第二代电渣冶金技术与重大装备制造

傅 杰

(北京科技大学，北京 100083;武汉科技大学，武汉 430081)

第二代电渣冶金技术与重大装备制造

傅 杰

(北京科技大学，北京 100083;武汉科技大学，武汉 430081)

2010年是我国电渣重熔技术工业化50周年.论述了电渣冶金技术的分类，发展历史的“分期”，第二代电渣冶金技术特征.超大型电渣重熔锭及第二代液态金属浇注大型电渣锭与核电等重大装备制造业发展的关系.指出:中国在电渣重熔锭大型化发展方面，一直处于世界电渣强国地位.随着我国重大装备制造技术的迅速发展，特别是我国核电工业的迅速发展，大型锭电渣冶金技术将不断完善与发展，反过来它又必将促进我国在核电技术方面迅速赶上国际先进水平.

第二代电渣冶金技术;重大装备制造;特大型锭电渣重熔技术;大型锭的液态金属浇注技术;核电工业

现代钢及合金生产流程包括高炉－转炉流程、电炉流程和特种熔炼.目前，转炉钢产量占世界钢总产量的2/3以上，电炉钢产量约占世界钢总产量1/3，特种熔炼钢及合金总产量大约占1.0%。特种熔炼产品总量虽小，但其对国民经济的发展及国防建设意义重大.

电渣冶金是特种熔炼领域内产量最大的一种特种熔炼方法，应用最广，包括自耗电极的电渣重熔与液态金属的电渣冶炼与浇注两大分支.

1 我国电渣重熔技术工业化50周年［1］

自耗电极的电渣重熔是电渣冶金的主要分支，始于20世纪30年代的霍普金斯凯洛克电渣铸锭，实质上是在电渣焊基础上发展起来的电极丝电渣重熔方法.大断面自耗电极(相对于电焊丝直径)电渣重熔始于20世纪50年代，1958年，苏联建成了一台0.5 t的电渣重熔炉，实现了工业化，巴顿院士和梅多瓦尔院士是电渣冶金的奠基人.

我国自耗电极电渣重熔始于1959年，北京钢铁学院朱觉教授与冶金部建研院曾乐、李正邦等合作，首次用直径为40 mm的自耗电极在水冷结晶器中电渣重熔航空滚珠钢取得成功.1960年北京钢铁学院与北京钢厂合作，在北京钢铁学院建成了我国第一台150 kg工业性电渣炉，生产了航空滚珠钢等.1960年5月，当时的冶金部在北京钢铁学院召开了全国现场会议，推广电渣重熔工艺，傅杰在大会上作了“电渣炉冶炼无钒高速钢”的技术报告.会后，建研院电渣冶炼研究组李正邦等赴重庆二钢，北京钢铁学院电渣小组傅杰等赴大冶钢厂、大连钢厂、抚顺钢厂、上钢五厂等单位推广电渣重熔技术，帮助重庆二钢、大冶钢厂、大连钢厂、抚顺钢厂、上海五钢等建立了电渣重熔车间，使我国在电渣重熔技术方面较早地实现了工业化［1］.

2 电渣冶金技术分类［1］

自耗电极电渣重熔包括:

1)电渣重熔，其中又有三相电渣重熔、双极串联电渣重熔、双臂交替电渣重熔、多极(4极或6极)电渣重熔、低频电渣重熔等;

2)电渣熔铸;

3)电渣熔焊;

4)快速电渣重熔;

5)真空电渣重熔;

6)氩气保护电渣重熔;

7)高压电渣重熔;

8)氩气保护快速电渣重熔;

9)电渣连铸;

10)电弧电渣重熔.

液态金属的电渣冶炼与浇注包括:

1)单电极炉底导电有衬电渣炉冶炼;

2)单相双自耗极串联有衬电渣炉冶炼;

3)三相有衬电渣炉冶炼;

4)水平电渣浇注;

5)电渣离心浇注;

6)感应电渣冶炼;

7)感应电渣离心浇铸;

8)直流电弧电渣钢包炉;

9)电渣补缩;

10)电渣中间包加热;

11)电渣分批(多炉次)浇铸大钢锭;

12)电渣转注，经中注管、汤道系统，将液态金属下注至水冷结晶器凝固成锭;

13)电渣浇铸双金属轧辊;

14)电渣浇铸空心锭;

15)电渣浇铸实心锭.

