（钢铁冶金专业论文）电渣连铸技术的开发及工艺研究.pdf

i l 0 、；、， ，一 i 、- k ad i s s e r t a t i o ni nf e r r o u sm e t a l l u r g yl i i il li lli il l l liii iiil 18 4 4 3 9 7 d e v e l o p m e n t o fe l e c t r o s l a gc o n t i n u o u sc a s t i n g t e c h n o l o g ya n d i t sp r o c e s sr e s e a r c h b yz a n gx i m i n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rj i a n g z h o u h u a n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y ，一。1 m a r c h2 0 0 8 j，j尸， | | 一 、i 一 _ ， ， l r ， 东北大学博士学位论丈 声明 独创性声明 本人声明，所呈交的学位沦文是在导帅的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 哦亳刭 日期：刀斫2 7 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 、 、 y 、 k ：、 ， - 1 f r 铲 卞 0 东北大学博士学位论丈摘要 电渣连铸技术的开发及工艺研究 摘要 电渣重熔产品由于具有纯净度高、组织致密、成分均匀、表面光洁等一系列优点， 电渣冶金技术近年来得到快速发展。仙在传统电渣重熔过程中，重熔速度一般是依据熔 化速度与重熔锭直径之比小于或略大于l 的原则来控制的，而且又是间歇式牛产，所以 存在着牛产效率低的缺点。当重熔直径小于3 0 0 m m 的钢锭时牛产效率就更低，生产成 本相当高。在现代冶金生产过程中，连铸技术以其独特的高效性获得迅猛发展。因此， 本课题在结合电渣重熔和连铸两种技术优点的基础上，开发了“电渣连铸”技术，并对“电 渣连铸”技术进行了工艺和质量控制的研究。 本论文工作通过将双极串联、t 型结晶器、钢水液位检测、连续拉坯等技术系统集 成，开发了电渣连铸机。理论分析和实验结果表明，影响电渣连铸小方坯表面质量的因 素丰要有供电制度、渣系的物性参数、稳定的拉速、充填比和结晶器表面状况等，影响 内部质量的丰要因素有渣系、熔化速度和凝固速度等因素。 针对电渣连铸的工艺特点，作者提出了电渣连铸用渣系的要求并对所设计渣系的物 性参数进行了实验测量和计算。通过对渣池和金属熔池温度场的模拟计算，根据合理的 金属熔池深度确定了供电制度、钢水液面位置和冷却制度等工艺参数。 采用高速钢w 9 m 0 3 c r 4 v 、电压6 0 v 、电流3 8 0 0 a 、渣系r 2 进行了的电渣连铸小 方坯实验，并对w 9 m 0 3 c r 4 v 电渣连铸小方坯的高倍、低倍、夹杂物及碳化物进行了检 验分析。结果为一般疏松、中心疏松、点状偏析均小于1 0 级，无气泡、白点、夹渣等 低倍缺陷。夹杂物分布比较均匀，而且尺寸非常小，直径一般为5 6g m 。将方坯内部 碳化物的尺寸和分布与同熔速下传统电渣钢进行了比较，发现其内部碳化物组织比传统 电渣钢锭内部碳化物组织明显细化，在后续的加工中更容易被打碎。 通过大量的实验结果比较发现，电渣连铸技术不但仍保持传统电渣重熔的质量特 性，而且就w 9 m 0 3 c r 4 v 电渣连铸小方坯内部碳化物分布均匀度和尺寸而言，还优于 电渣重熔钢锭。实验证明电渣连铸技术是可行的。 文章最后介绍了该技术迈出了实验室，走向工业化的过程。通过现场牛产出产品的 低倍、夹杂物检测结果，证实了该技术已经成熟具备了大工业化的条件。 电渣连铸技术是一种创新技术，将电渣重熔技术和连铸技术的优点融为一体，确实 0 - r 查! ! 垄堂堡主堂堡垒查 一 摘要 一 ： ： 实现了“捉高质量、提高效率、降低成本的目的。电渣连铸技术填补了国内电渣冶金技 术领域的一项空白。 