電渣重熔技術(shù)新進(jìn)展

電渣重熔技術(shù)新進(jìn)展第1頁(yè)/共80頁(yè)電渣重熔的起源B.E.Paton,B.I.Medovar,1952:firstESRingotatPWI第2頁(yè)/共80頁(yè)ESR:發(fā)展歷程的簡(jiǎn)要回顧1952-1958:實(shí)驗(yàn)室研究1958:在前蘇聯(lián)和中國(guó)工業(yè)化1963:開始在西方國(guó)家工業(yè)化1967:召開第一國(guó)際會(huì)議1970-1980:在全世界推廣應(yīng)用1980-1990:保護(hù)氣氛和加壓電渣爐1990-穩(wěn)定發(fā)展期2000:ESRLM,ESRR?

,ESCC（電渣連鑄）???第3頁(yè)/共80頁(yè)生產(chǎn)效率低：熔化速度低、單件生產(chǎn)，成本高電耗高：1400～1700kWh/t氟的污染：傳統(tǒng)渣系中含70%CaF2產(chǎn)品潔凈度低：大氣下重熔，元素易氧化、氣體含量高大鋼錠凝固偏析嚴(yán)重：凝固控制不能定量化特大型板坯電渣重熔技術(shù)不過(guò)關(guān)，尤其是我國(guó)傳統(tǒng)電渣重熔不足第4頁(yè)/共80頁(yè)技術(shù)路線第5頁(yè)/共80頁(yè)1.電渣連鑄（ESCC)——生產(chǎn)效率傳統(tǒng)ESR：熔池深度與電極熔化速度成正比，為保證鋼錠結(jié)晶質(zhì)量，熔化速度與錠直徑之比不超過(guò)1。ESCC：將熔化和結(jié)晶的熱過(guò)程分離，使熔化速度與金屬熔池深度幾乎不相關(guān);將連鑄思想引入電渣過(guò)程。第6頁(yè)/共80頁(yè)1.電渣連鑄——理論分析渣池及鑄錠中的溫度場(chǎng)分布傳統(tǒng)ESRESCC第7頁(yè)/共80頁(yè)1.電渣連鑄——實(shí)驗(yàn)室研究電渣連鑄實(shí)驗(yàn)裝置（東北大學(xué)）第8頁(yè)/共80頁(yè)電渣連鑄坯的低倍組織

MacrographontransversalsectionMacrographonlongitudinalsection第9頁(yè)/共80頁(yè)1.電渣連鑄——工業(yè)應(yīng)用世界最大斷面的電渣連鑄設(shè)備（興澄特鋼公司）第10頁(yè)/共80頁(yè)1.電渣連鑄——產(chǎn)品300×340mm合金鋼方坯Φ600×6000mm合金鋼圓坯

世界最大斷面的電渣連鑄坯（興澄特鋼）第11頁(yè)/共80頁(yè)電渣連鑄技術(shù)的不斷完善第12頁(yè)/共80頁(yè)

1.電渣連鑄——流程的變革（意義）新流程：實(shí)現(xiàn)電渣生產(chǎn)高級(jí)特殊鋼的連續(xù)化、高效化和低成本化傳統(tǒng)流程：鋼錠單件生產(chǎn)效率低、成材率低、電耗高

第13頁(yè)/共80頁(yè)2.低滲透率節(jié)能型低氟渣系大型鋼錠的氫控制，節(jié)能減排測(cè)定電渣重熔渣系的氫滲透率，找出與渣成分的關(guān)系,使氫的控制定量化；應(yīng)用后節(jié)能減排效果顯著：噸鋼節(jié)電200kWh，鋼中基本不增氫并明顯減少氟的排放。第14頁(yè)/共80頁(yè)不同渣系氫含量在重熔過(guò)程的變化（ALD）起始階段是氫含量最高的區(qū)間第15頁(yè)/共80頁(yè)2.低滲透率節(jié)能型低氟渣系測(cè)定了電渣重熔渣系的氫滲透率式中：JH2—滲過(guò)渣層單位時(shí)間內(nèi)鋼中增氫量，mol·min-1；l—

渣層厚度，cm；S

—

渣層截面積，cm2；PH2—熔渣中氫的滲透率,mol·cm-1·min-11-剛玉管；2-MgO坩鍋；3-石墨坩鍋；4-熔體；5-加熱部件；6-保護(hù)氣氛；7-控溫和測(cè)溫?zé)犭娕迹?-溫度計(jì)；9-恒溫水浴；10-氣體

