1、電渣冶金的回顧與展望李正邦摘要制備超純優質金屬材料的精細冶金不斷地向前發展，近期電渣冶金的進展令人矚目。高壓電渣重熔(PESR)，真空電渣重熔(VarESR)使重熔金屬質量達到高純水平。電渣熱封頂(ESHT)生產巨型鋼錠具有技術與經濟上的潛在優勢。關鍵詞精細冶金電渣冶金高壓電渣重熔真空電渣重熔電渣熱封頂前蘇聯電渣重熔工業化起步較早，1958年烏克蘭扎波洛什市德聶伯爾建立了電渣重熔車間，擁有0.5 t P909型電渣爐4臺1，美國費爾思斯特林公司(Firth Sterling)于1959年建立了3.6 t工業電渣爐，而在工業上全面推廣直至1965年才開始2。我國于1958年在電渣焊的基礎上掌握電

2、渣重熔技術，于1960年在重慶特殊鋼廠及大冶鋼廠建立電渣重熔車間3。從世界范疇論，電渣重熔工業生產已經歷了41個春秋(19581999年)。電渣重熔屬于冶金專業，特種熔煉學科。電渣技術的發展，派生出許多專業分支。電渣冶金包括：電渣重熔、電渣熔鑄、電渣轉注、電渣澆注、電渣離心澆鑄、電渣熱封頂、電渣焊接、電渣表面鍍膜等。1電渣冶金的歷程1.1緩慢發展的25年(19401965年)2美國R.K.Hopkins首先于1940年獲得電渣直接熔煉專利，早年Kellogg公司用于生產高速鋼及高溫合金(Fe-16Cr-25Ni-6Mo)，直到 1959年Firth-Sterling公司建立3臺3.6t電渣爐進

3、行電渣重熔，美國電渣技術才定型。1965年Firth-Sterling公司破產，被Vasco公司及Allvas公司兼并，該技術才逐漸公諸眾。50年代由于鈦合金需要一度增長，到1965年美國真空電弧重熔能力達15.3萬t/年，60年代鈦合金市場蕭條，相當一部分真空電弧重熔爐轉為生產超級合金及優質合金鋼。同時理論研究落后，Hopkings及其同事認為電渣過程是“埋弧放電”。1.2飛躍發展的10年(19651975)419591965年在美國和西歐電渣重熔與真空電弧重熔之間展開了強烈的技術競爭，時間持續7年之久。1965年西歐美國冶金工作者作了全面的、系統的研究，其結論是電渣重熔設備簡單，生產費用低

4、廉，操作方便，鑄錠表面光潔，熱塑性好，成材率高。電渣重熔在純凈度方面不亞于真空電弧重熔。去硫，去除非金屬夾雜物均超過真空電弧重熔，僅去氣(N、H、O)不及真空電弧重熔，而在鑄錠結晶方面優于真空電弧重熔，鑄錠組織的致密性、化學成分均勻性還超過真空電弧重熔，沒有低倍缺陷，成品率高(見表1)。法國航空材料中心用電渣重熔鋼制造協和噴氣式客機起落架。表1電渣重熔同真空電弧重熔比較(英國W.A.Duckworth資料)Table 1Comparison between ESR and VAR according to data of W.A.Duckworth比較指標真空電弧重熔電渣重熔含氧：普通鋼、沸騰

5、鋼降低降低降低少些同樣降低含氮：溶解氮、化合氮降低實際不變同樣降低實際不變含氫：普通鋼、沸騰鋼降低降低降低少些同樣降低含硫很少變化用含CaO基渣可大量降低，對易切削鋼可保持不變非金屬夾雜物氧化物去除，硫化物不變可去除氧化物、硫化物化學均勻性因元素在真空揮發不均均勻性提高異相性降低同樣降低熱塑性高更高鑄錠表面需要加工不需加工合格率55%65%95%100%設備特性直流電源，真空系統，運行可靠性差交流電源，設備簡單，運轉可靠生產費用比電渣高24倍低廉美國、西歐電渣技術發展極為迅速，其表現：(1) 產量呈拋物線增長1960年3萬t1965年29萬t1969年48萬t1973年80萬t1975年110

6、萬t(2) 錠重呈幾何級數增長1959年3.6 t1960年12 t1965年30 t1970年80 t1975年165 t(3) 產品擴大：生產的優質鋼及超級合金到1975年近300個牌號，開始用于生產有色金屬(Al、Cu、Ti合金)及貴金屬(Ag合金)。(4) 打破專業及行業的界限：19691970年蘇聯電焊研究所提出了電渣熔鑄異形鑄件ESC和雙極串聯電渣焊ESWB兩項新技術，中國、日本、美國、西德、加拿大相繼在電渣熔鑄上有突破。電渣技術從焊接技術擴大到冶金領域，再擴大到鑄造行業。 1.3穩定發展的10年(19751985年)5電渣鋼產量繼續增長，到1985年達到120萬t。第1代電渣爐開