其中自耗电极电渣重熔第1至第3种属于第一代电渣冶金技术，第4至第10种属于第二代电渣冶金技术.液态金属的电渣冶炼与浇注第1至第12种属于第一代电渣冶金技术，第13至第15种属于第二代电渣冶金技术.

3 电渣冶金发展历史“分期”［1］

3.1 国际电渣冶金会议

一个科技领域对人类具有重要影响而又迅速发展过程中，必定会通过举行国际会议的形式，达到促进世界各国相互交流，共同发展的目的.在过去的半个世纪中，随着电渣冶金技术的发展，共举行过十多次国际会议，促进了电渣冶金事业的发展，有的会议对于电渣冶金技术的发展起了里程碑式的作用.笔者了解的重要国际电渣冶金会议的有关情况，列于表1.

表1 历次重要的国际电渣冶金会议Table 1 Previous important electroslag metallurgy international conference

第一到第五届国际电渣冶金会议，主要是美国Mellon研究院院长G.K巴特博士，苏联B.I梅多瓦尔院士等之间的技术交流会.第六届国际真空冶金会议，内容主要是电渣冶金.第七届国际真空冶金会议，内容包括特种熔炼和冶金涂层.在第六届国际真空会议中，开始设立国际顾问委员会，但仅有亚洲和欧洲的两名顾问委员.第七到第十一届国际真空冶金会议中有的设立了特种熔炼和冶金涂层两个国际顾问委员会，在特种熔炼国际顾问委员会中，包括中国、美国、苏联、英国、德国、奥地利、日本、法国等国的特种熔炼专家，代表性强.

3.2 电渣冶金发展历史“分期”

关于电渣冶金发展的历史，具有不同的观点，笔者认为可以分为第一代电渣冶金和第二代电渣冶金，它们中间又可细分为发生发展期和成熟期，如表2所示.

表2 电渣冶金发展历史“分期”Table 2 Electroslag metallurgy’s history of“staging”

前一时期的技术孕育着下一时期的技术.第一代电渣冶金技术的发展过程中孕育着第二代电渣冶金技术.发生发展期中的电渣重熔技术孕育着成熟期的电渣重熔技术.第一和第二代电渣冶金的成熟期都还将延续较长时间，不断发展和完善.

4 第二代电渣冶金技术的特征［1，2］

4.1 第一代电渣冶金技术的优点与不足

主要优点:

1)渣钢作用充分;

2)水冷快速凝固，锭子及钢材均匀性和致密度高;

3)金属收得率高.

不足:

1)大气下熔炼;

2)效率低、能耗高、电渣重熔时需要制备自耗电极，也增加了电耗;

3)电渣重熔速度高和电渣浇注时，金属温度高，熔池加大，电渣过程优越性降低.

4.2 第二代电渣冶金的特征

第二代电渣冶金的理念是梅多瓦尔院士于1982年首次提出的.1982年在东京举行了第七届国际真空冶金会议.这次会议成立了有日本、苏联、美国、德国、加拿大、法国、奥地利、中国等国代表参加的国际顾问委员会.

我国朱觉，傅杰，李正邦，韩耀文等6人参加第七届国际真空冶金会议，会上朱觉教授除发表了关于水平电渣浇铸的文章以外，最后放映了几张关于“200吨电渣炉”幻灯片，引起了大会的轰动，使外国同行，特别是使美国卡耐基－梅隆大学梅隆研究院院长，美国真空学会真空冶金分会主席G.K.巴特博士和梅多瓦尔院士感到无比的震惊.

会议期间巴特博士宴请了中国代表团一行六人，梅多瓦尔院士签名送给我两本专著，一本是《电渣金属》、一本是《电渣熔铸》.对于《电渣金属》，梅多瓦尔希望我能组织中国学者翻译成中文在中国出版(可惜这个遗愿尚未完成)，他并指着《电渣金属》封面上那张四通道的电渣重熔炉说，(当时朱觉教授、李正邦同志在场)“这是第二代的电渣炉”，首次提出了第二代电渣冶金的概念.

