向大林

(上海重型機器廠有限公司，上海200245)

隨著重大型裝備向高參數(shù)、大容量發(fā)展，大鍛件的尺寸、噸位也越來越大，如第三代核電AP1000反應堆壓力容器法蘭接管段筒體需要600 t以上的鋼錠來制造，汽輪機低壓轉(zhuǎn)子交貨尺寸長11 m，直徑最大達2.8 m，鍛件重量達365 t，鋼錠重量要達到700 t。而且鍛件的質(zhì)量和性能要求越來越高，鍛件報廢的風險也不斷加大。鋼錠的冶金質(zhì)量是獲得優(yōu)質(zhì)大鍛件的基礎(chǔ)和先決條件，在大鍛件生產(chǎn)中起關(guān)鍵性作用。為了保證大鍛件質(zhì)量，降低廢品率，生產(chǎn)高均勻性、高純凈度金屬材料的電渣重熔越來越受到青睞。近些年，國內(nèi)外都在紛紛上馬大型電渣爐生產(chǎn)大鍛件用鋼錠。但電渣重熔本是一種生產(chǎn)小錠的特種熔煉技術(shù)，而且是在20世紀50年代末、60年代初才發(fā)展起來的。蘇聯(lián)巴頓電焊研究所(Ин_тэлектросварки им .Е.О .Патона)把電渣焊的相似過程移植到冶金領(lǐng)域，1958年5月，在德聶伯特殊鋼廠(Завод 《 Днепро-спецсталь》)建立了第一臺工業(yè)電渣爐(P909型)，生產(chǎn)直徑500 mm，重500 kg的電渣錠，電渣重熔技術(shù)才開始實際工業(yè)應用[1～4]。迄今為止，電渣重熔只有50多年短暫歷史。

50多年來，電渣重熔的大型化頗費周折，獲得成功的案例并不多，這個現(xiàn)象引人深思，令人費解。本文通過對電渣重熔大型化發(fā)展過程的簡要回顧，結(jié)合筆者從事200 t級電渣爐技術(shù)工作30年的實踐經(jīng)驗，提出一些值得注意的問題并加以討論，供大型電渣爐的同行參考。

1 大型化的開端——100 t電渣爐(1965年)

鋼錠的生產(chǎn)通常分為兩步，即熔煉和澆鑄，而電渣重熔則把熔煉和澆鑄兩道工序合二為一。在同一個金屬模內(nèi)，兩道工序同時進行，同時完成,而且錠模是強制水冷。電渣重熔過程中，金屬在渣池中以薄膜形式微量熔化，渣/鋼反應接觸面大，渣溫高，渣池活躍，金屬受到熔渣強烈有效的精煉凈化。在重熔和鑄錠同時進行的過程中，鋼水始終不接觸耐火材料，不接觸空氣，免受耐火材料污染和二次氧化。特別是，鋼錠凝固條件優(yōu)越，是在強制冷卻的、很陡的溫度梯度條件下進行，具有定向漸進結(jié)晶特點。因此，在爐外精煉還不普遍也不發(fā)達的當時，電渣重熔的出現(xiàn)，顯示出強大的生命力，各國競相開發(fā)，紛紛采用。20世紀60年代，電渣重熔迅速發(fā)展成為包括我國在內(nèi)的世界各國生產(chǎn)高純凈度、高均勻性、耐高溫高壓、耐腐蝕磨損、抗沖擊疲勞、抗中子輻照等質(zhì)量要求苛刻的金屬材料的主要冶金方法。

中國科技人員睿智卓識，對這一新生事物表現(xiàn)出極大的敏感性。電渣重熔既從內(nèi)部創(chuàng)造了精煉凈化金屬的良好條件，又從外部杜絕了夾雜物的來源，尤其具有對于結(jié)晶至關(guān)重要的優(yōu)越的冷卻條件，而且它把熔煉和鑄錠兩道工序合二為一，為解決當今世界上大鋼錠的“純凈度”和“均勻性”兩大冶金質(zhì)量難題提供了將兩者緊密結(jié)合的最佳條件。同時，電渣重熔設(shè)備簡單，投資很少，工藝靈活，適應性、可控性強，操作易于掌握，質(zhì)量可靠性高，經(jīng)濟合理有效。這些都是其他冶金方法無可比擬的。因此，電渣重熔問世不久，他們就迅速將這種本來是生產(chǎn)小鋼錠的技術(shù)創(chuàng)造性地引入大型鑄鍛件行業(yè)，用以生產(chǎn)大鍛件用優(yōu)質(zhì)大型鋼錠。

1965年，很多國家包括一些工業(yè)發(fā)達國家剛剛開始起步研究電渣重熔技術(shù)，世界電渣爐的容量還僅僅在幾噸的范圍，在沈鴻及林宗棠的倡導和組織下，上海重型機器廠就已建成了100 t的3相大型電渣爐(圖1)。這是世界上最早的大型電渣爐，也是當時世界上最大的電渣爐。其結(jié)晶器直徑為1 500 mm和2 100 mm兩種，內(nèi)膽為鋼質(zhì)，是由3節(jié)疊合而成的固定式長結(jié)晶器(1 650 mm×3)。

