電渣熱封頂指的是常規方法冶煉的鋼水澆鑄到鋼錠模或鑄模中後，在冒口部位採用電渣過程對鋼水進行加熱保溫的電渣冶金套用技術。在20世紀40年代末期，為了生產大型鋼錠，首先在美國出現了以石墨為電極的電渣熱封頂工藝。
基本介紹
- 中文名：電渣熱封頂
- 外文名：electroslag hottopping
- 出現時間：20世紀40年代
- 學科：冶金工程
- 設備：電渣爐
- 適用條件：大型鋼錠和大鑄件的生產
原理,設備,電極,供電方式,保溫冒口,套用優點,冶金效果,
原理
金屬在冷卻凝固過程中，從液態轉變為固態及從高溫固體冷卻到低溫均產生體積收縮。鋼錠或鑄件的凝固是同時從四周表面向中心進行的，在凝固冷卻過程中產生的收縮若得不到液體金屬的補充，就會在鋼錠或鑄件的中心產生疏鬆縮孔，影響其質量，嚴重的還會使產品報廢。在生產中，對澆鑄的鋼錠或鑄件均在其上方設有冒口，內含額外的金屬，用於補充鋼錠或鑄件在凝固過程中的收縮。
從理論上說對於不同成分的金屬，在凝固過程中一般需要其體積3%左右的額外金屬來補充其收縮，但在實際生產中，由於鋼錠或鑄件的冒口與其本體幾乎是同時冷卻凝固的，為使冒達鋼錠或鑄件體積的16%～20%。這樣，一方面因為鋼錠或鑄件冒口部分的金屬無法使用，必須去掉，從而增大了金屬的消耗;另一方面由於冒口金屬與鋼錠或鑄件本體同時凝固，有時也不能確保鋼錠或鑄件中心的良好補縮，影響中心區域的質量。減少鋼錠或鑄件產生疏鬆縮孔缺陷的有效方法是採取措施使鋼錠或鑄件定向凝固，即離冒口最遠的區域首先凝固，凝固前沿逐漸向冒口推進，冒口區最後凝固。電渣熱封頂就是在鋼錠或鑄件的冒口區加熱保溫，實現定向凝固，使冒口區最後凝固的方法之一。
設備
電渣熱封頂的設備是普通的電渣爐。將常規冶煉的鋼水澆入鋼錠模後，在錠模上方安裝特製的冒口，加入渣料，插入電極即可開始電渣加熱保溫過程。(見圖1)使用的電極、供電方式、保溫冒口的材質可以有所不同。
圖1 電渣爐結構電極
電渣熱封頂使用的電極有兩種：
(1)石墨電極。採用石墨電極的電渣熱封頂工藝主要起加熱保溫作用，可以消除鋼錠或鑄件中心區域的疏鬆和縮孔，但由於沒有向鋼錠或鑄件提供額外的金屬，金屬凝固後會在頂部出現一個凹坑。
(2)金屬自耗電極。採用金屬自耗電極的電渣熱封頂工藝在對冒口進行加熱保溫的同時電極熔化的金屬可以對鋼錠或鑄件的收縮進行補充，另外進入鋼錠的金屬熔滴也是向鋼錠傳熱的熱源，對鋼錠凝固時的熱狀態有較大影響。
供電方式
可採取單相或三相供電：(1)單相供電。採用一根電極，電流經電極、渣池由鋼錠返回;也可採用兩根電極(雙極串聯)，電流從一根電極進入，經過渣池從另一電極返回。採用兩根電極的連線方式可以提高熱封頂過程的電效率、降低電能消耗。(2)三相供電。採用三根電極，每根電極分別與一相電源相連。這種供電方式對於生產50 t以上的大型鋼錠比較方便，同時這種供電方式對電源網路的影響不大，容易實現供電網路的平衡。
保溫冒口
保溫冒口 有兩種類型：
(1)特製的水冷冒口，在整個熱封頂過程中，冒口內通冷卻水冷卻。
(2)內襯耐火材料的冒口。耐火材料的材質多以MgO為主，也有的冒口採用石墨內襯。一般認為採用耐火材料內襯的冒口可以減少熱封頂過程的熱損失，從而降低電能消耗;而水冷冒口不用耐火材料，使用時準備工作簡單且使用壽命長。
套用優點
這一技術使在鋼錠或鑄件的凝固過程中冒口區域的金屬始終保持液態直至鋼錠或鑄件凝固完畢，從而使金屬在凝固過程中產生的收縮能夠得到液態金屬的不斷補充，消除在鋼錠或鑄件中心出現的疏鬆和縮孔缺陷。因而它是對普通鋼錠及鑄件澆鑄工藝的改進，可以提高普通鋼錠及鑄件的質量。與電渣重熔相比，採用該工藝使大型鋼錠的生產更容易且效率較高。但其鋼錠的質量與電渣重熔鋼錠相比各方面都還有差距。電渣熱封頂工藝特別適合大型鋼錠和大鑄件的生產，鋼錠或鑄件越大，採用電渣熱封頂工藝的效果越好，其經濟效益越高。
冶金效果
電渣熱封頂冶金效果可歸納為3點：
(1)節約金屬，提高金屬收得率。由於使鋼錠或鑄件在凝固過程中的收縮不斷得到補充，消除了中心疏鬆和縮孔缺陷，減少了廢品率。同時由於保證了冒口最後凝固，可以減小冒口的體積，減少了金屬消耗。例如澆鑄9 t重的渦輪機葉片，採用電渣熱封頂技術可以使冒口金屬消耗減少88%。
(2)提高鋼錠中心化學成分的均勻性和鋼的純淨度。由於鋼錠頂部存在熱源，避免了普通鋼錠凝固過程中出現的“結晶雨”現象，消除了鋼錠下部的負偏析錐。當在電渣熱封頂過程中採用金屬自耗電極時，電極熔化的金屬不斷進入鋼錠中心的液相區，使由於選分結晶造成的中心溶質元素富集得到稀釋，鋼錠的中心偏析減輕。富集到鋼錠中心的非金屬夾雜物隨金屬液流動與鋼錠頂部的高溫渣池接觸，進行反應進入渣池，從而又減少了鋼錠中的非金屬夾雜物。
(3)改善了鋼錠中心的凝固質量。由於鋼錠頂部存在高溫熱源，同時熔化電極的金屬熔滴也從上到下向鋼錠中的液體傳熱，改變了鋼錠凝固時的熱狀態，使鋼錠實現了從下到上的定向凝固。另外熱狀態的改變也影響了金屬的結晶速度和凝固前沿的溫度梯度，使之與普通鋼錠相比晶粒尺寸減小，凝固組織緻密。通過改變電渣熱封頂的工藝參數，控制向鋼錠的輸入功率，可以改變金屬的結晶形態，得到所需要的凝固組織。
