姜周华教授——电渣冶金的最新进展与发展展望2014-姜周华

NortheasternUniversity特殊钢先进冶金工艺与装备教育部工程研究中心电渣冶金的最新进展与展望姜周华东北大学2014年9月18日2014年特钢学术交流会，2014.9.17-9.20，天津内容历史的回顾电渣冶金技术的最新进展•电渣液态浇注技术•板坯电渣重熔技术•电渣重熔管坯/空心锭•节能型电渣炉及工艺技术前景展望1、历史的回顾BorysE.Paton院士29/03/1916-19/03/2000BorysI.Medovar院士第一个电渣锭诞生——距今62周年B.E.Paton,B.I.Medovar,1952:firstESRingotatPWI1952年乌克兰巴顿电焊研究所巴顿和米多瓦尔院士在实验室试制了第一个不锈钢电渣锭ESR:发展历程的简要回顾1952-1958:乌克兰实验室研究1958:在前苏联工业化，中国试制第一个电渣炉1960：中国第一台工业电渣炉诞生1962：中国有衬电渣炉工业化——液态金属电渣1963:开始在西方国家工业化1967:召开第一国际会议1970-1980:在全世界推广应用1980-1990:保护气氛和加压电渣炉——第二代技术1990-稳定发展期，第二代电渣技术在西方推广2000:ESRLM,ESRR®,ESCC，CSM/CCM(导电结晶器)—第三代技术2010:第三代技术的完善和推广,电渣产品的大型化，多样化……我国电渣生产现状电渣炉数量和产量世界第一，＞1000台，年产能＞200万吨骨干企业（特钢）：东北特钢、宝钢特钢、攀长钢、西宁特钢、新冶钢、太钢和中原特钢等最大电渣炉：上重200吨、450吨中钢邢机——我国最大冷轧辊电渣钢的生产基地通裕重工、台海玛努尔——民营企业大型电渣产品的代表高速钢：河冶科技、天工集团等一大批企业普遍采用小型电渣炉生产模具钢：骨干特钢企业和多达上百家民营企业采用电渣重熔工艺生产沈铸所：电渣熔铸的典型代表（叶片和导叶）我国电渣装备和工艺现状大多数电渣炉仍然是上世纪60-70炉型，虽然控制系统很多采用了计算机控制，但没有形成工艺闭环控制近年来，宝钢特钢、新冶钢、东北特钢（大连和抚顺）、攀长钢等骨干企业引进了国外先进的电渣炉，尤其是东特大连基地引进了100吨特大型电渣炉唐山志威、中航上大等新的特冶企业新建先进的电渣炉国内一些单位也开始研制开发和推广第二代电渣炉大型锻件和特厚板需求（火电、核电和石化等）刺激了大型和特大型电渣炉的建设：现有100吨级以上电渣炉5台，正在或拟建若干台，要防止过热！2、电渣冶金技术的最新进展电渣液态浇注技术板坯电渣重熔技术电渣重熔管坯/空心锭节能型电渣炉及工艺技术2.1液态电渣浇注技术图2.1电渣液态浇注技术示意图:(a)浇注复合轧辊；(b)浇注空心锭；(c)浇注实心锭液态电渣连铸技术原理和试验ESRLMHollowsofHASTELLOYG-50液态电渣浇注高速钢复合轧辊MacrostructureofESSLMHSSRollbilletD740mm2.2特厚板坯电渣重熔技术优越性锭组织致密成分均匀、加工塑性良好、加工压缩比更小省去开坯工序减少锻压比、节省工时横向塑性与韧性提高改善了各向异性断裂韧性、缺口敏感性低周波疲劳指标成材率提高9%-18%省去开坯工序生产成本降低产品质量好低温抗冷脆性可焊性良好焊缝热影响区小简化热处理2.2特厚板坯电渣重熔技术干燥空气保护低频电源控制双极串联重熔结晶器移动式抽锭电极称量与熔化速度精确控制特厚板坯电渣重熔技术特点板坯电渣炉车间（3台40－50吨）生产过程40吨尺寸为