第二代大型錠電渣冶金技術的發(fā)展

傅 杰

(北京科技大學冶金與生態(tài)工程學院，北京100083)

摘 要：論述了第二代大型錠電渣重熔與液態(tài)金屬電渣澆注技術的特征。提出了發(fā)展第二代大型錠電渣冶金技術的幾個研究重點。指出：當前發(fā)展第二代大型錠的電渣冶金技術對推動中國大型錠鍛件的自主化和核電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。在進一步發(fā)展大型錠電渣重熔技術的同時，要特別重視第二代液態(tài)金屬電渣澆注大型電渣錠技術的開發(fā)。

關鍵詞：大型鑄鍛件；核電裝備；第二代大型錠電渣冶金技術；大型錠電渣重熔技術；大型錠液態(tài)金屬電渣澆注技術

B．I．梅多瓦爾院士是國際公認的電渣冶金科學技術領域的主要奠基人。他最先提出第二代電渣冶金技術的理念，特別是考慮到目前對中國發(fā)展第二代大型錠電渣冶金技術的現(xiàn)實意義，寫了這篇文章，也希望對中國電渣冶金的進一步發(fā)展有所裨益。

1 第二代電渣冶金理念的提出

第二代電渣冶金的理念是梅多瓦爾院士于1982年首次提出的。1982年在東京舉行了第七屆國際真空冶金會議。這次會議成立了有日本、前蘇聯(lián)、美國、德國、加拿大、法國、奧地利、中國等國代表參加的國際顧問委員會。

大會以前，中國電渣冶金領域在國際上的影響可能主要來自兩點：一是在電渣重熔過程中氧化物夾雜的變化研究方面，梅多瓦爾院士和拉塔什院士在其1970年出版的《電渣重熔》一書里^[1]，在“非金屬夾雜物去除機理”一節(jié)中，刪掉了他們在1963年出版的《電渣重熔》一書中關于浮升去夾雜物的內(nèi)容^[2]，改用了1964年筆者在《金屬學報》上發(fā)表的一篇文章“電渣重熔過程中氧化物夾雜的變化”的數(shù)據(jù)與觀點^[3]；二是1980年在美國舉行的第四屆國際高溫合金會議上，冶金部軍工辦主任高良同志受大會主席田家凱的邀請，作了題為“Recent Advances in Understanding E1ecltroslag Remelting Metallurgy of Superalloys”的邀請報告^[4]，介紹了中國高溫合金中鋁、鈦控制(渣系、氣氛氧化性、渣池溫度分布及絕緣情況對鋁鈦燒損的影響)，電渣重熔過程中氧化物夾雜的變化，電極中氫、氮含量及工藝路線對高溫合金中溫低塑性的影響，表面質(zhì)量控制原理等。因此第七屆國際真空冶金會議國際顧問委員會希望中國派代表參加。

中國朱覺、傅杰、李正邦、韓耀文等6人參加了第七屆國際真空冶金會議，會上朱覺教授除發(fā)表了關于水平電渣澆鑄的文章^[5]以外，最后放映了幾張關于“200 t電渣爐”的幻燈片(圖1)，引起了大會的轟動，使外國同行，特別是使美國卡耐基一梅隆大學梅隆研究院院長、美國真空學會真空冶金分會主席G．K．巴特博士和梅多瓦爾院士感到無比的震驚。

會議期間巴特博士宴請了中國代表團一行6人，梅多瓦爾院士簽名送給本人兩本專著，一本是《電渣金屬》、一本是《電渣熔鑄》。對于《電渣金屬》，梅多瓦爾希望能組織中國學者翻譯成中文在中國出版(可惜這個遺愿尚未完成)，他指著《電渣金屬》封面上那張四通道的電渣重熔爐說，“這是第二代的電渣爐”，(當時朱覺教授、李正邦同志在場)首次提出了第二代電渣冶金的概念。

1986年，第10屆國際真空會議在美國召開，應大會主席的邀請，筆者在真空冶金分會上作了一個題為“中國高溫合金技術進展”的特邀報告^[6]，記得B．I．梅多瓦爾院士也被邀請在真空冶金分會上，作題為“新一代電渣冶金技術：電渣離心澆注和電渣固定模澆注”的特邀報告^[7]。這是他第一次用書面形式正式提出了新一代電渣冶金的概念。也使筆者開始思考第二代電渣冶金有哪些特征，包括哪些內(nèi)容，經(jīng)過多年的思考，2010年發(fā)表了關于第二代電渣冶金的文章^[8]。

