第二代電渣冶金技術與重大裝備制造

傅 杰

(北京科技大學，北京 100083;武漢科技大學，武漢 430081)

第二代電渣冶金技術與重大裝備制造

傅 杰

(北京科技大學，北京 100083;武漢科技大學，武漢 430081)

2010年是我國電渣重熔技術工業化50周年.論述了電渣冶金技術的分類，發展歷史的“分期”，第二代電渣冶金技術特征.超大型電渣重熔錠及第二代液態金屬澆注大型電渣錠與核電等重大裝備制造業發展的關系.指出:中國在電渣重熔錠大型化發展方面，一直處于世界電渣強國地位.隨著我國重大裝備制造技術的迅速發展，特別是我國核電工業的迅速發展，大型錠電渣冶金技術將不斷完善與發展，反過來它又必將促進我國在核電技術方面迅速趕上國際先進水平.

第二代電渣冶金技術;重大裝備制造;特大型錠電渣重熔技術;大型錠的液態金屬澆注技術;核電工業

現代鋼及合金生產流程包括高爐－轉爐流程、電爐流程和特種熔煉.目前，轉爐鋼產量占世界鋼總產量的2/3以上，電爐鋼產量約占世界鋼總產量1/3，特種熔煉鋼及合金總產量大約占1.0%。特種熔煉產品總量雖小，但其對國民經濟的發展及國防建設意義重大.

電渣冶金是特種熔煉領域內產量最大的一種特種熔煉方法，應用最廣，包括自耗電極的電渣重熔與液態金屬的電渣冶煉與澆注兩大分支.

1 我國電渣重熔技術工業化50周年［1］

自耗電極的電渣重熔是電渣冶金的主要分支，始于20世紀30年代的霍普金斯凱洛克電渣鑄錠，實質上是在電渣焊基礎上發展起來的電極絲電渣重熔方法.大斷面自耗電極(相對于電焊絲直徑)電渣重熔始于20世紀50年代，1958年，蘇聯建成了一臺0.5 t的電渣重熔爐，實現了工業化，巴頓院士和梅多瓦爾院士是電渣冶金的奠基人.

我國自耗電極電渣重熔始于1959年，北京鋼鐵學院朱覺教授與冶金部建研院曾樂、李正邦等合作，首次用直徑為40 mm的自耗電極在水冷結晶器中電渣重熔航空滾珠鋼取得成功.1960年北京鋼鐵學院與北京鋼廠合作，在北京鋼鐵學院建成了我國第一臺150 kg工業性電渣爐，生產了航空滾珠鋼等.1960年5月，當時的冶金部在北京鋼鐵學院召開了全國現場會議，推廣電渣重熔工藝，傅杰在大會上作了“電渣爐冶煉無釩高速鋼”的技術報告.會后，建研院電渣冶煉研究組李正邦等赴重慶二鋼，北京鋼鐵學院電渣小組傅杰等赴大冶鋼廠、大連鋼廠、撫順鋼廠、上鋼五廠等單位推廣電渣重熔技術，幫助重慶二鋼、大冶鋼廠、大連鋼廠、撫順鋼廠、上海五鋼等建立了電渣重熔車間，使我國在電渣重熔技術方面較早地實現了工業化［1］.

2 電渣冶金技術分類［1］

自耗電極電渣重熔包括:

1)電渣重熔，其中又有三相電渣重熔、雙極串聯電渣重熔、雙臂交替電渣重熔、多極(4極或6極)電渣重熔、低頻電渣重熔等;

2)電渣熔鑄;

3)電渣熔焊;

4)快速電渣重熔;

5)真空電渣重熔;

6)氬氣保護電渣重熔;

7)高壓電渣重熔;

8)氬氣保護快速電渣重熔;

9)電渣連鑄;

10)電弧電渣重熔.

