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1、电渣冶金的最新进展陈希春I，冯涤I,傅杰2,周德光2（1.钢铁研究总院高温材料研究所，北京，100081；2.北京科技大学电冶金研究所，北京，100083）摘要：对电渣冶金的最新进展进行了综述，简要介绍了导电结晶器技术、快速电渣重熔、洁净金属喷射成形以及可控气氛电渣冶金，包括真空电渣重熔、惰性气体保护下电渣重熔、高压下电渣重熔等技术。这些技术的出现，在改善与消除传统电渣冶金局限性的同时，进一步发扬了电渣冶金技术的优越性，使电渣冶金显示出了更强大的生命力、更宽广的应用前景。关键词：电渣冶金；导电结晶器：高纯洁度中图分类号：RecentDeve1.opmentofE1.ectros1.agMeta
2、1.1.urgyCHENXi-chun,FENGDi,FUJie2,ZHOUDe-guang2（1.Centra1.Iron&Stee1.ResearchInstitute,Beijing100081,China；2.UniversityofScience&Techno1.ogyBeijing,Bcijing100083,China）Abstract:TherecentadvancesinE1.ectros1.agMeta1.1.urgyhavebeenreviewedinthispaper.Someimportantinnovativetechno1.ogies,suchasCurrent-
3、conductiveMo1.d.E1.ectros1.agRapidReme1.ting,C1.eanMe1.tSprayForming,andVacuumE1.ectros1.agReme1.ting,E1.ectros1.agReme1.tingunderInertGases,E1.ectros1.agunderHighPressure,EIectros1.agReme1.1.ingunderCa-containingF1.uxesareintroducedbrief1.y.Withthedeve1.opmentoftheseadvancedtechno1.ogies,whichavoid
4、somedisadvantagesexistinginthetraditiona1.ESMsuccessfu1.1.y,E1.ectros1.agMeta1.1.urgyisentit1.edtofurtherimprovementandwiderapp1.ication.Keyword:E1.ectros1.agMeta1.1.urgy；Current-conductiveMo1.d；HighC1.ean1.iness现代电渣冶金技术起源于前苏联乌克兰巴顿电焊研究所，在电渣焊的根底上开发出了电渣重熔技术。由于电渣冶金在技术经济上具有一系列的优越性，如金属性能的优异性（包括纯洁度高、组织致密、
5、成分均匀、外表光洁），经济上的合理性（设备简单、操作方便、生产费用低于真空电弧重熔、金属成材率高）以及工艺的稳定灵活并具有很好的可控性，世界各国都致力于开展该技术，并取得了迅速的开展。电渣冶金从最初的电渣重熔技术开始，现已开展成为一门跨行业、跨专业的新学科，开拓出了不少的新分支，如电渣熔铸、电渣浇注、电渣转注、电渣热封顶、电渣自熔模、电渣离心浇铸、电渣直接好原、电渣焊接、电渣外表镀膜等。根据最新资料”也推算，世界电渣钢的产量约为90万吨/年，钢种有低合金高强钢、轴承钢、工具钢、模具钢、不锈耐热钢、高温合金、耐蚀合金和电热合金等。世界各国生产材料钢号已超过400个。近年来，电渣冶金进一步扩大应用
6、于生产有色金属，如A1.、Cu、Ti.Mo、Cr合金及贵金属Ag合金。同时，电渣冶金也存在着局限性，如熔炼和凝固速度偏低、自耗电极氧化以及熔渣吸气以及活泼金属的氧化等。如何开展电渣冶金技术的优越性，改善与消除其局限性，一直是电渣冶金技术开展道路上的主要课题。最近，在广阔电渣冶金工作者的不懈努力下，电渣冶金技术又有了新的突破。开发了导电结晶器(CCM,Current-conductiveMo1.d)快速电渣重熔(ESSRE1.ectros1.agRapidReme1.ting)洁净金属喷射成形(CMSF,C1.eanMe1.tSprayForming)以及可控气氛电渣冶金，包括真空电渣重熔(VA