关键词：电渣连铸；渣池；金属熔池；温度场；表面质量：内部质量：a n s y s 、 、 v 一 ， _ 重 1 _ - ， 丫 ， ， d e v e l o p m e n t o fe l e c t r o s l a gc o n t i n u o u sc a s t i n gt e c h n o l o g ya n d i t sp r o c e s sr e s e a r c h a bs t r a c t p r o d u c t sb yt h ee l e c t r o s l a gr e m e l t i n g ( e s r ) p r o c e s sh a v et h ea d v a n t a g e so fh i g hp u r i t y , c o m p a c ts t r u c t u r e ，h o m o g e n e o u sc o m p o s i t i o na n d c l e a ns u r f a c e ，e t c ，s oe l e c t r o s l a gr e m e l t i n g t e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p e dq u i c k l yi n r e c e n ty e a r s i nt h es t a n d a r de s ro p e r a t i o n ，i th a s b e e na ne s t a b l i s h e dp r a c t i c et oa d j u s tt h em e l t r a t es u c ht h a tt h er a t i ob e t w e e nk g hr e m e l t e d a n di n g o td i a m e t e ri nm md o e sn o t ，o ro n l yv e r yl i t t l ee x c e e dav a l u eo f1 0 ，s oe s r h a sa s h o r t c o m i n g so fl o wp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y w i t ht h eb a t c hp r o d u c t i o n ，t h ep r o d u c t i v i t yo f t h e e l e c t r o s l a gr e m e l t i n gp r o c e s si s l o w e ra n dt h ec o s ti sh i g h e r , s p e c i a l l y , w h e nr e m l e t i n gt h e i n g o to fd i a m e t e rl e s st h a n3 0 0 m m i nm o d e mm e t a l l u r g i c a lp r o d u c t i o np r o c e s s ，c o n t i n u o u s c a s t i n g ( c c ) a c c e s s t ot h er a p i dd e v e l o p m e n tw i t hh i g he f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，w ec o m b i n e w i t ht h ea d v a n t a g e so fe s ra n dc ct od e v e l o pa ne l e c t r o s l a gc o n t i n u o u sc a s t i n g ( e s c c ) t e c h n o l o g y , a n dm a k et h er e s e a r c ho nt h ep r o c e s st e c h n o l o g ya n dq u a l i t y c o n t r o l t h ee s c ce q u i p m e n td e v e l o p e di nt h i sw o r km a i n l yc o n s i s t so f b i f i l a rm o d e ，t - s h a p e d m o u l d m e t a ll e v e ld e t e c t i n gs y s t e ma n dd r a w i n gd e v i c e ，e t c t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d e x