圖1 100 t電渣爐Figure 1 100 t ESR furnace

重熔啟動用自耗電極爐內(nèi)化渣。渣料中常常有30%～50%的一次返回渣，渣化清即用Al塊對爐渣進行預脫氧，渣池深度(350～380)mm。重熔過程中控制熔化速度，并用Al粉或/和Ca-Si粉對爐渣進行脫氧。同時每隔(2～3)h取渣樣和鋼樣分析，根據(jù)分析結(jié)果隨時調(diào)整脫氧制度。自耗電極由原有1 t小電弧爐生產(chǎn)，以小拼大，用50多爐乃至100多爐電極重熔成一根大型電渣錠。3根自耗電極夾持在同一個升降機構(gòu)上，由一臺3相爐用變壓器(7 500 kVA)向3根電極供電同時重熔。所夾持的3根自耗電極同時上升或同時下降。自耗電極經(jīng)車削加工而成，帶螺紋接頭。電極與電極通過電極頭螺紋連接，和電弧爐石墨電極的連接方法相仿(圖2)。接電極時無需停電，邊連接邊送進，熔煉過程照樣進行，可生產(chǎn)50 t至100 t大型電渣錠。設(shè)備于1965年初安裝，1965年4月開始熱調(diào)試，用?1 500 mm結(jié)晶器于1965年6月29日熔煉出55 t電渣錠。同年9月27日，用?2 100 mm結(jié)晶器熔煉出第一根100 t電渣錠(60CrMnMo，?2 025 mm×4 050 mm，圖3)。1965年共生產(chǎn)了4根100 t重的電渣錠。截止1972年11月，共熔煉生產(chǎn)了46根大型電渣錠，鋼種有60CrMnMo，35MnMoV，34CrMnMo，34CrNiMo，34CrNi3Mo，30CrMnMoNb，9Cr2Mo，37SiMn2MoV，34CrMo1A，34CrNi3MoV等。

圖2 自耗電極Figure 2 Consumptive electrodes

100 t電渣爐把當時世界上的電渣錠重量提高了兩個數(shù)量級，并且解決了上海重型機器廠120 MN水壓機缺乏大鋼錠的無米之炊問題，為制造我國當時最大的軋機2 300 mm冷軋機支撐輥做出了積極貢獻。

由于自耗電極需要機械加工，工序太繁雜，金屬損耗大，生產(chǎn)成本高，特別是后來發(fā)現(xiàn)重熔至螺絲接頭處時有小塊電極金屬脫落掉入金屬熔池，使鍛件超聲波探傷通不過而報廢。這和20世紀30年代美國霍普金斯(R.K.Hopkins)用管狀自耗電極熔煉時，重熔金屬中不時發(fā)現(xiàn)有未熔化的管子電極碎片的情況相類似[5]。此外，二次回路的壓降和電感損失都較大，變壓器容量的利用率和電效率都較低，鋼內(nèi)膽結(jié)晶器在疊合處常常發(fā)生局部熔化粘錠，使用壽命短，也不安全。因此，該爐于1972年底停止生產(chǎn)。

圖3 100 t電渣錠Figure 3 A 100 t ESR ingot

100 t電渣爐在世界上首開了電渣重熔大型化的先河，對大型電渣重熔的設(shè)備和工藝進行了開創(chuàng)性的嘗試和探索，積累了極其寶貴的實踐經(jīng)驗。

2 大型化的典型——160 t電渣爐(1971年)和200 t級電渣爐(1981年)

2.1 薩爾鋼廠160 t電渣爐

1971年，西德薩爾鋼廠(Saarstahl)建成結(jié)晶器直徑2 300 mm的160 t電渣爐，1980年10月生產(chǎn)出第一根160 t電渣錠。廠方稱，用普通方法制造大鍛件，技術(shù)上遇到的困難和經(jīng)濟上遭受的損失，使得在已經(jīng)具備大型熔煉和澆鑄手段的情況下被迫上了電渣爐。這座電渣爐(圖4)設(shè)四個機架，四組彼此獨立的供電系統(tǒng)分別對各機架供電。每組供電系統(tǒng)有一臺變壓器經(jīng)可控硅變頻裝置輸出(0～10)Hz的低頻電供重熔用，以降低大電流二次回路的感抗，提高功率因數(shù)。自耗電極由130 t電弧爐熔煉，經(jīng)DH提升脫氣處理之后澆鑄而成。當使用?2 300 mm、?1 700 mm結(jié)晶器時，4根電極同時重熔。當改換成?1 300 mm、?1 000 mm結(jié)晶器時，則采用單電極重熔，通過更換電極和抽錠操作，能生產(chǎn)長達(5～6)m的電渣錠，相應的錠重為160 t、90 t和50 t、30 t。

