电渣重熔技术的前世今生

众所周知，我国的99坦克，完全可以自豪的说是全世界主战坦克的尖端水平，很多技术指标上更是可以成为全球一也不为过。举例来说，99坦克电渣重熔，使用身管自紧技术的主炮，全世界就没有几个国家能够生产。在这里，我们用一些浅薄的知识来给大家谈一谈所谓的“电渣重熔技术”。当然，很多方面了解得并不透彻，或者说只停留在书本上。这篇帖子主要起个抛砖引玉的作用，希望坛子里的大神不吝指正，也能够提高我们的水平。

 好的，闲话不多说，我们来讲一讲电渣重熔的前世今生。

当然，在这之前要提及一些金属材料冷热加工的基本知识，比较枯燥，希望大家能够看完。

首先，大家都知道，工业上想要制造一个部件，一般是经过了原料—毛坯—产品的过程。而影响部件力学性能的大因素，可以说就是制造毛坯时采用的工艺。

制造毛坯的工艺有很多，但常见的还是铸造和锻造两种。铸造，大家想必都很熟悉，先做成一个模子，然后倒进铁水（或者别的什么，这里就只讲钢铁了）；锻造呢，就好像我们看古装电视剧里面的铁匠，把原材料烧红了之后使用气锤乃至水压机进行捶打，锻压，轧制甚至冲压，后成形。那么，这两种方式到底有什么优劣呢？请听小黑我慢慢道来。

先说铸造。铸造的优点就是方便快捷，成本低廉，重要的是易于铸造一些模样奇葩的铸件，也就是说需要进一步机加工的工作量小。但是，铸造的缺点也非常明显。

首先，我们都知道有个“热胀冷缩”的规律。金属液倒进模子，我们都知道肯定是靠近外壳的部分冷却较快（散热面积比较大），那么等到中央的部分冷却凝固，金属的体积肯定不足够充填铸件。这样一来，就在铸件的内部留下了很多小空洞。放在一般的生产中还没什么，但是若是军工产品，那么这样的缩孔就非常危险了。为此，采用了所谓的“顺序凝固”法，也就是在设计铸件的时候加上一块无用的部分（冒口），然后在铸件上面安置冷铁。凝固的时候，先凝固的部分产生的缩孔，可以由后凝固的部分补充，后所有的缩孔都集中在冒口，只要把冒口切掉就行了。

但是，且慢！这样一来，虽然减少了缩孔，但是新的问题却产生了——热应力。也很好理解，先冷却的部分有一个收缩的趋势，肯定就要“拉扯”后冷却的部分。举个例子吧，两个身高相仿的人背靠背绑在一起，其中一人如果要弯腰，那么另外一人要么被背起来，要么就会扛住那个人让他无法行动，这就是所谓的“应力”。如果应力超过了材料的限度，那么就会出现裂纹。即使没有开裂，作为军品来讲，存在应力集中点也是极端不安全的。（应力集中点非常脆弱，比方说大家平时撕开塑料包装袋的时候总喜欢从那个“缺口”下手，那个“缺口”其实就是一个应力集中点。）

其次，我们都知道纯铁的性能是不能满足人们要求的。想要更好的力学性能，就非要添加各种元素做成合金钢不可。但是，在铸造过程中，合金元素不见得就会那么均匀的凝固，非常容易造成元素分布不均，影响铸件的各项性能。

后，一般的铸造都不免要和空气进行接触，这样有两大危害。一，空气进入铸件，未必会及时排出，那样就会造成“气孔”。和缩孔一样，这种缺陷对于性能的影响自不必说。第二，就是所谓的“烧蚀”。比方说，空气中的氧进入铸件，就要和金属液里面的元素发生反应。例如重要的合金元素“硅”和“钛”，就很容易和氧气反应。自不必说，这样生产出的铸件，绝对是达不到原材料合金的应有性能的。当然，为了改善这种情况，也有各种真空或者保护气铸造，但是成本一般较高。