p e r i m e n t s ，w eo b t a i na c o n c l u s i o nt h a ti n f l u e n c i n gf a c t o r so fe s c cb e l l i t s s u r f a c eq u a l i t y a r ev o l t a g ea n dc u r r e n t ，s l a g s ，d r a w i n gv e l o c i t y ，t h er a t i oo fe l e c t r o d ed i a m e t e ra n dm o u l d s s u r f a c ec o n d i t i o n s ，a n di n f l u e n c i n gf a c t o r so fe s c cb e l l i t s i n n e rq u a l i t y a r es l a g s ，t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm e l t i n gr a t ea n d s o l i d i f i c a t i o n o nc h a t a c t e r i s t i c so fe s c cb a s i s ，w ei d e n t i f yr e q u i r e m e n t so ns l a g s ，a n dc a l c u l a t es l a g s p h y s i c a lp a r a m e t e r s b ys i m u l a t i o no nt e m p e r a t u r ef i e l do f t h es l a gb a t ha n dm e t a lp o o l ，w e h a v em a d er e a s o n a b l ep r o c e s sp a r a m e t e r si n c l u d i n gv o l t a g ea n dc u r r e n t ，m o l t e n s t e e ll o c a t i o n ， c o o l i n gs y s t e m ，e t c w eh a v ed o n et e s t su n d e rc o n d i t i o n st h a tw e r e6 0v o l t sv o l t a g e ，38 0 0a m p sc u r r e n t ，r 2 s i a g a n dt h ew 9 m 0 3 c r 4 vs t e e l t h et e s t i n ga n da n a l y s i so ft h ep r o d u c t sw e r ed o n e ，w h i c h i n c l u d e dt h es u r f a c eq u a l i t y , m a c r o s c o p i ce x a m i n a t i o n ，m i c r o s t r u c t u r ea n di n c l u s i o n sa n a l y s i s i v 广一 j t h ei n n e rs t r u c t u r eo fb i l l e t si sc o m p a c ta n dh o m o g e n e o u sa n dn or e m a r k a b i ei n c l u s i o n s s e g r e g a t i o na n dc r a c k s t h ed i s t r i b u t i o no fi n c l u s i o n si su n i f o r ma n dt h es i z eo ft h e mi st i n v w i t ht h ed i a m e t e ro f5t o6 9 m ，w h i c hi ss i m i l a rt ot h a ti nt h es t a n d a r de l e c t r o s l a gr e m e i t i n g i n g o t t h r o u g hc o m p a r i s o n ，w ef o u n dt h a tt h ed i s t r i b u t i o na n dt