7、C-ESR,VacuumE1.ectros1.agReme1.ting)、惰性气体保护下电渣重熔(E1.ectros1.agReme1.tingunderInertGases)、高压下电渣重熔(PESR、E1.ectros1.agunderHighPressure)含钙熔渣电渣重熔(E1.eCtroS1.agRemeItingUnderCa-COntainingF1.uxes)等技术。这些技术的出现，使电渣冶金再一次显示出了强大的生命力、宽广的开展前景，使得电渣冶金与现代工业生产相匹配、为工农业国防尖端的开展提高更多、更好的优质材料成为可能。作者简介：陈希春（1973-）,男，在站博士后:收稿
8、日期：2002-01-06：修订日期：2002-04-03下面，将对以上电渣冶金技术的最新进展作进一步的介绍。1.导电结晶器技术导电结晶器技术是由乌克兰巴顿电焊研究所“E1.met-Ro1.1.”密多瓦尔科研组和奥地利“In1.eco”公司独立研窕开发的。根本原理如图1所示，与传统电渣重熔过程电流从自耗电极经过熔渣到达重熔锭(结晶器保持中立或与重熔锭同电位)不同，导电结晶器技术可以有多种方式让电流经过渣池，如电极一结晶器/重熔锭、结晶器一重熔锭、结晶器一结晶器等。在此根底上，“E1.met-RoM密多瓦尔科研组开发了液态金属电渣冶金技术(EST-1.M)和双回路电渣冶金技术(EST-TC)，“
9、mteco”公司开发了电渣连续浇铸技术(ESCC)等。如图2所示，液态金属电渣冶金技术无需制造和准备自耗电极，导电结晶器就起到了非自耗电极的作用，并且改变了传统电渣重熔过程中温度参数与电效率之间的特定关系，大大增强了控制渣池和熔池之间热分配的能力，这在传统电渣重熔过程中是无法实现的，图3说明，液态金属电渣冶金技术使熔池的深度减小了，这对获得均匀细小的组织是十分有益的，如图4所示。“E1.met-Ro1.1.”密多瓦尔科研组与Novokramaiorsk机械制造工厂应用液态金属电渣冶金技术批量生产了直径为740mm,工作层为高速钢的复合热轧转，试用结果说明，使用寿命比标准的铸铁轧辐提高了44.5
10、倍。当必须使用自耗电极的时候，就演变成双问路电渣冶金技术，如图5所示，可以获得同样的效果。图1导电结晶器技术原理图Fig.1.SchematicofCurrentConductivemou1.d（八）(b)(c)（八）一电渣镀层；(b)一熔铸空心锭：(C)-熔铸实心锭图2液态金属电渣冶金技术示意图Fig.2Diagramsofe1.ectros1.agtechno1.ogieswith1.iquidmeta1.（八）(b)(c)（八）真空电弧重熔；(b)-传统电渣重熔：(C)-液态金属电渣冶金图3熔池形状Fig3Structureandshapeofmeta1.poo1.（八）(b)（八）-液
11、态金属电渣冶金：(b)-传统电渣重熔图4银基合金管坯的低倍组织图Fig.4 Macrostructureofnicke1.-baseda1.1.oypipebi1.1.etproducedbytheESR-1.M（八）andc1.assica1.ESR(b)图5双回路电渣冶金技术原理图图6电渣连续浇铸技术示意图Fig.5 DiagramofESR-TCprocessFig.6 Arrangementofthee1.ectros1.agcontinuouscastingprocess图6是电渣连续浇铸技术的原理图，渣池由从导电结晶器输入的电流加热，可以保护熔池表层不被大气氧化并且在结晶器内壁与凝
12、固壳之间起到了润滑剂的作用。由于有加热渣池的保护，可以使连续铸钢的速度大幅度降低，而不会导致铸锭外表质量的恶化，这一技术使易偏析合金，如高速工具钢、银基合金等的连续铸钢成为可能。2.快速电渣重熔技术传统电渣重熔过程中重熔速度的控制依据熔化速度(kgh)与重熔锭直径(mm)之比不到或略大于1,对于一些易偏析合金如工具钢、高温合金等，这一比值低至0.650.75。这样，重熔小直径钢锭时熔炼速度就很低，导致了相当高的冶炼费用，尽管小直径重熔锭具有细小的枝晶结构可以直接进行轧制，然而300400mm以下重熔锭的广泛应用仍是难以逾越的鸿沟。而奥地利“Inteco”公司在导电结晶器技术根底上开展起来的快速
13、电渣重熔技术可以很好地克服这一问题网。如图7所示，快速重熔主要设备导电T型结晶器。应用这一技术重熔直径为10030Omm的小直径钢锭时，其熔化速度与重熔锭直径之比可以到达310,见图8,在T型结晶器上部较大直径的自耗电极熔化速度高达300IO(X)kgh,图7快速电渣重熔的T型导电结晶甥图8200mm方坯快速电渣重熔Fig.7 Tshapecurrentconductivemou1.dofESRRtechno1.ogyFig.8 20OmmsquareESRRbi1.1.et在过去的四年中，为了更好地掌握这一技术,进行了大量的试验工作回叫包括100mm、14Omm、160mm、200mm的方坯