液態金屬的電渣冶煉與澆注包括:

1)單電極爐底導電有襯電渣爐冶煉;

2)單相雙自耗極串聯有襯電渣爐冶煉;

3)三相有襯電渣爐冶煉;

4)水平電渣澆注;

5)電渣離心澆注;

6)感應電渣冶煉;

7)感應電渣離心澆鑄;

8)直流電弧電渣鋼包爐;

9)電渣補縮;

10)電渣中間包加熱;

11)電渣分批(多爐次)澆鑄大鋼錠;

12)電渣轉注，經中注管、湯道系統，將液態金屬下注至水冷結晶器凝固成錠;

13)電渣澆鑄雙金屬軋輥;

14)電渣澆鑄空心錠;

15)電渣澆鑄實心錠.

其中自耗電極電渣重熔第1至第3種屬于第一代電渣冶金技術，第4至第10種屬于第二代電渣冶金技術.液態金屬的電渣冶煉與澆注第1至第12種屬于第一代電渣冶金技術，第13至第15種屬于第二代電渣冶金技術.

3 電渣冶金發展歷史“分期”［1］

3.1 國際電渣冶金會議

一個科技領域對人類具有重要影響而又迅速發展過程中，必定會通過舉行國際會議的形式，達到促進世界各國相互交流，共同發展的目的.在過去的半個世紀中，隨著電渣冶金技術的發展，共舉行過十多次國際會議，促進了電渣冶金事業的發展，有的會議對于電渣冶金技術的發展起了里程碑式的作用.筆者了解的重要國際電渣冶金會議的有關情況，列于表1.

表1 歷次重要的國際電渣冶金會議Table 1 Previous important electroslag metallurgy international conference

第一到第五屆國際電渣冶金會議，主要是美國Mellon研究院院長G.K巴特博士，蘇聯B.I梅多瓦爾院士等之間的技術交流會.第六屆國際真空冶金會議，內容主要是電渣冶金.第七屆國際真空冶金會議，內容包括特種熔煉和冶金涂層.在第六屆國際真空會議中，開始設立國際顧問委員會，但僅有亞洲和歐洲的兩名顧問委員.第七到第十一屆國際真空冶金會議中有的設立了特種熔煉和冶金涂層兩個國際顧問委員會，在特種熔煉國際顧問委員會中，包括中國、美國、蘇聯、英國、德國、奧地利、日本、法國等國的特種熔煉專家，代表性強.

3.2 電渣冶金發展歷史“分期”

關于電渣冶金發展的歷史，具有不同的觀點，筆者認為可以分為第一代電渣冶金和第二代電渣冶金，它們中間又可細分為發生發展期和成熟期，如表2所示.

表2 電渣冶金發展歷史“分期”Table 2 Electroslag metallurgy’s history of“staging”

前一時期的技術孕育著下一時期的技術.第一代電渣冶金技術的發展過程中孕育著第二代電渣冶金技術.發生發展期中的電渣重熔技術孕育著成熟期的電渣重熔技術.第一和第二代電渣冶金的成熟期都還將延續較長時間，不斷發展和完善.

4 第二代電渣冶金技術的特征［1，2］

4.1 第一代電渣冶金技術的優點與不足

主要優點:

1)渣鋼作用充分;

2)水冷快速凝固，錠子及鋼材均勻性和致密度高;

3)金屬收得率高.

不足:

1)大氣下熔煉;

2)效率低、能耗高、電渣重熔時需要制備自耗電極，也增加了電耗;

3)電渣重熔速度高和電渣澆注時，金屬溫度高，熔池加大，電渣過程優越性降低.

4.2 第二代電渣冶金的特征

第二代電渣冶金的理念是梅多瓦爾院士于1982年首次提出的.1982年在東京舉行了第七屆國際真空冶金會議.這次會議成立了有日本、蘇聯、美國、德國、加拿大、法國、奧地利、中國等國代表參加的國際顧問委員會.