h es i z ec a r b i d es t r u c t u r ei n r e m e i t e db i l l e ti sb e t t e rt h a nt h a ti ns t a n d a r de s r i n g o ta tt h es a m em e l tr a t e i nt h ef o i l o w i n g p r o c e s s ，c a r b i d es t r u c t u r ei nr e m e l t e db i l l e ti se a s yt ob eb r o k e ni n t op i e c e s b yc o m p a r i s o no fal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w ef o u n dt h a tn o to n i ve s c c s t i l lm a i n t a i nc h a r a c t e r i s t i c so fe s r ，b u ta l s oc a r b i d eu n i f o r m i t ya n ds i z eo fw 9 m 0 3 c r 4 v e s c cb e l l i t si ss u p e rt oe s ri n g o t sw i t ht h es a m em e l t i n gr a t e t h s e s e x p e r i m e n t sp r o v et h a t e s c ci sf e a s i b l e f i n a l l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e d t h ep r o c e s so ft e c h n o l o g yf r o m l a b o r a t o r y t ot h e i n d u s t r i a li z a t i o n f r o mt h er e s u l t so ft h em a c r o s t r u c t u r ea n di n c l u s i o n so fr e m e l t e dp r o d u c t s ， w ec a ns e et h a te s c ci sam a t u r et e c h n o l o g yf o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s e s c ci sa ni n n o v a t i v et e c h n o l o g y ，c o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e so fe s ra n dc c i n d e e d r e a l i z e dt h ep u r p o s eo fr e d u c ec o s t sa n di m p r o v ee f f i c i e n c y e s c cf i l la g a po ft h ed o m e s t i c e l e c t r o s l a gm e t a l l u r g i c a lt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：e l e c t r o s l a gc o n t i n u o u sc a s t i n g ；s l a gb a t h ；m e t a lp o o l ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；s u r f a c e q u a l i t y ；i n n e rq u a l i t y ；a n s y s - v y v 一 - j r r 一 东北大学博士学位论丈 目录 目录 独创性声明i 摘要i 工 a b s t r a c t i v 目录v i 第1 章绪论1 1 1 课题的研究背景l 1 1 1 目前国内牛产小断面电渣重熔钢锭时存在的问题l 1 1 2 连铸技术的发展及其特点2 1 2 本课题研究的目的和意义2 1 3 本课题的丰要研究内容4 1 3 1 基本工艺参数的确定4 1 3 2 渣系4 1 