电渣重熔振动电极方法研究

陈 瑞 宋照伟 张春铭

(沈阳铸造研究所，辽宁110022)

电渣重熔振动电极方法研究

陈 瑞 宋照伟 张春铭

(沈阳铸造研究所，辽宁110022)

介绍一种电渣重熔振动电极方法，从理论上分析了该方法的技术优势并进行了初步试验验证。结果表明：在同等试验条件下，振动电极方法比传统电渣重熔过程平均节能10%以上，并且电渣锭凝固质量更好。

电渣重熔；振动电极；熔化速率；节能

电渣重熔(含电渣熔铸)的特点是在精炼条件下获得凝固质量良好的钢锭或铸件。与其它精炼方法相比，电渣重熔的最大缺点是高成本和高能耗[1]。据统计，世界各国电渣重熔钢平均耗电量为(1 300～1 600) kWh/t[2]，能耗远远大于AOD、VOD和LF等其它精炼方法。另外，电渣重熔某些特殊合金钢或大吨位钢锭时，仍然存在着结晶组织粗大和宏观偏析等问题，这些问题一直没能得到较好的解决，成为制约电渣重熔技术发展的瓶颈。

电渣重熔过程从自耗电极熔化到钢锭凝固结晶伴随着一系列的物理化学变化。多年来，电渣冶金行业一直把优化电渣重熔工艺和改变结晶状况等作为节省电耗、提高电渣锭凝固质量的重点研究方向，并取得了一定效果[3～6]。

本文提出了电渣重熔振动电极方法，该方法操作简单，在现行的大、中、小型电渣炉设备上均可实现，具有较强的实用性。

1 试验方案

1.1 振动平台装置

所谓电渣重熔振动电极法，即在电渣炉横臂夹头上加装一个振动源，自耗电极装卡在振动源上，通过振动源带动自耗电极在振动条件下熔化。试验用振动源采用三维振动平台装置，如图1所示。该振动平台采用6台1.1 kW、额定转速2 860 r/min的调速电机、振动弹簧和其他组件等组焊而成。每两台电机为一组。根据电机安装方向不同，最终实现振动平台的三维振动。

图1 振动电极试验装置示意图Figure 1 Schematic diagram of vibration electrode test device

振动平台激振力为10 000 N～15 000 N，振幅为0～4 mm，振动频率为2 Hz～50 Hz，平台振动频率和振幅大小可通过调节电机转速进行调整。该振动平台不仅可使自耗电极向单一方向振动，也可实现三维振动。通过开、关振动平台，可实现传统电渣重熔和振动电极电渣重熔过程的转换。

1.2 试验过程

将振动平台安装在700 kVA的电渣炉上进行试验，试验电极选用20号连铸圆钢。在相同试验条件下，通过开、关振动平台分别测量出传统电渣重熔和振动电极电渣重熔过程中自耗电极的熔化速率，进而评价各自能耗及凝固质量情况。试验用重熔工艺参数见表1。

表1 电渣重熔试验参数Table 1 Experiment parameters of electroslag remelting

图2 试验前后熔化速率对比Figure2 Comparison of the melting rate before and after the experiment

2 试验结果及讨论

2.1 熔化速率变化

试验结果如图2所示。由图2可知，振动电极电渣重熔过程中，电极的熔化速率明显大于传统电渣重熔下电极的熔化速率。经计算，振动电极电渣重熔的熔化速率比传统电渣重熔的熔化速率平均提高了10%以上，即节能10%以上。

产生这种情况的原因是：在相同试验条件下，传统电渣重熔与振动电极电渣重熔所产生的电阻热相同。振动电极电渣重熔时，自耗电极在激振力作用下与液态渣池间的相对运动加快，形成强烈搅拌。根据傅里叶定律，由于自耗电极与液态渣池相对运动速度增大，对应的热流密度也增大，热交换加强，自耗电极熔化速率也就加快了。

另外，自耗电极在激振作用下高速振动，与液态渣池形成强烈搅拌、相对高速的运动，金属熔滴在物理搅拌力作用场下脱离电极棒熔化表面的时间也要早于传统电渣重熔过程，从而也使得自耗电极熔化速率加快。

2.2 低倍组织变化

将两种工艺下的两组试样进行了解剖和低倍腐蚀，钢锭低倍组织如图3所示。

从图3可以看出，传统电渣重熔工艺下，结晶方向垂直于金属熔池切线方向，与钢锭轴向夹角为45°左右；而振动条件下的试样结晶方向垂直于金属熔池切线方向，更趋向于钢锭轴向结晶。说明振动电极电渣重熔的金属熔池比传统电渣重熔的金属熔池浅平。