氫滲透率測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置示意圖第16頁(yè)/共80頁(yè)電渣重熔渣系的氫滲透率渣編號(hào)L0L1L2L2-1L2-2L3氫滲透率，×10-6mol.cm-1.min-10.482.380.982.184.222.36鋼液中氫隨時(shí)間變化曲線第17頁(yè)/共80頁(yè)2.低滲透率節(jié)能型低氟渣系氫在氣、渣和金中的行為機(jī)理氫在渣中的存在形式：H2O作為兩性氧化物，在硅酸鹽熔渣中的存在形態(tài)取決于渣堿度或硅氧陰離子的聚合程度。在酸性渣中，H2O與橋氧結(jié)合形成羥基OH；在堿性渣中，H2O與硅氧陰離子的非橋氧結(jié)合，使硅氧陰離子聚合并生成氫氧根離子OH-；在強(qiáng)堿性渣中，H2O與渣中的自由氧離子結(jié)合并形成OH-。水汽在ESR渣中的溶解度與渣成分關(guān)系：CaF2-CaO-Al2O3三元系中CaO含量越高，渣中的氫含量也越高；適當(dāng)加入SiO2

有利于降低渣中的氫含量，但過(guò)高且相反。第18頁(yè)/共80頁(yè)采用保護(hù)氣氛、返回渣及預(yù)熔渣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)熔渣是減少鋼中氫含量的有效手段渣系大氣濕度%水氣分壓Pa備注L2-320328保護(hù)氣氛L2-4203282.1kg返回渣+0.9新L2-536626預(yù)熔渣L2-645737預(yù)熔渣＋爐底烘烤第19頁(yè)/共80頁(yè)（2）低滲透率節(jié)能型低氟渣系低滲透率節(jié)能型低氟渣系設(shè)計(jì)思想不采用傳統(tǒng)的ANF-6渣（70%CaF2-30%Al2O3），雖然其氫滲透率最低，但存在氟污染嚴(yán)重、電耗高的問(wèn)題；采用CaO、MgO部分替代CaF2減少氟的污染問(wèn)題，適當(dāng)添加SiO2以降低氫的滲透率；低導(dǎo)電率的低氟五元渣系CaF2-CaO-Al2O3-MgO-SiO2