3 3 建立渣池、金属熔池内部温度场模型4 1 3 4 质量控制研究5 1 3 5 推广应用5 第2 章文献综述6 2 1 电渣重熔技术及其发展6 2 1 1 电渣霞熔技术特点6 2 1 2 电渣重熔技术的发展及其现状7 2 1 3 几种前沿电渣技术9 2 2 电渣重熔炉的丰要类型12 2 2 1 按供电方式分类l3 2 2 2 按结晶器和炉子是否移动分类1 4 2 3 电渣连铸技术的发展状况1 6 2 3 1 国外电渣连铸技术的发展状况1 6 2 3 2 国内电渣连铸技术的发展状况1 9 2 4 电渣重熔用渣系的研究现状1 9 2 4 1 渣系的分类l9 2 4 2 渣系在电渣重溶过程中的冶金作用1 9 2 4 3 电渣冶金过程有关现象与渣系物理化学性质的关系2 0 2 4 4 无氟渣的开发与应用2 l 2 5 影响连铸小方坯表面质量的因素和措施2 2 2 5 1 小方坯表面缺陷的成因分析2 2 2 5 2 形状缺陷产生的原因及防止措施2 4 东北大学博士学位论文目录 2 6 本章小结2 5 第3 章电渣连铸技术的开发及理论研究2 6 3 1 电渣连铸技术的原理分析2 6 3 2 电渣连铸机关键设备的设计开发2 6 3 2 1 结晶器的设计2 6 3 2 2 钢水液位检测系统的设计2 8 3 3 电渣连铸小方坯表面质量的研究2 9 3 3 1 供电制度的影响2 9 3 3 2 渣系对铸坯表面质量的影响3 l 3 3 3 电极直径( 充填比) 对铸坯质量的影响3 2 3 3 4 拉速控制方式的影响3 3 3 3 5 结晶器的状况3 4 3 4 电渣连铸小方坯内部质量的研究3 4 3 4 1 控制电渣连铸坏结晶质昔的理论基础3 4 3 4 2 电参数对钢锭质量的影响3 6 3 5 电渣连铸片j 渣系的研究3 8 3 5 1 电渣连铸( e s c c ) 用渣系开发原则3 9 3 5 2 设计和研究的渣系4 l 3 5 3 渣系物性测试、计算及结果分析4 2 3 6 本章小结。5 0 第4 章基于a y s 软件的渣池发热过程及铸坯凝固过程的数值模拟5 l 数学模型5i 4 i i 基本假设和控制方程5 2 4 2 模型边界条件。5 3 4 2 1 电位分布的边界条件5 4 4 2 2 温度场边界条件5 4 4 2 3 熔滴的传热计算5 7 4 2 4 渣池的对流传热6 0 4 2 5 凝【司潜热( 内热源项q 。) 的处理6 l 4 3a n s y s 对模型的处理6 l 4 3 1 前处理模块p r e p 7 61 4 3 2 求解模块s o l u t i o n 。6 3 4 3 3 后处理模块p o s t l 6 3 4 4 模型的计算结果验证和分析6 5 4 4 1 渣池电场和温度场6 5 4 4 2 模拟熔池形状与实测熔池形状的比较6 7 4 4 3 模拟不同二次电流下的熔池深度6 9 4 5 本章小结7 0 第5 章电渣连铸实验7 l 5 1 本实验的丰要内容7 1 5 2 电渣连铸实验7l 、 i k 东北大学博士学位论文 目录 5 2 1 实验条件7 1 5 2 2 实验步骤7 2 5 3 电渣连铸实验结果讨论及分析7 3 5 3 1 表面质量7 3 5 3 2 铸坏内部夹杂物分析比较7 3 5 3 3 低倍分析7 5 5 3 4 电渣连铸w 9 m 0 3 c r 4 v 小方坯显微组织7 5 5 4 电渣连铸小方坯与a 耗电极及传统电淹晕熔钢锭的组织比较7 7 5 4 1 电渣连铸小方坯与a 耗电极的铸态组织比较7 7 5 4 2 电渣连铸小方坯同传统电渣重熔钢的铸态锭组织比较7 9 5 5 电渣迮铸小方坯锻后同某j 圆坯料内部组i 织的比较8 0 5 5 1 电渣连铸小方坯锻后碳化物比较研究8 0 5 5 2 电渣连铸小方坯锻后与某j 4 0 m m 产品碳化物比较8 2 5 6 本章小结8 4 第6 章电渣连铸技术的工业应用8 5 6 1 连铸式电渣炉的开发8 5 6 2 连铸式电渣炉的热试牛产8 5 6 3 电渣连铸产品的检验8 7 6 3 1 电渣连铸铸坯的表面质量8 7 6 3 2 电渣连铸铸坯的内部质量检验8 7 6 4 本章小结9 0 第7 章结论9 1 参考文献9 3 致谢9 8 攻读博士学位期间发表的论文9 9 作者简介1 0 0 本论文包含图、表、公式及文献1 0 1 ， 0 y ， i 东北大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 1 1 1 目前国内生产小断面电渣重熔钢锭时存在的问题 电渣重熔( 简称e s r ) 产品由于具有纯净度高、组织致密、成分均匀、表面光洁等 一系列优点，电渣冶金技术近年来发展十分迅速。