真空電渣重熔爐的優勢及其進展情況

劉樹杰

（邢臺樹志冶金科技有限公司  省河北省  邢臺市  054000）

摘  要：電渣爐從產生到現在已經有60多年的歷史，在此期間得到不斷改進與優化，人們應用電渣重熔的方法冶煉出很多種優質合金鋼和合金，為金屬材料的質量提升以及人類進步做出很大貢獻。電渣重熔技術從裝備到工藝技術也已經非常完善，在傳統的模式下想要對鋼錠或者合金的品質再有較大的提升有較大困難，為此，很早就有人提出真空電渣爐的概念，但是一直沒有得到實際的開發和應用。本文就是在此基礎上對真空電渣爐的優勢以及最新的進展情況進行分析與敘述。

關鍵詞：真空，電渣重熔爐，必要性，進展

Advantages and progress of vacuum electroslag remelting furnace

Liu Shujie

(Xingtai Shu Zhi Metallurgy Technology Co., Ltd., Hebei Province, Xingtai City, 054000)

Abstract: Electroslag furnace has been developed for more than 60 years from the time of production, and has been improved and optimized during this period. Many kinds of high quality alloy steels and alloys have been smelted by electroslag remelting, and the quality of metal materials has been improved. Human progress makes a great contribution. Electroslag remelting technology from equipment to process technology has also been very perfect, in thetraditional model you want to steel ingot or alloy quality and then have a greater difficulty in upgrading, to this end, it was early proposed a vacuum electroslag Furnace concept, but has not been the actual development and application. This paper is based on the advantages of the vacuum electroslag furnace and the latest progress of the situation analysis and description.

Key words: vacuum, electroslag remelting furnace, necessity, progress

1 真空電渣重熔爐的重要性

真空技術在冶金行業的廣泛應用對金屬材料的純凈度起到巨大推動作用，大家熟悉的目前真空技術在冶金領域的應用有：VIM,VAR,VD,VOD,RH,AOD等，但是真空技術在電渣重熔的應用目前幾乎還處于空白，隨著時代的發展和社會的進步，人們對材料的品質要求越來越高，而電渣重熔在冶煉高品質金屬材料方面又具有獨特的優勢，如何把真空技術應用到電渣重熔上是冶金工作者需要解決的實際問題。

1.1客戶對高品質電渣錠的需要

電渣重熔的工藝特點就是要讓鋼錠在渣池的熱作用下一滴一滴的熔化，然后再重新凝固成新的鋼錠。這決定了電渣重熔過程需要的時間比較長。傳統的電渣重熔爐直接暴露在大氣下進行，在長時間的電渣重熔過程種，空氣中的氧、氮、水等都會通過熔渣吸收，然后再傳導到鋼錠內部。也會在電極與渣池表面接觸處發生氧化或者電離氮氣，使電渣錠的氣體含量顯著增加。尤其在雨季空氣濕度較大的條件下，電渣重熔前后鋼錠的氣體含量增加更多，有時甚至會造成電渣錠的報廢。下面的表1是我們在實際生產過程中記錄的電渣重熔前后鋼錠內部氣體含量的變化.

從表1可以明顯的看出，鋼錠在電渣重熔前后H,O,N的含量都有不同程度的增加。在一定的條件下會增加電渣錠出現廢品的幾率。

目前廣泛使用的氬氣保護電渣重熔爐，雖然在一定程度上可以減少熔煉過程中電渣錠的氣體增加，但是要想做到不增加也是有一定難度的，我們在實際生產中進行了統計，發現即使在氬氣保護的條件下進行電渣重熔，電渣前后的氣體含量還是會有增加的，我們對國內某鋼廠進口保護氣氛電渣重熔爐冶煉前后氣體含量的變化做了統計，數據見表2。

表1 電渣重熔前后的氣體含量

表2氬氣保護電渣重熔前后的氣體含量

從表2可以明顯看出電渣前后H,O,N的含量都是有增加的，盡管比表1中的結果有改進，但是還有待進一步提高。如果整個電渣重熔過程在完全真空的狀態下進行，真空度保持在3~5Pa,氣體含量會比真空感應爐的冶煉結果更低。

1.2 航空航天、軍工核電等材料的需要

隨著國家對航空航天、軍工核電的發展需要，對合金材料提出更高的要求，尤其對材料的純凈度要求越來越高，真空電渣重熔在生產高純凈合金材料方面具有獨特的優勢。

過去生產高純凈合金材料傳統的方法是采用三聯法冶煉，即：真空感應澆鑄成電極，再氣氛保護電渣重熔，然后再走真空自耗提純。生產成本居高不下，并且還存在一個無法避免的難題就是真空自耗生產的合金錠表面質量和成材率都不是很理想。

真空電渣重熔就是要把氣氛保護電渣與真空電弧熔煉兩個過程合并在一起，大幅降低生產成本，并且在合金錠的品質上比原來更加純凈，表面光潔，成材率提高。不僅如此，真空狀態下電渣重熔還可以大幅度減少合金材料中易氧化元素：Ti,Mg,B,Al等的燒損，對合金材料的成分穩定控制非常有利。

2 真空電渣重熔的進展情況

真空電渣重熔顧名思義就是整個電渣重熔過程在密閉的真空狀態下進行。雖然理論上并不復雜，但是要想實際生產卻有很大的難度，下面分別從設備、原料、冶煉工藝三個方面做介紹。

