电渣离心浇铸

电渣离心浇铸(centrifugalelectroslagcasting)

用电渣坩埚炉即有衬电渣炉熔炼的优质钢水连同熔渣一起注入离心旋转的不水冷的金属模中来生产轴对称的中空异型铸件的技术，是在电渣重熔和离心铸造基础上发展起来的一种电渣冶金方法。该技术由乌克兰巴顿电焊研究院提出，曾获前苏联专利。

工作原理电渣离心浇铸原理见图1。在坩埚炉内，自耗电极通过电流在液态渣池中产生的焦耳热，将自耗电极熔化，熔化的金属被炉渣精炼并聚集在坩埚炉的底部，当聚集到一定数量后，熔炼过程结束，翻转坩埚至一定倾斜度，液渣先注入旋转的铸模中，在冷模的内表面凝固形成渣壳，以防止铸件与铸模粘连，然后，金属液在其余液渣的覆盖下一同浇入旋转的铸模中，在离心力的作用下，轻的液渣包裹在熔融金属自由表面上，直至金属完全凝固成型。电渣坩埚炉后可配置卧式离心机，也可配制立式离心机。

工艺特点电渣坩埚炉可以获得较纯净的钢水，离心铸造可以获得致密的铸件，电渣离心浇铸将二者工艺上的优点有机地结合在一起，其主要特点可归纳为3项：(1)它拥有电渣坩埚炉熔炼的特长，如对电极尺寸要求不高，可采用尽可能高的熔化速率，利于合金化和调整工艺，可以回收废旧块料、碎屑等；由于熔渣的作用，可以获得比开式炼钢设备(感应炉、电弧炉等)成分纯净、均匀的钢液，特别是钢液脱硫率可达50％～80％。熔炼前后主要合金元素含量几乎保持不变等。

(2)它不同于普通离心铸造，坩埚炉熔炼使用的熔渣既是离心铸造防止铸件与铸模粘连的涂料，又是浇注过程防止钢水二次氧化的保护剂，还是铸件自由表面防止疏松缩孔的保温剂，整个电渣离心浇铸过程中，铸件始终在渣的包裹下凝固成型，因而铸件的内在质量和表面质量优于同类钢普通离心铸件，达到或超过锻件标准。

(3)电渣离心浇铸过程的熔化和凝固是分两个阶段进行的，因而铸件的形状不受限制，铸模可为钢质或铸铁质，加工费用比铜模便宜，而且坩埚炉熔炼无需考虑金属熔池的形状，熔炼时间短，所以主要技术经济指标(电耗、效率、成本等)比电渣重熔和电渣熔铸为优。

可以说，利用电渣离心浇铸的方法能够简单而高效率地生产各种材质和形状比较复杂的空心铸件(图2)。这些铸件在外形和尺寸上都接近于使用状态的零部件，其力学性能和一系列其他性能都优于同类钢锻件的技术条件和要求。因此，电渣离心浇铸以其产品的多样性，质量的可靠性和较高的经济效益显示出强大的生命力，成为电渣冶金向近终成形方向发展的一个重要分枝。

新发展近年来，电渣离心浇铸技术在净化钢液、促进钢渣分离方法和改变离心铸件凝固组织等方面取得了新的进展：

感应电渣离心浇铸电渣离心浇铸中，合金和熔渣通常是同时浇入旋转的铸模中，由于熔炼用熔渣在冶炼过程中成分会有变化，其熔点变高，黏度变大，在浇铸过程中不能保证在较短的时间内钢渣完全分离，部分熔渣可能残留于钢中成为夹杂，因此，熔炼用熔渣直接与合金一同注入旋转铸模容易造成铸件缺陷。北京科技大学提出利用电渣感应熔炼技术来提供离心浇铸用的金属液和熔渣，发展一种新的电渣离心浇铸技术，即感应电渣离心浇铸技术。

动态效应在电渣离心浇铸中，对尚未凝固的金属液输入外力，强制其流动，即采用动态的方法，促使金属在凝固过程中柱状晶向等轴晶转化。这比通过控制浇注温度、加入生核的孕育剂等措施效果明显得多。对于奥氏体耐热钢的离心铸造来说这是十分重要和有意义的，因为非奥氏体钢的铸造组织可以经过热处理细化至一定程度，而奥氏体钢由于合金元素含量高，通常都获得柱状晶比较发达的铸态组织，即使热处理之后，仍将保持着粗大的状态。乌克兰巴顿电焊研究院对立式电渣离心浇铸37Cr12Ni8Mn8MoVB耐热钢、中国北京钢铁研究总院对卧式电渣离心浇铸3Cr24Ni7N、4Cr28Nil5等耐热钢采用动态效应的方法细化组织获得了成功的经验。

在工艺上，所谓动态效应就是在离心浇铸金属凝固过程中，在一定的限度内，以一定的规律升高或降低铸模的旋转速度，利用旋转速度改变过程中的加速度对结晶前沿产生的切向力，使枝晶折断、脱落，增加新晶核，达到控制晶粒结构的目的。实施动态效应时，作用于枝晶顶点并导致它们断裂的作用力F可以用下式表示：

F=ma

a=ωaR

ωa=△ω/△t

则F=△ω/△tRm

式中m为枝晶前沿液体层的质量；a为枝晶前沿的切向加速度；ωa为枝晶前沿液体层的角加速度；R为枝晶前沿液体层重心到旋转轴的距离；△ω为铸模角速度的变化；△t为铸模角速度改变的时间间隔。当F大于足以使结晶前沿枝晶折断的某一数值时，结晶前沿将形成枝晶碎片，F越大，枝晶碎片就越多，这些碎片成为形核核心，并在紊流层中剧烈运动，均匀散布在整个未凝固枝晶顶点金属液中，为等轴晶的生长创造了极为有利的条件。

计算F和m是非常困难的，但△ω、△t和R是可以控制的，因此有

a=△ω/△tR

也就是说，根据结晶前沿切向加速度的大小，可以判断凝固组织细化的程度，铸模旋转角速度变化越大，变化的时间间隔越短，则变化的加速度越大，晶粒细化的程度就越显著。但是，如果旋转加速度过高，晶粒间易产生微裂纹，因此升高或降低铸模的旋转速度必须控制在一定限度内。

采用动态效应的方法，无需添加任何新的设备，便可获得单一组织(全部柱状晶或全部等轴晶)和多种非单一组织(柱状晶和等轴晶有多种不同比例和大小)的晶粒结构(图3)。因此，动态效应是一种控制电渣离心铸管凝固组织最有效、最方便、最经济的方法。