大型电渣重熔值得注意的几个问题.docx
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大型电渣重熔值得注意的几个问题
大型电渣重熔值得注意的几个问题
No.1
January2011
《大型铸锻件》
HEAVYCASTINGANDFORGING
大型电渣重熔值得注意的几个问题
向大林
（上海重型机器厂有限公司,上海200245）
摘要:
大型电渣重熔作为生产100t以上直至300t重大锻件用巨型钢锭的理想方法,正在被更多的人们所
关注.本文回顾了电渣重熔的大型化缘起和发展.根据200t级电渣炉的实践经验,讨论了大型电渣重熔一些
值得注意的问题,如设备与工艺,特大电流短网,低氢控制,均匀性控制等.
关键词:
大型电渣重熔;200t级电渣炉;设备与工艺;大电流短网;低氢控制;均匀性控制
中图分类号:
TFI4文献标识码:
B
SomeProblemsMeritingAttentioninLarge—scaleESR
XiangDalin
Abstract:
Large—scaleESRisbeingspreadasanidealprocessofmanufacturinggiganticingotsfor100tupto3OOt
monoblockforgings.Originanddevelopmentoflarge—scaleESRwerelookedbackinthispaper.Someproblemsmeriting
attentioninlarge—scaleESR,suchasequipmentandtechnology,excessivecurrentshoanet,lowhydrogencontrol,homo-
geneitycontroletc.,werediscussedonthebasisofproductionpracticeofthe200t-classESRfurnace.
Keywords:
large—scaleESR;200t-classESRfurnace;equipmentandtechnology;excessivecurrentshortnet;low
hydrogencontrol;homogeneitycontrol
随着重大型装备向高参数,大容量发展,大锻
件的尺寸,吨位也越来越大,如第三代核电
AP1000反应堆压力容器法兰接管段筒体需要
600t以上的钢锭来制造,汽轮机低压转子交货尺
寸长11in,直径最大达2.8Ill,锻件重量达365t,
钢锭重量要达到700t.而且锻件的质量和性能
要求越来越高,锻件报废的风险也不断加大.钢
锭的冶金质量是获得优质大锻件的基础和先决条
件,在大锻件生产中起关键性作用.为了保证大
锻件质量,降低废品率,生产高均匀性,高纯净度
金属材料的电渣重熔越来越受到青睐.近些年,
国内外都在纷纷上马大型电渣炉生产大锻件用钢
锭.但电渣重熔本是一种生产小锭的特种熔炼技
术,而且是在20世纪50年代末,60年代初才发
展起来的.苏联巴顿电焊研究所（MH—
TaneKTpOCBapKHHM.E.O.HaTOHa）把电渣焊的
相似过程移植到冶金领域,1958年5月,在德聂
伯特殊钢厂（3aBO~《）Inerapo—cnei~cTanb>>）建立
了第一台工业电渣炉（P909型）,生产直径500
mm,重500kg的电渣锭,电渣重熔技术才开始实
际工业应用叫.迄今为止,电渣重熔只有5O多
年短暂历史.
50多年来,电渣重熔的大型化颇费周折,获
收稿日期:
2O10—1O—26
26
得成功的案例并不多,这个现象引人深思,令人费
解.本文通过对电渣重熔大型化发展过程的简要
回顾,结合笔者从事200t级电渣炉技术工作30
年的实践经验,提出一些值得注意的问题并加以
讨论,供大型电渣炉的同行参考.