2 第二代電渣冶金技術的特征

新一代電渣冶金技術，也就是第二代電渣冶金技術，它與第一代電渣冶金技術有何不同，第二代電渣冶金技術有哪些特征，包括哪些內(nèi)容，根據(jù)梅多瓦爾院士1982年送給筆者的《電渣金屬》和《電渣熔鑄》這兩本書及他1986發(fā)表文章的內(nèi)容，理解第二代電渣冶金的第一個特征是象高爐轉(zhuǎn)爐流程和現(xiàn)代電爐流程一樣，生產(chǎn)鋼的產(chǎn)品，不再主要是鋼錠，而是鋼坯，省掉了初軋開坯工藝。作為近終型的電渣熔鑄和澆注應屬于第二代電渣冶金技術，但由于電渣熔鑄和澆注產(chǎn)品是單件生產(chǎn)，質(zhì)量的穩(wěn)定性難以保證，故嚴格地說，帶計算機自動控制的電渣熔鑄和澆注，才是真正的第二代電渣冶金技術。

第二代電渣冶金技術的另一個特點是，電渣過程是在隔絕大氣的條件下進行的，在第七屆國際真空冶金會議上，已經(jīng)有加壓氬氣保護電渣重熔的報道，作者早年也研究過氬氣保護(真空／加壓)電渣重熔^[8]，特別是考慮到在大氣下電渣重熔合金鋼(例如軸承鋼)，鋼中氧受渣相和金屬相之間氧平衡的控制^[9]，在氬氣保護條件下，沒有大氣中的氧通過氧化電極表面向渣中傳遞的過程，從而可降低鋼中的平衡氧，故認為第二代電渣冶金第二個重要特征是冶金過程是在隔絕大氣的條件下進行的，這一特征對進一步提高電渣金屬的質(zhì)量具有重要的意義。

2001年，在基輔舉行了梅多瓦爾逝世1周年紀念會，參加紀念會的，有巴頓研究所和來自世界各地的梅多瓦爾生前的好友、學生和同志，前蘇聯(lián)、美國、德國、法國、奧地利、加拿大、中國的許多電渣冶金專家都來了，并在會上作了技術報告。介紹了電渣冶金在各國的發(fā)展，指出了電渣冶金進一步發(fā)展的方向。這也使本人比較明確了什么是第二代電渣冶金技術，在2010年發(fā)表了“第一代和第二代電渣冶金技術的發(fā)展”一文^[8]。

20世紀80年代，中國建成了當時世界上最大的電渣重熔爐，并成功地應用于核電等大鍛件生產(chǎn)。近年來為滿足百萬千瓦級核電站所需大鍛件要求，中國又建成了當前世界上最大的400 t級的超大型電渣爐，可以認為，超大型是第二代電渣重熔技術的又一個特征，因為400 t級與200 t相比，錠子凝固組織的控制難度加大；渣鋼接觸界面增加，在大氣下進行電渣重熔的時間長，冶金質(zhì)量控制的難度更大；重熔電流加大，短網(wǎng)設計，供電制度會更復雜等。沒有文獻資料查詢，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗借鑒，實驗室研究結(jié)果只有參考價值，小型工業(yè)性試驗結(jié)果也不能直接利用，必須進行大量的實際熔煉研究和生產(chǎn)現(xiàn)場摸索。而要使400t級電渣爐的生產(chǎn)技術指標和質(zhì)量達到200t電渣爐的水平，是一個跨越，質(zhì)的飛躍。

3 開發(fā)液態(tài)金屬電渣澆注大型錠的技術

大型鑄鍛件的自主化，對中國核電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的意義，也必將拉動中國大型錠電渣冶金技術的發(fā)展^[8]。

大型電渣錠主要有3種生產(chǎn)技術路線：一種是自耗電極的電渣重熔；第二種是多個小電渣錠鑄件的電渣焊；第三種是液態(tài)金屬的電渣澆注。第一、第二種方案本質(zhì)上是一樣的。