2.2 上海重型機器廠200 t電渣爐

20世紀70年代，我國第一座核電站秦山核電站開始籌建，秦山核電大鍛件需要360 t重的電爐鋼錠。為了經(jīng)濟而可靠地向核電站提供核電大鍛件，在深入研究了大鍛件生產(chǎn)的主要質(zhì)量問題和特殊性，認真總結(jié)了上海重型機器廠20世紀60年代100 t電渣爐的生產(chǎn)實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，在朱覺教授的精心指導下，上海重型機器廠于1981年創(chuàng)建了世界上最大的200 t級電渣爐(圖5，圖6，圖7)，并于1983年10月31日生產(chǎn)出第一根205 t電渣錠。爐子設(shè)3個機架，呈等邊三角形布置，每個機架的電極支臂上夾持呈串聯(lián)形式的兩根自耗電極。3個機架各由一臺單相變壓器供電，6根電極構(gòu)成3相雙極串聯(lián)回路。自耗電極由40 t電弧爐熔煉，經(jīng)RH循環(huán)脫氣處理之后澆鑄而成。爐子裝備了干燥空氣保護、除塵和煙氣凈化設(shè)施。重熔過程中交錯更換電極，根據(jù)鍛件需要，可通過抽錠生產(chǎn)240 t(?2 730 mm×5 200 mm)以內(nèi)的任意重量的電渣錠。若更換成直徑3 300 mm的結(jié)晶器，則可生產(chǎn)300 t重的電渣錠。就重量上說，240 t電渣錠相當于400 t電爐錠，可生產(chǎn)200 t重的鍛件；300 t電渣錠相當于500 t電爐錠，可生產(chǎn)250 t 重的鍛件。該電渣爐還可用于單相重熔，生產(chǎn)不同直徑、各種噸位的中小型電渣錠。

圖4 160 t電渣爐在熔煉生產(chǎn)Figure 4 160 t ESR furnace at remelting

爐子建成后，針對重熔工藝的關(guān)鍵技術(shù)展開了全方位、多層面的深入系統(tǒng)的研究，攻克了一系列重大技術(shù)難題，主要有：

(1)均勻性控制技術(shù)[6～8]解決了用成分有差異的若干爐號、數(shù)十根電極，通過幾個晝夜重熔成一根200t電渣錠的成分均勻性問題。

(2)大功率、快熔速、高冷卻和強脫氧工藝為獲得高質(zhì)量巨型電渣錠提供了重要保證。大功率供電，渣溫高，冶金反應的動力學條件好，精煉凈化效果強。雖然熔速高達5 t/h以上，但由于有高速強制冷卻，使得熔池淺，成分均勻，組織致密。強制脫氧使渣池始終保持低氧位(FeO≤0.3%)，高冶金性能。因此，200 t級電渣爐生產(chǎn)的電渣錠熱塑性良好，鍛壓時一次壓下量達1 000 mm也不開裂。電渣錠中心的密度與錠邊緣密度一致。錠中心的二次枝晶間距僅為2 mm。氧化物0.5級，硫化物找不到。直徑為2 m的鍛件，超聲波探傷起始靈敏度?1.1 mm也能通過[9]。

圖5 200 t級電渣爐在熔煉生產(chǎn)Figure 5 200 t-class ESR furnace at remelting

圖6 核電用207 t電渣錠Figure 6 A 207 t ESR ingot for nuclear power

圖7 核電用205 t電渣錠Figure 7 A 205 t ESR ingot for nuclear power

(3)低氫控制技術(shù)[10～12]解決了高濕度氣候條件下長時間重熔獲得低氫巨型電渣錠的難題。盡管上海氣候潮濕，空氣濕度高達30 g H2O/m3，熔煉區(qū)氣/渣接觸面積有5 m2大，但幾個晝夜的重熔過程中，低氫控制技術(shù)使重熔與天氣和季節(jié)無關(guān)。使用冷渣料對低氫控制沒有明顯影響。電渣錠中的氫含量都不超過2×10-6，大部分在1.4×10-6以下。數(shù)十個大鍛件，包括直徑為2 000 mm的汽輪機低壓轉(zhuǎn)子，完全取消擴氫退火后無一發(fā)現(xiàn)白點。

(4)低鋁控制技術(shù)[13～15]掃除了電渣重熔法生產(chǎn)汽輪機轉(zhuǎn)子的障礙。汽輪機轉(zhuǎn)子中的鋁不允許超過0.010%(質(zhì)量分數(shù))，而電渣重熔獲得低鋁非常困難。當用低鋁電極重熔時，總是發(fā)生增鋁，因為渣中含有大量鋁。當電極中的鋁超過0.010%(質(zhì)量分數(shù))時，重熔過程中更難以將其降至0.010%以下。用自主研發(fā)的低鋁、低氧、低硫兼得的重熔工藝技術(shù)[16，17]批量生產(chǎn)的高、中、低壓汽輪機轉(zhuǎn)子，鋁均控制在0.005%～ 0.007%之間，氧、硫均在25×10-6以下，大部分為20×10-6。

30年來，200 t級電渣爐一直在生產(chǎn)運行，在完成國家重點建設(shè)項目的攻關(guān)任務(wù)中做出了一個又一個重大貢獻，不斷受到國內(nèi)外專家的關(guān)注和推崇。主要產(chǎn)品有：

