（材料加工工程专业论文）金属表层电渣加热的机理研究.pdf

摘要 摘要 近净成形技术是一项具有重大技术意义和经济效益的新型工艺，为当今冶 金工业中的热点和前沿技术。电渣熔铸方法就是一种典型的近净成形技术。它 将金属的精炼提纯和结晶凝固成形集于一体，使成形铸件即有良好的冶金质量 和凝固质量，又有接近或达到最终产品的形状尺寸。 在电渣熔铸的基础上发展起来的金属表层电渣加热是一种新型的金属表面 加热技术。电流通过液态熔渣产生的电阻热将金属工件表面进行加热，其目的 并不是要将金属熔化，而是把金属表面加热到一个预期的温度，然后进行双金 属复合或对金属表面进行热处理，从而实现节能高效。 随着金属表面电渣加热技术的不断推广和使用，人们也逐渐发现该技术有 着广泛的应用前景。这就需要我们对金属表面电渣加热的机理进行深入研究， 从而在理论上指导金属表面电渣加热技术在实际中的应用。由此，在本文中给 出了电渣加热技术的概念。 模拟研究对加热系统的温度、电场、电位、电流密度等进行了分析，发现 金属和电极之间的渣池高温热源区域能够对金属表面实现快速加热。 本文着重从电压、渣池深度、电极插入深度、电极和辊芯间距等方面详细 阐述系统的热电场的变化规律，从而很好的说明了金属表面电渣加热的机理。 为了验证金属表面电渣加热技术的可行性，本文设计了具体试验方案，在南昌 核星电渣冶金机械厂进行了大量的试验，用各种检测装置测得的试验数据与模 拟结果基本吻合。 试验和模拟研究结果表明在金属表层电渣加热过程中，渣池中的电极和被 加热金属之间产生的高密度电流，成为使金属表面迅速升温的高热源区，这种 金属表层加热技术具有加热速度快、节能等特点，从而说明了电渣加热技术的 应用前景比较可观，它不仅可以用来复合轧辊，也完全可以应用于电渣热封顶 技术和金属热处理领域，为金属表面热处理和快速复合等技术的加热方法开辟 了一条新的途径。 本文的研究对以后的进一步试验研究和实际生产具有相当重要的指导意 义，对推进钢铁企业的技术进步，国家的经济发展都具有重要意义。 摘要 关键词：金属表层；电渣加热：热电场；渣池；数值模拟； m a b s t r a c t a b s t r a c t t h en e ts h a p i n gt e c h n o l o g yi san e wt y p et e c h n o l o g yw i t hg r e a tt e c h n o l o g i c a l m e a n i n ga n de c o n o m i cb e n e f i t s ，a n di ti st h eh o ts p o ta n da d v a n c et e c h n o l o g yi nt h e c u r r e n tm e t a l l u r g i c a li n d u s t r y t h ee s ct e c h n o l o g yb e l o n g st ot h en e ts h a p i n g t e c h n o l o g y i t c e n t r a l i z e st h em e t a lr e f i n e m e n t p u r e a n dt h e c r y s t a l l i z a t i o n s o l i d i f i c a t i o ns h a p i n go no n es t e p ，a n dm a k e st h ef o r m e dp a r tn o to n l yh a sg o o d m e t a l l u r g i c a lq u a l i t ya n ds o l i d i f i c a t i o nq u a l i t y , b u ta l s oh a st h es i z eo ff o r mc l o s et o o re v e ne q u a lt ot h ef i n a lp r o d u c t s “m e t a ls u r f a c eh e a t e db ye l e c t r o s l a g i san e wt e c h n o l o g yo fm e t a ls u r f a c e h e a t i n gs k i l l so nt h eb a s i co fe l e c t r o s l a gc a s t i n g t h es u r f a c eo fm e t a lw o r k p i e c e w i l lb eh e a t e db yr e s i s t a n c eh e a tw h i c hi sg e n e r a t e db yc u r r e n tt h r o u g ht h el i q u i d s l a g t h ea i mi sn o tt om a k et h em e t a lm e l t i n g , b u ti st om a k et h em e t a ls u r f a c et o r e a c had e s i r e dt e m p e r a t u r ef o rd o u b l e m e t a lc o m