14、，钢种有高速工具钢、不锈钢、高温合金如718等。结果说明，各种小直径重熔锭具有良好内在质量和外表质量，可以直接进行热轧；在自耗电极熔化速度高达500kgh以上时，重熔锭组织均匀细小,没有发现明显的偏析和疏松。3.洁净金属喷射成型技术非金属夹杂物对气涡轮发动机高温合金部件的低循环疲劳寿命有重要的影响，脆性的夹杂物经常是裂纹源，从而导致了高温合金部件的早期失效。因此，消除或限制此类夹杂物的大小尺寸就显得十分重要。目前，在高纯洁度铸造、锻造高温合金生产工业中普遍采用三联工艺(真空感应熔炼+电渣重熔+真空电弧重熔)。真空感应熔炼制备具有适当化学成分的自耗电极，在电渣重熔工序去除脆性的氧化物夹杂获得较高
15、的纯洁度，最后通过真空电弧重熔获得无宏观偏析、组织均匀的毛坯，这一组合工艺很快就成为了标准的冶炼工艺。然而，这一工艺生产本钱高、冶炼周期长。为了克服这一问题，通用电气公司开发了洁净金属喷射成型技术，并已申请了美国专利I有机地结合了电渣精炼和喷射成型优点的洁净金属喷射成型技术可以十分快速、经济地满足航空发动机以及工业用气涡轮发动机部件制造的需求。如图9所示，具有合格成分的自耗电极经电渣重熔后得到纯洁的液态金属，通过底部浇铸系统，即冷壁感应引导系统(CIG),液态金属到达喷射成型室，在这里，稳定的气流把液态金属雾化成可快速凝固的金属滴，然后可直接制得高质量无缺陷的铸锭，以及各种尺寸、近终成形的合金
16、铸件。这一技术有效地减少了工序，特别是对一些难以锻造的沉淀强化高温合金部件的制造来说，具有重要的意义。另外，在减少生产时间、降低生产本钱的同时，液态金属喷射成型技术明显地提高了铸件的纯洁度，表1对高温合金718真空感应自耗电极、三联工艺重熔锭和洁净金属喷射成型铸件中的氧化物夹杂进行了比拟。图9洁净金属喷射成型技术示意图Fig.9 SchematicofCMSFprocess表1不同工艺高温合金718的洁净度数据Tab.1.Incone1.718c1.ean1.inessdataofdifferentprocess工艺氧化物夹杂个数氧化物夹杂的面积试样重量氧化物夹杂比面积O20m)(mi1.2)
17、(g)(mi1.2kg)414.9610.20.439真空感应熔炼成团成簇140.0611.10.148278.3581.10.30900230537.300522.30标准三联工艺8.60.7499.656130.0490.1.0527.300553.0000649.5010.02683.3-0洁净金属喷射成型00676.7000660.5000654.304.可控气氛电渣冶金4.1真空电渣重熔应用于航空领域的高温合金必须在真空下电弧重熔，这样重熔后金属具有良好的组织结构和高的纯洁度，并且成分易于控制，然而，真空电弧重熔不能脱硫且易形成白点及产生年轮状偏析。众所周知，电渣重熔金属同样具有良好
18、的组织结构和高的纯洁度，脱硫效果好，不易形成白点及产生年轮状偏析，但电渣重熔过程中活泼元素烧损大，成分控制困难，气体含量有时会增加I。考虑到以上情况，德国的A1.D真空技术公司开发了结合两者优点、克服两者缺乏的真空下电渣重熔技术H久工业性试验结果说明，直径为250mm、重量约为30Okg的真空下电渣重熔锭外表光滑，无任何外表缺陷，在有效脱硫的情况下，活泼元素如钛、铝等没有烧损，表2列出了718合金重熔前后的化学成分。美国、奥地利等建成了真空电渣重熔炉回。表2718合金真空下电渣重熔前后的化学成分()Tab.2Chemica1.ana1.ysisofe1.ectrodeandingotIncon
19、e1.718元素CSiMnPSCrFeMoNbNiTiA1.Mg电极.028.13.08.01.00818.9417.23.025.3153.240.95.66.0081重熔锭.028.13.08.7.000718.9717.23.025.3353.240.93.67.00534.2惰性气体保护下的电渣重熔过去电渣熔炼都是在大气气氛或者为了防止增氢而在枯燥空气下进行的。六十年代初以来的研究说明,重熔合金中的氧含量取决于主要脱氧元素的浓度和该脱氧元素的氧化物在渣中的活度，此外，渣池上的氧分压也或多或少也产生一定的影响，氧的介入除了直接与Fe、Mn和其它重元素的阳离子发生反响外，更多的是由于熔渣上