我國朱覺，傅杰，李正邦，韓耀文等6人參加第七屆國際真空冶金會議，會上朱覺教授除發表了關于水平電渣澆鑄的文章以外，最后放映了幾張關于“200噸電渣爐”幻燈片，引起了大會的轟動，使外國同行，特別是使美國卡耐基－梅隆大學梅隆研究院院長，美國真空學會真空冶金分會主席G.K.巴特博士和梅多瓦爾院士感到無比的震驚.

會議期間巴特博士宴請了中國代表團一行六人，梅多瓦爾院士簽名送給我兩本專著，一本是《電渣金屬》、一本是《電渣熔鑄》.對于《電渣金屬》，梅多瓦爾希望我能組織中國學者翻譯成中文在中國出版(可惜這個遺愿尚未完成)，他并指著《電渣金屬》封面上那張四通道的電渣重熔爐說，(當時朱覺教授、李正邦同志在場)“這是第二代的電渣爐”，首次提出了第二代電渣冶金的概念.

1986年，第十屆國際真空會議在美國召開，我應大會主席的邀請，在真空冶金分會上作了一個題為“中國高溫合金技術進展”的特邀報告［6］，記得B.I.梅多瓦爾院士也被邀請在真空冶金分會上，作題為“新一代電渣冶金技術:電渣離心澆注和電渣固定模澆注”的特邀報告.這是他第一次用書面形式正式提出了新一代電渣冶金的概念.也使我開始思考第二代電渣冶金有哪些特征，包括哪些內容，經過多年的思考，今年發表了關于第二代電渣冶金的文章.

新一代電渣冶金技術，也就是第二代電渣冶金技術，它與第一代電渣冶金技術有何不同?第二代電渣冶金技術有哪些特征?包括哪些內容?

根據梅多瓦爾院士1982年送給我《電渣金屬》和《電渣熔鑄》這兩本書及他1986年發表文章的內容，我理解第二代電渣冶金的第一個特征是像高爐轉爐流程和現代電爐流程一樣，生產鋼的產品，不再主要是鋼錠，而是鋼坯，省掉了初軋開坯工藝.作為近終型的電渣熔鑄和澆注應屬于第二代電渣澆注技術.但由于電渣熔鑄和澆注產品是單件生產，質量的穩定性難以保證，故嚴格地說，帶計算機自動控制的電渣熔鑄和澆注，才是真正的第二代電渣冶金技術.

在第七屆國際真空冶金會議上，已經有加壓氬氣保護電渣重熔的報道，作者早年也研究過氬氣保護(真空/加壓)電渣重熔，特別是考慮到在大氣下電渣重熔合金鋼(例如軸承鋼)，鋼中氧受渣相和金屬相之間氧平衡的控制，在氬氣保護條件下，沒有大氣中的氧通過氧化電極表面向渣中傳遞的過程，從而可降低鋼中的平衡氧，故認為第二代電渣冶金第二個重要特征是冶金過程是在隔絕大氣的條件下進行的，這一特征對進一步提高電渣金屬的質量具有重要的意義.

2001年，在基輔舉行了梅多瓦爾逝世一周年紀念會，參加紀念會的，有巴登研究所和來自世界各地的梅多瓦爾生前的好友，學生和同志，前蘇聯、美國、德國、法國、奧地利、加拿大、中國的許多電渣冶金專家均來了，并在會上作了技術報告.介紹了電渣冶金在各國的發展，指出了電渣冶金進一步發展的方向.這也使我比較明確了什么是第二代電渣冶金技術.

上世紀80年代，我國建成了當時世界上最大的電渣重熔爐，并成功地應用于核電等大鍛件生產.近年來為滿足百萬千瓦級核電站所需大鍛件要求，我國又建成了當前世界上最大的400 t級的超大型電渣爐.可以認為，超大型是第二代電渣重熔技術的又一個特征，因為400 t級與200 t相比，錠子凝固組織的控制難度加大;渣鋼接觸界面增加，在大氣下進行電渣重熔的時間長，冶金質量控制的難度更大;重熔電流加大，短網設計，供電制度會更復雜等等.沒有文獻資料查詢，沒有現成的經驗借鑒，實驗室研究結果只有參考價值，小型工藝性實驗結果也不能直接利用，必須進行大量的實際熔煉研究和生產現場摸索.而要使400 t級電渣爐的生產技術指標和質量達到200 t電渣爐的水平，是一個跨越，是一個質的飛躍.