p o s i t eo rm e t a ls u r f a c et r e a t m e n t t h i sm e t h o dc a na c h i e v ee n e r g ye f f i c i e n c y w i t ht h ep r o m o t i o na n du s eo ft h et e c h n o l o g yo f m e t a ls u r f a c eh e a t e db y e l e c t r o s l a g ，p e o p l eh a v eg r a d u a l l yf o u n dt h a tt h et e c h n o l o g yh a sb r o a da p p l i c a t i o n p r o s p e c t s s o i tr e q u i r e st os t u d yi n - d e p t ho nt h em e c h a n i s mo f “m e t a ls u r f a c e h e a t e db ye l e c t r o - s l a g ，w h i c hw i l lm a k et h i st e c h n o l o g ya p p l i e di np r a c t i c eu n d e r t h eg u i d a n c ei nt h e o r y t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ec o n c e p to fe l e c t r o s l a gh e a t i n g t e c h n o l o g y t h ed i s t r i b u t i n gl a w so ft e m p e r a t u r e ，e l e c t r i cf i e l d ，v o l t a g e ，c u r r e n td e n s i t ya r e a n a l y z e d i ti sf o u n dt h a tah i g ht e m p e r a t u r er e g i o ne x i s t sb e t w e e nt h ee l e c t r o d et i p a n dt h er o l l e r t h eh e a tt r a n s f e rb e t w e e nh i g ht e m p e r a t u r er e g i o na n dt h er o l l e rm a d e t h es u r f a c el a y e ro ft h er o l l e rh e a t e du pq u i c k l y t h i sp a p e rf o c u s e do nt h el a wo fc h a n g e so ft h eh i 曲e l e c t r i cf i e l di nh e a t i n g s y s t e mf r o mt h ea s p e c t so fv o l t 、s l a gp o o l sd e p t h 、i n s e r t d e p t ha n dt h ed i s t a n c e b e t w e e ne l e c t r o d ea n dr o l l e rw h i c hc a nd e s c r i b et h em e c h a n i s mo f “m e t a ls u r f a c e h e a t e db ye l e c t r o s l a g m u c hb e t t e r i no r d e rt ov a l i d a t et h ef e a s i b i h t yo fe l e c t r o - s l a g h e a t i n gt e c h n o l o g y , p l a n sa n dal o to fe x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u to nt h eh e x i n g i v a b s 仃a c t m e t a l l u r g ym e c h a n i s mp l a n ti nn a n c h a n g t h er e s u l t sm e a s u r e db ys e v e r a lo f e q u i p m e n t sa l ec l o s et ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s b o t ht h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a ti nt h ep r o c e s so fm e t a l s u r f a c eh e a t e db ye l e c t r o s l a gt h eh i g hd e n s ec u r r e n tb e t w