图3 两种试样低倍组织对比Figure3 Comparison of the macrostructure of two kinds of specimens

图4 两种工艺的熔化特征Figure 4 Melting characteristics of two kinds of processes

振动电极电渣重熔的金属熔池浅平的原因是：在传统电渣重熔条件下，金属熔滴主要在重力和电磁力的作用下，在电极端头部位滴落，穿过渣池，进入金属熔池，电极端头下部的温度最高，因此此时的金属熔池形状主要为弯月面状，如图4(a)所示。在振动电极电渣重熔条件下，受激振力的作用，电极在渣池内部高速运动，从电极端头滴落的金属熔滴更细小，下落分布更均匀，此时的金属熔池形状呈扁平状，如图4(b)所示。

金属熔池的存在是电渣冶金反应进行的必要条件之一，金属熔池的形状和深度直接决定着钢锭的结晶方向，从而影响钢锭的凝固质量。金属熔池浅平时，钢锭的轴向结晶趋向增大，二次枝晶间距减小，缩孔、缩松等缺陷出现的几率降低[7]。因此，振动电极电渣重熔条件下，钢锭凝固的枝晶偏析减少，凝固质量得到改善。

2.3 精炼能力理论分析

李正邦、曾乐等提出，电渣重熔去除非金属夹杂物主要发生在电极熔化末端，目前这一结论已得到国际公认[7]。振动电极电渣重熔时，金属熔滴尺寸小于传统电渣重熔形成的液滴，电极棒端面上的钢液膜厚度均匀且极薄(与非金属夹杂物的尺寸相当)。液态金属层越薄，钢渣接触界面积和吸附能力就越大，对去除大尺寸的非金属夹杂物越有利。

电渣重熔精炼去夹杂的另一重要过程是金属熔滴在熔渣中的停留期间(或通过路径)发生的。振动电极条件下，从电极棒端面上甩出的细小钢液滴受电极运动的影响，滴落路径相比非振动电极发生改变，致使其通过渣池的平均路程和时间比传统电渣重熔增加，相对延长了“过滤”时间。因此振动电极条件下可进一步提高电渣重熔的精炼能力。

3 结论

(1)提出了电渣重熔振动电极新方法。初步试验表明，在同等条件下，振动电极电渣重熔比传统电渣重熔过程节能10%以上。

(2)电渣重熔振动电极法可以获得浅平金属熔池，从而改善钢锭凝固质量。

(3)理论分析表明，电渣重熔振动电极法可提高电渣重熔过程的精炼效果。

[1] B.I.Medovar，L.B.Medovar.Electroslag technologies in the 21st century.Advanced in Special Electrometallurgy，2001，17(1)：14-19.

[2] 李正邦.21世纪电渣冶金的新进展.特殊钢，2004，25(5)：1-5.

[3] Alghisi D，Milano M，Pazienza L.In：Morandi R ed.The 2nd Int Cofon New Developments in Metallurgical ProcessTechnology.Riva Del Garda：Association Italian Metallurgy，2005：19.

[4] ]Weber V.In：Lee P D ed.The 2nd Int Confon High Order Non-Oscillatory Methods for Wave Propagation，Trento：Deutsche Forschungsgemeinschaft.2007：83.

[5] 董艳武，姜周华，肖志新，李正邦.电渣重熔工艺参数对钢锭凝固质量的影响.东北大学学报(自然科学版)，2009，30(11)：1598-1601.

[6] 陈希春，任昊，付锐，冯涤. 电渣重熔高温合金凝固组织控制的研究进展.特钢技术，2011，17(68)：1-4.

[7] 李正邦.电渣冶金的理论与实践[M].北京：冶金工业出版社，2010.

编辑 杜青泉

Research on a Method of Electroslag Remelting Process with Vibration Electrode

ChenRui，SongZhaowei，ZhangChunming

This paper introduces a method of electroslag remelting process with vibration electrode, and analyses the technique advantages theoretically and experimentally. The result show that the energy saving in this method is more 10% than that in the traditional ESR process under the same experimental condition, and the quality of solidification is improved as well.

ESR；vibration electrode；melting rate；energy conservation

2013—11—01

国家自然科学基金计划(51275320)

TF142

A