开讲啦！高端特殊钢如何实现高洁净度、高均质化控制？听专家怎么说

编者按：“钢铁工业协同创新关键共性技术丛书”由钢铁共性技术协同创新中心副主任王国栋院士担任主编，业内多位院士担任顾问，联合钢铁行业各领域的权威专家、学者共同撰写，凝炼出涵盖整个钢铁制造全流程（选矿-冶炼-热轧-冷轧-产品-服务）的关键共性技术，包含国际原创性工艺思想和生产装备技术，可供钢铁企业及广大科技工作者了解新技术、应用新技术，帮助企业开阔视野、正确决策，促进钢铁行业高质量绿色发展。

高品质特殊钢电渣重熔技术

1 研究背景

近年来，载人航天、探月工程、大飞机、高速铁路、新一代核电、超超临界火力和特大型水电等一大批国家重大工程的陆续实施，对高品质特殊钢材料的发展提出了前所未有的迫切需求。高品质特殊钢的研发和生产，直接关系到这些重大工程的顺利实施，影响着国民经济和国防建设的长远发展。

电渣重熔是生产高端特殊钢最重要的手段之一，电渣钢的质量水平对高端装备制造业至关重要。电渣钢具有洁净度高，非金属夹杂物细小弥散分布，无明显的宏观成分偏析、微观偏析小，无缩孔、疏松等铸造缺陷，碳化物均匀细小等特点，对服役性能要求苛刻的特大型钢锭和高合金材料很适合采用电渣方法生产。随着高端装备及其材料的升级换代，电渣钢的服役条件越来越苛刻，质量和性能要求越来越高，制备难度加大，导致系列高端产品无法用传统技术生产，成为“卡脖子”技术。而影响电渣钢质量的核心主要包括气体、夹杂物、成分均匀性和凝固质量，而这些又与渣系、工艺和装备技术水平密切相关。

2 创新理论

鉴于此，在多年研究基础上，提出了两个电渣重熔技术创新理论。

2.1 创新理论一：“全参数过程稳定”的洁净化理论

传统电渣在大气下熔炼，电极氧化、气体渗透，随着电极熔化，输入渣中的功率增加，渣温升高，渣钢氧化性增加，易氧化元素烧损加剧，钢锭质量持续恶化。为此，提出洁净度控制新思想：由于自耗电极洁净度很高，电渣的主要任务已由精炼转变为防止金属被大气污染，因而需要采用全密闭气体保护；同时，通过控制电参数，使电渣重熔全过程所有的冶金反应参数，如渣池温度、熔渣成分、熔池深度和钢渣氧化性等始终保持不变，从而保证冶金反应和凝固条件恒定，获得成分均匀和洁净度高的钢锭。这一新思想称之为“全参数过程稳定”的洁净化理论，即CSP理论（图1）。

2.2 创新理论二：“超快冷和最佳熔速下浅平熔池均质化凝固理论”

传统电渣重熔技术，随着电极熔化速度增加，钢锭表面质量改善，但内部凝固质量恶化，造成内外质量控制的相互矛盾。通过研究发现了新规律，即电渣锭的局部凝固时间与电极熔化速度之间呈“√”字型关系，存在一个局部凝固时间最短的最佳熔速，而且其数值随冷却强度的提高向右下方移动。另外，传统电渣工艺的金属熔池形状呈“V”字型，如果能使熔池呈浅平状，即使在较低熔速下，表面质量也较高。这样就找到了一个更宽更快的熔速范围，保证钢锭质量“内外兼修”。这一新思想称之为“超快冷和最佳熔速下浅平熔池均质化凝固理论”，即SCOM理论（图2）。 

上述理论的实现途径（图3）：全密闭气氛保护和渣系优化实现洁净度控制；多电极布置和导电结晶器实现浅平熔池控制；多锥度结晶器和二次气雾冷却实现超快冷；最终通过最佳熔速控制实现电渣钢的洁净化和均质化。