(1)爐子建成首先是生產(chǎn)秦山核電站核島大鍛件用電渣錠。1981年10月10日重熔出127t核電用電渣錠，1983年10月31日和11月18日連續(xù)兩次生產(chǎn)出205 t和207 t核電用電渣錠，到1984年底共生產(chǎn)核電用電渣錠24根，錠重多在(130～170)t之間，完成了秦山核電站核島大鍛件所需大鋼錠的生產(chǎn)任務(wù)。用電渣錠成套生產(chǎn)的蒸發(fā)器和穩(wěn)壓器等核電大鍛件，經(jīng)有關(guān)部門5大類35項材料內(nèi)在質(zhì)量嚴格測試，技術(shù)性能符合設(shè)計要求，綜合質(zhì)量達到ASME標準，通過國家級鑒定和驗收。秦山核電站1991年12月15日并網(wǎng)發(fā)電，提前兩年達到年發(fā)電設(shè)計能力。20年過去了，作為“國之光榮”，秦山核電站至今運行情況良好。

(2)此后，相繼批量生產(chǎn)了300 MW發(fā)電機轉(zhuǎn)子、300 MW～600 MW汽輪機高-中壓和低壓轉(zhuǎn)子、560 t加氫反應器等大鍛件，全部通過國家級鑒定和驗收。

(3)進入21世紀，憑借技術(shù)優(yōu)勢，批量生產(chǎn)了核潛艇堆內(nèi)構(gòu)件、三峽工程710 MW水輪機導葉軸頭、1 000 MW核電站堆內(nèi)構(gòu)件、1 000 MW超超臨界汽輪機轉(zhuǎn)子等高合金大鍛件，獲得了巨大的經(jīng)濟效益。

一個國家的鋼鐵工業(yè)發(fā)展和冶金技術(shù)水平，既要看鋼的產(chǎn)量、品種和質(zhì)量，還要看能生產(chǎn)多大的鋼錠和大鋼錠的質(zhì)量有多高。巨型鋼錠的生產(chǎn)技術(shù)反應了一個國家重工業(yè)的發(fā)展水平和科學技術(shù)的攻堅能力，也是一個企業(yè)實力和等級水平的象征。作為中國的自主原創(chuàng)技術(shù)，200 t級電渣爐開辟了生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)巨型鋼錠的新方法、新途徑，因?qū)κ澜缣胤N熔煉技術(shù)的重大貢獻，曾于1988年在美國舉行的第九屆國際真空冶金會議(9th ICVM)上獲大獎(圖8)。在我國的工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展過程中，由中國人獨創(chuàng)，從研究開發(fā)到付諸工業(yè)生產(chǎn)應用并達到世界領(lǐng)先地位，在國際上獲獎的重大項目還為數(shù)不多。

圖8 第九屆國際真空冶金會議頒發(fā)的獎牌Figure 8 The media(9 th ICVM)

2.3 其它大型電渣爐

此外，還有一些見諸于蘇聯(lián)文獻的蘇聯(lián)建造大型電渣爐的報道。如，1979～1980年在新克拉馬托爾斯克機器制造廠(НКМЗ)安裝了ЭШП-150型電渣爐[18～20]。據(jù)稱，該電渣爐由3臺單相變壓器供電，總功率為(12～14)MVA(4 800 kVA×3 )。液渣啟動，采用上部加大的漏斗形結(jié)晶器(?3 360 mm)。上部加大處為熔化部分，下部為成型部分(?2 550 mm)，其截面積等于自耗電極的總截面積或者大20%。渣量(11～12)t。結(jié)晶器加大處裝有鋼液面?zhèn)鞲衅?，還有供注入或排出液渣用的孔眼。熔煉過程中向金屬熔池和渣池吹入惰性氣體?？扇蹮捴睆?1 800～2 700)mm、重(80～200)t的電渣錠和外徑(1 800～2 700)mm、內(nèi)徑(600～800) mm的空心錠，并可同時熔煉3個重(30～60)t的電渣錠。采用7根電極操作，熔煉80 t錠時電極直徑為650 mm，熔煉200 t錠時電極直徑為1 000 mm。重熔時電極不進給，短網(wǎng)也不動，只有結(jié)晶器上移。蘇聯(lián)出口朝鮮千里馬鋼廠的200 t電渣爐也是這種爐型結(jié)構(gòu)，但是根本無法開爐煉鋼，請中國專家去也愛莫能助。

又如，УШ-108型電渣爐[20]，變壓器容量為3 500 kVA×3(單相)，可熔煉?2 500 mm/100 t的空心錠和實心錠；日丹諾夫重型機器廠(ЖЗТМ)的УШ-100型電渣爐[20]，變壓器容量為2 500 kVA×3(單相),可熔煉?2 300 mm/120 t的空心錠和實心錠，等等。但是30年過去了，至今也未見那些爐子投入生產(chǎn)使用的報道。

3 大型化的新進展(2008年以后)

