主要産品
電渣重熔的産品品種多,應用範圍廣。其鋼種有:碳素鋼、合金結構鋼、軸承鋼、模具鋼、高速鋼、不鏽鋼、耐熱鋼、超高強度鋼、高溫合金、精密合金、耐蝕合金、電熱合金等400多個鋼種。此外,可用電渣法直接熔鑄異形鑄件,可以鑄代鍛,簡化生産工序,提高金屬的利用率。
主要作用
電渣熔鑄工藝從根本上解決了一般鑄造工藝的主要矛盾,它綜合了電渣重溶-獲得高冶金質量的金屬和鑄造-澆鑄異型零件精化毛坯的長處,并具有與普通冶煉的變形金屬相近的緻密組織以及無各向異性的特點。與普通鍛件相比,電渣熔鑄件的各項性能指标完全達到同鋼種的變型金屬指标,甚至還避免了鍛件的一些不足之處。
應用成果
近些年來,電渣熔鑄新工藝逐漸引起了國内外工程技術界的重視,許多工業部門在加緊研究和使用電渣熔鑄産品。在發展這項新工藝方面,原蘇聯、日本和美國的研究成果較多,其次是西德、捷克斯洛伐克、英國、瑞典和法國。東北大學電冶金研究室在發展電渣熔鑄新工藝以及研制使用它的異型件方面取得了以下成果:?
電渣熔鑄冷軋輥、閥體、三通管、厚壁中空管、石油裂解爐管、齒輪毛坯、各種模具(包括沖壓模具)和柴油機曲軸等。
目前,國外著名的電渣爐制造廠家,如美國的CONSARC、德國的ALD和奧地利的INTECO等公司均采用基于PLC和工控機的2級計算機控制系統,能實現整個重熔過程的設備和工藝的全自動控制。
東北大學從20世紀90年代開始研制以液壓傳動或滾珠絲杠傳動為核心的新型機械設備,以工控機和PLC為硬件,以專家控制為軟件的智能化計算控制系統的新一代電渣爐,目前已有近20台設備成功應用于國内的工業生産中,使用效果良好。
把平爐、轉爐、電弧爐或感應爐冶煉的鋼鑄造或鍛壓成為電極,通過熔渣電阻熱進行二次重熔的精煉工藝,英文簡稱ESR。美國霍普金斯(R.K.Hopkins)于20世紀40年代首先提出這種精煉方法的原理。其後蘇聯和美國相繼建立工業生産用的電渣爐。
60年代中期由于航空、航天、電子、原子能等工業的發展,電渣重熔在蘇聯、西歐、美國獲得較快的發展。生産的品種包括:優質合金鋼、高溫合金、精密合金、耐蝕合金以及鋁、銅、钛、銀等有色金屬的合金。1980年世界電渣重熔鋼生産能力已超過120萬噸。中國1960年建成第一座電渣爐,其後得到很大發展。最大的是上海重型機器廠電渣爐,鋼錠重達200噸.大連遠東工具的電渣重熔鋼生産能力已經進入國内領先水平。
電渣重熔技術在軍事上早有應用,坦克炮的壽命是衡量一個國家坦克制造水平的重要标志。以前俄羅斯及中國制造的坦克炮的壽命一般隻有100-500發,而西方國家比如說德國的坦克炮采用了電渣重熔、内膛鍍鉻技術,使其壽命達到了800-1000發,大大提高了軍事裝備的水平。當然通過近年來的不斷的科技投入,中國的坦克炮技術與西方國家的技術差距已相差不大。
工作過程
電渣重熔
電渣重熔基本過程如圖所示。在銅制水冷結晶器内盛有熔融的爐渣,自耗電極一端插入熔渣内。自耗電極、渣池、金屬熔池、鋼錠、底水箱通過短網導線和變壓器形成回路。在通電過程中,渣池放出焦耳熱,将自耗電極端頭逐漸熔化,熔融金屬彙聚成液滴,穿過渣池,落入結晶器,形成金屬熔池,受水冷作用,迅速凝固形成鋼錠。在電極端頭液滴形成階段,以及液滴穿過渣池滴落階段,鋼-渣充分接觸,鋼中非金屬夾雜物為爐渣所吸收。