1986年，第十届国际真空会议在美国召开，我应大会主席的邀请，在真空冶金分会上作了一个题为“中国高温合金技术进展”的特邀报告［6］，记得B.I.梅多瓦尔院士也被邀请在真空冶金分会上，作题为“新一代电渣冶金技术:电渣离心浇注和电渣固定模浇注”的特邀报告.这是他第一次用书面形式正式提出了新一代电渣冶金的概念.也使我开始思考第二代电渣冶金有哪些特征，包括哪些内容，经过多年的思考，今年发表了关于第二代电渣冶金的文章.

新一代电渣冶金技术，也就是第二代电渣冶金技术，它与第一代电渣冶金技术有何不同?第二代电渣冶金技术有哪些特征?包括哪些内容?

根据梅多瓦尔院士1982年送给我《电渣金属》和《电渣熔铸》这两本书及他1986年发表文章的内容，我理解第二代电渣冶金的第一个特征是像高炉转炉流程和现代电炉流程一样，生产钢的产品，不再主要是钢锭，而是钢坯，省掉了初轧开坯工艺.作为近终型的电渣熔铸和浇注应属于第二代电渣浇注技术.但由于电渣熔铸和浇注产品是单件生产，质量的稳定性难以保证，故严格地说，带计算机自动控制的电渣熔铸和浇注，才是真正的第二代电渣冶金技术.

在第七届国际真空冶金会议上，已经有加压氩气保护电渣重熔的报道，作者早年也研究过氩气保护(真空/加压)电渣重熔，特别是考虑到在大气下电渣重熔合金钢(例如轴承钢)，钢中氧受渣相和金属相之间氧平衡的控制，在氩气保护条件下，没有大气中的氧通过氧化电极表面向渣中传递的过程，从而可降低钢中的平衡氧，故认为第二代电渣冶金第二个重要特征是冶金过程是在隔绝大气的条件下进行的，这一特征对进一步提高电渣金属的质量具有重要的意义.

2001年，在基辅举行了梅多瓦尔逝世一周年纪念会，参加纪念会的，有巴登研究所和来自世界各地的梅多瓦尔生前的好友，学生和同志，前苏联、美国、德国、法国、奥地利、加拿大、中国的许多电渣冶金专家均来了，并在会上作了技术报告.介绍了电渣冶金在各国的发展，指出了电渣冶金进一步发展的方向.这也使我比较明确了什么是第二代电渣冶金技术.

上世纪80年代，我国建成了当时世界上最大的电渣重熔炉，并成功地应用于核电等大锻件生产.近年来为满足百万千瓦级核电站所需大锻件要求，我国又建成了当前世界上最大的400 t级的超大型电渣炉.可以认为，超大型是第二代电渣重熔技术的又一个特征，因为400 t级与200 t相比，锭子凝固组织的控制难度加大;渣钢接触界面增加，在大气下进行电渣重熔的时间长，冶金质量控制的难度更大;重熔电流加大，短网设计，供电制度会更复杂等等.没有文献资料查询，没有现成的经验借鉴，实验室研究结果只有参考价值，小型工艺性实验结果也不能直接利用，必须进行大量的实际熔炼研究和生产现场摸索.而要使400 t级电渣炉的生产技术指标和质量达到200 t电渣炉的水平，是一个跨越，是一个质的飞跃.

5 超大型锭的电渣冶金与重大装备制造业的发展［1～4］

5.1 超大型锭的电渣重熔

重大装备制造用大锻件是重大装备制造的“瓶颈”，我国2001～2020年中长期规划以及2012年要完成的产业调整与振兴规划中，都把水电、核电、船舶、冶金等重大装备制造国产化列为重点内容，并提出了明确指标.以核电为例，至2020年，我国核电装机容量要达到4万MW，根据现在的发展趋势，还可能要翻番，即达到8万MW.但即使这样，我国核电产能占全国总发电量的比例也只有7%左右，虽比现在的1.3%有较大幅度的增加，但距世界的平均水平17%相距甚远，和核电发达国家的差距更大.发展核电需要大量的锻件，例如1 000 MW级的核电装备就需要单重300 t以上的特大锻件.

