特殊鋼特種冶金新技術研究

陳世勇

（貴州大學， 貴州 貴陽 564200）

1 真空感應爐中新技術的運用分析

1.1 電磁攪拌與惰性氣體攪拌技術分析

真空感應冶煉爐本身內部已經具有良好的攪拌效果，同時加上電磁攪拌之后，內部的氣體能夠上升至溶液界面，進而大量析出，這種形式可以有效實現對材料的去氣操作，并且可以獲得良好的效果。此技術在運用過程中需要注意選擇科學合理的電磁攪拌功率，防止對爐襯產生過強的沖擊。

當使用惰性氣體進行攪拌時，氣體會通過坩堝底部的錐形多孔流入到熔池。惰性氣體會在內部穿過熔融金屬，之后氣泡的體積與表面積會逐漸變大，當接近金屬液面時氣泡的體積會明顯發生膨脹反應，進而讓氣體能夠與金屬有著更多的接觸面積發生交換反應，這樣可以大大減少內部溶液表面的更換時間，進而讓內部整體變得更加均衡。最后，惰性氣體還可以讓一些微小的氧化物聚攏在一起，夾帶著他們漂浮至溶液的表面，進而實現對特殊鋼的凈化作用。真空感應爐在設計時應充分考慮到脫氣，考慮感應圈直徑與高的比，進而讓溶液的表面能夠增大，便于實現脫氣操作，同時還應降低耐火材料與溶液表面的接觸面積，進而減少對爐襯的侵蝕。

1.2 真空感應爐的冶煉電源分析

最早所設計的真空感應爐基本都采用電動機（變頻機組）作為電源，到了1967 年開始逐漸使用可掛硅變頻電源，它的功率能夠達到1 000 kW，頻率為180 Hz。之后經過幾十年的發展，可控硅靜止變頻電源技術已經非常成熟，并且在真空感應爐冶煉期間可以將功率由1%到100%實現平滑調節，實際的操作也非常簡單、靈活與準確，在調試過程中不會發生太大的波動。可掛硅靜止變頻電源在特定范圍內進行變化時，能夠跟蹤爐內的材料的變化，不需要大電流的接觸器來控制開關電容器。

1.3 PLC 控制技術在真空感應爐中的應用分析

在信息時代背景下，PLC 可編程序控制技術可以讓真空熔煉設備自動化或半自動化的實現成為可能。特殊鋼材料真空熔煉設備可以嚴格按照所設置的程序進行運行，能夠對工藝實現精準的控制，確保設備能夠正常穩定運行。如真空熔煉設備中真空機組的開關、檢測以及閥門的故障識別及預警等都可以通過PLC 實現控制。

1.4 計算機輔助系統在真空感應爐中的應用分析

相關技術人員可以根據積累的豐富經驗及理論，編制成為特定的計算機軟件。之后計算機輔助系統能夠根據爐內的實測溫度與軟件給出的工藝曲線進行對比，若兩者之間存在出入就會第一時間對電源輸入功率進行調整，進而有效控制爐內特殊鋼液的溫度，防止冶煉過程中溫度過高或者高低而影響特殊鋼的質量，同時還可以實現最大經濟化運行。在測量時，爐內溶液表面所產生的雜質及污染都會影響測試數據的準確性，而技術及輔助系統則可以實現自動修正操作。一些大型的真空感應爐都會具有流槽設置，進而可以使得錠子的補縮較為困難。小型的錠子能夠更加容易的產生縮孔和短錠。因此在運用真空感應路冶煉特殊鋼時，為了獲得更大的效益，必須將縮孔降低到最低限度。國外已經研究出了一種視頻監測系統，主要由一套攝像觀察裝置及視頻軟件所構成，能夠從顯示器上觀察澆注的實際狀況，同時可以通過光標來控制補縮。

2 電渣爐相關技術分析

電渣冶金是現階段生產高質量特殊鋼材料的重要方法，經過電渣重熔能夠有效提高純度，降低硫含量及其他非金屬雜質，鋼錠的表面非常光滑且結晶均勻。目前中國基本所有的特殊鋼生產企業都具有電渣爐，但是傳統的電渣爐生產效率低下，能耗高，污染大，同時還具有其他一系列的質量問題。

2.1 電渣爐自動化控制技術

近幾年，隨著電渣爐冶金技術的快速發展，它的控制方式也發生了巨大的改變?，F如今主要有三種控制方式：恒功率、遞減功率以及融速控制。最早時期的電渣爐因為爐型較小，通常采用恒功率的控制方式，進而確保鋼錠的質量。但是隨著人們需求的改變，對于電渣爐鋼錠的尺寸也有著更大的要求，若繼續使用恒功率電渣爐進行控制，重熔的后期金屬熔池較深，因此會對鋼錠的質量產生負面影響。隨后便產生了遞減功率控制技術，這樣盡量保持金屬熔池深度不變，以此提高最終鑄錠結晶質量的穩定性?，F階段我國的電渣爐逐漸開始采用遞減功率控制技術，同時也有部分電渣爐使用擺動控制技術，繼而讓自耗電極長時間保持恒定渣池侵入深度。西方大部分國家所采用的為速溶控制技術，在重熔階段不同時期采用不同的熔速，各個時期內保持恒定的融速，在重熔整個過程中通過電壓擺動控制技術實現對自耗電機侵入渣池深度的控制。