5 超大型錠的電渣冶金與重大裝備制造業的發展［1～4］

5.1 超大型錠的電渣重熔

重大裝備制造用大鍛件是重大裝備制造的“瓶頸”，我國2001～2020年中長期規劃以及2012年要完成的產業調整與振興規劃中，都把水電、核電、船舶、冶金等重大裝備制造國產化列為重點內容，并提出了明確指標.以核電為例，至2020年，我國核電裝機容量要達到4萬MW，根據現在的發展趨勢，還可能要翻番，即達到8萬MW.但即使這樣，我國核電產能占全國總發電量的比例也只有7%左右，雖比現在的1.3%有較大幅度的增加，但距世界的平均水平17%相距甚遠，和核電發達國家的差距更大.發展核電需要大量的鍛件，例如1 000 MW級的核電裝備就需要單重300 t以上的特大鍛件.

世界上核電用大鍛件普遍采用電爐冶煉的普通大鋼錠鍛造工藝，一個300多t的大鍛件需要冶煉單重600～700 t的大錠子.但目前我國還不能生產這類錠子，而且國外還限制對我國的進口，進口價格昂貴.

我國從上世紀80年代開始，發展核電走的是另一條道路，即采用電渣重熔工藝自主生產大鍛錠.

我國自耗電極電渣重熔始于1959年.早在1965年上海重型機器廠與北京鋼鐵學院(現北京科技大學)合作，建成了當時世界上最大的100 t電渣爐，解決了我國2 300 mm冷軋機支撐輥等重大設備的制作問題.之后，上海重型機器廠為了生產滿足我國秦山核電站所需的360 t電爐鋼錠的要求，又于1980年建成了一臺200 t電渣爐，成功地生產出了重達240 t的大電渣錠(圖1).

圖1 在第七屆國際真空冶金會議上朱覺教授放映的200 t電渣爐生產的180 t電渣重熔錠Fig.1 The 180 t ESR ingots produced by 200 ESR rnace showed by professor Zhu Jue at the 7 th ICVM

200 t電渣爐批量生產出了不同質量的大電渣錠，在電渣過程理論、關鍵技術、產品范圍擴大、裝備方面做出了突出貢獻.上海重型機器廠批量生產了秦山核電站所需的300～600 MW發電機轉子，300～600 MW汽輪機高中壓轉子和低壓轉子，560 t加氧反應器等大鍛件，并通過國家級鑒定與驗收.21世紀又批量生產了核潛艇、1 000 MW核電站構件等.

700 MW水電站和1000 MW核電站重大裝備制造，需用單重300多t的大鍛件，200 t電渣爐已不能勝任.為此，上海重型機器廠又率先建成了一臺容量為450 t的電渣爐.為滿足我國加速發展核電的需求，國內不少廠家也開始籌造或建成了幾臺100～250 t的電渣爐.

但是，由于錠子質量的擴大，不是一個簡單的數量增加，而是一種質的飛躍.大型錠重熔時間長達幾個晝夜，使得熔渣成分變化，金屬成分及其均勻性難以控制;大型錠直徑超過2 m，有的在3m以上，凝固組織控制的難度加大;在大氣下長時間的電渣重熔，低氫控制的裝置及工藝極其復雜;短網設計困難增加，必須在已有200 t電渣技術的基礎上，進行大量的實際熔煉研究和生產改進摸索.為此，筆者提議國家組織“重大裝備制造用大鍛件的電渣冶金”專項研究，且吸收民營企業參加國家重大科技項目，引導和支持民營企業轉變經濟增長方式，實踐證明:民營企業在管理體制等方面的優勢有利于科技發展.據悉，山東通裕重工已順利成套生產了第三代核電AP1000主管道用超低碳控氫不銹鋼大型電渣重熔錠，成品率100%，這不僅是國內，也是世界上首次成套生產，解決了第三代核電主管道制造的“瓶頸”問題.