世界上核电用大锻件普遍采用电炉冶炼的普通大钢锭锻造工艺，一个300多t的大锻件需要冶炼单重600～700 t的大锭子.但目前我国还不能生产这类锭子，而且国外还限制对我国的进口，进口价格昂贵.

我国从上世纪80年代开始，发展核电走的是另一条道路，即采用电渣重熔工艺自主生产大锻锭.

我国自耗电极电渣重熔始于1959年.早在1965年上海重型机器厂与北京钢铁学院(现北京科技大学)合作，建成了当时世界上最大的100 t电渣炉，解决了我国2 300 mm冷轧机支撑辊等重大设备的制作问题.之后，上海重型机器厂为了生产满足我国秦山核电站所需的360 t电炉钢锭的要求，又于1980年建成了一台200 t电渣炉，成功地生产出了重达240 t的大电渣锭(图1).

图1 在第七届国际真空冶金会议上朱觉教授放映的200 t电渣炉生产的180 t电渣重熔锭Fig.1 The 180 t ESR ingots produced by 200 ESR rnace showed by professor Zhu Jue at the 7 th ICVM

200 t电渣炉批量生产出了不同质量的大电渣锭，在电渣过程理论、关键技术、产品范围扩大、装备方面做出了突出贡献.上海重型机器厂批量生产了秦山核电站所需的300～600 MW发电机转子，300～600 MW汽轮机高中压转子和低压转子，560 t加氧反应器等大锻件，并通过国家级鉴定与验收.21世纪又批量生产了核潜艇、1 000 MW核电站构件等.

700 MW水电站和1000 MW核电站重大装备制造，需用单重300多t的大锻件，200 t电渣炉已不能胜任.为此，上海重型机器厂又率先建成了一台容量为450 t的电渣炉.为满足我国加速发展核电的需求，国内不少厂家也开始筹造或建成了几台100～250 t的电渣炉.

但是，由于锭子质量的扩大，不是一个简单的数量增加，而是一种质的飞跃.大型锭重熔时间长达几个昼夜，使得熔渣成分变化，金属成分及其均匀性难以控制;大型锭直径超过2 m，有的在3m以上，凝固组织控制的难度加大;在大气下长时间的电渣重熔，低氢控制的装置及工艺极其复杂;短网设计困难增加，必须在已有200 t电渣技术的基础上，进行大量的实际熔炼研究和生产改进摸索.为此，笔者提议国家组织“重大装备制造用大锻件的电渣冶金”专项研究，且吸收民营企业参加国家重大科技项目，引导和支持民营企业转变经济增长方式，实践证明:民营企业在管理体制等方面的优势有利于科技发展.据悉，山东通裕重工已顺利成套生产了第三代核电AP1000主管道用超低碳控氢不锈钢大型电渣重熔锭，成品率100%，这不仅是国内，也是世界上首次成套生产，解决了第三代核电主管道制造的“瓶颈”问题.

事实将雄辩证明:当年许多人不理解中国人能造成200 t电渣炉，但实际上200 t电渣重熔技术得到了世界认可.我国大电渣炉在世界上处于领先地位.现在人们对400 t电渣炉有的持怀疑态度，但笔者相信，400 t电渣炉一定会成功，会为我国700 MW水电设备和1 000 MW核电设备做出应有的贡献，而且重大装备制造用大锻件电渣冶金技术的发展，必将推动我国整个电渣冶金技术的更新换代.

我们要敢于走前人未走过的路，敢于自主创新，只跟着外国人走，很难走到世界前列!

5.2 第二代液态金属浇注大型电渣锭

关于液态金属的电渣浇注，苏联开发了分批电渣浇注技术［5］，其原理示于图2.在这一基础上B.I.梅多瓦尔的儿子 L.B.梅多瓦尔，W.Holzgruber的儿子 H.Holzgruber等开发出了第二代的液态金属电渣浇注技术［6］，其原理示于图3.