為了滿足市場急需，提升企業(yè)核心競爭力，上海重型機器廠有限公司2008年著手投建結(jié)晶器直徑為3 700 mm的450 t電渣爐。450 t電渣錠相當于(600～700)t電爐錠，覆蓋了當前世界上所有最大噸位的鍛件用鋼錠。歷時一年，于2009年4月建成(圖9)，5月5日熱調(diào)試成功，現(xiàn)已投入試運行。2009年開爐重熔11爐，根據(jù)鍛件需要，現(xiàn)已順利重熔出220 t、320 t的核電壓力容器用電渣錠。450 t電渣爐的產(chǎn)品對象主要是百萬千瓦級核電機組的核島鍛件、汽輪機低壓轉(zhuǎn)子、管板和大型支撐輥等超大型鍛件。

此外，第一重型機械集團公司的120 t電渣爐從2010年5月已開始調(diào)試；東北特鋼正在大連基地上馬100 t電渣爐(從奧地利Inteco公司引進)，計劃在2011年7月投入運行；無錫橋聯(lián)集團的300 t電渣澆注爐已從2009年開始設(shè)計(由烏克蘭巴頓電焊研究所的Elmet-Roll-Medovar Group 承擔)，還有一些單位正在籌建200 t和400 t電渣爐。尤為可喜的是，通裕重工股份有限公司通過技術(shù)改革，實現(xiàn)了電渣重熔技術(shù)的提升和跨越。2009年4月冶煉出第三代核電AP1000主管道用超低碳控氮不銹鋼(SA376 TP316LN)72 t電渣錠，而且是一次成功；2009年生產(chǎn)的幾根75 t電渣錠，錠高4.1 m，錠子上下成分一致，底部質(zhì)量、頂部補縮和低倍組織優(yōu)良，潔凈度高。[H]=1×10-6，[O]=17×10-6，[S]=20×10-6。2010年4、5月，通裕重工又率先順利生產(chǎn)出一套第三代核電AP1000主管道用超低碳控氮不銹鋼(SA376 TP316LN)大型電渣錠8根。這不僅是國內(nèi)也是世界上首次成套生產(chǎn)出AP1000主管道用核級超低碳控氮不銹鋼大型電渣錠。AP1000主管道是我國引進AP1000核電技術(shù)項目中唯一沒有引進國外技術(shù)的核島關(guān)鍵設(shè)備，被稱之為核電站的“主動脈”，屬于核1級設(shè)備。AP1000主管道用超低碳控氮不銹鋼大型電渣錠的生產(chǎn)技術(shù)是AP1000主管道制造的核心技術(shù)，是主管道制造的限制性環(huán)節(jié)。AP1000主管道用超低碳控氮不銹鋼大型電渣錠成套生產(chǎn)成功，解決了我國第三代核電主管道國產(chǎn)化的瓶頸制約問題，對于我國大力發(fā)展核電事業(yè)是一個不小的貢獻。迄今為止，通裕重工已生產(chǎn)(70～82)t的大型電渣錠近20根，質(zhì)量穩(wěn)定。

據(jù)報道，日本、德國、意大利以及歐洲其他一些工業(yè)發(fā)達國家近年也在陸續(xù)投建250 t、150 t、145 t、120 t、110 t、100 t大型電渣爐。

圖9 450 t電渣爐在熔煉生產(chǎn)Figure 9 450 t ESR furnace at remelting

4 大型電渣爐值得注意的幾個問題

電渣爐相對于電弧爐等其他熔煉設(shè)備而言是比較簡單的，但由于設(shè)備容量的大型化而引發(fā)的一些問題則不容忽視。世界上好幾臺大型電渣爐都不成功的教訓是深刻的。根據(jù)筆者從事200 t級電渣爐技術(shù)工作30年的實踐，認為大型電渣爐至少以下幾方面值得認真注意：

4.1 電渣重熔工藝設(shè)計是靈魂

設(shè)備是正常生產(chǎn)的基本保障，對生產(chǎn)工藝有關(guān)鍵性影響。所謂“工欲善其事，必先利其器”，在某種意義上甚至可以說設(shè)備比生產(chǎn)工藝本身還重要。其實生產(chǎn)設(shè)備是根據(jù)生產(chǎn)工藝而設(shè)計的，它在各方面的工作性能必須要滿足生產(chǎn)工藝的要求，需要兩者的和諧統(tǒng)一，完美結(jié)合。并且設(shè)備要有很強的適應性，要能充分滿足生產(chǎn)工藝所涉及的調(diào)整范圍。好些大型電渣爐不好用，甚至無法重熔生產(chǎn)，常常是缺少工藝設(shè)計。重熔工藝是生產(chǎn)電渣錠的各種過程參數(shù)、規(guī)范程序和操作方法。重熔工藝設(shè)計是全面規(guī)劃和具體描述電渣重熔生產(chǎn)實施意圖的過程，是電渣爐設(shè)計中的“靈魂”。

