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高品质特殊钢绿色节能电渣重熔技术
发布时间:2020-06-06 来源:钢源保
一、研究背景与问题

       电渣重熔是靠渣池通过电流时产生的渣阻热熔化和精炼自耗电极金属,得到的液态金属在水冷结晶器中凝固成形的过程。由于电极熔化、金属液滴形成、滴落均在一个较纯净的环境中实现,过程中熔池内的金属和炉渣之间要发生一系列的物理化学反应,具有良好的冶金反应热力学和动力学条件,是制备高端特殊钢和特种合金终端冶炼工艺。电渣金属纯净、组织致密、力学性能优异,其产品广泛应用于航空航天、军工、能源、交通、海工、环保和石化等高端装备制造领域。1958年首台工业电渣炉在乌克兰诞生,我国也开始了跟踪研究。虽然我国电渣重熔技术的诞生和发展几乎与国外同步,但上世纪末有长达20多年的时间里几乎停滞不前,导致进入21世纪时我国电渣重熔工艺、装备及产品质量均明显落后于西方发达国家。传统电渣重熔技术耗能高、氟污染重、生产效率低,产品质量不稳定,无法满足高端装备的材料需求。

      东北大学特殊钢冶金团队经过十五年的探索和实践,提出了电渣重熔过程“洁净度控制”和“均质化凝固”2个原创性理论,系统研究了电渣工艺理论,创新开发绿色高效的电渣重熔成套装备和工艺及系列高端产品,节能减排和提效降本效果显著,产品质量全面提升,形成两项国际标准,实现我国电渣技术“从跟跑、并跑、到领跑”的历史性跨越。

二、技术解决方案

  针对传统电渣重熔耗能高、氟污染严重、效率低、产品质量不稳定,高性能大单重厚板无法满足高端装备的材料需求等问题,采用“基础研究-关键共性技术-应用示范-行业推广”全创新链的研发模式,系统研究了电渣重熔过程炉渣物理化学性质、渣-金-气反应以及电制度等对其过程的电场、磁场、流场和温度场,以及气体(氢、氧)、非金属夹杂物和钢锭凝固组织的影响机理和规律,开发了绿色高效的新一代电渣重熔成套装备和工艺技术,解决了传统电渣重熔存在的主要问题,实现了电渣重熔生产大幅度的节能减排,显著提高了生产效率和降低生产成本,提升了电渣钢的产品质量,开发了一系列高品质特殊钢品种。

1、快速电渣重熔技术

   快速电渣重熔技术是在早年T型结晶器多流电渣重熔基础上发展起来的。奥地利INTECO公司在上世纪90年代末开发了这一技术。该技术采用T型结晶器,重熔大断面电极,在结晶器壁上嵌入导电元件,使电源电流通过自耗电极-渣池-导电元件-返回变压器,如此改变了结晶器内的热分配。钢-渣熔池界面没有电流通过,也就是基本不发热,同时,钢-渣熔池界面远离电极端头,使得金属熔池的温度大幅度降低,减弱了金属熔池深度与输入功率的关系。

  2003年,东北大学电渣项目组实验室开发出双极串联、T型结晶器快速抽锭电渣重熔技术,分别生产出断面为90mm×90mm方锭和Φ100mm圆锭,并对重熔方坯质量的低倍、高倍、夹杂物进行检验。结果表明,该技术生产的方坯表面质量和内部质量良好。在此技术基础上,先后采用结晶器导电或双极串联供电、T型结晶器抽锭电渣重熔技术,为国内多家特钢企业生产出不同尺寸和锭型的电渣产品。断面尺寸有280×324mm、340×340mm的方坯,ϕ200、300、400、600、800、900、1000和1100mm等各种规格的圆坯,铸坯长度4000-6000mm。

2、保护气氛电渣重熔技术

  早期电渣重熔都是在大气环境下进行熔炼,生产成本低、操作方便,但是电渣钢中容易出现Si、Mn、Al、Ti等易氧化元素烧损和增氢等问题。为此,德国、美国、奥地利、**等相继开发出惰性气氛保护电渣炉,整个重熔过程在惰性气体保护下进行,主要目的是防止重熔过程钢中活泼金属元素氧化。