7、始更新。但據西方情報分析，前蘇聯電渣鋼產量約4045萬t。東歐國家約45萬t。到1985年止，西方工業電渣爐達204臺，其中38臺是1975年以后新建。這一階段隨重熔錠型的擴大，電渣熔鑄管件及異形鑄件的出現，對金屬質量要求日益嚴格，研究電渣重熔過程的理論模型應運而生，包括：(1) 熱傳遞模型；(2) 物質傳遞模型(熱力學模型、薄膜及滲透理論為基礎的新傳質模型)；(3) 熱塑性模型。A.Mittchell和F.S.Suarcz等人成功地把熱傳遞模型與現代凝固理論結合起來，用熱傳遞模型求得溫度場，預測鑄錠顯微結構。計算機實際應用于電渣重熔，實現熔速、渣池電阻、電壓波動閉環控制。1.4醞釀新的突破(

8、19851999年)這一階段一些生產超級合金的公司繼續擴大生產能力，如美國Teledyne Allvac公司建立23 t 電渣爐。Inco合金國際公司兩臺電渣爐于1986年投產生產Ni基合金、Co基合金及其它耐熱合金板坯及圓錠，錠重18 t。1992年Consarc公司制造100 t電渣爐在日本鋼廠投產。19901998年美國Consarc公司制造27臺。從美國生產的品種看超級合金所占比重最大，其中：碳鋼及低合金鋼22%工具鋼及模具鋼27%不銹鋼及耐熱鋼20%鎳基及鈷基超級合金31%各廠產品結構相對穩定。西歐與美國致力于電渣熱封頂ESHT法及電渣自熔模MHKW法生產大鋼錠。前蘇聯主要應用雙極串

9、聯電渣焊。鑄焊結合生產大毛坯，并研究電渣分批澆鑄生產大錠。前蘇聯巴頓電焊研究所用電渣坩堝爐，熔煉獲得純凈鋼水，與離心澆鑄結合形成電渣離心澆鑄CESC，將鋼水澆入耐用金屬模，形成電渣耐用模EPMC。 2電渣冶金的現況根據有關資料推算，世界上電渣鋼的生產能力，超過120萬t/年。烏克蘭巴頓院士曾預計在21世紀，電渣鋼可占鋼總產量的0.2%。西方國家(不包括前蘇聯和東歐)現有工業電渣爐228臺。世界最大的電渣爐是德國薩爾鋼廠165 t FB45/165G型電渣爐及我國上海重型機器廠200 t級電渣爐。前蘇聯新西伯利亞電熱廠200t級電渣爐因技術未過關，已宣告失敗。最大的板坯電渣爐是俄羅斯雙極串聯70

10、 t板坯電渣爐。烏克蘭雙極串聯電渣焊可焊接直徑3 m的鑄件，焊縫縱向截面可達10m2。世界上最大電渣車間是烏克蘭扎波洛什市德聶泊爾特鋼廠電渣車間。有電渣爐22臺，生產能力超過10萬t/年。世界各國生產材料鋼號已超過400個。目前世界各國的電渣技術研究中心有：烏克蘭巴頓電焊研究院、俄羅斯電熱設備科學院，美國聯邦礦業局Albany冶金研究中心，加拿大哥倫比亞大學電渣實驗室等。世界上電渣冶金技術先進的國家是烏克蘭、美國、中國、德國、日本、英國、奧地利；應用電渣冶金成熟的國家有俄羅斯、瑞典、法國、捷克、比利時、印度；已掌握電渣冶金技術的有意大利、西班牙、盧森堡、以色列、南非、澳大利亞、巴西、韓國、波蘭

11、、匈牙利、羅馬尼亞、越南、朝鮮等。世界性電渣冶金國際會議召開過12次，從1975年起，電渣重熔與真空冶金合并，通稱“國際真空冶金會議”，每3年一屆，電渣冶金論文在歷屆會議上占相當大的比例。聯合國工業開發署UNIDO 19891996年多次在基輔助辦電渣技術研討班，重點向第三世界國家推廣電渣熔鑄技術。3電渣冶金的未來621世紀電渣冶金仍然具有下列優勢：(1) 電渣重熔在中型及大型鍛件生產中，將處于壟斷地位。(2) 在優質工具鋼、模具鋼、雙相不銹耐熱鋼、含N超高強鋼、管坯、冷軋輥領域中占絕對優勢，真空電弧重熔在這一領域必為電渣重熔所取代。(3) 在超級合金領域(高溫合金、耐蝕合金、精密合金、電熱合

