世界上第一台电渣重熔炉是于1930 年在美国诞生的,可是,后来世界上对电渣重熔炉进行大量研究、开发工作的当属原苏联乌克兰电焊机研究所。
电渣重熔炉的用途广泛,采用不同渣料可用于精炼各种合金结构钢、耐热钢、轴承钢、锻模钢、高温合金、精密合金、耐蚀合金、高强度青铜以及其他铝、铜、铁、银等有色金属的合金;采用不同形状的结晶器可以直接生产大直径钢锭、厚板坯、中空管坯、大型柴油机曲轴、轧辊、大型齿轮、高压容器、炮管等优质铸钢件。
电渣重熔炉是利用熔渣隔绝空气的保护方法来精炼某些钢或合金的一种电炉设备。电渣重熔炉的工作原理示意图如图1所示。
从发热原理来说,电渣重熔炉是一种电阻熔炼炉。电渣重熔工艺是电极下端部浸埋在熔融的熔渣中。交流电流通过高电阻渣池时产生大量热量,它把浸埋在熔融的熔渣中的电极端部熔化,熔化产生的金属熔滴穿过渣池滴入金属熔池,然后被水冷结晶器冷却后凝结成锭。在此过程中,金属熔滴与高温高碱度的熔渣充分接触,产生强烈的冶金化学反应,使金属得到了精炼。
电渣重熔炉的关键技术是熔渣系统。在电渣重熔炉中,熔渣的主要作用有四点,即:热源作用、保护作用、成型作用和冶金化学作用。熔渣的化学成分对电渣熔炼产品的质量和技术经济指标有很大影响。熔渣的特点是:
(1)具有较高的电阻率,在熔炼过程中能产生足够的热量,以保证金属熔化、升温和提纯。
(2)具有一定的碱度,所以其脱氧和脱硫效果好。
(3)不含有稳定的氧化物,如MnO、FeO 等。
(4)具有良好的流动性,以保证高温下的对流热交换和液态物理化学反应充分进行。
(5)具有较低的熔点,一般比被熔金属的熔点低150-250 ℃,这使锭子成型良好。
(6)具有较高的沸点,以便在高温下不致大量挥发掉。
电渣重熔炉的电气设备除电炉变压器外,还有以下3 部分:
(1) 高压侧设备主要有:隔离开关、高压断路器、高压电压互感器、高压电流互感器等。
(2)低压侧设备主要有:短网母线、低压电流互感器等。
(3)控制设备,包括调节器柜、操作台、传动电动机等。
与单柱式电渣炉相比,短网平行布置,它使电抗抵消、因而功率因数高。
与其他重熔设备相比,电渣重熔炉的主要优点是:
(1) 金属熔液与熔渣之间存在着强烈的冶金化学反应,所以除磷、除硫效果比较好,锭子纯度比较高。
(2)设备简单、生产率高、投资省。
(3)熔渣能将被熔融金属同外界空气隔离,不受外界污染。
(4)熔渣和熔融金属产生冶金化学反应,能够熔炼出高级金属和合金。
(5)熔融金属中的非金属夹杂物与熔渣起化学反应,则非金属夹杂物全部被熔渣清除掉。
(6)由于锭子是在水冷铜坩锅中冷却,其冷却速度非常快,这就导致锭子内部结构均匀,不产生偏析。
电渣重熔炉的应用范围很广,不仅可用来生产航空轴承钢、高温合金、精密合金和某些有色金属等,还可用来生产上百吨重的大型优质合金钢锭、大型扁锭或板锭、中空钢锭、复合板,以及熔铸轧辊、齿轮坯、涡轮盘、压力容器、飞机起落架、炮管等异形铸件。
宇宙飞船、国际空间站、人造卫星、核潜艇、喷气式远程轰炸机、原子能、火箭、导弹等设备。但是,这些尖端设备对制造它的材料性能要求非常严格,对所用的钢材、合金、毛坯提出高纯度、高均匀性、耐高温、耐高压、抗冲击、抗疲劳等一系列特殊严格要求,尤其是对材料性能的稳定性、一致性和可靠性要求非常高。
可是,满足这些要求,已非众所周知的普通冶炼设备所能完成的。为此,冶金工作者们,为了提高和改善宇航设备上的特殊钢和合金的质量和纯度,长期进行研究和探讨新的熔炼设备和工艺。通过大量的系统的理论和实践研究,以及从热力学和动力学等方面研究和探讨冶金过程中的物理化学反应机理,得出的重要结论是:唯一能够满足上述要求的工艺就是在真空室内进行宇航材料的冶炼。这是因为(1)在真空状态下,能够避免被熔炼金属及合金同非金属夹杂物产生化学反应。(2)在真空状态下,能够清除液态熔融金属中的有害的可溶解气体和污染物,以提高被熔金属的纯度。
就国内外工业水平来看,能够圆满完成冶炼上述材料的设备主要有以下 3 种,这就是:真空感应熔炼炉、真空自耗电弧炉和电渣重熔炉。即:欲快速发展航天航空工业,必须大力开发这 3 种高级冶炼设备及其新工艺。
在诸多真空冶金技术中,真空电渣冶金技术近年来有了新的发展。真空电渣重熔与真空电弧重熔和普通电渣重熔比较,具有许多优点,有着广阔的应用前景。许多行业开始重视了真空电渣重熔与其它种类冶炼技术的联合应用。出现了不少科技发明专利。例如,“一种低氧低夹杂物铜钻合金触头的生产方法”,属于电工材料领域,是真空感应熔炼与真空电渣重熔双联技术。“一种聚变堆用低活化马氏体钢的冶炼生产方法”,属于金属材料加工领域,也是采用经过真空感应熔炼熔铸母材电极再进行真空电渣重熔的方法