电渣重熔技术新进展

1、会计学1电渣重熔技术新进展电渣重熔技术新进展B.E. Paton, B.I. Medovar, 1952: first ESR ingot at PWI生产效率低：生产效率低：熔化速度低、单件生产，成本高熔化速度低、单件生产，成本高电耗高：电耗高：14001700kWh/t氟的污染：氟的污染：传统渣系中含传统渣系中含70%CaF2产品洁净度低：产品洁净度低：大气下重熔，元素易氧化、气体含量高大气下重熔，元素易氧化、气体含量高大钢锭凝固偏析严重：大钢锭凝固偏析严重：凝固控制不能定量化凝固控制不能定量化特大型板坯电渣重熔技术不过关特大型板坯电渣重熔技术不过关，尤其是我国，尤其是我国传统电渣重熔不足

2、传统电渣重熔不足ESCCESCC：将熔化和结晶的热过程分离，使熔化速度与金属熔池深度几乎不相关;将连铸思想引入电渣过程。渣池及铸锭中的温度场分布渣池及铸锭中的温度场分布传统传统ESRESCC电渣连铸实验装置（东北大学电渣连铸实验装置（东北大学） Macrograph on transversal sectionMacrograph on longitudinal section世界最大断面的电渣连铸设备（兴澄特钢公司）世界最大断面的电渣连铸设备（兴澄特钢公司） 300340mm合金钢方坯合金钢方坯 6006000mm合金钢圆坯合金钢圆坯 世界最大断面的电渣连铸坯（兴澄特钢）世界最大断面的电渣连

3、铸坯（兴澄特钢）1.1.电渣连铸电渣连铸流程的变革（意义）流程的变革（意义）新流程：实现电渣生产高级特殊钢的连续化、高效化和低成本化传统流程：钢锭单件生产效率低、成材率低、电耗高 不同渣系氢含量在重熔过程的变化（不同渣系氢含量在重熔过程的变化（ALD）起始阶段是氢含量最高的区间起始阶段是氢含量最高的区间1-刚玉管；2-MgO坩锅；3-石墨坩锅；4-熔体；5-加热部件；6-保护气氛；7-控温和测温热电偶；8-温度计；9-恒温水浴；10-气体 氢渗透率测定实验装置示意图氢渗透率测定实验装置示意图SlJPHH22渣编号L0L1L2L2-1L2-2L3氢渗透率，10-6mol.cm-1.min-10.

4、482.380.982.184.222.36钢液中氢随时间变化曲线钢液中氢随时间变化曲线 采用保护气氛、返回渣及预熔渣的实验结果采用保护气氛、返回渣及预熔渣的实验结果预熔渣是减少钢中氢含量的有效手段预熔渣是减少钢中氢含量的有效手段渣系大气湿度%水气分压Pa备注L2-320328保护气氛L2-4203282.1kg返回渣+0.9新L2-536626预熔渣L2-645737预熔渣炉底烘烤大气下大气下ESR过程的化学反应过程的化学反应保护气氛电渣炉Protecting stateGH4169GH2132CAlTiSONSV ARO V ARN V ARCAlTi10-4 %10-4 %Melting

5、 in the air0.0040.060.09112465151454Simple Ar gas protection0.0030.040.04131459141553-0.004-0.110.36Allclosed Ar gas protection0.0000.020.017553141352-0.001-0.030.05气体保护阶段CSiMnPSCrNOMoAl氮收得率脱硫率%脱氧率%Mn烧损%无重熔前 0.055 0.26 17.7 0.015 0.015 17.6 0.69 0.0025-0.0381.240-842.1重熔后 0.047 0.24 15.6 0.015 0.009

6、 17.5 0.56 0.0046-0.03N2重熔前 0.058 0.20 18.53 0.021 0.015 19.93 0.83 0.0036-0.0397.56030.50.23重熔后 0.052 0.17 18.30 0.020 0.006 20.01 0.81 0.0025-0.03N2重熔前 0.048 0.45 18.19 0.020 0.015 19.10 0.71 0.0071 2.23 0.0397.25349.30.65重熔后 0.045 0.40 17.54 0.020 0.007 18.59 0.69 0.0036 2.03 0.031873K下几种奥氏体不锈钢中氮