t u 目前从自耗电极到可以直接进轧机 或用于牛产的成品材，需要经过多道工序并消耗大量的能源，这直接影响了钢锭的乍产 成本和生产效率，制约了其经济效益的进一步提高。尤其在重熔钢锭直径小于3 0 0 m m 时，其缺点暴露得越来越明显。其主要有以下几个问题： ( 1 ) 传统电渣重熔过程中，重熔速度是依据熔化速度与重熔锭直径之比小于或略 大于l 的原则来控制的。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 6 5 - 0 7 5 。这样，重熔小直径钢锭时熔炼速度就很慢，牛产效率很低，冶炼费用相 当高。不仅如此，当钢锭尺寸小于1 0 0 m m 时，由于要保证操作时的安全间隙，即使自 耗电极直径非常小，实际上也无法正常牛产。因此，尽管小直径重熔锭具有细小的枝晶 结构并且可以直接轧制，但是目前仍然很难直接生产直径小于3 0 0 m m 的重熔钢锭【l l 。 ( 2 ) 电渣重熔钢锭的枝晶组织与钢锭直径有直接关系。一般来说，钢锭直径越大， 局部凝固时间越长，枝晶间距越大。某些钢种当钢锭尺寸大到一定值时，钢锭中心会产 生偏析，甚至疏松和缩孔。例如，高速工具钢，当钢锭尺寸较大时，即使熔化速度很低， 也会出现碳化物尺寸偏大，偏析超标的问题。 ( 3 ) 传统电渣重熔采用一次重熔一个钢锭的间歇式生产方式，这样不仅牛产效率 低，而且钢锭在后步锻造或初轧开坯过程中钢锭头尾去除量较大，钢的成材率很低。因 而生产成本也较高。 传统的电渣重熔工艺可用来牛产表面质量良好、组织致密、成分均匀的钢锭。但是 这种工艺主要用于生产直径大于3 0 0 m m 的钢锭。牛产尺寸较小的钢锭时产量低，运行 成本很高。为进一步开发适用于高级钢种的重熔工艺，采用比传统电渣重熔工艺更有效 的工艺来牛产中、小尺寸方坯、圆坯就势在必行。 东北大学博士学位论丈 第l 章绪论 1 1 2 连铸技术的发展及其特点 1 0 0 多年前，英国的b e s s e m e rh 发明连续浇铸技术，f u 只能用于铝和铜等低熔点有 色金属的连铸。直到1 9 3 3 年，j u n h a n ss 开发了结晶器振动系统，才为工业上大规模采 用连铸技术奠定了基础。钢的连铸始于二十世纪4 0 年代，到5 0 年代才开始用于工业牛 产，7 0 年代以后钢的连铸技术迅速发展，8 0 年代连铸技术日趋完善，并涌现出如德国 的德马克、奥地利的奥钢联、瑞士的康喀斯特公司、日本的日立造船公司等一大批从事 连铸技术的开发与设计工作的集团。 中国是世界上研究和应用连铸技术较早的国家之一。二十世纪5 0 年代中期就开始 了连铸技术的研究。6 0 年代初与工业发达国家同时进入连铸技术应用阶段，到2 0 0 0 年 末，我国共拥有连铸机3 0 0 多台【4 】 2 0 0 3 年，我国的连铸比已达到9 3 1 5 1 。 连铸之所以在当代钢铁工业中发展迅速，丰要是由于它与传统的钢锭模浇铸相比具 有较大的技术经济优越性，主要表现在以下几个方面 6 】： ( 1 ) 简化牛产工序。连铸可以省去初轧开坯工序，不仅节约了均热炉的能耗，而 且也缩短了从钢水到成坯的周期时间。随着近终形连铸的发展，将会更加简化轧钢的工 序。 ( 2 ) 提高金属收得率。采用模铸从钢水到成坯的收得率大约是8 4 - 、，8 5 ，而连铸 约为9 5 - - 9 6 。 ( 3 ) 节约能量消耗。据有关资料介绍，生产l t 连铸坯比模铸开坯省能6 2 7 1 0 4 6 k j ， 相当于2 1 4 3 5 7 k g 标准煤，再加上提高成材率所节约的能耗就大于l o o k g 标准煤。 ( 4 ) 改善劳动条件，易于实现自动化。目前，有些厂一台连铸机只有7 名技术工 人，除浇钢操作外，全部都由计算机控制。 ( 5 ) 铸坯质量好。由于连铸冷却速度快、连铸拉坯、浇注条件可控且稳定，因此 铸坯内部组织均匀、致密、偏析少，性能稳定。 1 2 本课题研究的目的和意义 基于上述原因，在结合电渣重熔技术和连铸技术优点的基础上，一种新的电渣重熔 技术应运而生_ 电渣连铸”技术( e | e c t r o s l a gc o n t i n u o u sc a s t i n g ，简称e s c c ) 。 电渣连铸技术的基本原理如图1 1 所示。与传统的电渣重熔技术一样，在铜制t 型 水冷结晶器中加入固态或液态炉渣，将自耗电极的端部插入其中。