2.1真空電渣重熔設備

真空電渣重熔爐設備是在原有電渣爐的基礎上改造完成，除了具備原來電渣重熔爐的所有部件與功能外，對底水箱，結晶器，假電極進行了改造，實現結晶器內的真空條件。具體情況見下面的介紹。

2.1.1底水箱

真空電渣重熔使用的底水箱跟普通電渣爐一樣，承擔著導電回路和支撐結晶器和電渣錠的作用，并且還起到從底部冷卻電渣錠的作用。與普通電渣爐不同的是需要把銅板面積加大，并且要在銅板的外周加工螺紋孔，起到與上面的結晶器下法蘭壓緊密封作用。

2.1.2結晶器

由于結晶器每次冶煉結束需要與內部的鋼錠脫離開，并且結晶器內部需要水冷，為了避免脫模時結晶器的冷卻水溢出到真空室，影響下一爐的真空度，本方案采用結晶器與真空室合并為一個整體，所有的冷卻水進出均設計到真空室外邊，每次脫模和組裝結晶器采用快速接頭連接，結晶器底部與真空室是一體的，增大原來底水箱的面積，在低水箱外周的位置設置一圈環形溝槽，溝槽內放置硅橡膠圈，由結晶器與真空室底部的鋼板直接壓實密封。

同時真空室的頂部設有法蘭盤，在法蘭盤上設置溝槽，內設硅橡膠圈，將真空蓋壓緊硅橡膠圈，并采用氣動或者液壓壓緊裝置，該處法蘭盤需要做絕緣處理，法蘭盤要與下面的真空室和結晶器絕緣良好，否則會出現電流短路。結晶器示意圖如下圖

2.1.3 假電極

上部的密封采用波紋管伸縮式，在假電極夾入設備卡頭的下面增加一圈環形密封鋼板，波紋管密封固定在該環形鋼板下面。波紋管的直徑需要大于自耗電極的直徑，并且采用無磁耐高溫材料.

2.1.4真空室

真空室是蓋在結晶器上面并與假電極上的密封圈相連接。下部直接壓住結晶器上法蘭的一圈氟橡膠圈，并用螺栓連接壓緊，防止漏氣。上部聯接可伸縮的波紋管，波紋管的上方與假電極采用快速密封結構，利用氣動或液壓缸對稱壓緊，。抽氣管口設置在靠近結晶器一端，并做成快速接頭，便于拆卸。

整個密封罩采用不導磁的不銹鋼材料，內部通水冷卻。密封罩的升降由設置在兩側的液壓缸或氣缸完成。

3 真空電渣重熔渣系

真空電渣爐使用的渣系跟普通電渣爐有所不同，由于要長時間工作在真空狀態下，除了具備普通電渣爐用渣系的各項冶金功能外要求熔渣不分解，不揮發。我們參考了文獻中的無氟渣系，并在此基礎上進行了改進，目前我們開發出兩種基本渣系：(1)CaO+Al2O3+SiO2+Li2CO3,(2) CaO+Al2O3+MgO+Li2CO3

這兩種渣系在常溫常態下的熔點與60%CaF2+20%Al2O3+20%CaO渣系相近，測試熔點分別為1378℃和1389℃，1600℃下的電導率分別為3.23S/m(西門子每米)和3.15S/m。1600℃的粘度分別為0.118Pa.S(帕.秒)和0.119 Pa.S。

之所以開發了這兩種渣系主要是考慮含Al、Ti鋼種和合金采用的渣系配比中不可以含有SiO2，否則容易造成電渣過程鋼中的Al、Ti與渣中的SiO2反應，使鋼中的Al、Ti損失，并引起電渣錠Si含量增加。對于冶煉不含Al、Ti鋼種這兩種渣系都可以使用，對于冶煉含Al、Ti鋼種適用（2）號渣系。

4 真空電渣重熔工藝

真空電渣重熔除了跟普通電渣爐一樣的操作工藝外還有其特別的注意要點，在這里做一下簡單介紹。

真空電渣重熔需要采用金屬電極直接起弧，不能使用石墨電極化渣，并且在起弧前要把渣料全部加入結晶器內。首先抽真空到工藝要求的真空度，然后再送電起弧化渣。

這樣做的目的是為了避免交換電極破壞真空條件。同時也為了金屬電極在真空狀態下開始熔化，更好的防止金屬電極中元素的氧化反應，尤其可以防止熔煉中、高碳鋼種時發生碳氧反應，造成電渣重熔時熔池翻騰噴濺。

為了保持整個過程的連續性，不破壞真空條件，真空電渣重熔不適宜交換支臂的操作。即采用一支自耗電極冶煉一支電渣錠的方式。

5 總結

目前真空電渣重熔的應用已經具備生產條件，在裝備制造、渣系的研發，工藝的制定等各個環節都已經進入可實際應用階段。

參考文獻

[1] 李正邦，《電渣冶金的理論與實踐》，2010年1月1日，冶金工業出版社

[2] 王曉峰等，《高溫合金熔煉工藝討論》，《材料導報》2012年4月第26卷第4期108~135頁

[3] 劉樹杰，《電渣重熔前后氣體含量的變化》，2014年，南京，全國特種冶金技術學術會議

[4] 姜周華等，《電渣冶金學》，2015年，科學出版社