電渣爐還沒有形成標準化、系列化。大型電渣爐的工業(yè)化生產(chǎn)，也才僅僅40年短暫時間。奧地利Inteco公司總裁W. Holzgruber博士說，技術(shù)上突破100 t的電渣爐僅有德國薩爾鋼廠和中國上海重型機器廠兩家?？上攵?，大型電渣重熔特別是100 t以上的爐子的工業(yè)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗是極其有限的。這種本來是生產(chǎn)小錠的特種熔煉技術(shù)，爐容量十倍百倍地擴大，使得很多工藝因素復雜化，這不是一個簡單的數(shù)量增加，而是跨越，質(zhì)的飛躍?？茖W上的新發(fā)現(xiàn)可以通過論文和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)很快地在全世界范圍內(nèi)傳播開來，知識全球共享，但新的工藝技術(shù)卻是企業(yè)的Know-how(專有技術(shù))，是企業(yè)的看家本領(lǐng)，是企業(yè)的核心競爭力，往往具有知識產(chǎn)權(quán)，具有獨占性，保密程度很高。如果沒有掌握大型電渣重熔的工藝技術(shù)，工藝設(shè)計又從何談起？如果設(shè)備設(shè)計者對重熔工藝茫然無知，那這種由沒有靈魂的設(shè)計建造的設(shè)備怎么可能好用？

蘇聯(lián)本是電渣重熔技術(shù)的發(fā)源地，但是蘇聯(lián)的大型電渣爐并不成功，其主要原因就在于蘇聯(lián)沒有掌握大型電渣重熔工藝技術(shù)。對此，Ю.B.Латаш教授、A.Г.Богаченко博士都曾向筆者證實，并一再稱贊中國200 t電渣重熔技術(shù)的先進性。

美國康薩克公司(Consarc Corp.)也不掌握大型電渣重熔工藝技術(shù)。盡管康薩克電渣爐設(shè)備特別是供電部分做得還不錯，但康薩克大型電渣爐注定是不好用的?？邓_克公司總裁R.J.Roberts博士曾稱贊中國的200 t級電渣爐“是一個很好的設(shè)計”。

奧地利Inteco公司稱，他們2008年開始設(shè)計的一臺250 t電渣爐，采用的是3～4根(60～80)t的自耗電極。可以想象，電極的制備不是件容易的事，支撐電極的結(jié)構(gòu)也不會輕便，變壓器容量也會非常之大。因為該公司還為意大利FOMAS鍛造廠設(shè)計了一臺結(jié)晶器直徑為2 050 mm的120 t電渣爐，計劃于2011年2月投產(chǎn)，也采用同樣的方案，變壓器容量有30 000 kVA之大，超過30年前蘇聯(lián)建造的結(jié)晶器直徑為3 360 mm的200 t電渣爐變壓器容量的兩倍。我國東北特鋼在2009年也向該公司引進了一臺類似結(jié)構(gòu)的100 t電渣爐。這些爐子都還沒有建成，祝愿它們都能順利投產(chǎn)。

20世紀80年代，中國的200 t級電渣爐之所以能一次調(diào)試成功就重熔出合格的90 t轉(zhuǎn)子電渣錠，第二次調(diào)試就重熔出合格的127 t核電電渣錠，爐子建成3年就生產(chǎn)出核電蒸發(fā)器用205 t電渣錠，是因為200 t級電渣爐是根據(jù)我國電渣冶金的開山祖師朱覺教授及劉海洪教授的工藝思想進行設(shè)計的，是建立在100 t電渣爐的工程實踐和生產(chǎn)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上的。中國的450 t電渣爐從設(shè)計制造到安裝調(diào)試僅只一年時間，也是一次調(diào)試成功就投入生產(chǎn)運行。如果沒有200 t級電渣爐20多年的技術(shù)開發(fā)和生產(chǎn)經(jīng)驗，那是不可想象的。中國的200 t級電渣爐和450 t電渣爐的成功說明，工藝思想的確是電渣爐的靈魂。

4.2 設(shè)備是產(chǎn)品之母，工藝是產(chǎn)品之父

產(chǎn)品的制造過程，都必須利用一定的設(shè)備通過一定的工藝才能實現(xiàn)。設(shè)備是產(chǎn)品之母，工藝是產(chǎn)品之父。即使爐子好用，也還有個會不會用的問題。因此，必須全面掌握熔煉軟技術(shù)和一系列檢測技術(shù)。如電制度、渣制度、溫度制度、速度制度、啟動技術(shù)、換電極技術(shù)、抽錠技術(shù)、高均勻性控制技術(shù)、低氫控制技術(shù)、低氧控制技術(shù)、低鋁控制技術(shù)、脫氧技術(shù)、補縮技術(shù)、脫錠技術(shù)、爐氣分析技術(shù)、爐渣分析技術(shù)、熔池檢測技術(shù)等。必須強化氣氛可控、重熔過程可控和凝固過程可控，提高過程控制水平，才能穩(wěn)定可靠地生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。不掌握這些專有技術(shù)，在生產(chǎn)中、在質(zhì)量上都會產(chǎn)生很大的迷茫、困惑和麻煩。比如，電渣重熔首先要造渣，上海重型機器廠的200 t級電渣爐5 t渣料，用時75 min，鋼錠底部質(zhì)量良好以至在生產(chǎn)筒體鍛件時無需切除；可是一些爐子1 t渣料，通常要用150 min，鋼錠底部質(zhì)量還不盡如人意。又如，電渣重熔結(jié)束前要進行補縮，有的20 t電渣錠補縮折騰好幾個小時，結(jié)果鋼錠頂部不是包了一包渣就是存在暗縮孔。至于低氫控制問題，那更是普遍存在的了。而設(shè)備設(shè)計和銷售單位往往并不具備這些專有技術(shù)。長期以來，我們習慣更多地依賴科研機構(gòu)和大學，但近百年世界產(chǎn)業(yè)發(fā)展的歷史表明，真正起作用的技術(shù)幾乎都來自企業(yè)(比如，通訊領(lǐng)域的貝爾，汽車領(lǐng)域的福特，飛機領(lǐng)域的波音和空客，化工領(lǐng)域的杜邦和拜耳，機床領(lǐng)域的西門子，計算機領(lǐng)域的IBM、英特爾、微軟，等等)。道理很簡單，實際熔煉時開發(fā)的技術(shù)和生產(chǎn)現(xiàn)場積累的經(jīng)驗才是真實可靠的，才是有實用價值的。