3 编撰成书

基于以上创新思想，开展了大量的理论研究，攻克了系列关键共性技术难题，并对相关内容进行了系统的梳理和总结，撰写了《高品质特殊钢电渣重熔技术》一书，全书共分为10章，其中第一章属于总论部分，介绍了电渣重熔原理、特点、地位、应用及未来发展趋势，此外，针对新一代电渣重熔技术的基本特征以及电渣钢洁净度和均质化凝固控制的新思想进行了系统的介绍；第二章到第四章属于基础理论部分，第二章介绍了电渣过程冶金反应热力学及动力学、易氧化元素烧损及其控制等；第三章阐述了电渣重熔过程熔滴行为、多场耦合行为和组织演变的数值模拟方法，介绍了金属熔滴和结晶器电流对电渣钢锭表面渣壳的动态形成机制与热流分配的影响，建立了电渣过程氮传输行为和GH4169合金铸锭中溶质分布的数值模拟方法；第四章介绍了电渣用渣组成、特点及其选择原则，电渣钢洁净度和凝固质量控制基本理论、影响因素及其调控方法。

第五章属于应用部分，介绍了合金结构钢、轴承钢、高速钢、模具钢、特种不锈钢、耐热钢、高温合金和镍基耐蚀合金等典型电渣钢的品种、质量、性能以及电渣重熔工艺。

第六章到第十章属于电渣重熔的创新技术，其中第六章针对传统电渣大气下熔炼钢锭洁净度低，电极插入深度和熔速不能精确控制的问题，集成全密闭和框架结构、同轴导电、电极动态称重等，研发了全密闭可控气氛电渣炉（图4）及“一键式”智能化控制系统，实现了电渣钢高洁净度、成分和组织的高均匀性。炉内气体含量、电极插入深度和熔速控制精度等多项关键指标达到国际领先水平。

第七章和第八章针对传统电渣重熔一熔一锭，生产效率低、生产成本高、材料利用率低等问题，基于数值模拟研究、抽锭新型渣系研究、T 型导电结晶器技术、电流信号液面检测技术和曲面锥度强化冷却技术，集成创新了半连续电渣重熔空心和实心锭成套技术及装备（图4）。针对空心电渣锭，还自主创新自耗电极蝶形布置与工艺匹配技术、内结晶器摩擦力检测技术和内结晶器防“抱死”技术。

第九章和第十章主要介绍了特厚板坯和特大型电渣重熔技术。集成了低频供电、双极串联、气氛保护、电极称重、多锥度结晶器提升连续抽锭、液位检测、二次冷却等关键技术的成套特厚板坯电渣重熔新技术，制备了世界之最厚度950mm和单重53吨的电渣扁锭。集成了三相三电极中点平衡法、梯度冷却结晶器、气雾强化冷却等核心技术的特大型钢锭电渣重熔技术，成功制备出世界首套AP1000核电主管道用百吨级的电渣锭。

4 技术推广应用

相关技术成果在全国多家特殊钢企业进行了推广应用，产品广泛应用于航空、航天、军工、电力、石化等领域。宝武特冶应用可控气氛电渣炉生产的电渣钢为我国首次探月工程、神舟六号载人航天、第三代核电、700℃示范电站作出了贡献。大冶特钢应用可控气氛电渣技术生产的高端轴承钢成为全球顶级轴承制造企业的主要原料供应商，准高速铁路轴承材料供应占全国的60%以上。舞阳钢铁应用半连续板坯电渣技术制备的电渣锭断面尺寸和单重均为世界第一，以此为原料生产的特厚板不仅用于C919大飞机工程中世界最大的8万吨模压机支撑件，而且成功用于单机容量世界最大的乌东德和白鹤滩水电站，彻底改写了我国重大工程高品质超厚钢板只能依赖进口的历史。

（本文摘编自“钢铁工业协同创新关键共性技术丛书”之《高品质特殊钢电渣重熔技术》（姜周华， 董艳伍，耿鑫，刘福斌著.—北京：冶金工业出版社，2021.5））

本文转自世界金属导报。