7、的溶解度与氮分压的关系 加压电渣炉背景：大型电渣炉的问题背景：大型电渣炉的问题电渣锭上部中心所出现的缩孔电渣锭上部中心所出现的缩孔 1600mm附近的疏松情况附近的疏松情况钢中的缩孔钢中的缩孔%MM宏观偏析率宏观偏析率： llL：一次晶间距一次晶间距 L：二次晶间距二次晶间距钢锭结晶质量的衡量方法钢锭结晶质量的衡量方法理论关系：理论关系：LST=al3LST局部凝固时间（枝晶凝固时间）：某一点从钢的液相线温度下降至固相线温度所经历的时间 l=-1/3=(LST)1/3枝晶间距与凝固条件的关系枝晶间距与凝固条件的关系实验测定实验测定l=-n=(LST)nn=1/3 1/2，一次晶间距接近1/25

8、001000150020005000300020001000600LL 枝晶间距 LST s局部凝固时间对树枝间距的局部凝固时间对树枝间距的影响影响最大碳化物尺寸与局部凝固时间的关系最大碳化物尺寸与局部凝固时间的关系 热平衡测试与递减功率工艺控制模型热平衡测试与递减功率工艺控制模型 电渣重熔钢锭凝固过程数学模型电渣重熔钢锭凝固过程数学模型 电磁场方程电磁场方程 MaxwellMaxwell方程方程 HjzHrHrrr0221 电流密度方程电流密度方程 zHJrHrrrJz1流体流动方程流体流动方程 涡流输运方程涡流输运方程 0Re0332rTgrJHrrrrrrzrzzrrrrzrreffef

9、f 方程方程0rSrrrzrzzrzzeffeffk热平衡测试与递减功率工艺控制模型热平衡测试与递减功率工艺控制模型 电渣重熔钢锭凝固过程数学模型电渣重熔钢锭凝固过程数学模型 01rSrcrbrzcrbzzrrzazra 传输方程传输方程 iTiiiPiiirSzTrKzrTrKrzTVCr, 传热方程传热方程 热平衡测试与递减功率工艺控制模型热平衡测试与递减功率工艺控制模型 电渣重熔钢锭凝固过程数学模型电渣重熔钢锭凝固过程数学模型 LSTKKdloglog21 FlemingsFlemings方程方程 边值条件的确定边值条件的确定（1 1）磁场）磁场（2 2）流体流动）流体流动（3 3）温度

10、场）温度场热平衡测试与递减功率工艺控制模型热平衡测试与递减功率工艺控制模型 电渣重熔钢锭凝固过程数学模型电渣重熔钢锭凝固过程数学模型 渣池及铸锭中温度场分布渣池及铸锭中温度场分布热平衡测试与递减功率工艺控制模型热平衡测试与递减功率工艺控制模型 电渣重熔钢锭凝固过程数学模型电渣重熔钢锭凝固过程数学模型 化渣期化渣期正常重熔期正常重熔期补缩期补缩期交换电极交换电极功功率率时间时间起弧造渣起弧造渣，低功率化渣低功率化渣，高功率化渣，高功率化渣，交换电极后递增功率，交换电极后递增功率，递减功率重熔，递减功率重熔，快速递减功率补缩，快速递减功率补缩，慢速递减功率补缩，慢速递减功率补缩，恒功率保温恒功率保