有利于降低電耗和改善鋼錠凝固質(zhì)量。應(yīng)用效果節(jié)能減排效果顯著：工業(yè)應(yīng)用后取得了噸鋼節(jié)電200kWh以上的顯著效果，同時(shí)保證了鋼中基本不增氫并明顯減少了氟的排放。第20頁(yè)/共80頁(yè)3.保護(hù)氣氛電渣重熔技術(shù)大氣下ESR過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)第21頁(yè)/共80頁(yè)第22頁(yè)/共80頁(yè)保護(hù)氣氛ESR主要作用可以完全避免電極和爐渣的氧化Ti,Zr,Al,Si等元素的氧化燒損可以基本避免,特別有利于含Al,Ti高溫合金的窄成分控制可以獲得高潔凈度的鋼錠用Ar保護(hù)時(shí)可以防止鋼的吸氮和吸氫對(duì)于含N鋼可以采用氮?dú)獗Ｗo(hù)對(duì)脫硫效果有一定影響保護(hù)氣氛電渣爐第23頁(yè)/共80頁(yè)不同熔煉方法的潔凈度第24頁(yè)/共80頁(yè)第25頁(yè)/共80頁(yè)雙聯(lián)工藝和三聯(lián)工藝GH4169合金各工序S和氣體含量統(tǒng)計(jì)值(×10-4%)第26頁(yè)/共80頁(yè)不同保護(hù)狀態(tài)ESR錠部分元素的統(tǒng)計(jì)平均值第27頁(yè)/共80頁(yè)不同保護(hù)狀態(tài)ESR錠部分元素的統(tǒng)計(jì)平均值ProtectingstateGH4169GH2132△C△Al△TiSONSVAROVARNVAR△C△Al△Ti％×10-4%×10-4%%%Meltingintheair0.0040.060.09112465151454SimpleArgasprotection0.0030.040.04131459141553-0.004-0.110.36AllclosedArgasprotection0.0000.020.017553141352-0.001-0.030.05第28頁(yè)/共80頁(yè)保護(hù)氣氛電渣重熔高氮不銹鋼試驗(yàn)效果氣體保護(hù)階段CSiMnPSCrNOMoAl氮收得率％脫硫率%脫氧率%Mn燒損%無(wú)重熔前0.0550.2617.70.0150.01517.60.690.0025-<0.0381.240-842.1重熔后0.0470.2415.60.0150.00917.50.560.0046-<0.03N2重熔前0.0580.2018.530.0210.01519.930.830.0036-<0.0397.56030.50.23重熔后0.0520.1718.300.0200.00620.010.810.0025-<0.03N2重熔前0.0480.4518.190.0200.01519.100.710.00712.23<0.0397.25349.30.65重熔后0.0450.4017.540.0200.00718.590.690.00362.03<0.03第29頁(yè)/共80頁(yè)4.加壓電渣重熔高氮鋼1873K下幾種奧氏體不銹鋼中氮的溶解度與氮分壓的關(guān)系加壓電渣爐第30頁(yè)/共80頁(yè)ImprovementandmechanicalpropertiesofX8CrMn1818第31頁(yè)/共80頁(yè)5.凝固偏析控制技術(shù)隨著鋼錠直徑的增加，中心的冷卻條件惡化，鋼錠中心偏析、疏松、縮孔等普通鋼錠的缺陷會(huì)隨著產(chǎn)生，電渣鋼錠的凝固特征消失，鋼的各種性能下降隨著電流的增加，短網(wǎng)的設(shè)計(jì)難度增加，能耗增加三相平衡問(wèn)題加重背景：大型電渣爐的問(wèn)題第32頁(yè)/共80頁(yè)1000mm直徑的ESR鋼錠電渣錠上部中心所出現(xiàn)的縮孔第33頁(yè)/共80頁(yè)1000mm直徑的ESR鋼錠1600mm附近的疏松情況第34頁(yè)/共80頁(yè)1000mmESR鋼錠取樣分析第35頁(yè)/共80頁(yè)縮孔分析鋼中的縮孔第36頁(yè)/共80頁(yè)宏觀偏析率：宏觀偏析分析第37頁(yè)/共80頁(yè)組織及碳化物分析第38頁(yè)/共80頁(yè)枝晶間距分析結(jié)果第39頁(yè)/共80頁(yè)5.凝固偏析控制技術(shù)

樹枝晶間距

枝晶間距越小，組織越致密，鋼錠發(fā)生疏松、縮孔、偏析等凝固缺陷的可能性越小，晶粒度也越小，鋼的機(jī)械性能也越好。lⅠlⅡLⅠ：一次晶間距LⅡ：二次晶間距鋼錠結(jié)晶質(zhì)量的衡量方法第40頁(yè)/共80頁(yè)理論關(guān)系：LST=alⅡ3LST—局部凝固時(shí)間（枝晶凝固時(shí)間）：某一點(diǎn)從鋼的液相線溫度下降至固相線溫度所經(jīng)歷的時(shí)間∴l(xiāng)Ⅱ=αε-1/3=β(LST)1/3枝晶間距與凝固條件的關(guān)系實(shí)驗(yàn)測(cè)定lⅡ=αε-n=β(LST)nn=1/3~1/2，一次晶間距接近1/2局部凝固時(shí)間對(duì)樹枝間距的影響第41頁(yè)/共80頁(yè)最大碳化物尺寸與局部凝固時(shí)間的關(guān)系第42頁(yè)/共80頁(yè)熱平衡測(cè)試與遞減功率工藝控制模型電渣重熔鋼錠凝固過(guò)程數(shù)學(xué)模型電磁場(chǎng)方程Maxwell方程電流密度方程第43頁(yè)/共80頁(yè)流體流動(dòng)方程渦流輸運(yùn)方程方程熱平衡測(cè)試與遞減功率工藝控制模型電渣重熔鋼錠凝固過(guò)程數(shù)學(xué)模型第44頁(yè)/共80頁(yè)傳輸方程傳熱方程熱平衡測(cè)試與遞減功率工藝控制模型電渣重熔鋼錠凝固過(guò)程數(shù)學(xué)模型第45頁(yè)/共80頁(yè)Flemings方程邊值條件的確定 （1）磁場(chǎng) （2）流體流動(dòng) （3）溫度場(chǎng)熱平衡測(cè)試與遞減功率工藝控制模型電渣重熔鋼錠凝固過(guò)程數(shù)學(xué)模型第46頁(yè)/共80頁(yè)渣池及鑄錠中溫度場(chǎng)分布熱平衡測(cè)試與遞減功率工藝控制模型電渣重熔鋼錠凝固過(guò)程數(shù)學(xué)模型第47頁(yè)/共80頁(yè)化渣期正常重熔期補(bǔ)縮期交換電極ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧ功率時(shí)間Ⅰ起弧造渣，Ⅱ低功率化渣，Ⅲ高功率化渣，Ⅳ交換電極后遞增功率，Ⅴ遞減功率重熔，Ⅵ快速遞減功率補(bǔ)縮，Ⅶ慢速遞減功率補(bǔ)縮，Ⅷ恒功率保溫?zé)崞胶鉁y(cè)試與遞減功率工藝控制模型遞減功率工藝控制模型