e e nt h ee l e c t r o d ea n d m e t a lm a t e r i a lb e c o m et h eh i g hh e a ts o u r c er e g i o nw h e nt h em e t a ls u r f a c ei sh e a t e d u ps o o n t h i sh e a t i n gm e t h o do nt h es u r f a c eo fm e t a lh a sm a n ya d v a n t a g e so f h e a t i n g - u pq u i c k l y , e n e r g yc o n s e r v a t i o na n ds oo n s ot h eu s i n gf o r e g r o u n do f “m e t a ls u r f a c eh e a t e db ye l e c t r o s l a g i s o p t i m i s t i c i tc a nn o to n l yu s e di nt h e c o m p o s i t er o l l e r , b u t a l s oi no t h e ra r e a ss u c ha se s h tt e c h n o l o g y , m e t a l h e a t - t r e a t m e n te t c s oi tc a ni n a u g u r a t ean e wm e t h o do nm e t a ls u r f a c eh e a t i n gf i e l d w h e nt a k i n gh e a t t r e a t m e n to rc o m p o u n d i n gm e t a l s t h i s p a p e rh a sg r e a tt h e o r ym e a n i n ga n d r e a lv a l u et ot h ef o l l o w i n ge x p e r i m e n t a n dm a n u f a c t u r i n g i ti ss i g n i f i c a n tt op r o m o t et h et e c h n o l o g i c a lp r o g r e s so fi r o na n d s t e e le n t e r p r i s e sa n de c o n o m i cd e v e l o p m e n to f c o u n t r y k e yw o r d s ：s u r f a c el a y e ro ft h em e t a l ；h e a t i n gb ye l e c t r o - s l a g ；t h e r m o e l e c t r i c i t yf i e l d ；s l a g p o o l ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； v 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ： 签字吼嵴月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，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。本人授权直邑太堂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，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期： 撕多 臼芦 导师签名： 耿如鸣 答字日期。叩年易月，鲫 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 电渣熔铸是一种典型的电渣加热技术，它的加热目的是为了使金属重熔。 电渣熔铸具有提高金属纯净度、控制凝固组织及毛坯净化的三重功能。近年来， 在国内外都有很大的发展i l 翻。而从电渣熔铸法引出的金属表面电渣加热技术则 具有升温迅速、节能等优点。研究金属表面电渣加热技术的目的是为两种或多 种金属的复合和金属表面处理时的加热方法开辟一条新的途径。本章主要介绍 电渣熔铸以及金属表面加热技术的特点、研究现状及发展趋势。 1 2 电渣熔铸( e s c ) 技术介绍 近净成形技术【1 】是一项具有重大技术意义和经济效益的新型工艺，它是指 零件成形后，仅需少量加工或不再加工就可用作机械构件的成形技术。它是建 立在新材料、新能源、机电一体化、精密模具技术、计算机技术、自动化技术、 数值分析和模拟技术等多学科高新技术成果基础上，改造了传统的毛坯成形技 术，使之由粗糙成型变为优质、高效、高精度、轻量化、低成本的成形技术。 它使得成形的机械构件具有精确的外形、较高的尺寸精度和形位精度，是新工 艺、新装备、新材料以及各项新技术成果的综合集成技术。它符合当前科学技 术高速发展的现代工业时代，传统工业向高效率和大型化方向发展的要求，是 现代冶金工业的前沿技术。