2.2 電渣連鑄技術分析

最早時期的電渣重熔主要采用一次性重熔一個鋼錠的間歇工作模式，這種方式生產效率非常低下，并且鋼錠在接下來的鍛造或者出軌開坯過程除頭去尾的量較大，進而導致鋼錠的成材率較低，增加了生產成本。除此之外，早期的電渣重熔因為電流路徑的特殊性，渣池與金屬熔池之間具有著較大的熱交換，所以金屬熔池深度與電極熔化速度成正比。但是為了確保最終鋼錠結晶的效果，熔化速度與鋼錠直徑之比不能超過1，極大的限制了電極的熔化速度，如當重熔直徑小于300 mm 的鋼錠時會大幅度提高生產的成本。為了有效克服上述所存在的電渣重熔問題，我國自2002 年就開始加強對電渣連鑄技術的研究工作?，F在的電渣連鑄技術既具有電渣冶金的特點，同時還能夠繼承連鑄相關優勢。此項技術的主要特征是運用了雙極串聯、交換電極、連續拉坯以及在線切割等重要技術。它的結構運用了T 型結晶器，雙極串聯渣池的高溫區域主要集中在兩條電流的導電端頭，這種形式改變了傳統的電渣重熔的溫度分布，可以有效降低金屬熔池的深度以及工作運行功率。除此之外，當鑄錠從T 型結晶器中取出時，在空氣中會受到空氣對流而進行冷卻。若使用傳統的固定式結晶器進行重熔時，鑄錠收縮以及結晶器內壁會存在著氣隙，進而對冷卻操作會產生負面影響。

2.3 大型電渣重熔鋼錠凝固偏析控制技術分析

隨著市場對鋼錠的需求越來越大，鋼錠的直徑也逐漸增加。大型電渣重熔過程中隨著鋼錠的逐漸增加，會導致中心的冷卻環境逐漸惡化，鋼錠中心會產生偏析、疏松以及縮孔等不良現象，進而導致生產出的特殊鋼性能大幅度下降。解決凝固問題的關鍵之處在于需要嚴格控制電極的熔化速度，為此我國東北大學研發出了電渣重熔過程中的凝固參數模型，將生產工藝參數與電渣錠的參數相結合，實現了數字化模型的實際運用，這樣可以有效提高產品的質量。除此之外，還對大型電渣爐周圍的磁場強度進行了實時模擬，根據電渣爐的布置方式進行了分析，進而設計出更加先進的電渣爐結構布置方式。最后東北大學在上述研究基礎上，還研發出了遞減功率凝固控制技術、恒渣阻控制技術等，通過大量的實踐能夠證明：大型電渣爐中合理的熔化速度是生產大型鋼錠的重要保障，能夠有效提高最后的產品質量。

3 電子束熔煉新技術分析

3.1 電子束滴熔技術

滴熔法是處理難熔金屬的特殊方法，例如鉭、鈮等，棒形原料一般被水平輸入或者直接進行滴熔至抽出錠，所抽出正在增長的鋼錠底部需要保持溶池液位。大部分第一次進行熔煉的鋼錠都需要再次進行重熔，進而才能夠達到質量的要求?，F階段滴熔的坯料供給方式有兩種，即水平式與垂直式。若需要進行重復重熔，那么則需要使用垂直式。目前的滴熔爐一般均采用兩個或兩個以上的電子槍，通過反射電子束，減少內部金屬的蒸發以及飛濺，所熔化的金屬會滴至一個水冷型鑄模內，以此消除氣體并蒸發掉內部的各種雜質，同時還可以完成連續鑄造。對于一些較為特殊鋼的熔煉，電子束滴熔的方式可以有效確保鋼錠的純度及性能，此方法所生產出的鋼錠質量遠遠優于真空電弧方法以及電渣重熔方法，但是對于實際的生成加工成本較高，一般會用于制造一些高耐磨的機器元件。

3.2 電子束熔模鑄造技術

除了電子束滴熔的方式，還有電子束熔模鑄造的技術，它主要是利用電子束熱源與水冷銅坩堝的熔模鑄造，主要是用來生產超高溫合金透平零件以及含有等軸晶粒組織的鈦零件，生產過程中所使用的坯料必須為熔煉的清潔材料，不含有任何的污染物。采用此技術能夠澆注前及澆注過程中能夠讓溶體保持高溫，進而可以增加金屬的流動性，所以可以的提高生產效率。此技術一般常用于高生產率的場合，但是它也具有一些較為明顯的缺點，在整個澆注的過程中因為水冷銅坩堝內部的溶體會存在著溫度梯度，進而會逐漸使得溫度降低，所以不可以運用此技術生產一些較為細小的超高溫合金鑄件。

3.3 電子束冷爐膛精煉技術

電子束冷爐膛精煉技術是處理與回收一些活性較高金屬的主要方法，一般用于精煉特殊鋼和超高溫合金，同時還能夠實現活性廢料金屬的再生精煉。在整個運行過程中為了有效實現雜物分離，爐膛內的尺寸大小必須設計適中，這樣才可以為熔煉的金屬提供充足的停留時間。其中絕大部分的精煉過程是在冷床中進行的，還有一小部分在連續鑄造結晶器中完成的。此設備與滴熔設備相比存在很大的差異性，主要增加了冷床，同時內部的熔煉室空間也較大。最后，此技術所熔煉的材料多為超耐熱的合金及鈦合金，因此需要更多的檢測設備進行監控。

4 結語

特殊鋼的冶煉技術是提高生產品質的必要保證，近幾年隨著我國特殊鋼相關技術的不斷發展，必將為我國高端特殊鋼材料的研發奠定夯實的基礎，進而滿足我國工業及軍事領域對于特殊鋼材料的實際需求，為推進我國經濟及軍事建設提供強大的助力。特殊鋼是一個國家、一個地區工業技術及經濟實力的重要標志，所以我們應加強對特殊鋼特種冶煉技術的研究與投資力度，確保我國特殊鋼冶煉能夠不斷誕生更加先進的新技術。