第48頁(yè)/共80頁(yè)自耗電極熔化速度的測(cè)試方法和自動(dòng)控制系統(tǒng)

稱量系統(tǒng)采用4臺(tái)梅特勒-托利多稱量傳感器和一臺(tái)PANTHER智能儀表實(shí)現(xiàn)熔化重量及熔化速率計(jì)算，稱量傳感器通過(guò)變送器將電極重量轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)傳送給智能儀表，智能儀表信息經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS傳送至PLC系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)電極熔化速度控制。傳感器PLCPROFIBUS4-20mA

智能儀表變送器第49頁(yè)/共80頁(yè)電極插入位置測(cè)試方法與自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)電流和電壓曲線在線跟蹤檢測(cè)，建立了判斷和調(diào)整電極插入位置的最優(yōu)算法，實(shí)現(xiàn)了電極最優(yōu)插入位置控制。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施有效地提高了鋼錠表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量，穩(wěn)定了操作并降低了電耗。—電流給定+PID電機(jī)速度調(diào)節(jié)熔化電流—電壓給定+PID勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)二次電壓第50頁(yè)/共80頁(yè)電渣爐智能檢測(cè)與控制系統(tǒng)

開發(fā)了電渣爐檢測(cè)與自動(dòng)化控制系統(tǒng)，包括變壓器二次電壓無(wú)級(jí)有載調(diào)壓控制系統(tǒng)、電極稱量和熔化速度控制系統(tǒng)、最佳電極插入渣池深度的智能控制方法、基于專家系統(tǒng)的智能化遞減功率工藝控制模型。實(shí)現(xiàn)全過(guò)程的自動(dòng)化操作，保證鋼錠的最佳質(zhì)量和組織和成分高度的重現(xiàn)性，最高的生產(chǎn)效率和最低電能消耗。第51頁(yè)/共80頁(yè)

從電磁場(chǎng)的基本理論麥克斯韋方程出發(fā)，系統(tǒng)地研究了電渣爐復(fù)雜磁場(chǎng)的測(cè)定方法和計(jì)算方法,提出測(cè)試方法并在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證，形成了測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。開發(fā)成功了電渣爐大電流導(dǎo)體產(chǎn)生磁場(chǎng)的計(jì)算方法并開發(fā)相應(yīng)計(jì)算軟件,為優(yōu)化電渣爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。6.基于電磁場(chǎng)分析的短網(wǎng)設(shè)計(jì)第52頁(yè)/共80頁(yè)麥克斯韋方程組定律微分形式積分形式法拉第定律

安培定律高斯定律高斯磁通定律電渣爐磁場(chǎng)的測(cè)試方法和計(jì)算機(jī)模擬軟件第53頁(yè)/共80頁(yè)電渣爐磁場(chǎng)的測(cè)試方法和計(jì)算機(jī)模擬軟件模型Ⅰ的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

第54頁(yè)/共80頁(yè)模型Ⅱ的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

電渣爐磁場(chǎng)的測(cè)試方法和計(jì)算機(jī)模擬軟件第55頁(yè)/共80頁(yè)電渣爐磁場(chǎng)的測(cè)試方法和計(jì)算機(jī)模擬軟件電渣爐不同二次大電流導(dǎo)體布置形式的磁場(chǎng)分布分析第56頁(yè)/共80頁(yè)電渣爐磁場(chǎng)的測(cè)試方法和計(jì)算機(jī)模擬軟件VH=KHIHBcosθ