1大型化的开端——10Ot电渣炉（1965年）
钢锭的生产通常分为两步,即熔炼和浇铸,而
电渣重熔则把熔炼和浇铸两道工序合二为一.在
同一个金属模内,两道工序同时进行,同时完成,
而且锭模是强制水冷.电渣重熔过程中,金属在
渣池中以薄膜形式微量熔化,渣/钢反应接触面
大,渣温高,渣池活跃,金属受到熔渣强烈有效的
精炼净化.在重熔和铸锭同时进行的过程中,钢
水始终不接触耐火材料,不接触空气,免受耐火材
料污染和二次氧化.特别是,钢锭凝固条件优越,
是在强制冷却的,很陡的温度梯度条件下进行,具
有定向渐进结晶特点.因此,在炉外精炼还不普
遍也不发达的当时,电渣重熔的出现,显示出强大
的生命力,各国竞相开发,纷纷采用.20世纪60
年代,电渣重熔迅速发展成为包括我国在内的世
界各国生产高纯净度,高均匀性,耐高温高压,耐
腐蚀磨损,抗冲击疲劳,抗中子辐照等质量要求苛
刻的金属材料的主要冶金方法.
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January2011
中国科技人员睿智卓识,对这一新生事物表
现出极大的敏感性.电渣重熔既从内部创造了精
炼净化金属的良好条件,又从外部杜绝了夹杂物
的来源,尤其具有对于结晶至关重要的优越的冷
却条件,而且它把熔炼和铸锭两道工序合二为一,
为解决当今世界上大钢锭的"纯净度"和"均匀
性"两大冶金质量难题提供了将两者紧密结合的
最佳条件.同时,电渣重熔设备简单,投资很少,工
艺灵活,适应性,可控性强,操作易于掌握,质量可
靠性高,经济合理有效.这些都是其他冶金方法无
可比拟的.因此,电渣重熔问世不久,他们就迅速
将这种本来是生产小钢锭的技术创造性地引人大
型铸锻件行业,用以生产大锻件用优质大型钢锭.
1965年,很多国家包括一些工业发达国家刚
刚开始起步研究电渣重熔技术,世界电渣炉的容
量还仅仅在几吨的范围,在沈鸿及林宗棠的倡导和
组织下,上海重型机器厂就已建成了100t的3相
大型电渣炉（图1）.这是世界上最早的大型电渣
炉,也是当时世界上最大的电渣炉.其结晶器直径
为1500mm和2100mln两种,内胆为钢质,是由3
节叠合而成的固定式长结晶器（1650mm×3）.
图1100t电渣炉
Figure1100tESRfurnace
重熔启动用自耗电极炉内化渣.渣料中常常
有30%～50%的一次返回渣,渣化清即用A1块
对炉渣进行预脱氧,渣池深度（350～380）mm.
重熔过程中控制熔化速度,并用Al粉或/和ca.si
粉对炉渣进行脱氧.同时每隔（2～3）h取渣样和
钢样分析,根据分析结果随时调整脱氧制度.自
耗电极由原有1t小电弧炉生产,以小拼大,用50
多炉乃至100多炉电极重熔成一根大型电渣锭.
3根自耗电极夹持在同一个升降机构上,由一台3
相炉用变压器（7500kVA）向3根电极供电同时
重熔.所夹持的3根自耗电极同时上升或同时下
降.自耗电极经车削加工而成,带螺纹接头.电
极与电极通过电极头螺纹连接,和电弧炉石墨电
极的连接方法相仿（图2）.接电极时无需停电,
边连接边送进,熔炼过程照样进行,可生产50t至
100t大型电渣锭.设备于1965年初安装,1965
年4月开始热调试,用1500mm结晶器于1965
年6月29日熔炼出55t电渣锭.同年9月27
日,用2100mm结晶器熔炼出第一根100t电
渣锭（60CrMnMo,Q2025mm×4050mm,图3）.
1965年共生产了4根100t重的电渣锭.截止
1972年11月,共熔炼生产了46根大型电渣锭,
钢种有60CrMnMo,35MnMoV,34CrMnMo,
34CrNiMo,34CrNi3Mo,30CrMnMoNb,9Cr2Mo,
37SiMn2MoV,34CrMolA,34CrNi3MoV等.
Figure2Consumptiveelectrodes
100t电渣炉把当时世界上的电渣锭重量提
高了两个数量级,并且解决了上海重型机器厂
120MN水压机缺乏大钢锭的无米之炊问题,为制
造我国当时最大的轧机2300mln冷轧机支撑辊
做出了积极贡献.
