特殊钢特种冶金新技术研究

陈世勇

（贵州大学， 贵州 贵阳 564200）

1 真空感应炉中新技术的运用分析

1.1 电磁搅拌与惰性气体搅拌技术分析

真空感应冶炼炉本身内部已经具有良好的搅拌效果，同时加上电磁搅拌之后，内部的气体能够上升至溶液界面，进而大量析出，这种形式可以有效实现对材料的去气操作，并且可以获得良好的效果。此技术在运用过程中需要注意选择科学合理的电磁搅拌功率，防止对炉衬产生过强的冲击。

当使用惰性气体进行搅拌时，气体会通过坩埚底部的锥形多孔流入到熔池。惰性气体会在内部穿过熔融金属，之后气泡的体积与表面积会逐渐变大，当接近金属液面时气泡的体积会明显发生膨胀反应，进而让气体能够与金属有着更多的接触面积发生交换反应，这样可以大大减少内部溶液表面的更换时间，进而让内部整体变得更加均衡。最后，惰性气体还可以让一些微小的氧化物聚拢在一起，夹带着他们漂浮至溶液的表面，进而实现对特殊钢的净化作用。真空感应炉在设计时应充分考虑到脱气，考虑感应圈直径与高的比，进而让溶液的表面能够增大，便于实现脱气操作，同时还应降低耐火材料与溶液表面的接触面积，进而减少对炉衬的侵蚀。

1.2 真空感应炉的冶炼电源分析

最早所设计的真空感应炉基本都采用电动机（变频机组）作为电源，到了1967 年开始逐渐使用可挂硅变频电源，它的功率能够达到1 000 kW，频率为180 Hz。之后经过几十年的发展，可控硅静止变频电源技术已经非常成熟，并且在真空感应炉冶炼期间可以将功率由1%到100%实现平滑调节，实际的操作也非常简单、灵活与准确，在调试过程中不会发生太大的波动。可挂硅静止变频电源在特定范围内进行变化时，能够跟踪炉内的材料的变化，不需要大电流的接触器来控制开关电容器。

1.3 PLC 控制技术在真空感应炉中的应用分析

在信息时代背景下，PLC 可编程序控制技术可以让真空熔炼设备自动化或半自动化的实现成为可能。特殊钢材料真空熔炼设备可以严格按照所设置的程序进行运行，能够对工艺实现精准的控制，确保设备能够正常稳定运行。如真空熔炼设备中真空机组的开关、检测以及阀门的故障识别及预警等都可以通过PLC 实现控制。

1.4 计算机辅助系统在真空感应炉中的应用分析

相关技术人员可以根据积累的丰富经验及理论，编制成为特定的计算机软件。之后计算机辅助系统能够根据炉内的实测温度与软件给出的工艺曲线进行对比，若两者之间存在出入就会第一时间对电源输入功率进行调整，进而有效控制炉内特殊钢液的温度，防止冶炼过程中温度过高或者高低而影响特殊钢的质量，同时还可以实现最大经济化运行。在测量时，炉内溶液表面所产生的杂质及污染都会影响测试数据的准确性，而技术及辅助系统则可以实现自动修正操作。一些大型的真空感应炉都会具有流槽设置，进而可以使得锭子的补缩较为困难。小型的锭子能够更加容易的产生缩孔和短锭。因此在运用真空感应路冶炼特殊钢时，为了获得更大的效益，必须将缩孔降低到最低限度。国外已经研究出了一种视频监测系统，主要由一套摄像观察装置及视频软件所构成，能够从显示器上观察浇注的实际状况，同时可以通过光标来控制补缩。

2 电渣炉相关技术分析

电渣冶金是现阶段生产高质量特殊钢材料的重要方法，经过电渣重熔能够有效提高纯度，降低硫含量及其他非金属杂质，钢锭的表面非常光滑且结晶均匀。目前中国基本所有的特殊钢生产企业都具有电渣炉，但是传统的电渣炉生产效率低下，能耗高，污染大，同时还具有其他一系列的质量问题。

2.1 电渣炉自动化控制技术

近几年，随着电渣炉冶金技术的快速发展，它的控制方式也发生了巨大的改变。现如今主要有三种控制方式：恒功率、递减功率以及融速控制。最早时期的电渣炉因为炉型较小，通常采用恒功率的控制方式，进而确保钢锭的质量。但是随着人们需求的改变，对于电渣炉钢锭的尺寸也有着更大的要求，若继续使用恒功率电渣炉进行控制，重熔的后期金属熔池较深，因此会对钢锭的质量产生负面影响。随后便产生了递减功率控制技术，这样尽量保持金属熔池深度不变，以此提高最终铸锭结晶质量的稳定性。现阶段我国的电渣炉逐渐开始采用递减功率控制技术，同时也有部分电渣炉使用摆动控制技术，继而让自耗电极长时间保持恒定渣池侵入深度。西方大部分国家所采用的为速溶控制技术，在重熔阶段不同时期采用不同的熔速，各个时期内保持恒定的融速，在重熔整个过程中通过电压摆动控制技术实现对自耗电机侵入渣池深度的控制。