20、方电极受热被氧化引起的。在过去的几十年中，普遍通过往渣池中参加脱氧剂如A1.、CaSi、FeSi.Mg等的方法对熔渣连续脱氧，然而这样就会引起熔渣组分的变化，从而使重熔锭中的易氧化元素含量的不一致。近来，采用情性气体保护下的电渣重熔，在防止增氢的同时，也可以有效地防止氧的增加。相信在不久的将来，电渣冶金过程的惰性气体保护将成为通用措施之一。下面将介绍德国A1.D公司于1998年为英国第五RIXSON高温合金制造的第一台惰性气体保护电渣重熔炉。如图10所示，这台电渣炉配备了一个密封罩把熔炼区域与大气完全隔离，用真空泵把空气排出后再充入氮气，并且通过计算机控制可全自动运行。熔炼过程是在完全无氧化的
21、惰性气氛下进行的，因而，熔渣不会被氧化，也无需参加脱氧剂，重熔锭具有最正确的纯洁度，图11很好地说明了这一点。在六十年代初就试图尝试应用电渣重熔工艺生产海绵钛，但是由于氧和氮的问题而没有任何实质性的突破。现在，在全密封的惰性气体保护下，重熔钛就成为可能。实验是在A1.D公司的惰性气氛电渣重熔炉上进行的，重熔锭的直径是170mm,熔渣的组成是工业纯的CaFz和29%的金属钙，结果见表3。乌克兰顿涅茨克国立技术大学和美国拉特罗布钢铁公司联合研究结果说明UI惰性气氛电渣重熔钛的纯洁度与碘化物提纯钛相当，氯含量小于0.03%、氮小于0.005%、氢小于0.003%、碳小于0.01%。乌克兰巴顿电焊研究
22、所也同样得到了令人振奋的结果I网，这又进一步拓宽了电渣冶金的应用范围。图1()英国第五RIXSON高温合金1.td.的惰性气体保护ESR炉Fig.10 ESRunderinertgasesfurnaceatFifthRixsonsupera1.1.oys1.td./UK图H不同工艺35NiCrMoV钢的纯洁度Fig.11TyPiCa1.c1.ean1.inessva1.uesof35NiCrMoVstee1.ofdifferentprocesses表3钛的电渣重熔结果(Xn)U%)Tab.3ESRresu1.tsofTia1.1.oys(10-4%)元素电极锭1电极锭2电极锭3电极锭4标准底中
23、顶底中顶底中顶底中顶C60-15050606060-100100606080-908060807070701000O600-900700650600700-130013001050800500-130012900900700600600!800N100-15018017017080-16018017014070-160140160120100100100300HF76-9425242460605034-4235302660606036-412627241812151504.3高压电渣炉德国于1980年建成了世界上第一台高压电渣重熔炉I，见图12。这台炉子能生产直径1m,重达14.5吨的锭子，熔
24、炼室氮气压力高达4.2Mpao在这样的条件下，就可能首次生产氮含量超过1%的大尺寸奥氏体不锈钢锭，在铁素体和马氏体不锈钢中氮的含量也可以到达0.5%。氮是奥氏体稳定元素，其作用超过银的30多倍，在奥氏体组织中溶解氮的增加可显著提高抗拉强度、屈服点和耐腐蚀性能。图12第一台高压电渣重熔炉(德国)Fig.12ThefirstPESRfurnace保加利亚、奥地利也开展了类似工艺来生产高氮钢。5.结束语以上简要地介绍了近年来国外在电渣冶金方面所取得的重要进展。这些成果的取得进一步发扬了电渣冶金技术独特的优越性，局部或完全克服了长期困扰电渣冶金开展的一些问题，电渣冶金显示了更强大的生命力，即使在炉外精
25、炼技术飞速开展的今天，电渣冶金在许多方面仍具有较大的竞争力。如电渣重熔在中型及大型锻件生产、电渣重熔空心锭和电渣熔铸异型铸件方面地位仍将占有重要地位；在优质工模具钢、不锈钢以及其它特殊钢生产领域中占绝对优势，真空电弧重熔在这一领域必将为电渣重熔所取代；对高温合金、耐蚀合金、精密合金、电热合金等特殊合金，电渣重熔将在与真空电弧重熔的竞争中取得优势；电渣冶金在有色金属的冶炼方面将得到越来越多的应用；电渣冶金技术的开展不仅局限于结晶器内电渣重熔，电渣冶金亦将成为现代炼钢流程中的一环，钢包精炼、连铸中间包加热、电渣热封顶、电渣多炉浇铸技术将有较快的开展。我国电渣冶金起步于1958年，在1960年就实现
26、了工业化，在过去的一段时间里，尤其是在六、七十年代，中国的冶金工作者们在电渣炉炉型结构、电渣重熔工艺，电渣重熔大钢锭、电渣熔铸异型铸件、有衬电渣熔炼、感应电渣离心浇铸及电渣提纯机理研究方面取得了创造性成果，受到国外同行成认，为我国国民经济、国防建设及科学技术的开展作出了重要的奉献。现在，面临了电渣冶金技术新的开展，我们必须加强根底研究、工艺研究与技术开发，在赶超世界先进水平的同时，为电渣冶金的开展作出更大的奉献。参考文献：1W.Ho1.zgruber,H.Ho1.zgruber.Deve1.opmentTrendsinE1.ectros1.agReme1.tingA.MedovarMemori