950×2000×2800mm电渣板坯鄂钢20t(40t)板坯电渣炉板坯电渣重熔原理图2.3电渣重熔空心锭——需求随着核电、火电、水电、石化等的迅速发展，对筒形大锻件的尺寸要求越来越大、对质量要求越来越高厚壁管，特别是中、大口径（外径400mm～1000mm，壁厚25～80mm）无缝厚壁管、特厚壁管的需求也不断增加传统筒形大锻件都是采用普通实心铸锭进行空心锻件的生产，其缺点：冲孔工序造成大量的材料浪费；多次加热，多工序变形，容易改变钢锭内部组织结构，影响产品质量；难于加工超大型锻件，不易保证产品的精度和材质的均匀性。用空心钢锭生产大型筒体锻件可节约材料费15%、加热费50％、锻造费30%国外几种电渣生产管坯的方法的原理（a）（b）（c）2.3电渣重熔空心锭——原理电渣重熔管坯产品2.3电渣重熔空心锭——产品25t管坯电渣炉最大钢锭尺寸Ф1100×6000mm空心锭和实心锭两种锭型双电源结晶器导电车载式电极升降机构不断电交换电极T型结晶器抽锭式液面检测与自动控制双电源导电结晶器抽锭式空心锭专用电渣炉电渣重熔空心锭生产工艺原理化渣电极准备浇渣重熔空心电渣钢锭的生产过程重熔过程管坯抽锭过程引锭机构外径650mm/内径450mm长6000mm空心电渣锭外观质量优异的表面质量空心电渣锭内部质量致密的低倍组织横向纵向电渣重熔空心锭热试车(900/500mm)900mm/500mm，P91厚壁管（长度3.5m）提高电效率的措施优化短网设计，降低短网损失平行布置：双极串联同轴导电低频供电减少涡流损失确定合理的工作点：输入渣池功率最大化（提高渣池电压，降低重熔电流）2.4节能型电渣炉及技术电渣炉电气原理图电渣炉短网布置电渣炉电气特性曲线传统电渣短网连接示意图传统电渣炉短网设计的缺点感抗损失与回路面积成正比-损耗大重熔过程感抗不断下降与周围铁磁体涡流损失短网同轴布置电渣炉同轴导电布置的优点感抗损失小，功率因素高；磁场外泄少，对周围铁磁体的感应加热大幅度减少，电耗降低显著（但是要求在磁场包围的区域内金属构件必须采用不导磁的奥氏体不锈钢或铜）渣池和金属熔池电流分布均匀，凝固的不对称性程度轻，凝固均匀性好双极串联有如下优点(1)由于网络磁场相互抵消，短网感抗减小，功率因数可提高到0.9左右；(2)与单相单极电极比较，渣池电压可提高0.3-1倍，在同样功率前提下电流减少0.3-1倍，短网有功消耗减少，因此电耗可以大幅度减低；(3)由于电流在渣池中的路径发生了变化，渣池向金属熔池的传热量显著减少，因此在保证相同金属熔池深度的条件下，可提高熔化率1/3～2/3；(4)可以使用各种组合形式的重熔电极。双极串联的电极布置矩形电渣锭电极布置示意图1-自耗电极；2-结晶器圆形结晶器双电极布置应用情况双极串联电渣炉在上世纪60年代前苏联的乌克兰就已经发明，在上世纪70年代被广泛使用，并推广到欧美和日本等国家。我国在上世纪80年代也开始采用双极串联电渣炉，如本钢的1.5吨，太钢的10吨。在90年代，河北冶金研究所有多台1-3吨的电渣炉采用双极串联形式用于高速工具钢的生产，取得了很好的效果。重熔电耗比传统电渣炉降低10-30%，达到1200kWh/t以下。近几年江苏天工集团也采用类似的电渣炉生产高速工具钢，电耗最低达到1000kWh/t以下。长城特钢在1998年新建了一台5吨双极串联电渣炉，主要用于模具钢的生产，在保证产品质量的前提下，比原来的单相交流单电极电渣炉降低电耗500kWh/t。近年来，东北大学为四川光汉民顺特钢公司新建了1台5吨双极串联电渣炉，投产后节电效果也十分明显，电耗在1100kWh/t以下。