初期，國外對于直徑為2000～3000mm的大型錠電渣重熔爐有著幾種電極布置方案，如圖2所示^[9]。一種是Nheinstahl的2個三相6自耗級電渣重熔爐；二是巴頓電焊研究所帶中線的雙極串聯(lián)7級電渣爐；三是美國CANSAC的由4個1／4圓斷面電極組成的單極單相電渣爐，四是Leybod—Heraeus的4級電渣爐。

中國上海重型機器廠采用的是不帶中線的3個雙極串聯(lián)的6自耗電極電渣重熔爐，實踐證明，中國和德國的大型錠電渣重熔技術取得了成功^[8]。

關于液態(tài)金屬的電渣澆注，前蘇聯(lián)開發(fā)了分批電渣澆注技術，其原理圖示于圖3^[10]。在這一基礎上B．I．梅多瓦爾的兒子L．B．梅多瓦爾，W．Holzgruber的兒子H．Holzgruber等開發(fā)出了第二代的液態(tài)金屬電渣澆注技術，原理示于圖4^[11]。

由圖4(c)可見，電渣澆注過程中，經(jīng)中間包感應控溫的低過熱度鋼水，注入一個側(cè)面導電的上結(jié)晶器中，在下結(jié)晶器中凝固成錠。據(jù)悉，液態(tài)金屬電渣澆注大型錠技術，已經(jīng)引進到國內(nèi)。筆者認為：①這一技術具有節(jié)能的顯著優(yōu)點，金屬收得率肯定比普通錠高，組織致密度和力學性能相信會比普通錠好，屬于第二代電渣冶金技術，值得肯定與發(fā)展；②液態(tài)金屬電渣澆注大型錠，是電渣冶金的先驅(qū)者們多年的理想^[5,7-8]，但目前尚無電渣澆注大型錠的成功經(jīng)驗，應該十分重視有關理論和技術的研究，除對大型電渣錠重熔的共性技術研究以外，要特別重視電器參數(shù)的設計與控制，凝固機理和技術的研究；③自主創(chuàng)新，開發(fā)帶氬氣保護的液態(tài)金屬電渣澆注系統(tǒng)；④加強國際合作，充分利用國外經(jīng)驗，發(fā)展中國的電渣冶金；⑤關于液態(tài)金屬的電渣澆注和初煉爐的配合問題。液態(tài)金屬電渣澆注和自耗電極電渣重熔大型錠的優(yōu)點之一，是可以采用較小容量的初煉爐生產(chǎn)大尺寸錠子。例如上海重型機器廠曾用容量為40 t的電弧爐，澆注自耗電極，重熔時采用電極交換工藝生產(chǎn)240t的電渣錠。但為了保證大型錠子成分的均勻性，宜采用較大容量的初煉爐。液態(tài)金屬電渣澆注的初煉爐可以是電弧爐，也可以是轉(zhuǎn)爐，筆者認為采用電爐較合適，或者說液態(tài)金屬電渣澆注系統(tǒng)建立在電爐車間或特種熔煉車間比較合適，因為電渣澆注的速度絕對跟不上轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的速度。如果建在轉(zhuǎn)爐車間里，該車間的主要產(chǎn)品仍只能是轉(zhuǎn)爐鋼，特別是容量30t以下的小轉(zhuǎn)爐，從資源、能耗、環(huán)保等可持續(xù)發(fā)展條件考慮，小轉(zhuǎn)爐必將很快淘汰，最后會給液態(tài)金屬電渣澆注帶來困難。

中國輕一代的電渣冶金工作者，在第二代電渣冶金技術方面，近年來也取得了很大的成果，自主開發(fā)了很多創(chuàng)新技術^[8]，在紀念B．I．梅多瓦爾逝世10周年的日子里，真心希望國內(nèi)外新一代的電渣冶金工作者，能夠?qū)?/SPAN>B．I．梅多瓦爾等開創(chuàng)的電渣冶金事業(yè)，繼往開來，發(fā)揚光大，進一步發(fā)展第二代電渣冶金技術。相信中國的電冶金事業(yè)，一定能夠繼續(xù)屹立于世界民族之林。參考文獻：