该项技术可以降低投资及生产费用，简化加工工序，。 节省能源。当前，许多发达国家都在投入大量的人力和物力开发及应用这项技 术。 电渣熔铸( e l e c t r o s l a gc a s t i n g ，简称e s c ) 技术属于近净成形技术，是七 十年代在电渣重熔( e l e c t r o s l a gr e m e l f i n g ，简称e s r ) 工艺的基础上发展起来 的一种新技术，属超净、均质化的特种冶金范畴。它将金属的精炼提纯和结晶 凝固成型集中到一步完成，使成型件不仅具有良好的冶金质量和凝固质量，而 且其形状尺寸接近或等于最终产品，具有提高金属纯净度、控制凝固组织及毛 坯净化的三重功能1 4 】。生产的铸件具有材质纯净、组织致密、综合机械性能优 第1 章绪论 良、工艺简单、产品附加值高等特点。 现代电渣冶金技术起源于乌克兰巴顿研究院，在电渣焊的基础上开发出电 渣重熔技术。上世纪6 0 年代中后期，由于航天工业的发展、动力设备大型化、 海洋开发及军备竞赛等的需要，电渣熔铸生产空前兴隆，各国特殊钢厂纷纷建 设电渣炉，同时加强了对电渣熔铸工艺及理论的研究。据有关资料报道，世界 电渣钢生产能力超过1 2 0 万吨年，有4 0 0 多个品种，近年来电渣熔铸的品种进 一步扩大到有色金属领域。 如今，世界各国都在致力于发展电渣冶金【5 】工业，这将会进一步的促进电 渣熔铸技术的飞速发展。 1 2 1 电渣熔铸的基本原理 1 一自耗电极 2 一水冷结晶器 3 一渣池 4 一金属烙池 5 一烙铸件 6 一底水箱 7 一绝缘层 8 一短网 9 一变压罂 图卜1 电渣熔铸原理 电渣熔铸基本原理是：利用大电流通过液态渣池产生电阻热将金属熔化， 熔化的电极汇聚成滴，穿过渣层进入金属熔池，然后在水冷结晶器内凝固成异 型铸件。其基本过程如下( 如图1 1 所示) ：在铜制异型水冷结晶器2 内，注入 高温的液态渣池3 ，自耗电极1 的一端插入渣池，来自短网8 的电流通过自耗 电极、液态电渣和底电极成回路，产生电阻热将渣和自耗电极加热至高温，自 2 第1 章绪论 耗电极顶部被渣池逐渐加热熔化生成金属熔滴，金属熔滴从电极的端头脱落， 穿过渣池进入金属熔池4 ，由于水冷结晶器的激冷作用，液态金属逐渐地形成 异型铸件5 。 铸件由下至上顺序凝固，使金属熔池和渣池不断向上移动，上升的渣池首 先在水冷结晶器内壁上形成一层渣壳，这些渣壳不仅使铸件表面光滑，也起到 隔热保温作用，有利于铸件结晶过程自下而上地进行。液态电渣一方面建立熔 铸电流，为自耗电极的熔化提供必要的电阻热；另一方面，金属溶液通过液态 渣池时，与液态电渣发生反应，液态电渣吸收金属熔液中的杂质，使金属熔液 得到提纯净化，成形的金属杂质少，铸件组织结构致密，机械性能大大地提高。 1 2 2 电渣熔铸技术的特点 电渣熔铸方法可以生产出较高质量的金属铸件，它与其它铸造方法相比， 有着显著的优点和特点： ( 1 ) 金属的熔化、浇注和凝固均在一个较封闭的环境中实现。整个熔铸过 程始终在液态渣层下进行而与大气隔绝，因而最大限度的减轻了大气对金属液 的污染，减少了钢水的氢、氮的增加和钢的二次氧化。另外，由于熔化和凝固 均在水冷铜制结晶器中完成，因而没有普通冶炼和铸造方法由于耐火材料造成 对钢水的污染的缺点。 ( 2 ) 具有良好的冶金反应热力学和动力学条件。熔铸过程中渣池温度通常 在1 7 5 0 以上，而电极下端至金属熔池中心区域的熔渣温度可达1 9 0 0 以上。 因此，重熔过程中渣的过热度可达6 0 0 c 左右，钢液的过热度可达4 5 0 左右， 高温的渣池促进了一系列物理化学反应的进行。良好的动力学条件还表现在电 渣重熔过程中钢渣能充分的接触。在电极熔化末端、熔滴滴落过程及金属熔池 的三个阶段中钢渣接触面积可达3 2 0 0 m m z g 以上 6 1 ，反应进行的十分充分。同 时在电磁力的作用下渣池被强烈搅拌，不断更新钢渣接触界面，强化了冶金反 应，促进了有害杂质元素和非金属夹杂物的去除。 ( 3 ) 自上而下的顺序凝固条件保证了铸件内结晶组织的均匀致密。在电渣 熔铸过程中电极的熔化和熔融金属的结晶是同时进行的。铸件上端始终有液态 金属熔池和发热的渣池，既保温又有足够的液态金属填充凝固过程中因收缩而 产生的缩孔，可以有效的消除一般铸件常见的疏松和缩孔缺陷，同时也可使得 3 第1 章绪论 金属液中的气体和夹杂物液易于上浮，所以铸件的组织致密、均匀。由于结晶 器中的金属受到底部和侧面强制水冷，冷却速度很大，使金属的凝固只在很小 体积内进行，使得固相和液相中的扩散受到抑制，减少了成分偏析并有利于夹 杂物的重新分配。同时，这种凝固方式可有效的控制结晶方向，可以获得趋于 轴向的结晶组织。 ( 4 ) 在水冷结晶器与铸件之间形成的薄而均匀的渣壳保证了铸件的表面光 洁。在电渣熔铸过程中，由于结晶器壁的强制冷却，使得渣池侧面形成凝固渣 壳。在合理的电渣熔铸工艺下，金属熔池应与结晶器壁有一定的接触高度。熔 池在上升过程中由于金属液体上升接触到凝固的渣皮时会使得部分凝固的渣皮 重新熔化，使渣皮薄而均匀，金属在这层渣皮的包裹中凝固，铸件表面会十分 光洁l 丌。另外，渣皮的存在能减少径向传热，有利于形成轴向结晶条件。 因此，电渣熔铸铸件的应用范围很广，产品涉及到原子能、宇航、船舶、 电力、石油化工以及重型机械等工业部门，异型件有各种各样的形状和尺寸， 其最大重量达几百吨，最小的只有几十克。