由于自耗电极需要机械加工,工序太繁杂,金
属损耗大,生产成本高,特别是后来发现重熔至螺
丝接头处时有小块电极金属脱落掉入金属熔池,
使锻件超声波探伤通不过而报废.这和20世纪
30年代美国霍普金斯（R.K.Hopkins）用管状自
耗电极熔炼时,重熔金属中不时发现有未熔化的
管子电极碎片的情况相类似].此外,二次回路
的压降和电感损失都较大,变压器容量的利用率
和电效率都较低,钢内胆结晶器在叠合处常常发
生局部熔化粘锭,使用寿命短,也不安全.因此,
该炉于1972年底停止生产.
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Figure3A100tESRingot
100t电渣炉在世界上首开了电渣重熔大型化
的先河,对大型电渣重熔的设备和工艺进行了开创
性的尝试和探索,积累了极其宝贵的实践经验.
2大型化的典型——160t电渣炉（1971年）和
200t级电渣炉（1981年）
2.1萨尔钢厂160t电渣炉
1971年,西德萨尔钢厂（Saarstah1）建成结晶
器直径2300mm的160t电渣炉,1980年l0月
生产出第一根160t电渣锭.厂方称,用普通方法
制造大锻件,技术上遇到的困难和经济上遭受的
损失,使得在已经具备大型熔炼和浇铸手段的情
况下被迫上了电渣炉.这座电渣炉（图4）设四个
机架,四组彼此独立的供电系统分别对各机架供
电.每组供电系统有一台变压器经可控硅变频装
置输出（0～10）Hz的低频电供重熔用,以降低大
电流二次回路的感抗,提高功率因数.自耗电极
由130t电弧炉熔炼,经DH提升脱气处理之后浇
铸而成.当使用f2j2300mm,【2j1700mm结晶器
时,4根电极同时重熔.当改换成1300mm,
（2j1000mm结晶器时,则采用单电极重熔,通过
更换电极和抽锭操作,能生产长达（5—6）m的电
渣锭,相应的锭重为160t,90t和50t,30t.
2.2上海重型机器厂200t电渣炉
20世纪70年代,我国第一座核电站秦山核
电站开始筹建,秦山核电大锻件需要360t重的电
炉钢锭.为了经济而可靠地向核电站提供核电大
锻件,在深入研究了大锻件生产的主要质量问题
28
Figure4160tESRfumaceatremehing
和特殊性,认真总结了上海重型机器厂20世纪
60年代100t电渣炉的生产实践经验的基础上,
在朱觉教授的精心指导下,上海重型机器厂于
1981年创建了世界上最大的200t级电渣炉（图
5,图6,图7）,并于1983年10月31日生产出第
一
根205t电渣锭.炉子设3个机架,呈等边三角
形布置,每个机架的电极支臂上夹持呈串联形式
的两根自耗电极.3个机架各由一台单相变压器
供电,6根电极构成3相双极串联回路.自耗电
极由40t电弧炉熔炼,经RH循环脱气处理之后
浇铸而成.炉子装备了干燥空气保护,除尘和烟
气净化设施.重熔过程中交错更换电极,根据锻
件需要,可通过抽锭生产240t（（2j2730mm×
5200mm）以内的任意重量的电渣锭.若更换成
直径3300mm的结晶器,则可生产300t重的电
渣锭.就重量上说,240t电渣锭相当于400t电
炉锭,可生产200t重的锻件;300t电渣锭相当于
500t电炉锭,可生产250t重的锻件.该电渣炉
还可用于单相重熔,生产不同直径,各种吨位的中
小型电渣锭.
炉子建成后,针对重熔工艺的关键技术展开
了全方位,多层面的深入系统的研究,攻克了一系
列重大技术难题,主要有:
（1）均匀性控制技术解决了用成分有差
异的若干炉号,数十根电极,通过几个昼夜重熔成
一
根200t电渣锭的成分均匀性问题.