铸造的毛病那么多，锻造的情况又如何呢？

首先要说，锻造得到的锻件，其性能比较铸造法，是要强出不少的。因为直接使用合金钢的母材锻造，没有改变原有的元素配比，还通过锻造细化了晶粒，性能还有所改善。但是，小黑又要说但是，锻造的缺点主要有两个。

一个缺点，就是生产周期长。钢铁，尤其是力学性能优异的合金钢，可不是能够捏来捏去的橡皮泥。想要把母材给锻打成想要的毛坯，就非要花上老长的时间不可。比方说我们现在用来锻造大飞机机身部件的2万吨水压机，它的生产效率就不是很高。在很多时候（比如坦克或者军舰的装甲），都是先轧制出板材，再焊接或者铆接成形。

第二，就是成本问题。锻造设备的占地和成本先不说，就光说无法直接得到形状复杂的毛坯这一点，就需要使用切削加工。耗时耗力不说，切下来的部分大多就作为“废料”处理了。这样一来，势必造成很大的浪费。（即使说这些废料再次利用，消耗掉的能源，时间和刀具都浪费了）  当然了，业内的朋友们，大多数也都知道我国的激光快速成型（3D打印）技术比较先进，即使不说世界一，至少也是全球尖的水平。那么，使用3D打印来制造大型部件好不好呢？

问题还是有的。至少说到目前为止，激光快速成型仍然只适用于快速生产出客户所需要的样品。对于该生产工艺的问题，小黑并没有太多了解，也不敢在大拿面前班门弄斧，只能说3D打印在目前还不能说是一种非常可靠的生产工艺。当然，有我国和欧美科学家的努力，相信在不远的将来，激光快速成型技术会有一个大发展。

好了，说了这么多，终归说道我们的主题——电渣重熔技术了。

要说电渣重熔的起源，还要说毛子的巴顿焊接研究所。当年，毛子在搞电弧焊的时候，发现了问题。我们都知道所谓电弧焊，就是拿一根焊条接上电源，然后把你的焊件接上另一头，然后轻轻一摩擦就能拉出一道高温的电弧进行焊接。但是在1953年，一位毛熊发现，在电弧焊的过程中电弧熄灭了，但是焊接仍然在继续，也就是说焊渣（也可叫做“电渣”）起到了引导电流和发热的作用，而且这样焊接出来的焊件力学性能优良，这一点迅速引起了毛熊技术专家的注意，他们在电弧焊的基础上发展了电渣焊技术。

当然，当时的毛熊并没有就此止步。当时钛合金的应用方兴未艾，西欧发达国家冶炼特种金属的主要方法是真空电弧炉。但是电弧炉非常昂贵，当时的毛熊难以负担，所以考虑到电渣焊的原理，毛熊的技术专家，二毛科学院院士梅多瓦尔（这位老先生于2000年去世）组织专家组，在1958年攻关出了电渣炉铸造金属锭的技术。

电渣炉的原理并不复杂。一个底端导电的圆筒（当然，后来随着技术的进步，也不止用来铸造圆筒，也可以铸造其他形状的金属锭），底下铺着导电的固体电渣。用于熔炼的母材作为一个电极伸入圆筒，另一个电极接在圆筒的底端。一旦接通电源，很大的电流通过熔炼系统，发出的高热熔化了电渣（一般熔点较母材为低），然后又熔化了母材。母材穿过电渣沉入容器底部然后迅速冷却，电渣逐渐上浮，直到整条母材熔炼完毕为止。

当然，真正的电渣炉有很多技术细节，不是小黑几句话能够说清楚的。我这里只是说个大概。真正的重点在于，电渣重熔技术和一般的铸造比起来，优越性在哪里？更进一步说，为什么会有这样的优点？待小黑一点点的给大家分析。

