教育部第二批“新工科”課程《鋼鐵科學與技術前沿》第六講: 高品質特殊鋼電渣重熔技術

              ?????? ???????發布時間:2021-10-29


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              10月26日,依據新工科人才培養理念與要求,由中國金屬學會和上海大學聯合開設的教育部第二批“新工科”課程——《鋼鐵科學與技術前沿》第六講正式開課。本次課程主題為“高品質特殊鋼電渣重熔技術”,由東北大學特殊鋼冶金研究所的姜周華教授主講。在本次課程中,姜周華教授主要從電渣重熔技術原理、特點和應用進行展開,進一步介紹了新一代電渣重熔技術的基本特征以及未來的創新發展方向,最后提出了電渣重熔特殊鋼的關鍵技術及未來發展方向。

               

              作為體現國家工業化水平、綜合競爭力的標志,高端特種鋼生產技術在我國仍屬于一項“卡脖子技術”,在重大工程、高端裝備和先進武器制備領域起著不可或缺的重要作用。而電渣重熔技術(ESR)是目前生產高端特殊鋼的主要方法,其生產的高端特種鋼產量占我國特種冶金總產量90%以上。電渣重熔技術的基本原理即在水冷結晶器中,通過渣阻熱將自耗電極重新熔化和精煉,從而順序凝固成鋼錠。相較于模鑄和連鑄技術,電渣重熔技術有著鑄錠無大型夾雜物、宏觀和微觀偏析小、成分組織均勻、渣洗精煉、順序凝固等顯著優點。同時,電渣重熔技術還適用于服役條件苛刻、凝固時偏析嚴重的大型鋼錠以及極易偏析和析出脆性相的高合金鑄模的制備,例如汽輪機轉子、葉片、高速工具鋼等,在機械制造、海洋工程、石油化工等多領域有著廣泛應用。

               

              然而,在電渣重熔過程中,往往會在電渣中出現增氫現象,這與我們常識中認為的“水火不相容”所不同。在對六種不同成分的渣系作電渣重熔后檢測其氫滲透率,姜教授發現其中最高的氫滲透率高達4.22×10-6mol/cm·min,而最低的僅為0.48×10-6mol/cm·min。為此,姜周華教授探討了氫在電渣中存在的形式,他指出,水汽在ESR渣中的溶解度與電渣成分息息相關,在堿性渣中,H2O會與硅氧陰離子的非橋氧相結合,使得硅氧陰離子聚合并生成OH-。此外,在重熔過程中,鋼中的活潑金屬如Al、Ti等總會因為氧化而損失,大多數情況下,電渣鋼錠中的氧含量通常比自耗電極的氧含量增加50-200%。與傳統澆鑄法相比,電渣重熔鋼錠具有成分組織均勻、結構致密的優點。同時,電渣鋼的潔凈度高,尤其是非金屬夾雜物細小彌散分布,不會出現明顯的宏觀成分偏析或縮孔、疏松等鑄造缺陷。

              目前,傳統的電渣重熔技術仍存在著電耗高、污染嚴重、成本高、潔凈度低、凝固質量差等技術缺陷,為此,姜周華教授結合全參數過程穩定的潔凈化理論(CSP)以及超快冷和最佳熔速下淺平熔池均質化控制理論(SCOM-SP),介紹了新一代電渣重熔技術的基本特征:高潔凈、高均質、超快冷、最佳熔速和淺平熔池?;谶@些基本特征,姜教授提出了未來電渣重熔技術的創新與發展方向:一為可以基于多相反應模型、夾雜物和氣體控制技術從而全面提升電渣鋼的潔凈度;二為基于模型構建“工藝參數-熔速”的定量關系,實現淺平熔池均質化凝固控制;三為姜教授團隊自主創新的全密閉可控氣氛電渣爐及“一鍵式”智能化控制系統。其后,姜教授還介紹了半連續電渣重熔實心和空心鋼錠成套技術裝備以及電渣重熔過程中節電技術,圍繞高品質、高效、綠色三個方向對新型電渣重熔技術做更多補充說明。

               

              最后,姜周華教授對高品質特殊鋼的核心特征作了總結,即純凈化、均質化、組織細小以及尺寸精確。此外,姜教授將電渣重熔過程中產生的缺陷和影響的工藝參數一一對應,系統性地提出了電渣重熔質量控制的關鍵技術。同時,姜教授也提出了電渣重熔技術的未來發展方向,他認為電渣重熔技術勢必將向高端化、高效化、綠色化、智能化發展,依托新技術、新工藝和新流程,廣泛應用于各個領域。

              課程接近尾聲,上海大學材料科學與工程學院董瀚院長為姜周華教授頒發榮譽證書。

               

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