当自耗电极、炉渣、 东北大学博士学位论丈第1 章绪论 自耗电极通过短网与变压器形成供电回路时，将有电流从变压器输出并通过熔渣。由于 熔渣具有一定的电阻，占据了大部分压降，从l 瓜在渣池中形成大量的热量，将插入其中 的金属电极熔化。熔化的金属液滴从电极端部滴落，穿过渣池汇聚于金属熔池，在水冷 结晶器的强制冷却下逐渐凝固形成铸坯，同时铸坯被连续地拉出结晶器。 厂。1 妒 l m 自耗电极：2 一水冷t 型结晶器；3 渣池；4 一金属液面检测装置； 5 一金属熔池；6 一重熔方坯；7 拉坏机构；8 一切割装置；9 一计算机控制系统 图1 1 电淹连铸技术原理 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fe s c ce l e c t r o s l a gc o n t i n u o u sc a s t i n g 图1 2 为电渣重熔与电渣连铸工艺比较图。传统的重熔小方坯生产是靠电渣重熔 得到钢锭，然后经过预热、锻造或初轧开坯，热处理等工序最后进行轧制形成小方坯 产品。传统的生产工艺已经越来越不能满足以“提高质量、提高效率、降低成本”为目 标的生产工艺要求，于是便开始寻求新的牛产工艺。由于采用电渣连铸工艺生产小断 面的钢锭，减去了锻造或初轧开坯工序，同时使熔化速度大大提高。因此，该课题对 “提高质量、提高效率、降低成本”具有重大意义。 9 商 东北大学博士学位论文 第1 章绪论 口 图1 2 电渣重熔与电淹连铸t 艺的比较 f i g 1 2e s rp r o c e s ss c h e m a t i c sv e r s u st h ee s c cp r o c e s s 1 3 本课题的主要研究内容 1 3 1 基本工艺参数的确定 基本工艺参数的确定，主要包括供电制度和拉速。 ( 1 ) 供电制度确定合理与否，对铸坯内外质量起着至关重要的作用。输入功率过 低，铸坯表面质量将会很差；输入功率过高、熔速过快，铸坯内部质量难以保证。在合 适的输入功率下，将电流、电压进行合理的搭配，即可保证铸坯表面的光滑，又可保证 铸坯内部结晶质量及易烧损元素的控制。 ( 2 ) 根据电极熔化速度确定铸坯的拉出速度，拉得过快容易出现漏钢、漏渣等现 象；拉速过慢，容易出现钢水上涨到t 型结晶器喇叭口上方，至使铸坯被拉断。合理拉 速能保证渣金液面的稳定，对铸坯表面质量有很大影响。 1 3 2 渣系 对电渣连铸所用渣系进行研究，主要从渣系的成分、熔点、粘度、电导率、密度等 物性参数进行综合考虑，开发出合理的渣系。 1 3 3 建立渣池、金属熔池内部温度场模型 以电流、电压、渣系和冷却制度为变量，采用a n s y s 软件对渣池及金属熔池内部 温度分布进行模拟计算，建立电渣连铸过程中铸坯凝固模型。根据熔池深度计算结果确 东北大学堡主学堡垒查 箜! 主盟 _ _ - _ _ _ - - _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ - _ - _ _ - - - - - _ - _ _ _ _ _ 一一一 定合理的供电制度、冷却制度、渣一金液面位置，以保证铸坯良好的表面及内部质量。 1 3 4 质量控制研究 以钢种w 9 m 0 3 c r 4 v 为例，进行电渣连铸小方坯实验并对小方坯的表面质量和内部 质量进行检验分析，同时将电渣连铸w 9 m 0 3 c r 4 v 小方坯与同熔速下传统电渣重熔工艺 牛产的钢锭就其内部碳化物、晶粒度进行比较。 1 3 5 推广应用 以电渣连铸技术理论研究和实验工作为基础，将电渣连铸技术在工业生产中进行推 广应用。 东北大学博士学位论文第2 章文献综述 第2 章文献综述 2 1 电渣重熔技术及其发展 2 1 1 电渣重熔技术特点 电渣重熔的目的丰要是在初炼的基础上进一步改善钢锭的结晶组织和提纯钢合金， 从而获得高质量的金属产品。 9 1 0 i 一自耗电极；2 一水冷结晶器；渣池；j 一金属熔池：s 渣壳； 6 钢锭；7 底水箱；8 一金属熔滴；9 一变压器：l o 一火电流导体 图2 1 电渣重熔原理图 f i g 2 1s c h e m a t i co fe s rp r i n c i p l e 传统电渣重熔技术的基本原理如图2 1 所示【7 1 。在水冷结晶器中加入固态或液态炉 渣，将自耗电极的端部插入其中，当自耗电极、炉渣和底水箱通过大电流导体与变压器 形成供电回路时，将有电流从变压器输出并通过熔渣。由于熔渣具有一定的电阻，从而 渣池中形成大量的热量，当液态熔渣温度超过金属自耗电极熔点时，自耗电极便开始熔 化。