特殊钢铁冶金技术的新发展

        摘要:特殊钢是钢铁材料中的高技术含量产品,其生产和应用代表了一个国家的工业化发展水平。本文对生产高品质特殊钢的真空感应熔炼技术、电渣冶金技术、真空自耗熔炼技术和电子束重熔炼技术的最新进展进行了介绍。
特殊钢铁冶金        一般而言,特殊钢铁指有特殊化学成分、特殊组织性能、满足特殊需要的钢种。特殊钢是重大装备制造和国家重点工程建设所需的关键材料,是钢铁材料中高技术含量的产品。新中国成立后的60余年里,中国特殊钢事业从无到有,不断壮大,基本满足了国家经济建设和国防事业需求。近年来,随着中国经济结构的调整,经济发展模式从劳动密集向技术密集型转变,中国特殊钢也开始快速发展。
        1 中国特殊钢行业概况
        中国特殊钢生产从20世纪50年代学习苏联开始,经过60年的发展,从无到有,大致经历以下几个阶段:
        建国初期,通过向苏联学习,建立了一些特钢企业,主要满足国防和重点建设项目的需要;改革开放30年来,特殊钢企业的建设和改造取得了令人瞩目的成就;21世纪以来,中国特殊钢铁行业经过结构优化、兼并重组,在集团化、专业化、产业延伸等方面都取得了很大进展,逐步形成了大型特殊钢企业集团和专业化特钢企业,同时在全行业逐步建成不锈钢等专业化生产线;中国特殊钢产量已经达到了很高的水平,目前中国特殊钢的品种和产量可以满足国民经济建设约80%以上的需求。
        2 特殊钢铁冶金技术的新发展
        2.1真空感应熔炼
        电磁搅拌和惰性气体搅拌技术在真空感应熔炼中得到很大的发展。感应炉冶炼本身已经存在较强烈的搅拌作用,加上电磁搅拌后,气体上升到溶液界面大量析出,对于材料的去气有很好的效果。必须注意的是,要选择合适的搅拌功率,避免对炉衬的过度冲击。
        在气体搅拌时,惰性气体通过注入坩埚底部的锥形多孔塞进入熔池。当惰性气体穿过熔融金属时,气泡体积和表面积增大,靠近金属面时,体积明显膨胀,使气体和金属间有更高的比表面进行交换反应,缩短了溶液表面的更换周期,并改善整个熔池的均匀性。同时,还使细小的氧化物聚集,夹杂物漂浮到熔融金属表面,达到净化材料的效果。
        从脱气角度看,感应炉设计也要考虑感应圈的直径与高度之比,使溶液上表面增大,有利于脱气,并使耐火材料与熔融金属的接触面显著减少,降低对炉衬的侵蚀。有资料认为,坩埚直径与高之比D /H=1时比较适合(尽管理论上的最佳值为D /H=2)。
        2.2电渣重熔
        传统电渣重熔采用一次重熔一个钢锭的间歇式生产方式,这样不仅生产效率低,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,因而生产成本也比较高。另外,传统电渣重熔由于电流路径是变压器-短网-电极-渣池-金属熔池(钢锭)-底水箱-短网-变压器,渣池与金属熔池之间存在着很大的热交换,因此金属熔池深度与电极融化速度成正比,为保证钢锭结晶质量,熔化速度与锭直径之比不超过1。所以,电极的熔化速度受到很大的限制。当重熔直径小于300mm的钢锭时生产效率就更低,生产成本相当高。
        为了克服传统电渣工艺的上述缺点,研究出了电渣连铸技术,该技术既有电渣冶金的特点,也继承了连铸的优点,电渣连铸技术主要特征是采用双极串联、交换电极、Cs137液面检测与控制、连续拉坯及在线切割等技术。在实验室研究的基础上,电渣连铸技术在国内多家钢铁企业得到了成功应用。实践证明将电渣重熔技术和连铸技术的优点融为一体,实现了“提高质量、提高效率、降低成本”的目的。
        2.3真空自耗重熔技术
        真空电弧重熔是一种用于生产高合金质量分数、高组织均匀性材料的二次熔炼工艺,并主要用于高端产品的生产,例如镍基合金、钛合金以及高端特殊钢材料等,尤其是以重熔钛及钛合金的应用最为广泛。真空自耗炉经过多年的发展,在工艺技术方面已经得到了较大的发展,主要包括以下方面:锭型尺寸大型化、同轴异电系统、安全操作新技术、稳定电弧及液态金属流动的控制、冷却条件的控制、熔速自动控制、观察和监控系统、活泼元素熔炼等。
        2.4电子束熔炼
        由于电子束热源的高度灵活性,近年来又是诞生了滴熔法、电子束冷炉膛精炼、电子束熔模铸造、电子束纽扣坩埚熔炼及冷坩埚悬浮熔炼等几种其他的重熔和精炼方法,在这里以电子束熔模铸造为例加以介绍。
        电子束熔模铸造,采用电子束热源和水冷铜坩埚的熔模铸造,用于生产具有定向凝固组织或单晶组织的超高温合金透平零件和具有等轴晶粒组织的钛零件。所用坯料必须是熔炼的清洁材料,没有任何污染物。采用电子束熔炼,能够在浇铸前和浇铸过程中使溶体过热,从而增加金属的流动性。电子束熔铸的明显缺点是,在浇铸过程中由于水冷铜坩埚内的溶体存在温度梯度而使金属温度降低,因此不能用于生产具有非常细小等轴晶粒组织的超高温合金铸件。
        3结语
        特种熔炼技术是生产高品质特殊钢必不可少的手段,其技术的不断发展和提升、必将为高端特殊刚材料的开发奠定坚实的基础,从而满足中国重大装备制造和国家重点工程建设所需关键材料的重大需求。
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        来源:无锡市申冶钢铁有限公司 温磊