搞大炮，要電渣重熔鋼材，上世紀50年代的電渣重熔技術早就迭代了

昨天在討論我們大口徑艦炮即便造出來也晚了100年的文章中有人回復電渣重熔技術。不錯，這個技術的確是一個用來制造高強度炮管鋼的關鍵技術，但是并不代表所有的炮管都是用的電渣重熔鋼材制造。同時，所謂的電渣重熔技術本身是上世紀50年代俄國人在搞焊接時候搞出來的一個副產品，到了3/4個世紀之后咋還當作寶呢？又一個“某某行業皇冠上的明珠”？

那么今天咱們就來聊聊電渣重熔技術的前世今生好了。

如果要聊，電渣重熔（Electro Slag Remelting，ESR）那么這件事就可好玩了。但是在當前的技術環境下，一個中國讀者如果要討論外國技術的話，就不要對著中文詞匯望文生義。這也是為什么W君在很多文章中提到了一項技術都會附帶縮寫，甚至是外文原文的原因。有時候能從源頭上知道這個詞匯的寫法就特別有助于對技術的深入理解。

畢竟咱們不是搞文學的，也就不懼“張先生跟外國人來往慣了，說話有個特征——也許在洋行、青年會、扶輪社等圈子里，這并沒有什么奇特——喜歡中國話里夾無謂的英文字。他并無中文難達的新意，需要借英文來講；所以他說話里嵌的英文字，還比不得嘴里嵌的金牙，因為金牙不僅妝點，尚可使用，只好比牙縫里嵌的肉屑，表示飯菜吃得好，此外全無用處。——《圍城》”，中牙縫中的肉屑的說法了。

電渣重熔是俄國人發揚光大的，他們的原文是Электрошлаковый переплав直譯就是 “電-渣-重熔”，Электро-這是電力的前綴，和我們說的電車、火車、汽車中的前綴一樣是說明性質，шлак就是爐渣，是這個詞的核心意義。-овый是一個形容詞的后綴，用來把一個名詞轉變成形容詞——表示“與…有關的”，所以說“шлаковый”就是“與爐渣有關的”。至于переплав就是“重新熔化”的意思了。

переплав

講到這項技術和前兩天焊航母的一項技術是有共同點的，這就是“電渣焊”（Электрошлаковая сварка）。

在焊接大且厚的垂直焊縫的時候，用電極融化掉焊釬，讓熔化的焊釬金屬填充材料縫隙，經過冷卻后一條巨大的垂直焊縫就被焊接出來了。

在上世紀30年代，俄國工程師發現電渣焊的焊縫比母材還要結實耐用，后來試驗性的將整塊鋼錠吊在渣池里讓它慢慢往下熔，重新凝固出來的金屬竟然比原來的更干凈、更均勻。于是，這個本來是焊接副產品的思路，被斯捷帕諾夫一幫人盯上，正式發展成了“電渣重熔”工藝。

但是在上世紀30-50年代冷戰的思維下，很多事情都是保密的或者含糊其辭的。工藝中的“шлак”也就成了爐渣。到了西方社會在60年代開始導入俄國人的技術，由于“Электрошлаковый переплав”這個詞匯已經約定俗成了，于是就變成了“Electro Slag Remelting”，Slag——還是指爐渣。

在冶金術語中爐渣是屬于廢棄倒掉的那一部分。

冶金工廠在丟棄爐渣

這就給了很多望文生義的人一個誤導，認為電渣重熔是從爐渣里面精煉出一些特殊的鋼材。

實際上，ESR里的slag并不是冶煉剩下的垃圾，而是專門配方的高溫精煉劑。它既是加熱介質，也是化學過濾層，能吸附金屬中的氧化物和硫化物，并隔絕空氣防止二次氧化。換句話說，這里的渣是“功能材料”，而不是在垃圾堆里撿漏。

那么這里的“渣”到底是什么？

這種渣的配方可不簡單，一般要配上CaF?（氟化鈣）、Al?O?（氧化鋁）、CaO（氧化鈣）、MgO（氧化鎂），有時還會加點SiO?、TiO?來調節溫度適應特性、吸附率等特殊的工藝特性——這些都是粉末或顆粒狀的高熔點氧化物和氟化物。丟進爐子里，它們在高溫下融成一鍋液態渣池。