12、金)，電渣重熔與真空電弧重熔處于競爭局面；在80年代末，電渣重熔在產量上已超過真空電弧重熔。(4) 在有色金屬生產方面，電渣重熔處于方興未艾的階段。(5) 電渣重熔空心錠和電渣重熔異形鑄件具有獨特地位，如石化工業用的合金管及曲軸。(6) 電渣冶金的發展前途是走出單一結晶器重熔而與鋼鐵冶金流程結合成在線工序，成為冶煉、精煉、連鑄的一個環節，如中間包電渣加熱。4電渣冶金新技術4.1優質大鋼錠制備隨著動力設備的大型化及核電站的建設，生產大于100360 t的大鋼錠已成當務之急。早在1971年德國薩爾鋼廠Searshl GmbH建成FB45/165G低頻電渣爐(210Hz)，最大錠重165 t7。美國

13、Consarc公司制造了4臺92100 t同軸電渣爐。1981年我國上海重型機器廠建成200 t級的三相雙極串聯電渣爐，最大錠重205 t8。目前顯示生命力的技術是電渣中心填充及電渣熱封頂。4.1.1電渣中心填充技術MHKW9，10電渣中心填充技術MHKW法是米德威爾海賓斯托(Midvale-Heppenstall)和克洛伊克納威克(Klockner-Werhe)兩家公司聯合研究成功的生產大錠的新技術。重量超過100 t的鑄錠，往往是用電弧爐或轉爐鋼經真空脫氣，澆注成大錠。將鑄錠加熱到鍛造溫度，熱沖空中心或掏孔，疏松、偏析區被去除。鑄錠在400 左右保溫，在較小功率的電渣重熔下進行電渣填充，因

14、空心錠代替了水冷銅模，故又稱“電渣自熔模”。電渣填充過程是用固渣引燃，自耗電極利用電流通過渣池析出電阻熱將自耗電極熔化，自熔模內壁熔化率相當充填金屬的1/5。煉好后MHKW錠熱送加熱、鍛造。填充過程要保持熔深均勻，輸入功率必須遞減。而且自熔模與填充金屬有溫差，避免同步收縮而產生顯微裂紋，因此，自熔模的預熱、保溫至關重要。采用MHKW法生產過程見圖1。用65 t的電渣爐，采用MHKW法即可生產340 t的大錠；外部為85CrMoV7，內心為C10低碳鋼(含碳0.1%)的錠，經鍛造后制成外硬、內部韌軟的冷軋輥，性能顯著提高。圖1電渣中心填充生產工序(MHKW工藝)Fig.1Production p

15、rocedure of ESR Center Filling Refining4.1.2電渣熱封頂ESHT11電渣熱封頂示意圖見圖2，用于生產大型鑄錠，目的在于消除普通鑄錠的疏松與偏析。即用普通煉鋼方法冶煉出的鋼水，經爐外精煉(鋼包精煉、脫氣處理)。熱封頂開始時，鑄錠外層形成一層凝固金屬殼，由于快速凝固，成分及組織較均勻，而電渣熱封頂的功能是填充因收縮產生的縮孔，以及減少因選擇結晶產生的凝固偏析。馬治內爾(P.Machner)12指出：電渣重熔避免了產生晶雨(錠底負偏析)，這是熔池溫度總是保持凝固點以上溫度，使推進的凝固前沿處于未凝固狀態，在伯樂電渣熱封頂(BEST)即控制全部條件滿足上述要求

16、。圖2電渣熱封頂原理示意圖Fig.2Principle scheme of electroslag hottopping米契爾(A.Mitchell)13研究結果提出澆注后凝固速度隨時間變化，電渣熱封頂填充速度應同步，維持金屬循環，保持溫度梯度，輸入比功率為0.8 kWh/kg，見圖3。圖3100 t鑄錠電渣熱封頂澆注后凝固速度及金屬加入速度的變化13Fig.3Change of electroslag hottopping metal feed rate and freezing rate after teeming for 100 ton ingot13奧地利的VEW(Vereiningt

17、e Edeleltahlwer)電渣熱封頂采用水冷保溫帽。意大利采用耐火材料做 保溫帽，即TREST(Terni refractory electroslag topping process)14，烏克蘭冶金工作者用石墨襯，并用耐火水泥粘結縫。采用水冷保溫帽雖熱損失稍高，但免除了耐火材料消耗。目前采用VEW法已鑄成55 t的大錠，用TREST已鑄出62 t的大錠。熱封頂100 t的計算模型已完成13。美國Consarc公司100 t電渣熱封頂設備已定型。 制造大錠有3種方法：電渣重熔ESR、電渣中心填充MHKW、電渣熱封頂ESHT；其成本比是832。可見鑄錠越大，電渣熱封頂經濟上的潛在優勢愈大