东大又为舞阳钢铁有限公司和鄂钢分别设计了3台40吨和2台20吨的大型板坯电渣炉也采用了双极串联方式。低频电源的优点三相供电平衡感抗显著减少：对于电感为L的电路，流过频率为f的交流电时，其电抗值X=2πfL；频率f越高，则电抗X越大。如果用5Hz的频率，意味着电抗是工频的1/10。功率因素提高；节电20－30％。提高热效率的措施采用比电阻高的渣系降低渣帽高度提高充填比适当提高熔化速度电极插入深度和渣阻控制工艺参数的优化匹配3、展望导电结晶器技术——第三代电渣冶金技术的基础基于导电结晶器的百多级以上电渣锭的生产技术基于导电结晶器的双金属汽轮机转子基于导电结晶器的空心锭重熔技术新一代电渣液态浇注技术——生产大型空心锭和特大型电渣锭大型电渣锭凝固质量控制困难当钢锭逐渐变大时，冷却水离锭中心钢水越来越远，中心冷却速度越来越慢，电渣重熔的本质或者说优点逐渐消失例如，电渣锭直径1800mm，今后可能超过2000mm，其凝固质量控制难度大，特别是生产12%Cr高合金钢，容易出现普通钢锭那样的凝固缺陷，如偏析、缩松，甚至缩孔等。传统电渣工艺：内部质量和表面质量是矛盾的！ESRTC双电源回路＋导电结晶器内部质量和表面质量的统一！4523167ESRESRTC熔池形状变成浅平，凝固方向趋于轴向，有利于减少凝固偏析、缩松和缩孔等凝固缺陷，特别适合于高温合金等易偏析品种的生产双电源回路＋导电结晶器A-传统电渣炉；B-导电结晶器（45.7%的结晶器电流）120吨电渣锭Ф1800mm金属熔池形状的对比（模拟结果）双电源＋导电结晶器新电渣工艺：内部质量和表面质量的统一！对比试验：Ф750mm普通电渣锭的表面质量A普通电渣炉重熔的钢锭双电源、Ф750mm导电结晶器电渣锭重熔试验——表面质量A普通电渣炉重熔的钢锭B双电源导电结晶器重熔的钢锭交换电极8分钟后金属熔池形状对比（Ф1800mm模拟结果）A-传统电渣炉；B-导电结晶器（45.7%的结晶器电流）双电源＋导电结晶器新电渣工艺：不断电交换电极，保证连接部位钢锭表面和内部质量！焊接法生产汽轮机复合转子12%Cr+30Cr2MoV(650℃)高温合金+合金钢(700-750℃)双电源+导电结晶器交换电极焊接双金属复合转子4523167优点：过渡区非常窄；而传统ESR过渡区太宽α－实心；δ－空心电渣重熔空心锭双电源＋导电结晶器新电渣工艺：可以实现空心锭生产！空心锭凝固质量水平与直径与壁厚尺寸相同的小尺寸电渣锭相同！与径锻机配合生产大口径厚壁管，质量高、成本低ESSLMforINGOTENLARGEMENTа—ESRingotmanufactureforenlargement;б—ESRsurfacingbyliquidmetalofsamechemistry;в—secondESRsurfacingbyliquidmetal1—liquidmetal;2—currentsupplyingmold;3—liqiudslag;4—liquidmetalpool;5—ingot;6—surfacedlayer.ProductsWILLBEDONE!!!Solidingot:minØ1400x5000mm,maxØ3200x4750-upto300tHollowingot:minØ1400/Ø1200x5000-16t,maxØ3200/Ø2000(2400)x5000-upto192tRolls:minØ1800xbarrel2500mm,maxØ2400x46300-upto250Grades:706,718,12%Cr,etc谢谢大家！