事實將雄辯證明:當年許多人不理解中國人能造成200 t電渣爐，但實際上200 t電渣重熔技術得到了世界認可.我國大電渣爐在世界上處于領先地位.現在人們對400 t電渣爐有的持懷疑態度，但筆者相信，400 t電渣爐一定會成功，會為我國700 MW水電設備和1 000 MW核電設備做出應有的貢獻，而且重大裝備制造用大鍛件電渣冶金技術的發展，必將推動我國整個電渣冶金技術的更新換代.

我們要敢于走前人未走過的路，敢于自主創新，只跟著外國人走，很難走到世界前列!

5.2 第二代液態金屬澆注大型電渣錠

關于液態金屬的電渣澆注，蘇聯開發了分批電渣澆注技術［5］，其原理示于圖2.在這一基礎上B.I.梅多瓦爾的兒子 L.B.梅多瓦爾，W.Holzgruber的兒子 H.Holzgruber等開發出了第二代的液態金屬電渣澆注技術［6］，其原理示于圖3.

圖2 分批電渣澆注示意圖Fig.2 scheme of partial electroslag casting

由圖3－(c)可見，電渣澆注過程中，經中間包感應控溫的低過熱度鋼水，注入一個側面導電的上結晶器中，在下結晶器中凝固成錠.據悉，液態金屬電渣澆注大型錠技術，國內正在準備引進.作者認為:

①這一技術具有節能的顯著優點，金屬收得率肯定比普通錠高，組織致密度和力學性能相信會比普通錠好，屬于第二代電渣冶金技術，值得肯定與發展;

②液態金屬電渣澆注大型錠，是電渣冶金的先驅者們多年的理想，但目前尚無電渣澆注大型錠的經驗，應該十分重視有關理論和技術的研究，除對大型電渣錠重熔的共性技術研究以外，要特別重視電極參數的設計與控制以及凝固機理和技術的研究;

③自主創新，開發帶氬氣保護的液態金屬電渣澆注系統和電渣重熔與液態金屬澆注結合的綜合技術;

圖3 第二代液態金屬電渣澆注技術示意圖Fig.3 Scheme of second generation liquid metal electroslag casting technololy

④加強國際合作，充分利用國外經驗，發展我國的電渣冶金;

⑤關于液態金屬的電渣澆注和初煉爐的配合問題.液態金屬電渣澆注和自耗電極電渣重熔大型錠的優點之一，是可以采用較小容量的初煉爐生產大尺寸錠子.例如上海重型機器廠曾用容量為40 t的電弧爐，澆注自耗電極生產240 t的電渣錠.但為了保證大型錠子成分的均勻性，宜采用較大容量的初煉爐.液態金屬電渣澆注系統建立在電爐車間或特種車間比較合適.

6 結語

(1)今年是中國電渣重熔技術工業化50周年(1960～2010);

(2)論述了電渣冶金的分類，分期及第二代電渣冶金技術的特征;

(3)大型電渣重熔錠及液態金屬電渣澆注錠是滿足我國核電、水電等重大裝備制造所需大鍛件要求的關鍵材料，對我國核電、水電等重大裝備的自主化發展具有重大的戰略作用，希望國家給予以大力支持.

［1］傅杰.第一代和第二代電渣冶金技術的發展［J］.特殊鋼，2010，31(1):18－23.

［2］傅杰.第二代大型錠電渣冶金技術的發展［J］.中國冶金，2010，20(5):1－4.

［3］傅杰.大型錠電渣重熔技術在我國的發展［N］.中國冶金報，2010－5－13(B2版).

［4］傅杰.我國特殊鋼發展模式探討［C］//2010年特鋼年會會議論文集.黃石: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，山東膠縣人，北京科技大學教授，博士生導師，E－mail:fujie9@263.net.