4.3 特大電流問題

大型電渣爐是特大電流用電設(shè)備，有的甚至高達100 kA。因此，爐子短網(wǎng)電氣特性就顯得非常重要，否則功率因數(shù)不高，有功分量的效率太低，會給熔煉造成很大困難。

導體的感抗量是由導體本身磁通變化引起的自感和由相鄰導體磁通變化所引起的互感的幾何和。為了降低大電流網(wǎng)路感抗，提高功率因數(shù)(cosφ)，減少無功損耗，有的采用雙極串聯(lián)供電，通過平行布線和交錯布線，使電流回路互相靠近，外部磁場大大抵消。我國200 t級電渣爐和450 t電渣爐就采用了這種辦法，cosφ可高達0.80～0.93。

由于電感與電流頻率成正比，所以采用低頻電源可以降低短網(wǎng)大電流所引起的感抗損失，提高功率因數(shù)。德國萊寶公司(Leybold AG)制造的電渣爐大都采用低頻供電。比如，由萊寶公司設(shè)計制造的薩爾鋼廠的160 t電渣爐就是(0～10)Hz的低頻電源，達到較高的功率因數(shù)。

采用同軸布置或同軸電纜是減少短網(wǎng)電抗，提高功率因數(shù)的又一方案。美國康薩克公司(Consarc Corp.)制造的電渣爐就是采用的這種方案。它采用4根同軸布置的銅制立柱作為電極支架，同時又是水冷底板的返回導電柱。電極截面很大(充填比很高)，位于軸心，電極與立柱構(gòu)成的圓同軸，電極與立柱的電流方向相反，其互感正好與自感方向相反，外部磁場得以相互抵消，從而總的電感減小，最大限度降低短網(wǎng)感抗損失。并且爐用變壓器安放在緊靠爐體的上方平臺上，電流通過滑動接觸的銅碳合金或石墨電刷和導電銅柱從爐口上方不遠處直接輸入電極，短網(wǎng)極短。為了降低感抗，在磁場包圍的空間內(nèi)的所有部件都采用不導磁材料?？邓_克電渣爐的供電方式值得借鑒，但大充填比的一根電極重熔一根鋼錠的方案并不可取，根本不適宜大型電渣爐。比如，要用大于200 t的一根電極重熔一根200 t的電渣錠，那將是不可想象的事。事實上，我國引進的幾臺20 t以上的康薩克電渣爐都不大好用。

4.4 低氫控制問題

氫是大鍛件報廢的主要原因之一，而且往往會成批報廢，一旦出現(xiàn)廢品，經(jīng)濟損失就會很大。所以，大鍛件中的氫有嚴格限制，不允許超過 2×10-6，當氫為(5～7)×10-6時，大截面(比如?2 000 mm)鍛件就不得不進行3 000 h以上的擴氫退火處理，這使熱處理爐占用時間達數(shù)月之久，耗用燃油數(shù)百上千噸，非常不現(xiàn)實。電渣重熔在大氣下進行，容易增氫。小爐子問題不大，但爐容量擴大到百噸以上，結(jié)晶器截面大，大爐子充填比又小，在潮濕氣候條件下重熔，增氫更嚴重，難以防止，以致大型電渣重熔的低氫控制一直是世界性的技術(shù)難題，只有個別廠家攻克。低氫問題能否解決，不僅嚴重影響電渣鋼大鍛件的合格率和生產(chǎn)成本，甚至是大型電渣重熔能否立足的關(guān)鍵。