27、a1.SymposiumC.Kiev:E.O.Pa1.onE1.ectricWe1.dingInstitute,2001.63-7012李正邦，傅杰电渣冶金在中国的开展.特殊钢J.1999,增刊：1-83 H.hoizgruber,W.Ho1.zgruber.ESRDeve1.opmentatIntecofA1.MedovarMemoria1.SymPoSiUmC.Kiev:E.0.PatonE1.ectricWe1.dingInstitute,2001.41-484 B.I.Medovar,A.V.Chemets,1.B.Medovar.E1.ectros1.agC1.addingby1.i
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29、t1.ingTechno1.ogiesJ.MPTInternationa1.,2000,23(2).46-487 1.B.Medovar,A.K.Tsyku1.enko,V.Ya.Saenko,etc.NewE1.ectros1.agTechno1.ogiesfA.MedovarMemoria1.SymposiumC.Kiev:E.0.PatonE1.ectricWe1.dingInstitute,2001.49-608 W.Ho1.zgruber,H.Ho1.zgruber.ProductionofHighQua1.ityBi1.1.etswiththeNewE1.ectros1.agRap
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31、iev:E.0.PatonE1.ectricWe1.dingInstitute,2001.97-11211 W.T.Carter.BottomPouringFromAnESRFurnaceA.MedovarMemoria1.SymposiumC.Kiev:E.0.PatonE1.ectricWe1.dingInstitute,2001.63-7012 GK.Bhat.FutureProspectsforE1.ectros1.agTechno1.ogyBasedNove1.Meta1.1.urgica1.processesintheUSAA.McdovarMemoria1.SymposiumCJ
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33、993-10-1015 R.J.Roberts,E1.ectrosa1.gReme1.tingatConsarcA.MedovarMemoria1.SymposiumC.Kiev:E.O.PatonE1.ectricWe1.dingInstitute,2001.15-2616 O-Wiessner,H.Kemmer,U.iebricher,etc.VacuumMeta1.1.urgySystemsandTechno1.ogiesfJ.MPTInternationa1.,2001,24(3).32-3917 A.Ryabtsev,A.Troyansky,VPashinsky,etc.A1.1.o
34、ysontheirBasewithUsingoftheMothedofESRunder“Active”Ca-ContainingF1.uxesA.MedovarMemoria1.SymposiumC.Kiev:E.O.PatonE1.ectricWe1.dingInstitute,2001.79-8218 B.E.Ba1.on.ESRforTitanium:Yesterday,Today,TomorrowA,Proc.Ofthe91.hWor1.dTitaniumConferencefC1.St.-Petersburg:Russia.1999.7-1119 H.Scho1.z,U-Bicbricher,A.Choudhury.RcccntDeve1.opmentofTechno1.ogyandEquipmentDesignofE1.ectros1.agReme1.tingProcessA.MedovarMemoria1.SymPoSiUmC.Kiev:E.0.PatonE1.ectricWe1.dingInstitute,2001.27-36