（2）大功率,快熔速,高冷却和强脱氧工艺为
获得高质量巨型电渣锭提供了重要保证.大功率
供电,渣温高,冶金反应的动力学条件好,精炼净
化效果强.虽然熔速高达5t/h以上,但由于有
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Figure5200t—classESRfurnaceatremelting
图6核电用207t电渣锭
Figure6A207tESRingotfornuclearpower
图7核电用205t电渣锭
Figure7A205tESRingotfornuclearpower
高速强制冷却,使得熔池浅,成分均匀,组织致密.
强制脱氧使渣池始终保持低氧位（FeO≤0.3%）,
高冶金性能.因此,200t级电渣炉生产的电渣锭
热塑性良好,锻压时一次压下量达1000mm也不
开裂.电渣锭中心的密度与锭边缘密度一致.锭
中心的二次枝晶间距仅为2mm.氧化物0.5级,
硫化物找不到.直径为2113的锻件,超声波探伤
起始灵敏度1.1mm也能通过J.
（3）低氢控制技术解决了高湿度气候
条件下长时间重熔获得低氢巨型电渣锭的难题.
尽管上海气候潮湿,空气湿度高达30gHO/m,
熔炼区气/渣接触面积有5m大,但几个昼夜的
重熔过程中,低氢控制技术使重熔与天气和季节
无关.使用冷渣料对低氢控制没有明显影响.电
渣锭中的氢含量都不超过2×10～,大部分在1.4
×10以下.数十个大锻件,包括直径为2000
mm的汽轮机低压转子,完全取消扩氢退火后无
一
发现白点.
（4）低铝控制技术¨扫除了电渣重熔法
生产汽轮机转子的障碍.汽轮机转子中的铝不允
许超过0.010%（质量分数）,而电渣重熔获得低
铝非常困难.当用低铝电极重熔时,总是发生增
铝,因为渣中含有大量铝.当电极中的铝超过
0.010%（质量分数）时,重熔过程中更难以将其
降至0.010%以下.用自主研发的低铝,低氧,低
硫兼得的重熔工艺技术'"批量生产的高,中,
低压汽轮机转子,铝均控制在0.005%～0.007%
之间,氧,硫均在25×10以下,大部分为20X
10-.'.
30年来,200t级电渣炉一直在生产运行,在
完成国家重点建设项目的攻关任务中做出了一个
又一个重大贡献,不断受到国内外专家的关注和
推崇.主要产品有:
（1）炉子建成首先是生产秦山核电站核岛大
锻件用电渣锭.1981年10月10日重熔出127t
核电用电渣锭,1983年10月31日和11月18日
连续两次生产出205t和207t核电用电渣锭,到
1984年底共生产核电用电渣锭24根,锭重多在
（130～170）t之间,完成了秦山核电站核岛大锻
件所需大钢锭的生产任务.用电渣锭成套生产的
蒸发器和稳压器等核电大锻件,经有关部门5大
类35项材料内在质量严格测试,技术性能符合设
计要求,综合质量达到ASME标准,通过国家级鉴
定和验收.秦山核电站1991年l2月15日并网
发电,提前两年达到年发电设计能力.20年过去
了,作为"国之光荣",秦山核电站至今运行情况
良好.
（2）此后,相继批量生产了300MW发电机
转子,300MW一600MW汽轮机高.中压和低压转
子,560t加氢反应器等大锻件,全部通过国家级
鉴定和验收.
（3）进入21世纪,凭借技术优势,批量生产
了核潜艇堆内构件,三峡工程710MW水轮机导
叶轴头,1000MW核电站堆内构件,1000MW超
超临界汽轮机转子等高合金大锻件,获得了巨大
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的经济效益.
一
个国家的钢铁工业发展和冶金技术水平,
既要看钢的产量,品种和质量,还要看能生产多大
的钢锭和大钢锭的质量有多高.巨型钢锭的生产
技术反应了一个国家重工业的发展水平和科学技
术的攻坚能力,也是一个企业实力和等级水平的
象征.作为中国的自主原创技术,200t级电渣炉
开辟了生产优质巨型钢锭的新方法,新途径,因对
世界特种熔炼技术的重大贡献,曾于1988年在美
国举行的第九届国际真空冶金会议（9thICVM）
上获大奖（图8）.在我国的工业现代化发展过程
中,由中国人独创,从研究开发到付诸工业生产应
用并达到世界领先地位,在国际上获奖的重大项
目还为数不多.