图2 分批电渣浇注示意图Fig.2 scheme of partial electroslag casting

由图3－(c)可见，电渣浇注过程中，经中间包感应控温的低过热度钢水，注入一个侧面导电的上结晶器中，在下结晶器中凝固成锭.据悉，液态金属电渣浇注大型锭技术，国内正在准备引进.作者认为:

①这一技术具有节能的显著优点，金属收得率肯定比普通锭高，组织致密度和力学性能相信会比普通锭好，属于第二代电渣冶金技术，值得肯定与发展;

②液态金属电渣浇注大型锭，是电渣冶金的先驱者们多年的理想，但目前尚无电渣浇注大型锭的经验，应该十分重视有关理论和技术的研究，除对大型电渣锭重熔的共性技术研究以外，要特别重视电极参数的设计与控制以及凝固机理和技术的研究;

③自主创新，开发带氩气保护的液态金属电渣浇注系统和电渣重熔与液态金属浇注结合的综合技术;

图3 第二代液态金属电渣浇注技术示意图Fig.3 Scheme of second generation liquid metal electroslag casting technololy

④加强国际合作，充分利用国外经验，发展我国的电渣冶金;

⑤关于液态金属的电渣浇注和初炼炉的配合问题.液态金属电渣浇注和自耗电极电渣重熔大型锭的优点之一，是可以采用较小容量的初炼炉生产大尺寸锭子.例如上海重型机器厂曾用容量为40 t的电弧炉，浇注自耗电极生产240 t的电渣锭.但为了保证大型锭子成分的均匀性，宜采用较大容量的初炼炉.液态金属电渣浇注系统建立在电炉车间或特种车间比较合适.

6 结语

(1)今年是中国电渣重熔技术工业化50周年(1960～2010);

(2)论述了电渣冶金的分类，分期及第二代电渣冶金技术的特征;

(3)大型电渣重熔锭及液态金属电渣浇注锭是满足我国核电、水电等重大装备制造所需大锻件要求的关键材料，对我国核电、水电等重大装备的自主化发展具有重大的战略作用，希望国家给予以大力支持.

［1］傅杰.第一代和第二代电渣冶金技术的发展［J］.特殊钢，2010，31(1):18－23.

［2］傅杰.第二代大型锭电渣冶金技术的发展［J］.中国冶金，2010，20(5):1－4.

［3］傅杰.大型锭电渣重熔技术在我国的发展［N］.中国冶金报，2010－5－13(B2版).

［4］傅杰.我国特殊钢发展模式探讨［C］//2010年特钢年会会议论文集.黄石:2010.

［5］ПАТОНА Б Е，МЕДОВАРА Б.И.ЗЛЕКТРОШЛАКОВЫЙ МЕТАЛЛ.НАУКОВА ДУМКА.КИЕВ，1981.

［6］Paton E O.Electric welding institute［C］//Medovar Memorial Symposium.Kyiv.Ukraine，2001，1，169，211，225.

The second generation of electroslag metallurgy technology and major equipment manufacturing

FU Jie

(University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China;Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China)

2010 is the 50th anniversary of the industrialization of ESR Technology.The article discusses the classification of electroslag metallurgy technology，history，the“stage”，the second generation of large electroslag metallurgy technology features and the second generation of ESR ingots and large ESR ingot pouring liquid metal and other major equipment manufacturing and nuclear power industry relations.Author pointed out:China’s large－scale development of ESR ingots， the ESR has been in the world power status.As China’s major equipment manufacturing technology is developing rapidly，especially the rapid development of China’s nuclear power industry，large ingots electroslag metallurgy technology will continue to improve with the development，which in turn will promote the technical aspects of nuclear power in China quickly catch up with international advanced level.

the second generation of electroslag metallurgy technology;the major equipment manufacturing;large ingot remelting technology;large ingot casting technology of liquid metal;nuclear power industry

TF 748.6

A

1671-6620(2011)S1-0008-06

2010-10-15.

傅杰 (1935—)，男，山东胶县人，北京科技大学教授，博士生导师，E－mail:fujie9@263.net.