首先，电渣重熔的时候，我们可以看到熔化的金属可以说是很快的凝固，所以可以大程度上保证铸件的化学组成和金属母材一致，而且由于不是像一般的铸造那样大量金属液一次性凝固，也不用担心缩孔和缩松问题，热应力自然也就少了；其次，在熔化金属和空气之间，存在着电渣的保护，所以也不必担心有外界的气体进入造成气孔或者烧蚀；后一点，也是电渣重熔技术的王牌，那就是电渣能够自发吸收母材中的杂质。可以自豪的说，这一观点是由我国科学家首先提出的，并且得到了实验的证实。那么，电渣重熔铸造的金属锭不光质量没有下降，甚至在某种程度上还有提高，甚至可以说是使用铸造的方法达到了锻造的效果。

当然了，讲到电渣重熔技术，就不得不提到我国在这方面的发展。我国在这方面的起步，是1958年苏联的大规模援建。当时的电渣重熔技术在苏联也是绝密的高新技术，所以没有教给中国。但是其前置的“电渣焊”技能，苏联却没那么吝啬，作为公开技术给了我们。看到这里，请各位看官回想一下，毛熊是怎么发明电渣重熔的来着？对了，我国的科学工作者，正是在58年，采用电渣焊解决焊材热裂缝的问题时发现了这一现象，很快的在1959年制造出了简单的电渣炉原型，并在1960年制造了我国的一个工业用电渣炉，容量100千克。在1969年，我国就已经开始使用电渣重熔技术铸造榴弹炮的炮管和潜望镜，可以说在这方面并不落后于潮流。

电渣重熔技术    

电渣重熔是利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的方法。其主要目的是提纯金属并获得洁净组织均匀致密的钢锭。经电渣重熔的钢，纯度高、含硫低、非金属夹杂物少、钢锭表面光滑、洁净均匀致密、金相组织和化学成分均匀。

美国霍普金斯(R.K.Hopkins)于20世纪40年代首先提出这种精炼方法的原理。其后苏联和美国相继建立工业生产用的电渣炉。一九五八年，乌克兰德聂泊尔特钢厂建成了世界一台0.5吨工业电渣炉，使电渣冶金进入了工业化生产进程。60年代中期由于航空、航天、电子、原子能等工业的发展，电渣重熔在苏联、西欧、美国获得较快的发展，但炉子容量不大，一般为0.5～2.5吨。。生产的品种包括：优质合金钢、高温合金、精密合金、耐蚀合金以及铝、铜、钛、银等有色金属的合金。1980年世界电渣重熔钢生产能力已超过120万吨。

随着电渣冶金的发展及金属材料要求的不断提高，钢锭大型化已成为电渣冶金发展的必然趋势。初各国工业电渣炉容量仅为0.5t，大一些的一般也不超过3吨。八十年代中期，很多国家都有了50吨以上的电渣炉，就连印度这样的发展中国家也建立了88吨电渣炉。

多年来，国外电渣冶金已不满足于一般电渣锭的生产，在工业技术成熟的基础上向着更深更广的领域发展，形成了一个跨业、跨行业的新学科。已开发出的工艺技术有：电渣熔铸、电渣浇注、电渣转注、电渣热封顶、电渣离心浇注、电渣复合熔铸及快速电渣重熔等。尤其值得重视的是电渣熔铸异形件的发展，小到几十克重的不锈钢假牙齿，大到几十吨重的发电机转子，直至重量超过百吨的水泥回转窑炉圈等，均可不经锻造在异形水冷结晶器中直接熔铸成型。现在电渣熔铸的主要产品有大型发电机转子、水轮机叶片、船舶柴油机大型曲轴、各种高压容器、大型环件、各类轧辊、模具、透平涡轮盘、厚壁中空管、石油裂化管、齿轮毛坯、三通管、核电站压水堆主回路管道等。种类规格之多，形状之复杂不胜枚举。除此之外，实用性较强，具有发展前景的还有电渣热封顶、电渣离心浇注及快速电渣重熔等。