18、。4.2真空電渣重熔Vacuum Electroslag Refining15德國Hanau城Leybold公司在90年代，綜合了真空電弧重熔及ESR的優點。對超級合金，真空電弧重熔純凈度高，氣體含量極低，成分可精確控制，凝固件較好，鑄錠致密；由于無渣精煉脫硫不利，易形成白點及產生年輪狀偏析，合金易氧化元素重熔燒損大。Leybold公司建立了1臺真空電渣重熔爐，見圖4。錠徑250mm，錠重360kg。重熔Inconel 718合金，重熔用CaO-Al2O3系的無氟渣，重熔前后渣的成分變化見表2，Inconel 718合金成分變化見表316。圖4真空電渣重熔VAR-ESR設備Fig.4Schem

19、atic of a VARESR plant表2真空電渣重熔VAR-ESR前后渣成分Table 2Ingredient of slag before and after VARESR渣組元渣含量/%變化量/%重熔前重熔后Al2O3CaOMgOTiO2SiO245.0045.004.305.000.1543.7045.003.706.400.17-1.300-0.601.400.02表3Inconel 718合金真空電渣重熔前后化學成分Table 3Chemical composition of Inconel 718 before and after VERESR元素合金成分/%變化量/%自耗

20、電極錠電渣重熔錠CCoCrFe0.0280.1818.9417.200.0280.1818.9717.20000.030MgMnMoNb0.00810.083.025.310.00530.083.025.32-0.0028000.01NiPSSi53.240.0100.0080.1353.240.0070.00070.130-0.003-0.0010TiVAlCu0.950.030.660.070.930.030.670.07-0.0200.0104.3高壓電渣重熔Pressure Electroslag Refining奧氏體鋼中溶解氮可形成過飽和固溶體，提高屈服強度、低溫強度和蠕變強度。鐵

21、素體鋼加氮形成細小彌散的氮化物，細化晶粒，提高沖擊韌性。冶煉含氮鋼關鍵是保證過飽和的氮溶解入鋼中，防止凝固過程析出。為此1980年德國建立了第1臺高壓電渣爐，見圖5。熔煉室氮壓力高達4.2 MPa，生產鑄錠直徑1 m重16 t17。圖5高壓電渣爐示意圖Fig.5Schematic of Pressure ESR Plant高氮奧氏體鋼主要用于生產發電機上護環(Retaining Rings)18，19，要求無磁性，屈服強度0.21 420 MPa，大氣中冶煉奧氏體鋼(Cr12%,Mn18%)含氮僅0.1%，性能無法達到要求。采用高壓電渣重熔爐氮含量提高到1.05%，僅需20%冷加工量，0.21

22、 500 MPa，滿足核電站要求。1996年德國又擴建兩臺高壓電渣爐用于生產含氮軸承不銹鋼及含氮高速鋼20，21。最近奧地利、保加利亞也建立了高壓電渣爐。5結論(1) 電渣冶金的產品組織致密、成分均勻、表面光潔、使用性能優異以及具有生產靈活、工藝穩定、過程可控、經濟合理等優點，是生產優質合金鋼及超級合金的主要手段之一，成為精細冶金的重要分支。(2) 目前電渣冶金處于醞釀新突破的階段，真空電渣重熔、高壓電渣重熔及電渣熱封頂是技術的突破點。(3) 可推斷電渣冶金在制備大型毛坯、超級合金、優質工模具鋼、雙相不銹鋼及含N超高強度鋼仍處于壟斷地位。(4) 電渣冶金發展的重要前途是電渣技術走出單一結晶器并

23、與鋼鐵冶金流程相結合成在線工序，成為冶煉、精煉及連鑄的一個環節。作者單位：(鋼鐵研究總院，北京 100081)參考文獻1 ， ，,1962.132Nafaziger R H.Electroslag melting Parocess.Bulletin.United.States Bureau of Mines.1976.13李正邦.電渣冶金在中國的發展.中國金屬學會第二屆全國會議文集，1963.116.全國電渣冶煉第二屆會議論文集，1964.94李正邦.國外電渣熔煉概況及進展.新金屬材料，1973，(1)：205李正邦.國外電渣冶金現況及發展趨勢.新金屬材料，1978，(3)：176李正邦.電渣

24、冶金發展歷程及未來.電渣冶金30周年學術會議文集，北京：冶金工業出版社，1990.37李正邦.鋼鐵冶金前沿技術.北京：冶金工業出版社，1997.1888Zhu Jue,The Development of a 200 ton ESR Furnace in China,Proceedings of 9th International Conference,Invited Paper,1988.1299Austel A.Proceedings of sixth International Conference on Vacuum melting,American Vacuum Society,San Diege,1979.74710Ellebrecht C.ESR Trends in the Production of Heavy Forging Ingots,同上，71811李正邦.利用電渣法減少鑄鋼件冒口.焊接，1959，(10)：712Machner P.Proceedings of Fifth International Symposium on Vacuum Metallurgy and electroslag Remelting Processes,Oct.1976.11