  与早期传统电渣炉相比,新开发的保护气氛电渣重熔装置应用了全密闭气氛保护、全自动一键式自动化控制、称重恒熔速控制、同轴导电、框架式机械结构、氧含量在线监测等一系列技术改进升级。2009年开始,国内全自主设计的全密闭框架式称重恒熔速保护气氛电渣炉在上海、常州等地投产后,新一代气氛保护电渣炉设备和工艺在各企业大批推广应用。

3、导电结晶器技术

  导电结晶器技术与传统电渣重熔技术不同,可以有多种方式让电流经过渣池,特殊的电流路径能够增强控制渣池和金属熔池之间热分配的能力,通过调节两个回路的功率分配,可以调节结晶器壁附近渣池和金属熔池的温度分布,有利于控制成浅平的金属熔池和增加熔池的圆柱段高度,从而可以在大幅度降低熔化速度的情况下,仍能保证铸锭的表面质量,同时,由于熔池变浅,结晶趋于轴向,凝固偏析问题得到改善,铸锭内部质量提高,从而有效解决了内部质量和表面质量相互矛盾的问题。

   2012年,东北大学特殊钢冶金研究所为国内某钢厂开发了25t空心坯抽锭式电渣炉,炉型主要特征是采用双电源供电、T型导电结晶器,可以有效地控制渣池和熔池温度分布,生产出Φ900/Φ500mm和Φ650/Φ450mm断面的空心电渣锭,*大抽锭长度为6000mm。

2018年开始,项目组联合装备制造企业沈阳华盛冶金技术与装备有限责任公司,在实验室基础上,为多家传统电渣设备企业改造升级固定式导电结晶器电渣重熔装备和工艺,目前应用于工业化的锭型已经涵盖200kg~30t。

4、加压电渣重熔

  东北大学在2007年成功开发出*大压力为7MPa的100kg加压电渣炉,并利用复合电极的加压电渣工艺,完成了氮含量为0.8%-1.2%且成分均匀、组织致密的高氮奥氏体不锈钢P900N、P900NMo和P2000,产品具有优异的力学性能和耐腐蚀性能。目前,利用加压感应炉和加压电渣炉双联工艺,成功制备出Cronidur 30高氮马氏体不锈钢,可用于制造高性能航空航天轴承、模具钢和刀具等。

   2018年,**首台500kg加压电渣炉在辽宁科技大学实验室投入建设与调试成功。日前,项目组又联合装备制造企业研制了1台6t的加压电渣炉。

5、真空电渣重熔技术

  电渣重熔高温合金过程中,活泼元素烧损大,成分控制困难,气体含量通常会增加。为满足航空领域对高温合金的需求,德国ALD真空技术公司开发了真空电渣重熔技术。工业性试验结果表明,直径为250mm、重约300kg的真空电渣重熔锭表面光滑,无任何表面缺陷,而且在有效脱硫的情况下,活泼元素(如钛、铝等)没有烧损。据报道,目前20t的真空电渣炉在国外已实现工业化。

  项目组也开发出了50-800kg真空电渣炉,主要用于科研院所、企业中试基地及特种合金生产企业,用于科学研究、新材料产品开发、新工艺开发以及小规格产品生产。特别是镍基高温合金和特种不锈钢等产品研发。

6、特厚板坯电渣重熔技术

  目前,特厚板的生产主要是采用模铸锭和电渣锭进行锻造或者轧制而成。而模铸钢锭由于存在各种偏析及疏松缺陷,所以锻造比要求较大,并且所得到的*终厚板质量受到很大的限制。与模铸相比,用电渣重熔生产特厚板时,由于钢板组织致密、成分均匀、产品质量好,成材率可提高9%-18%,足以抵偿全部重熔费用。而且省去了开坯工序,实际生产成本反而降低。

  2006-2009年东北大学为舞阳钢厂建成了世界上*大断面尺寸的3台40t板坯电渣炉并取得成功。*大锭重达50t,*大断面尺寸为960mm×2000mm。电渣炉自投产以来,已成功开发了厚度为640mm、760mm、960mm三种规格的P20、WSM718R、980、2.25Cr1Mo、16MnR(HIC)、20MnNiMo等20多个钢种,其主要技术经济指标处于国际先进水平。