图8的奖牌
Figure8Themedia（9thICVM）
2.3其它大型电渣炉
此外,还有一些见诸于苏联文献的苏联建造
大型电渣炉的报道.如,1979～1980年在新克拉
马托尔斯克机器制造厂（HKM3）安装了~iiiri?
15o型电渣炉¨...据称,该电渣炉由3台单相
变压器供电,总功率为（12—14）MVA（4800kVA
X3）.液渣启动,采用上部加大的漏斗形结晶器
（Q）3360mm）.上部加大处为熔化部分,下部为
成型部分（O2550mm）,其截面积等于自耗电极
的总截面积或者大20%.渣量（11～12）t.结晶
器加大处装有钢液面传感器,还有供注入或排出
液渣用的孔眼.熔炼过程中向金属熔池和渣池吹
入惰性气体.可熔炼直径（1800～2700）mm,重
（80—200）t的电渣锭和外径（1800～2700）mm,
内径（600～800）mm的空心锭,并可同时熔炼3
个重（30—60）t的电渣锭.采用7根电极操作,
熔炼80t锭时电极直径为650mm,熔炼200t锭
时电极直径为1000mm.重熔时电极不进给,短
网也不动,只有结晶器上移.苏联出口朝鲜千里
马钢厂的200t电渣炉也是这种炉型结构,但是根
30
本无法开炉炼钢,请中国专家去也爱莫能助.
又如,YUI一108型电渣炉,变压器容量为3
500kVA×3（单相）,可熔炼2500mm/100t的
空心锭和实心锭;日丹诺夫重型机器厂（TM）
的YlII-100型电渣炉J,变压器容量为2500
kVAX3（单相）,可熔炼O2300mm/120t的空心
锭和实心锭,等等.但是30年过去了,至今也未
见那些炉子投人生产使用的报道.
3大型化的新进展（2008年以后）
为了满足市场急需,提升企业核心竞争力,上
海重型机器厂有限公司2008年着手投建结晶器
直径为37001Tim的450t电渣炉.450t电渣锭
相当于（6oo一700）t电炉锭,覆盖了当前世界上
所有最大吨位的锻件用钢锭.历时一年,于2009
年4月建成（图9）,5月5日热调试成功,现已投
入试运行.2009年开炉重熔11炉,根据锻件需
要,现已顺利重熔出220t,320t的核电压力容器
用电渣锭.450t电渣炉的产品对象主要是百万
千瓦级核电机组的核岛锻件,汽轮机低压转子,管
板和大型支撑辊等超大型锻件.
此外,第一重型机械集团公司的120t电渣炉
从2010年5月已开始调试;东北特钢正在大连基
地上马100t电渣炉（从奥地利Inteco公司引
进）,计划在2011年7月投入运行;无锡桥联集团
的300t电渣浇注炉已从2009年开始设计（由乌
克兰巴顿电焊研究所的Elmet-Roll-MedovarGroup
承担）,还有一些单位正在筹建200t和400t电
渣炉.尤为可喜的是,通裕重工股份有限公司通
过技术改革,实现了电渣重熔技术的提升和跨越.