鋼中有害元素(硫、鉛、銻、铋、錫)通過鋼-渣反應和高溫氣化比較有效地去除。 液态金屬在渣池複蓋下,基本上避免了再氧化。因為是在銅制水冷結晶器内熔化、精煉、凝固的,這就杜絕了耐火材料對鋼的污染。鋼錠凝固前,在它的上端有金屬熔池和渣池,起保溫和補縮作用,保證鋼錠的緻密性。上升的渣池在結晶器内壁上形成一層薄渣殼,不僅使鋼錠表面光潔,還起絕緣和隔熱作用,使更多的熱量向下部傳導,有利于鋼錠自下而上的定向結晶。由于以上原因,電渣重熔生産的鋼錠的質量和性能得到改進,合金鋼的低溫、室溫和高溫下的塑性和沖擊韌性增強,鋼材使用壽命延長。
設備優劣勢
電渣重熔設備簡單,投資較少,生産費用較低。電渣重熔的缺點是電耗較高,目前通用的渣料含CaF2較多,在重熔過程中,污染環境,必須設除塵和去氟裝置。
主要設備
電渣重熔爐
1980年4月,一台200噸級的大型電渣重熔爐在上海重型機器廠試制成功。它是中國最大,也是世界上最大的一台電渣重熔爐。
大型電渣爐建設是一項重大工程。整個工程由副總工程師林宗棠負責領導和組織,北京鋼鐵學院朱覺教授任顧問,上海重型機器廠和北京鋼鐵學院共同開發研制。重熔工藝和車間設計由劉椿林負責;電渣重熔設備由皇甫埏負責設計;高壓和低壓電氣由蘇烨和談家寶負責設計;土建和公用部分由上海機電設計研究院設計。
從1972年11月起到1974年12月止,劉椿林和北京鋼院教師劉海洪帶領試驗小組在上重廠和有關工廠先後進行了多項試驗,以确定電渣爐設備的設計參數、重熔和抽錠工藝參數。這台三相三搖臂雙極串聯式的大型電渣爐由三個小機架呈等邊三角形布置構成。每個小機架有一根18米高的立柱。三根立柱的底部固定在地基上,中部和頂部用曲梁連結,構成電渣爐本體。在中部曲梁上安放直徑2.8米的銅襯鋼殼水冷結晶器。每根立柱的上部通過傳動裝置裝有可以上下運動又能左右旋轉的搖臂。搖臂的一端裝有電極夾持機構,可以夾持相互絕緣而串聯的兩根電極。三個搖臂共懸挂六根電極。每兩根電極由一台單相變壓器供電。
這樣六根電極便組成三相雙極串聯回路。電極直徑為500毫米,每根重約5噸。結晶器下部有一台帶水冷卻底闆的電動平車,平車載重可達300噸。
平車放在能沿三根立柱上下運動的活動平台上。重熔開始前,活動平台上升使水冷底闆将結晶器下部封住,然後在結晶器内造渣和重熔電極。六根鋼電極同時進行重熔,經過一定時間電極重熔将盡,三個搖臂輪流地換上新的電極,以便熔煉出一個大的電渣錠。随着鋼電極的重熔,結晶器的渣液面便不斷上升,達到一定高度後便進行抽錠操作,即在渣液面上漲的同時不斷将水冷底闆向下緩慢降落,以得到有一定長度和所需噸位的大型電渣錠。鋼錠煉成後,平台下降,鋼錠便從結晶器内抽出,電動平車載着鋼錠沿着軌道開出爐外。
這台電渣爐有以下特點:雙極串聯供電,可以減少回路感應,提高電功率因數;采用三相電源,有利于外網絡電壓平衡;三搖臂輪換電極,用小截面電極重熔大鋼錠,有利于控制電極成分偏析;采用抽錠操作,能用短結晶器重熔長的鋼錠。
用它重熔鋼錠制成的鍛件,1982年通過國家鑒定,同意用這台電渣爐為中國第一台核電站——秦山30萬千瓦核電站生産安全一級壓力容器用鋼錠。接着為核電站的蒸發器和穩壓器提供了所需的全部大型電渣錠。其中最大的兩隻電渣錠單重分别為205噸和207噸。
後還用這台電渣爐重熔了火電鍛件和化工容器用的大型電渣錠。它生産的大型電渣錠經過國家鑒定,表明電渣鋼純度高,成份均勻,性能良好,韌性特别優良。從而為中國優質大型鍛件的制造開辟了一條新的途徑。