目前电渣熔铸的产品有：巨型发电 机转子轴、船舶柴油机大型曲轴、各种高压容器、大型圆环件、各种类型的轧 辊、动刀管道的阀体、三通管、透平涡轮盘、厚壁中空管、核电站压水堆的主 回路管道( 直管、弯管) 、石油裂化炉管( 圆、椭圆及u 型管) 、齿轮毛坯、各 种模具( 包括冲压模具) 和几十克的假牙等。 1 , 2 3 电渣冶金技术的国内外发展现状与趋势 随着航空、航天、核电、模具、高等级轴承钢、冶金用冷轧辊等行业的迅 速发展，对优质合金、超级合金的需求快速增长。现在，重熔精炼的成熟工艺 有4 种：电渣重熔、真空电弧重熔、电子束重熔和等离子重熔。就目前生产应 用而言，电渣重熔【8 】金属材料产量居首位，年产量超过其它三种重熔方法产量 的总和。 目前，全世界电渣钢的年生产能力约为3 0 0 万吨。我国大部分特殊钢厂都 建有电渣重熔车间，拥有工业电渣炉3 0 0 多座，年生产能力可达8 0 万吨 - - 1 0 0 万吨，而且我国电渣钢的产量每年正以2 0 - 3 0 的速度递增。国外有关专家 曾乐观预计，世界电渣钢产量可占钢材总产量的1 ，表明电渣钢仍具有很大的 发展空间。 4 第1 章绪论 1 2 3 1 目前国内外电渣冶金钢材的发展趋势： 电渣重熔的钢种向高合金化方向发展，电渣重熔质量向高均匀化、高纯净化 方向发展，电渣锭锭型向多样化方向发展。电渣重熔成为生产优质合金及超级合 金，尤其是大型优质钢锭的主要手段。 我国专家不久前在德国和奥地利考察到的一些电渣钢生产厂，生产的主要 钢种都是高合金钢，如3 4 c r n i m 0 6 、1 2 c r m o w n b n 和铬1 8 系列奥氏体不锈钢 等。 目前我国的电渣钢【9 】品种主要有：高温合金( g h 2 1 3 2 、g h 4 1 6 9 ) 、不锈钢 ( 1 c r l 0 n i m o w 2 v n b n 、g t d 4 5 0 、4 0 3 n b ) 、高等级轴承钢( r g c r l 5 、 r g c r l 8 m o 、r g 2 0 c r n i 2 m o a ) 、工模具钢( x 3 9 c r m o l 7 1 、4 c r 5 m o s i v l 、r m c 3 、 r m c 5 ) 、冷轧辊用钢。 电渣熔铸可生产圆管、椭圆管、偏心管、方形管、1 0 0 万核电发电机转子、 1 0 0 万核电低压转子、1 0 0 万火电低压转子、沙钢5 米支承辊、大型水轮机导叶、 大型柴油机曲轴等。电渣重熔可生产圆锭、方锭、大型扁锭、特种合金电渣扁 锭、及空心锭等等。 1 2 3 2电渣技术和装备将向着节能、环保、“高、精、尖 方向发展 ( 1 ) 电渣精炼装备向着多熔位( 工位) 、大型化的方向发展 国外电渣炉基本上都是单相电渣炉，一般多熔位( 工位) 的电渣炉居多。 不仅有单支臂( 炉头) 、双熔位的电渣炉，还有双支臂( 炉头) 、双熔位，双支 臂( 炉头) 三熔位及四支臂三熔位的电渣炉。 2 0 0 8 年前，世界上1 0 0 吨以上的电渣炉仅有我国的上海重型机器厂( 2 0 0 t 1 0 1 吨) ，德国的萨尔钢厂( 1 6 5 吨) 日本钢厂( 1 1 0 吨) 等为数不多的几台。近年 来，世界大型电渣炉的建造呈迅猛发展的态势。2 0 0 8 年仅康萨克公司和因泰克 公司就与意大利和德国签订了5 台1 0 0 吨2 5 0 吨电渣炉的订货合同。据悉，与 韩国、日本以及西欧的1 0 0 吨以上的电渣炉的订货也在洽谈之中。中国的上海 重型机器厂目前正研制4 5 0 吨的电渣炉，仍居世界领先水平。 ( 2 ) 实现整个电渣重熔过程的全计算机控制 近些年来，我国很多电渣炉虽然都采用了计算机控制。但是大多都仅仅是 满足于用计算机进行一般的过程控制，甚至是某一过程的控制。国外先进的电 渣炉从启动到补缩终了，整个重熔过程实现了全计算机控制，包括重熔电流、 5 第1 章绪论 电压的控制、熔化速率控制、启动和补缩的控制，水温、水压显示并有效的控 制等。 ( 3 ) 高精度称重系统 用计算机控制熔化速率与其配备的高精度称重系统和可进行有载调压的电 源变压器是密不可分的。计算机通过重力传感器反馈的电极重量的变化计算出 各时间点的熔化速率和电渣锭的重量。并通过调整变压器的输入功率把熔化速 率控制在工艺要求的范围之内，使称重系统的重量精度等级达到0 0 1 ，熔化 速率计算精度达到l k g 。 ( 4 ) 完全同轴的大电流供电系统 现在国外电渣炉普遍采用四根对称并相互平行的导电立柱供电，称之为1 0 0 高效率的完全同轴设计，可以有效地消除重熔过程中散乱磁场对金属熔池的 扰动，避免偏析及斑点等缺陷的形成。由于同轴电渣炉网路的感抗和压降损失 小，磁场损失也相对较小，因此具有良好的节电效果。 ( 5 ) 高精度x y 电极调整系统 高精度x - y 电极调整系统，可以在远程控制和调整金属电极在水平方向的 位置，使金属电极始终处于结晶器的中心，避免金属电极与结晶器打弧，甚至 击穿结晶器的现象发生。 ( 6 ) 气密型惰性气体保护罩 随着科学技术的飞跃发展，各领域对钢材的质量提出越来越高的要求，新 型的保护性气氛电渣炉气密型保护性气氛电渣炉应运而生。气密型保护气氛 电渣炉与过去一般的带有气体保护罩的电渣炉大不相同。它不但能够完全达到 防止电渣钢增氢的目的，而且能麴防止大气对渣池及渣池上方金属电极易氧化 带的氧化。 ( 7 ) 在异形电渣熔铸件的开发方面 在异形电渣熔铸件的开发方面主要产品有大型发电机转子、水轮机叶片、 船舶柴油机大型曲轴、各种高压容器、大型环件、各类轧辊、模具、透平涡轮 盘、厚壁中空管、石油裂化管、齿轮毛坯、三通管、核电站压水堆主回路管道 等。但是由于受到在异型铸件结晶器中成型困难、结晶器的制造成本高和电耗 高等条件制约，因此在异形电渣熔铸件的开发方面的发展是缓慢的。 中华全国工商业联合会冶金业商会网在“我国电渣冶金装备向节能环保和 高精尖方向发展 一文中指出：“我国是世界上电渣冶金起步较旱的国家之 6 第1 章绪论 一，4 0 多年来，我国的电渣冶金始终保持着旺盛的发展趋势”。现在“我国已 迈进电渣强国的行列 ，“随着我国科学技术的发展，航天航海、汽车制造、石 油化工、电站建设、核设施、机械制造等诸多行业，以及军工事业的发展、产 品更新换代、火车提速等诸多因素都对钢的质量提出越来越高的要求。电渣钢 以其金属纯净度高、组织致密、成分均匀、金属各向异性小、钢锭表面光洁及 成材率高等特点，进一步显现出勃勃生机 ，“未来，电渣技术和装备将向着节 能、环保、“高、精、尖 方向发展。 1 3 金属表面加热技术介绍 对金属或者金属表面进行加热是对金属进行加工和热处理领域所涉及到的 重要步骤和工艺之一。对金属进行加热方法的很多，最初人们是采用木炭和煤 作为热源，进而应用液体和气体燃料作为热源。而1 7 世纪初，由于电能的发现 和其在工业生产中的利用变得逐渐成熟，而利用电能对金属或金属表面进行加 热使得整个过程易于控制，且无环境污染，因而各种各样的电热加工工艺得以 发明和利用，采用这些热源可以直接对金属进行加热，另外也可以通过熔融的 盐或金属，以至浮动粒子进行间接加热。而进入2 0 世纪以后，激光和电磁加热 技术也逐渐被人们发现和在工业生产中进行利用。 对金属进行加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳( 即钢铁零件 表面碳含量降低) ，这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。因而金属 通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装 方法进行保护加热。 加热温度是金属热加工和热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加 热温度，是保证热处理质量的主要问题。加热温度随被处理的金属材料和热处 理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得需要的组织。另 外转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在 此温度保持一定时间；使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为 保温时间。采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保 温时间或保温时间很短，而化学热处理的保温时间往往较长。 7 第1 章绪论 1 3 1 金属加热技术的应用 ( 1 ) 热处理工艺 金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其它加工工艺相比，热处理 一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织， 或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件 的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。 为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用 材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应 用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热 处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通 过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。 金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。 根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区分为若干不同的 热处理工艺。同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具 有不同的性能。钢铁是工业上应用最广的金属，而且钢铁显微组织也最为复杂， 因此钢铁热处理工艺种类繁多。 ( 2 ) 金属复合加工工艺 随着经济建设的迅速发展，越来越多的部门和地方需要使用大量特殊的金 属材料。各种有色、稀有等贵重金属加工成耐腐蚀、耐高温和耐摩擦的特殊金 属材料，用来制些特殊设备的构件，常常增加生产成本，造成不必要的资源浪费 人们探索到一种方法，用它在普通的金属材料上包覆一层具有特殊性能的金属 材料，使之既能满足生产上对材料的特殊要求，又能节约大量优质的贵重金属 材料、降低生产成本。