7、空心钢锭电渣重熔技术

  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。厚壁管特别是大、中口径无缝厚壁管、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,其缺点是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%。

  2012年由项目组和乌克兰Elmet-Roll公司共同合作开发了大型电渣重熔空心钢锭成套设备和工艺。该电渣炉采用短结晶器的抽锭生产方式,可以兼容生产空心锭和实心锭两种锭型。工业试验表明,生产的空心锭表面质量和内部质量均非常好。结晶器组织致密,纯净度高,是生产高端厚壁管和筒体锻件的理想材料。

8、大型钢锭电渣重熔技术

   随着电力、石化及冶金等领域装备大型化、复杂化,对大型铸锻件行业提出了更高要求,100t以上的大型优质钢锭需求量不断增加。世界上大型铸锻件的生产能力主要集中在日本、韩国、**和欧洲。采用电渣重熔生产优质大型钢锭是发展趋势。进入21世纪以来,德国、意大利、日本和韩国等国家的企业建成的100t以上电渣炉已达10多台,*大容量250t。目前,我国有7台100t以上电渣炉。

9、绿色环保型电渣重熔新渣系开发

  随着各国环境保护意识的提高,开发低氟或无氟环保型渣系,研究渣系的物理化学性能以及重熔过程中的物理化学反应,成为电渣冶金的重要研究课题。经研究表明,低导电率、低导热系数和高黏度的炉渣显著提高电极熔化的热效率。低CaF2、高Al2O3 或SiO2 的渣系,存在较多尺寸大、结构复杂的阴离子团,从而导致简单阳离子数量减少,电荷传递能力下降即电导率下降。同时,大量复杂的阴离子团导致黏度增加导热能力下降。

  东北大学与沈阳赛美特新材料科技有限公司等企业合作研发,取得了一系列专利创新设计了系列的低氟多组元节能环保型预熔渣系。节能环保型预熔渣系推广到国内60 多家电渣钢生产企业,电渣重熔品质提升、降氟效果及吨钢节电效果明显。同时,采用电熔法制备预熔渣替代现场机械混合渣料,大幅度降低了现场粉尘污染。

10、国际标准制订与技术“领跑

  2002年,姜周华教授被国际电工委员会推举为电渣炉国际标准工作组组长,成为目前仅有的两项国际行业标准的制定者。该标准已于2005年8月正式在全世界出版发行,2020年将完成新修订版的出版发行,大大提高了我国在国际标准制订中的地位和影响力,**了我国电渣技术在国际上的话语权。

  东北大学特殊钢冶金团队的理论研究受到国际学术界普遍认可和广泛关注,有关论文多次登上国际期刊的杂志封面。在国际电渣学术研究方面,东北大学SCI检索论文在全球292个研究机构中排名**,姜周华教授个人排名**。

  成立于1906年的国际电工委员会(IEC),是世界上成立*早的国际性政府间标准化机构,负责有关领域中的国际标准制定、修正等工作,堪称技术领域的“联合国”,其标准的权威性为世界所公认。2005年,姜周华教授被国际电工委员会授予*高奖项——“IEC1906”国际标准奖,成为我国获此殊荣的**人。

三、应用情况与效果

  目前,高品质特殊钢绿色节能电渣重熔技术相关成果在宝武特冶、舞钢钢铁、通裕重工、中钢邢机、大冶特钢、太钢、兴澄特钢、邢台钢铁等60多家企业推广应用,为我国重大工程和国防建设研制了系列关键核心材料。

  例如用于单机容量世界*大的乌东德和白鹤滩水电站以及C919大飞机制造起落架的8万吨模锻压机支座的电渣特厚板,填补国际空白;探月工程和载人航天用火箭发动机高温合金涡轮盘,第三代核电示范项目用耐蚀合金,第四代核电示范工程用特种不锈钢板,高端轴承钢和模具钢等,填补了国内空白。电渣产品出口到50多个国家和地区。

  该技术水平经专家鉴定为“国际**”水平,已经取得发明专利30余项,获得国际标准奖一项,省部级一等奖三项,2019年获得国家科技进步一等奖。


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