11、温热平衡测试与递减功率工艺控制模型热平衡测试与递减功率工艺控制模型 递减功率工艺控制模型递减功率工艺控制模型 自耗电极熔化速度的测试方法和自动控制系统自耗电极熔化速度的测试方法和自动控制系统 称量系统采用称量系统采用4 4台梅特勒台梅特勒- -托利多称量传感器和一台托利多称量传感器和一台PANTHERPANTHER智能仪表实现熔化重量及熔化速率计算，称量传感器通过变送智能仪表实现熔化重量及熔化速率计算，称量传感器通过变送器将电极重量转化为标准电流信号传送给智能仪表，智能仪表器将电极重量转化为标准电流信号传送给智能仪表，智能仪表信息经现场总线信息经现场总线PROFIBUSPROFIBUS传送至传

12、送至PLCPLC系统，从而实现电极熔化速系统，从而实现电极熔化速度控制。度控制。 传感器传感器PLCPROFIBUS4-20mA 智能仪表智能仪表变送器变送器电极插入位置测试方法与自动调节和控制系统电极插入位置测试方法与自动调节和控制系统 通过对电流和电压曲线在线跟踪检测，建立了判断和调整通过对电流和电压曲线在线跟踪检测，建立了判断和调整电极插入位置的最优算法，实现了电极最优插入位置控制。通电极插入位置的最优算法，实现了电极最优插入位置控制。通过现场实施有效地提高了钢锭表面质量和内部质量，稳定了操过现场实施有效地提高了钢锭表面质量和内部质量，稳定了操作并降低了电耗。作并降低了电耗。电流给定电流

13、给定+PID电机速度调节电机速度调节熔化电流熔化电流电压给定电压给定+PID励磁电压调节励磁电压调节二次电压二次电压电渣炉智能检测与控制系统电渣炉智能检测与控制系统 开发了电渣炉检测与自动化控制系统，包括变压器二次电压无级有载开发了电渣炉检测与自动化控制系统，包括变压器二次电压无级有载调压控制系统、电极称量和熔化速度控制系统、最佳电极插入渣池深度的调压控制系统、电极称量和熔化速度控制系统、最佳电极插入渣池深度的智能控制方法、基于专家系统的智能化递减功率工艺控制模型。实现全过智能控制方法、基于专家系统的智能化递减功率工艺控制模型。实现全过程的自动化操作，保证钢锭的最佳质量和组织和成分高度的重现性

14、，最高程的自动化操作，保证钢锭的最佳质量和组织和成分高度的重现性，最高的生产效率和最低电能消耗。的生产效率和最低电能消耗。 从电磁场的基本理论麦克斯韦方程出发，系统地从电磁场的基本理论麦克斯韦方程出发，系统地研究了电渣炉复杂磁场的测定方法和计算方法研究了电渣炉复杂磁场的测定方法和计算方法, , 提提出测试方法并在现场实测验证，形成了测试标准。出测试方法并在现场实测验证，形成了测试标准。 开发成功了电渣炉大电流导体产生磁场的计算方开发成功了电渣炉大电流导体产生磁场的计算方法并开发相应计算软件法并开发相应计算软件, ,为优化电渣炉结构设计提供为优化电渣炉结构设计提供了理论依据。了理论依据。 麦克斯

15、韦方程组麦克斯韦方程组 定律定律微分形式微分形式积分形式积分形式 法拉第定律法拉第定律 安培定律安培定律高斯定律高斯定律高斯磁通定律高斯磁通定律BEt tDHJvD0BcsBE dldst cDsH dlJdstcvVD dsdVc0B ds电渣炉磁场的测试方法和计算机模拟软件电渣炉磁场的测试方法和计算机模拟软件 电渣炉磁场的测试方法和计算机模拟软件电渣炉磁场的测试方法和计算机模拟软件 模型模型的磁感应强度云图的磁感应强度云图 模型模型的磁感应强度云图的磁感应强度云图 电渣炉磁场的测试方法和计算机模拟软件电渣炉磁场的测试方法和计算机模拟软件 电渣炉磁场的测试方法和计算机模拟软件电渣炉磁场的测试