IH——工作電流，AB——磁通密度，TKH——元件靈敏度，V/（A·T）VH——霍爾電勢(shì)，Vθ

——表示磁場(chǎng)方向和半導(dǎo)體平面的法線的夾角FB——磁場(chǎng)力，NFE

——電場(chǎng)子力，N

特斯拉計(jì)的測(cè)試原理為霍爾效應(yīng)，即在一塊半導(dǎo)體單晶薄片的縱向二端通以電流I，此時(shí)半導(dǎo)體中的電子沿著和I相反的方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)放入垂直于半導(dǎo)體平面的磁場(chǎng)B中，則電子會(huì)受到磁場(chǎng)子力FB的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)（即所謂勞侖茲力）使在薄片的一個(gè)橫端面上產(chǎn)生了電子積累，造成二橫端面之間建立了電場(chǎng)，即產(chǎn)生了電場(chǎng)子力FE，而起到阻止電子偏轉(zhuǎn)的作用。當(dāng)磁場(chǎng)力FB=電場(chǎng)子力FE時(shí)，電子的積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，就產(chǎn)生了一個(gè)穩(wěn)定的霍爾電勢(shì)V，這一現(xiàn)象稱之為霍爾效應(yīng)。測(cè)試方法第57頁(yè)/共80頁(yè)電渣爐磁場(chǎng)的測(cè)試方法和計(jì)算機(jī)模擬軟件電渣爐磁場(chǎng)計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比第58頁(yè)/共80頁(yè)7.電渣新技術(shù)的應(yīng)用

——20噸恒熔速保護(hù)氣氛電渣爐二次電壓有載無(wú)級(jí)可調(diào)保護(hù)氣氛（氬氣或氮?dú)猓┓Q重傳感器連續(xù)測(cè)量電極熔化速度并實(shí)現(xiàn)熔速控制短網(wǎng)密排平行與同軸布置單爐頭雙熔煉工位20噸熔速控制保護(hù)氣氛電渣爐（寶鋼）第59頁(yè)/共80頁(yè)特大型板坯電渣爐（舞鋼）7.電渣新技術(shù)的應(yīng)用

——40噸大型板坯鑄電渣爐低頻供電：0-5Hz雙極串聯(lián)技術(shù)結(jié)晶器移動(dòng)式抽錠二次冷卻最大斷面：1000×2000mm電耗：1000-1150kWh.t-1鋼錠質(zhì)量：滿足特殊用途高強(qiáng)特厚板第60頁(yè)/共80頁(yè)生產(chǎn)過(guò)程第61頁(yè)/共80頁(yè)電渣錠（950×2000×2800mm）第62頁(yè)/共80頁(yè)760×2000×2700mm電渣扁錠第63頁(yè)/共80頁(yè)鋼板最大厚度410mm整板滿足B/T4730.3-2005Ⅰ級(jí)要求，

局部按鍛件標(biāo)準(zhǔn)抽檢合格。

鋼種使用結(jié)晶器最大單重規(guī)格探傷標(biāo)準(zhǔn)探傷結(jié)果

P20640型、960型40≤410SEL072-77合Ⅰ級(jí)

WSM718R640型、760型33≤410JB/T4730.3-2005合Ⅰ級(jí)16MnR(HIC)640型33150～220SEL072-77合Ⅰ級(jí)

980640型2880～120JB/T4730.3-2005合Ⅰ級(jí)12Cr2Mo1R760型32150～180JB/T4730.3-2005合Ⅰ級(jí)S355J2+N-Z35760型、960型40≤410JB/T4730.3-2005合Ⅰ級(jí)品種與質(zhì)量第64頁(yè)/共80頁(yè)WSM718R鋼重熔前后主要成分變化情況

CSiMnPSNiCrAlMo重熔前0.360.381.180.0130.0030.911.830.0400.45重熔后0.350.421.120.0130.0030.901.810.0250.44變化量↓0.01↑0.04↓0.0600↓0.01↓0.02↓0.015↓0.01偏析量－0.02~＋0.02－0.04~＋0.06－0.0