熔化的金属液滴从电极端部滴落，穿过渣池进入金属熔池，在水冷结晶器的强制冷 却下逐渐凝固形成钢锭。金属熔滴在形成和滴落过程中与熔渣充分接触并发生一系列的 物理化学反应，从而可以去除金属中有害杂质元素和非金属夹杂物。钢锭由下而上逐渐 凝固，凝固过程在渣壳的包裹中完成，形成光洁的钢锭表面。此外，由下而上的顺序凝 固过程保证了重熔金属锭的结晶组织均匀致密，并有利于抑制偏析，控制结晶方向，获 o t 东北大学博士学位论文 第2 章文献综述 得趋于轴向的结晶组织。 2 1 2 电渣重熔技术的发展及其现状 2 1 2 1 国外电渣重熔技术的发展 美国h o p k i n srk 于1 9 3 5 年首先进行了渣中自耗电极熔化的实验【8 】，认为电渣过程 是“埋弧放电”的过程【9 】，最初的方法是熔炼装在管予里的粉末，管予以机械方法连续成 型。h o p k i n s 于1 9 4 0 年获得电渣冶金的专利【m i ，在其后2 5 年的时间里，这一技术先后 被k e l l o g 公司和f i r t hs t e r l i n g 公司独占，直到1 9 6 5 年才逐渐公之于众 1 l 】。 在前苏联，电渣重熔技术的雏形最早是由巴顿( p a t o n ) 电焊研究所焊接工人偶然发 现的。即当过多的渣液用于埋弧焊时，电弧熄灭，导致操作平稳，根据这一点，发明了 电渣焊。电渣焊就是在两个连接件之间的缝隙处用两个水冷挡块围住，后来又用两个水 冷挡块取代两个连接金属件，这样可以用由水冷档块组成的结晶器牛产电渣锭【1 2 1 。 在世界范围内对电渣技术感兴趣的时间是2 0 世纪6 0 年代。当时，只有几个国家开 始研究，如英国、奥地利、联邦德国和日本，而在美国却已广泛开展应用研究。1 9 6 7 年，第一次电渣重熔技术的国际会议由卡内基( c a r n e g i e ) 一梅隆( m e l l o n ) 研究所组 织召开，这次会议以及以后召开的多次国际会议，为电渣技术的推广和发展起到了巨大 的推动作用 1 3 - 1 5 。在1 9 6 5 年到1 9 7 5 年这1 0 年的时间里，电渣技术得到飞快的发展【16 1 ， 这一时期电渣技术的特点是： ( 1 ) 产量呈抛物线增长； ( 2 ) 锭重呈几何级数增长； ( 3 ) 电渣重熔产品范围扩大； ( 4 ) 打破了专业及行业的界限。 此后的l o 年( 1 9 7 5 - - - 1 9 8 5 ) 期间，电渣重熔技术保持稳步的发展【17 1 。电渣钢产量 继续增长，到1 9 8 5 年世界电渣钢产量达1 2 0 万t ，前苏联约4 0 - 4 5 万t ，东欧国家约4 5 万t 。 自1 9 8 5 年以后，电渣技术处于一个酝酿新突破的阶段。这一时期一些牛产超级合 金的公司继续扩大生产能力，如美国t e l e d y n ea i l v a c 公司建立了2 3 t 电渣炉。并相继出 现了电渣热封顶和电渣自熔模等新技术。同一时期电渣技术发展的另一特点是出现新的 冶炼工艺，西欧与美国致力于电渣热封项e s h t 法及电渣自熔模m h k w 法生产大钢锭。 前苏联主要应用双极串联电渣焊，铸焊结合生产大毛坯，并研究电渣分批浇铸生产大锭。 东北大学博士学位论丈第2 章文献综述 前苏联巴顿电焊研究所用电渣坩埚炉，熔炼获得纯净钢水，与离心浇铸结合形成电渣离 心浇铸c e s c ，将钢水浇入耐用金属模，形成电渣耐用模e m p c 。 2 1 2 2 国内电渣重熔技术的发展 1 9 5 8 年，我旧冶金工作者在电渣焊的基础上开发出电渣重熔技术【1 8 】，并与同年底重 熔出合金工具钢和高速钢钢锭。1 9 6 0 年，我国开发出有衬电渣炉，同年小型工业电渣炉 先后在重庆特殊钢、大冶钢j 、大连钢j 和上钢五j 建成投产。1 9 6 1 年1 1 月，冶金 部在重庆召开了第一届全国电渣冶金会议，标志着我国电渣冶金技术进入了大规模研究 和开发阶段。 4 0 多年来，我国电渣冶金规模不断扩大，技术不断创新。我国最早发明有衬电渣重 熔炉，早在19 6 7 年就已经掌握了电渣熔铸变断面铸件工艺；6 0 年代建成双支臂交替工 作、连续抽锭电渣重熔炉；1 9 8 1 年上海重型机械厂与北京钢铁学院合作建成2 0 0 t 三相 六电极电渣炉。此后还相继发明了感应电渣炉和感应电渣离一t l , 浇注技术【1 9 - 2 1 。 我国电渣钢产量名列世界前茅，到2 0 0 0 年，我国冶金系统已拥有工业电渣炉8 6 台， 年生产能力1 0 万吨。生产的超