2009年4月冶炼出第三代核电AP1000主管道用
超低碳控氮不锈钢（SA376TP316LN）72t电渣
锭,而且是一次成功;2009年生产的几根75t电
渣锭,锭高4.1nl,锭子上下成分一致,底部质量,
顶部补缩和低倍组织优良,洁净度高.[H]=1X
lO,『O1=17×10I¨,[S]=20×10I¨.2010年
4,5月,通裕重工又率先顺利生产出一套第三代
核电AP1000主管道用超低碳控氮不锈钢（SA376
TP316LN）大型电渣锭8根.这不仅是国内也是
世界上首次成套生产出AP1000主管道用核级超
低碳控氮不锈钢大型电渣锭.AP1000主管道是
我国引进AP1000核电技术项目中唯一没有引进
国外技术的核岛关键设备,被称之为核电站的
"主动脉",属于核1级设备.AP1000主管道用
超低碳控氮不锈钢大型电渣锭的生产技术是
《大型铸锻件》
HEAVYCASTINGANDF0RGING
NO.1
January201】
AP1000主管道制造的核心技术,是主管道制造的
限制性环节.AP1000主管道用超低碳控氮不锈
钢大型电渣锭成套生产成功,解决了我国第三代
核电主管道国产化的瓶颈制约问题,对于我国大
力发展核电事业是一个不小的贡献.迄今为止,
通裕重工已生产（70～82）t的大型电渣锭近20
根,质量稳定.
据报道,Et本,德国,意大利以及欧洲其他一
些工业发达国家近年也在陆续投建250t,150t,
145t,120t,110t,100t大型电渣炉.
Figure9450tESRfurnaceatremelting
4大型电渣炉值得注意的几个问题
电渣炉相对于电弧炉等其他熔炼设备而言是
比较简单的,但由于设备容量的大型化而引发的
一
些问题则不容忽视.世界上好几台大型电渣炉
都不成功的教训是深刻的.根据笔者从事200t
级电渣炉技术工作30年的实践,认为大型电渣炉
至少以下几方面值得认真注意:
4.1电渣重熔工艺设计是灵魂
设备是正常生产的基本保障,对生产工艺有
关键性影响.所谓"工欲善其事,必先利其器",
在某种意义上甚至可以说设备比生产工艺本身还
重要.其实生产设备是根据生产工艺而设计的,
它在各方面的工作性能必须要满足生产工艺的要
求,需要两者的和谐统一,完美结合.并且设备要
有很强的适应性,要能充分满足生产工艺所涉及
的调整范围.好些大型电渣炉不好用,甚至无法
重熔生产,常常是缺少工艺设计.重熔工艺是生
产电渣锭的各种过程参数,规范程序和操作方法.
重熔工艺设计是全面规划和具体描述电渣重熔生
产实施意图的过程,是电渣炉设计中的"灵魂".
电渣炉还没有形成标准化,系列化.大型电
渣炉的工业化生产,也才仅仅40年短暂时间.奥
地利Inteco公司总裁W.Holzgruber博士说,技术
上突破100t的电渣炉仅有德国萨尔钢厂和中国
上海重型机器厂两家.可想而知,大型电渣重熔
特别是100t以上的炉子的工业生产实践经验是
极其有限的.这种本来是生产小锭的特种熔炼技
术,炉容量十倍百倍地扩大,使得很多工艺因素复
杂化,这不是一个简单的数量增加,而是跨越,质
的飞跃.科学上的新发现可以通过论文和网络技
术很快地在全世界范围内传播开来,知识全球共
享,但新的工艺技术却是企业的Know-how（专有
技术）,是企业的看家本领,是企业的核心竞争
力,往往具有知识产权,具有独占性,保密程度很
高.如果没有掌握大型电渣重熔的工艺技术,工
艺设计又从何谈起?
如果设备设计者对重熔工艺
茫然无知,那这种由没有灵魂的设计建造的设备
怎么可能好用?
苏联本是电渣重熔技术的发源地,但是苏联
的大型电渣炉并不成功,其主要原因就在于苏联
没有掌握大型电渣重熔工艺技术.对此,IO.B.
BaTam教授,A.F.~oFaqeHKO博士都曾向笔者证
实,并一再称赞中国200t电渣重熔技术的先进
性.
美国康萨克公司（ConsarcCorp.）也不掌握大
型电渣重熔工艺技术.尽管康萨克电渣炉设备特
别是供电部分做得还不错,但康萨克大型电渣炉
注定是不好用的.康萨克公司总裁R.J.Roberts
博士曾称赞中国的
升级会员 