinya Steel forging Co.，Ltd.，Danyang 212322，China)

This paper introduces the process of use of the current domestic and international metallurgical Electroslag produced Roller. It analysed of the advantages and disadvantages of various processes. And it Introduced the technology progress condition of dispatch dregs metallurgical making the roller at present domestic and foreign.It had highlighted of the past few years at home and abroad as research and development of new manufacturing method electroslag metallurgical technology and roller performance.

electroslag metallurgy;roller;manufacturing process

TF 748.6

A

1671-6620(2011)S1-0034-10

2010-10-15.

丁家偉 (1983—)，男，江蘇徐州人，碩士.