20多年來，常有同行向筆者咨詢電渣重熔的低氫控制問題。他們可能是由于接觸較少，認識有一定局限性，理解尚欠全面，低氫控制不理想。20世紀80年代末，200 t級電渣爐低氫控制難關(guān)被攻克，直徑2 000 mm的鍛件完全取消擴氫退火，問題獲得圓滿解決。筆者的實踐經(jīng)驗認為，大型電渣重熔的低氫控制決不是單一的孤立的問題，而是個系統(tǒng)工程，必須依據(jù)電渣冶金原理，從分析電渣重熔過程中氫的行為入手，從氣/渣/鋼三相系統(tǒng)控制氫的來源。要對控制氫的各個方面，如電極的制備與處理、渣的選擇與處理、大氣濕度變化規(guī)律、濕度檢測和爐渣定氫法、爐氣濕度及渣中氫臨界值的確定、爐內(nèi)啟動技術(shù)、初期渣氫峰的消除、保護罩形式、干燥爐氣系統(tǒng)運行參數(shù)及保護效果確定、設(shè)備增氫的防止等進行全方位的系統(tǒng)研究，結(jié)合具體爐型和當?shù)貧夂蛑痦椊鉀Q，各個環(huán)節(jié)有機聯(lián)系和動態(tài)配合，才能取得好的效果。

4.5 均勻性控制問題

均勻性是當今世界大鋼錠的兩大冶金質(zhì)量難題之一，電渣重熔通過凝固控制和爐渣控制能使電渣錠達到很高的均勻性。

鋼錠在強制水冷條件下凝固是電渣技術(shù)的突出優(yōu)勢。眾所周知，鋼錠的成分和組織的均勻性取決于冷卻速度。但幾十年來，結(jié)晶器的設(shè)計一直憑經(jīng)驗，并不十分清楚怎樣的結(jié)晶器結(jié)構(gòu)、結(jié)晶器內(nèi)冷卻水怎樣的流場冷卻速度才是最高的。這樣，電渣技術(shù)的突出優(yōu)勢就沒有得到充分發(fā)揮。小錠問題不大，大型錠直徑很大(有的已接近4 m)，要獲得高質(zhì)量，就必須深入研究達到超高冷卻速度的傳熱、結(jié)晶器冷卻水流場和結(jié)晶器結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計出更加合理的、有效的而不再是粗放的結(jié)晶器，力求使凝固冷卻速度盡可能高。

一根上百噸的電渣錠的重熔時間長達幾十個小時；采用干燥空氣保護通入爐內(nèi)的氧量每小時數(shù)百立方米；渣池中氣/渣接觸面有好幾平方米；重熔過程中電極表面的氧化和一些活性元素的燒損，其生成物每小時超過10 kg，這些氧化物在渣中不斷積累，使熔渣氧化性越來越強；為了控制合金元素的燒損，重熔過程中加入脫氧劑生成的脫氧產(chǎn)物達數(shù)百千克；隨著重熔過程的進行，熔渣的一些組元不斷分解，比如從重熔開始到結(jié)束CaF2的濃度差可超過20%(質(zhì)量分數(shù))；包覆鋼錠的渣皮使渣量不斷減少，而且渣皮進行選分結(jié)晶，以致渣皮中的一些高熔點組元濃度遠遠高于渣池濃度，比如Al2O3的濃度，渣皮與渣池之間可相差將近20%(質(zhì)量分數(shù))。在這樣復雜多變的條件下長時間重熔，若不采取有效的措施，將會出現(xiàn)一系列問題。比如，渣成分將會發(fā)生很大的變化，電渣重熔是充分利用熔渣特性的冶金技術(shù)，渣成分的劇烈變化，將會引起熔渣的冶金性質(zhì)和工藝性質(zhì)隨之發(fā)生很大變化。于是，鋼中的活性元素將會隨著重熔的進行燒損越來越嚴重，沿錠高方向的成分不均勻性就會越來越嚴重，鋼錠內(nèi)部純凈度受到的不良影響也會越來越嚴重。因此，大電渣長時間重熔的脫氧技術(shù)就顯得尤其重要，是保證電渣錠冶金質(zhì)量特別是保證沿錠高約5 m方向上成分均勻性的關(guān)鍵。要根據(jù)不同鋼種、不同熔速、不同渣系、不同產(chǎn)品要求，研發(fā)出簡便易行的脫氧技術(shù)，如脫氧劑的選擇、用量、用法等。

5 結(jié)語

目前，大型電渣重熔作為生產(chǎn)100 t以上直至300 t重大鍛件用巨型鋼錠的理想方法，正在推廣，但是其工業(yè)應用時間不長，生產(chǎn)實踐經(jīng)驗有限。筆者根據(jù)從事200 t級電渣爐技術(shù)工作30年的生產(chǎn)經(jīng)驗認為，設(shè)計建造大型電渣爐必須首先進行工藝設(shè)計，必須全面掌握熔煉工藝技術(shù)。只有這樣才能設(shè)計制造出有實用價值的電渣重熔爐。

在電渣爐設(shè)計方面要著重考慮爐子的短網(wǎng)電氣特性，應高度重視短網(wǎng)設(shè)計，否則功率因數(shù)不高，有功分量的效率太低，會給熔煉造成很大困難。

在熔煉技術(shù)方面，要重點解決低氫控制和成分均勻性問題。這是獲得優(yōu)質(zhì)大型電渣錠的關(guān)鍵技術(shù)。

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