16、方法和计算机模拟软件 电渣炉不同二次大电流导体布置形式的磁场分布分析电渣炉不同二次大电流导体布置形式的磁场分布分析电渣炉磁场的测试方法和计算机模拟软件电渣炉磁场的测试方法和计算机模拟软件 VH=KHIHBcos IH工作电流，工作电流，AB磁通密度，磁通密度，TKH元件灵敏度，元件灵敏度，V/（AT）VH霍尔电势，霍尔电势，V 表示磁场方向和半导体平面的法表示磁场方向和半导体平面的法线的夹角线的夹角FB 磁场力，磁场力，NFE 电场子力，电场子力，N 特斯拉计的测试原理为霍尔效应，即在一块半导体单晶薄片的纵向二端特斯拉计的测试原理为霍尔效应，即在一块半导体单晶薄片的纵向二端通以电流通以电流I

17、I，此时半导体中的电子沿着和，此时半导体中的电子沿着和I I相反的方向运动。当放入垂直于半相反的方向运动。当放入垂直于半导体平面的磁场导体平面的磁场B B中，则电子会受到磁场子力中，则电子会受到磁场子力F FB B的作用而发生偏转（即所谓劳的作用而发生偏转（即所谓劳仑兹力）使在薄片的一个横端面上产生了电子积累，造成二横端面之间建立仑兹力）使在薄片的一个横端面上产生了电子积累，造成二横端面之间建立了电场，即产生了电场子力了电场，即产生了电场子力F FE E，而起到阻止电子偏转的作用。当磁场力，而起到阻止电子偏转的作用。当磁场力F FB B= =电电场子力场子力F FE E时，电子的积累达到动态平

18、衡，就产生了一个稳定的霍尔电势时，电子的积累达到动态平衡，就产生了一个稳定的霍尔电势V V，这，这一现象称之为霍尔效应。一现象称之为霍尔效应。 测试方法测试方法电渣炉磁场的测试方法和计算机模拟软件电渣炉磁场的测试方法和计算机模拟软件 1002003004005001234567 磁感应强度 mT与测量点距离,mm 测量值 计算值电渣炉磁场计算与实测结果的对比电渣炉磁场计算与实测结果的对比2020吨熔速控制保护气氛电渣炉（宝钢吨熔速控制保护气氛电渣炉（宝钢）特大型板坯电渣炉（舞钢）7.7.电渣新技术的应用电渣新技术的应用 4040吨大型板坯铸电渣炉吨大型板坯铸电渣炉品种与质量CSiMnPSNiC

19、rAlMo重熔重熔前前0.360.381.180.0130.0030.911.830.0400.45重熔重熔后后0.350.421.120.0130.0030.901.810.0250.44变化变化量量0.010.040.06000.010.020.0150.01偏析偏析量量0.020.020.040.060.040.060.020.0200.050.020.090.090.0040.0050.020.028.8.液态电渣浇铸技术液态电渣浇铸技术ESR with Liquid Metal ESR LM与乌克兰巴顿电焊研究所合作项目与乌克兰巴顿电焊研究所合作项目STRUCTURE AND SHA

20、PE OF METAL POOL TYPICAL FOR VAR, STANDARD ESR AND ESR TC (simulation) VAR,ASRVAR,ASRESRESRESRESR TC,LMTC,LMESR LMESR LMESR LM of M1 with triple melt rateESR LM for Hollow IngotsESR LM for Hollow IngotsESR LM Hollows of HASTELLOY G-50ESR LM Hollows of HASTELLOY G-50ESS LM composite billetESS LM composite billetof HSS roll of HSS roll D 740mm(x 100)CoreClad layer生产效率低：生产效率低：熔化速度低、单件生产，成本高熔化速度低、单件生产，成本高电耗高：电耗高：14001700kWh/t氟的污染：氟的污染：传统渣系中含传统渣系中含70%CaF2产品洁净度低：产品洁净度低：大气下重熔，元素易氧化、气体含量高大气下重熔，元素易氧化、气体含量高大钢锭凝固偏析严重：大钢锭凝固偏析严重：凝固控制不能定量化凝固控制不能定量化特大型板坯电渣重熔技术不过关特大型板