2.2 电渣连铸技术分析

最早时期的电渣重熔主要采用一次性重熔一个钢锭的间歇工作模式，这种方式生产效率非常低下，并且钢锭在接下来的锻造或者出轨开坯过程除头去尾的量较大，进而导致钢锭的成材率较低，增加了生产成本。除此之外，早期的电渣重熔因为电流路径的特殊性，渣池与金属熔池之间具有着较大的热交换，所以金属熔池深度与电极熔化速度成正比。但是为了确保最终钢锭结晶的效果，熔化速度与钢锭直径之比不能超过1，极大的限制了电极的熔化速度，如当重熔直径小于300 mm 的钢锭时会大幅度提高生产的成本。为了有效克服上述所存在的电渣重熔问题，我国自2002 年就开始加强对电渣连铸技术的研究工作。现在的电渣连铸技术既具有电渣冶金的特点，同时还能够继承连铸相关优势。此项技术的主要特征是运用了双极串联、交换电极、连续拉坯以及在线切割等重要技术。它的结构运用了T 型结晶器，双极串联渣池的高温区域主要集中在两条电流的导电端头，这种形式改变了传统的电渣重熔的温度分布，可以有效降低金属熔池的深度以及工作运行功率。除此之外，当铸锭从T 型结晶器中取出时，在空气中会受到空气对流而进行冷却。若使用传统的固定式结晶器进行重熔时，铸锭收缩以及结晶器内壁会存在着气隙，进而对冷却操作会产生负面影响。

2.3 大型电渣重熔钢锭凝固偏析控制技术分析

随着市场对钢锭的需求越来越大，钢锭的直径也逐渐增加。大型电渣重熔过程中随着钢锭的逐渐增加，会导致中心的冷却环境逐渐恶化，钢锭中心会产生偏析、疏松以及缩孔等不良现象，进而导致生产出的特殊钢性能大幅度下降。解决凝固问题的关键之处在于需要严格控制电极的熔化速度，为此我国东北大学研发出了电渣重熔过程中的凝固参数模型，将生产工艺参数与电渣锭的参数相结合，实现了数字化模型的实际运用，这样可以有效提高产品的质量。除此之外，还对大型电渣炉周围的磁场强度进行了实时模拟，根据电渣炉的布置方式进行了分析，进而设计出更加先进的电渣炉结构布置方式。最后东北大学在上述研究基础上，还研发出了递减功率凝固控制技术、恒渣阻控制技术等，通过大量的实践能够证明：大型电渣炉中合理的熔化速度是生产大型钢锭的重要保障，能够有效提高最后的产品质量。

3 电子束熔炼新技术分析

3.1 电子束滴熔技术

滴熔法是处理难熔金属的特殊方法，例如钽、铌等，棒形原料一般被水平输入或者直接进行滴熔至抽出锭，所抽出正在增长的钢锭底部需要保持溶池液位。大部分第一次进行熔炼的钢锭都需要再次进行重熔，进而才能够达到质量的要求。现阶段滴熔的坯料供给方式有两种，即水平式与垂直式。若需要进行重复重熔，那么则需要使用垂直式。目前的滴熔炉一般均采用两个或两个以上的电子枪，通过反射电子束，减少内部金属的蒸发以及飞溅，所熔化的金属会滴至一个水冷型铸模内，以此消除气体并蒸发掉内部的各种杂质，同时还可以完成连续铸造。对于一些较为特殊钢的熔炼，电子束滴熔的方式可以有效确保钢锭的纯度及性能，此方法所生产出的钢锭质量远远优于真空电弧方法以及电渣重熔方法，但是对于实际的生成加工成本较高，一般会用于制造一些高耐磨的机器元件。

3.2 电子束熔模铸造技术

除了电子束滴熔的方式，还有电子束熔模铸造的技术，它主要是利用电子束热源与水冷铜坩埚的熔模铸造，主要是用来生产超高温合金透平零件以及含有等轴晶粒组织的钛零件，生产过程中所使用的坯料必须为熔炼的清洁材料，不含有任何的污染物。采用此技术能够浇注前及浇注过程中能够让溶体保持高温，进而可以增加金属的流动性，所以可以的提高生产效率。此技术一般常用于高生产率的场合，但是它也具有一些较为明显的缺点，在整个浇注的过程中因为水冷铜坩埚内部的溶体会存在着温度梯度，进而会逐渐使得温度降低，所以不可以运用此技术生产一些较为细小的超高温合金铸件。

3.3 电子束冷炉膛精炼技术

电子束冷炉膛精炼技术是处理与回收一些活性较高金属的主要方法，一般用于精炼特殊钢和超高温合金，同时还能够实现活性废料金属的再生精炼。在整个运行过程中为了有效实现杂物分离，炉膛内的尺寸大小必须设计适中，这样才可以为熔炼的金属提供充足的停留时间。其中绝大部分的精炼过程是在冷床中进行的，还有一小部分在连续铸造结晶器中完成的。此设备与滴熔设备相比存在很大的差异性，主要增加了冷床，同时内部的熔炼室空间也较大。最后，此技术所熔炼的材料多为超耐热的合金及钛合金，因此需要更多的检测设备进行监控。

4 结语

特殊钢的冶炼技术是提高生产品质的必要保证，近几年随着我国特殊钢相关技术的不断发展，必将为我国高端特殊钢材料的研发奠定夯实的基础，进而满足我国工业及军事领域对于特殊钢材料的实际需求，为推进我国经济及军事建设提供强大的助力。特殊钢是一个国家、一个地区工业技术及经济实力的重要标志，所以我们应加强对特殊钢特种冶炼技术的研究与投资力度，确保我国特殊钢冶炼能够不断诞生更加先进的新技术。