复合金属的加工工艺包括离心铸造工艺、连续铸造法工 艺、热等静压工艺i n 】爆炸焊工艺、粉末冶金和电渣复合加工技术等等。 采用复合加工技术制造的金属材料能满足工业生产上的需要，节约大量优 质的贵重金属材料它在化工机械、造船、冶金、采掘、宇航、国防等工业部门 得到了广泛的应用并且已从应用进入到理论分析，有些项目已进入成熟的应用 阶段。 ( 3 )电渣加热技术复合轧辊的优越性 随着轧钢生产技术进步，要求轧辊具有更高强韧性和耐磨性。电渣工艺复 8 第1 章绪论 合轧辊【1 2 j 的制造方法是将辊芯垂直放在水冷铸型中，用电渣工艺熔化、精炼和 保温金属液，将金属液浇注到配置在铜制水冷铸型上和辊芯间隙中，使外层金 属液和辊芯熔合，并顺序向上凝固，将凝固部分连续向下拉，实现连续铸造外 层。此制造方法可制造新轧辊，也可用于修复轧辊，尤其适合高速钢【1 3 】复合轧 辊。高速钢复合轧辊【1 4 j 是轧辊发展方向，由于碳化物在离心铸造时容易偏析， 所以不能全部采用离心复合工艺。电渣工艺复合轧辊制造方法的关键是设计或 控制其加热功率，浇注温度，拉拔速度和水冷铸型的高度。 电渣熔铸法复合轧辊复合层金属经过提纯，组织细密，具有工艺、装置简 单，成本低廉、外层材质经过电渣精炼提纯、内层金属升温速度快、温度场分 布均匀、内外层金属之间互相渗透有过渡层，结合强度高等优点，有利于提高 轧辊的使用性能。该技术可以废i n s l 辊作为原料来源，既解决了废旧轧辊的回 收问题，又大大降低了原料和运输成本，满足了轧钢冷轧辊的使用要求，为冶 金冷轧辊1 1 5 j 的制造和修复开辟了一条新的途径。 江西的钢铁企业很多如新喻的江钢、南昌的南钢、洪都钢厂、萍乡的萍钢 等在江西国民经济中占有重要地位，轧材是江西的钢铁企业的主导产品，提高 轧材的内在质量和精度、降低成本是当今轧钢领域的重要课题，各类轧制技术 的关键是提高轧辊的性能特别是提高轧辊的耐磨性、强度和韧性。双电渣轧辊 表面复合技术，可制造出符合上述要求的各类轧辊，从而满足我省钢铁企业时 高性能复合轧辊的需求，因此，双电渣轧辊表面复合技术的应用对推进我省钢 铁企业的技术进步，推动我省经济的发展，都具有重要意义。该项技术对全国 钢铁企业和国民经济的发展同样具有重要意义1 1 6 1 。 1 3 2 各种金属加热技术1 7 1 的国内外研究现状 ( 1 ) 感应加热技术 金属工件的感应加热，是在被加工金属工件外绕上一组感应线圈。当线圈 中流过某一频率的交流电流时，就会产生相同频率的交变磁通，交变磁通又在 金属工件中产生感应电势，从而产生感应电流，产生热量，实现对工件的加热。 能量是通过电磁感应传递的，因此，我们把这种加热方式称为感应加热。 感应加热所遵循的主要原理是：电磁感应、集肤效应、热传导。为了将金 属工件加热到一定的温度，要求工件中的感应电流尽可能地大，增加感应线圈 9 第1 章绪论 中的电流，可以增加金属工件中的交变磁通，进而增加工件中的感应电流，现 代感应加热设备中，感应线圈中的电流最大可以达到几千甚至上万a 。增加工 件中感应电流的另一个有效途径是提高感应线圈中电流的频率，由于工件中的 感应电势正比于交变磁通的变化率，感应线圈中电流的频率越高，磁通的变化 就越快，感应电势就越大，工件中的感应电流也就越大。对同样韵加热效果， 频率越高，感应线圈中的电流就可以小一些，这样可以减少线圈中的功率损耗， 提高设备的点效率。 与传统的加热方式( 如火焰式加热) 相比，感应加热具有如下的一些性能 与特点： 1 ) 具有精确的加热深度和加热区域，并易于控制； 2 ) 易于实现高功率密集，加热速度快，效率高，能耗小； 3 ) 加热温度高，加热温度易于控制； 4 ) 加热温度由工件表面向内部传导或渗透； 5 ) 采用非接触式加热方式，在加热过程工不易掺入杂质； 6 ) 工件材料烧损小，氧化皮生成少； 7 ) 作业环境符合环保要求； 8 ) 易于实现加热过程的自动化。 在感应加热过程中金属工件内部各点的温度是在不断地发生变化的，感应 加热的功率越大，加热时间越短，金属工件表面温度就越高，工件中心部位的 温度就越低。如果感应加热时间长，金属工件表面和中心的温度通过热传导而 趋于均匀。 感应加热设备【1 9 】的选用是根据被加热工件的工艺要求和尺寸大小来决定 的。根据被加热工件的材质、大小以及加热区域、加热深度、加热温度、加热 时间等工艺要求，进行综合计算与分析，来确定感应加热设备的功率、频率和 感应线圈等技术参数。按工作频率可分为高频0 0 k h z 以上) ，中频( 1 1 0 k h z ) 和工频( 5 0 h z 、6 0 h z 、1 5 0 h z ) 感应加热。 ( 2 ) 远红外加热技术 远红外加热技术兴起于7 0 年代初，它是重点推广的一项节能技术。所用的 能源以电能为主，但亦可用煤气，蒸汽、沼气和烟道气等。利用这项技术提高 加热效率，其主要工作原理是利用被加热物料对辐射线的吸收能力，使其分子 振动波长与远红外光谱的波长相匹配从而达到加热目的。因此，必须根据被加 1 0 第1 章绪论 热物的要求来选择合适的辐射元件，同时还应采用不同的选择性辐射涂层材料， 并要改善加热体的表面状况。 远红外加热技术具有高效、节能、加热速度快和产品质量好等优点，在我 国许多行业的推广使用，取得了显著的效果。但在金属热处理领域却应用甚少。 本文希冀通过理论分析、实际应用、机理探讨、炉体设计等有关问题的探讨， 为远红外加热技术开拓领域，使其在我国金属热处理行业能得到普遍推广应 用。 金属在远红外辐射场中的加热机理，以达到采用远红外技术设计新型热处 理炉、提高热效率、节约电能之目的，经大量技术测试及生产实践表明： ( a ) 应用远红外回火炉处理的产品经金相组织分析，硬度分析，质量符合要 求。 m ) 该炉性能良好，能满足金属工件回火工艺要求，即远红外辐射加热在金 属低温回火范围内是有效的、可行的。 ( c ) 大量测试数据表明，在远红外辐射场中加热，金属工件的温度一般都高 于炉膛温度1 0 - - 3 0 ，这就是由于回火处理的工件，已接受了淬火加热过程，其 表面粗糙和氧化程度比较严重，接近于理想灰体，能大量吸收远红外辐射能所 致。 ( d ) 生产实践表明，应用远红外加热的金属工件，不仅变形小，而且可以 缩短加热时间。在表面状态接近理想灰体的情况下，因为远红外对氧化层有一 定的穿透能力；所以辐射波可透入金属工件表面的氧化层，且吸收系数较大， 故加热速度快，起到了快速回火之目的。 总之，全部测试数据及生产实践表明，远红外加热技术，应用在金属热处 理低温回火范围内是完全可行的，其效果是显著的。 ( 3 ) 激光加热技术 用激光处理金属，一般是以一定模式的激光光束对准工件需处理的部位， 由工件随工作台的移动( 转动或平移) 来实现激光扫描。为防止表面氧化及等 离子体的生成，常采用惰性气体保护系统，一般工件的处理均为空冷，有些特 殊要求件也可采用液氦冷却。 ( 4 ) 电阻炉加热 电阻炉加热可以延长工件，尤其是大型渗碳件在炉内的加热时间。对于上 下回转杆式电阻炉则可以使工件在炉内从上导轨到下导轨形成循环加热，时问 第1 章绪论 可以延长一倍。 ( 5 ) 燃气炉加热 燃气电热式加热炉的工作原理是：来自油井井口的原油自加热炉的一端进 入，在炉腔内加热后从另端流出并进入集输管道。石油伴生气在炉腔内燃烧 室燃烧产生热量，通过加热管传给进入炉腔内的原油，当油井自产的可燃气体 较充足时，只靠燃气加热即能满足要求，电热器不工作。当伴生气较少不够用 时，炉腔内的原油温度会低于设定的温度，通过温控仪能自动接通电源，使电 热器发热，给炉内原油补充一部分热量使其达到要求的温度。当油井中的石油 伴生气增大后，燃气和电加热使炉腔内的原油温度高于设定的上限温度后，通 过温控仪能自动断开电源，使电热器停止发热，只保持燃气加热状态。这样在 油井的生产过程中，对于石油伴生气的波动变化，该加热炉通过燃气加热为主、 辅助电加热的双向供热方式，能始终保持加热炉的稳定供热，满足原油的正常 输送。 ( 6 ) 电渣加热技术 图1 - 2 电渣加热熔化装置示意图 目前的电渣加热技术主要应用在以下方面： ( a ) 电渣熔化加热技术： 电渣加热熔化装置如图1 2 所示。 电流通过液态熔渣产生的电阻热将金属电极熔化，熔化的金属汇聚成滴， 1 2 第1 章绪论 穿过渣层进入金属渣池，然后在异型水冷结晶器内凝固成异型铸件。铸件自下 而上凝固，使金属熔池和渣池不断向上移动，上升的渣池首先在水冷结晶器内 壁上形成一层渣壳。这层渣壳不仅使铸件表面光滑，也起到保温隔热作用，并 使更多的热量从铸件传给底部的冷区水，这将更有利于铸件结晶过程自下而上 的进行。 ) 金属表面电渣加热技术： 电流通过液态熔渣产生的电阻热将金属工件表面进行加热，其目的并不是 要将金属熔化，而是把金属表面加热到一个予期的温度，然后进行双金属复合 【2 1 】或对金属表面进行热处理，从而实现节能高效。这也是本课题提出的全新概 念。 ( c ) 对金属电渣加热： 对金属液进行电渣加热，如电渣热封顶补缩技术，电渣热封顶( e s t j 咖电 渣热补缩技术。主要用于大型铸锭和大型铸件的电渣热封顶。其目的都在于减 小缩孔深度，消除疏松和偏析，提高铸锭及铸件的密度和成材率。大型铸锭的 电渣热封顶是用一般冶炼方法冶炼的钢液浇入盛有渣料的钢锭模。由于融渣的 比重大大小于钢液，因此在锭模内钢液上面迅速形成一个渣池，将金属电极或 石墨电极插入渣池，适量输入电能即可进行热封顶。采用金属电极热封顶，可 使金属液以熔滴的形式不断地填充缩孔，效果优于石墨电极。但必须制备与铸 锭化学成分相同的“本钢种”金属电极。 1 4 本课题的研究意义 目前对金属表层进行加热主要有两个方面的应用，一是改变表层金属的力 学性能、物理性能等，而芯部金属保持不变，多用于金属表面热处理；二是以 熔化表层金属为目的实现双金属或多金属的复合。 本课题主要是研究金属表层电渣加热的机理，使电渣加热技术更好的应用 于双金属或多金属的复合。 随着经济建设的迅速发展，越来越多的部门和地方需要使用大量特殊的金 属材料。各种有色、稀有等贵重金属加工成耐腐蚀、耐高温和耐摩擦的特殊金 属材料，用来制些特殊设备的构件，常常增加生产成本，造成不必要的资源浪 费。例如在轧钢和铸轧生产中，轧辊在轧制过程中承受负荷大，工作强度高， 第1 章绪论 工作条件恶劣，受力状况复杂，因此磨损非常严重，需要经常修磨甚至更换， 容易影响工作精度和工作效率，因此轧辊已成为轧制生产过程中的主要消耗部 件之一。轧钢行业轧辊寿命短、容易产生早期失效的问题，严重制约着轧钢企 业的经济效益和劳动效率。如何找到和发展一种新的工艺来解决上述