渣池要干三件事、第一是發熱，ESR不是直接用電流燒鋼，而是先讓電流通過渣池，利用渣的電阻發熱把鋼電極慢慢熔化，熱得均勻，不會“局部烤焦”。第二是精煉：鋼液和渣接觸，渣會把鋼里的氧化物、硫化物這些非金屬夾雜吸出來，相當于一邊熔一邊過濾。第三是阻隔空氣，渣池蓋在鋼液上隔絕空氣，防止二次氧化，還能穩穩地控溫，讓鋼液從下往上定向凝固，晶粒細、組織致密。

那么需要煉制的鋼鐵在哪里呢？被做成了電極！

在通電的狀態下，電極接近了高溫的渣池末端會不斷融化，液態的合金材料就會繼續向下滲透，而渣的密度要遠小于下面的“鐵水”，隨著上面的電極不斷消融下面的合金液體也不斷上升。而渣池就會懸浮在兩者之間形成過濾精煉的關鍵層。等一個電極消耗完，就可以從熔煉器中取出一塊精煉好的合金了。而更重要的就是這套設備通常在外部襯層中會通入冷卻水，由于冷卻作用的存在就不會讓合金一直處于液態。

與傳統技術“倒鐵水”出來再凝固成金屬錠的方式相比，少了氣液擾動，空氣中的氮元素氧元素就能避免摻雜到成品中。這就提高了合金成分的可控性。

同時，由于是液態在干鍋內迅速結晶，ESR工業也可以提高成品的結晶特性，在控溫后是可以生成單晶金屬的。

這就是基本的ESR工藝了。

說過優點，咱們說缺點由于電渣重熔的技術決定了在坩鍋內總是會有一大錠固態的合金，因此每次一個坩鍋內只能熔煉一錠高品質合金。熔煉后取出坩鍋內的合金（抽錠）也是一個費時費力的工作。

而且在抽錠的過程中，實際上ESR設備是處于停工狀態的。這個技術就不像開開高爐拼命填料，鋼水像自來水一樣源源不斷流出（連鑄連軋）的傳統工藝那么高產量。這也就是為什么ESR工藝成本高的最根本原因了。

不過，現在的ESR設備都是設計成旋轉鍋臺的設計。

一個電極對應旋轉架上的多個坩鍋，生產效率一下子也就上了了。而且凡事別到了咱們中國人手里，任何行業規模化生產都是中國人的一個夢想。ESR也不例外，2019年國家科學技術進步一等獎頒發給了這個項目“高品質特殊鋼綠色高效電渣重熔關鍵技術的開發和應用”其實就是我們的自主知識產權電渣重熔設備。據不完全統計到了前年就有60多家鋼廠用了325套，全國的產能早就過了百萬噸級。

而且是更進一步迭代的新設備，“可控氣氛電渣重熔”。

原理簡單說一下，傳統ESR不是在結錠后可以減少空氣中的氧氮干擾嗎？但是在結錠前渣池內呢？不是還有空氣成分嗎？這個技術就是往坩鍋里面再通入保護性氣體，保證了結錠前的合金純度。

當然了，再升級就有真空重鑄（Vacuum Arc Remelting，VAR）

這已經成了ESR技術的再次升級版本。通常是利用ESR的合金再在真空環境內利用電弧再次精煉。所以說，“炮管鋼”用電渣重熔的材料放在上世紀80-90年代說聽起來比較高端，但是到了現在技術都升級了好幾輪了，也就沒有太多必要去強調炮管鋼是電渣重熔的了——畢竟也沒先進到哪里去。

回過頭，咱們再說“炮管鋼”，這不僅僅是什么路子煉出來的什么“鋼”，還有一個重要指標在于合金配比和后期加工工藝。例如目前世界主流的國家所使用的炮管材料都在這個表內：

你會發現，基本上頂級產品的性能差別都已經不是特別的大。

這件事就又回到了誰能低成本規模化生產這個議題上，誰能產的多，誰就能更有優勢。不過貌似我們談鋼鐵產能這件事最近20年好像沒輸過吧？

所以回到文章開頭，電渣重熔技術的確曾經是制造高強度炮管鋼的重要一步，但它的高光年代早就停在了上世紀末。今天的材料體系里，ESR不過是起點，后面還有可控氣氛、真空重熔、雙重凈化乃至粉末冶金等一整套升級路線。單拎“電渣重熔”出來當賣點，就好比汽車廣告里大談“四輪驅動”一樣——重要，但絕不是能說明一切的標簽。

真正決定炮管性能的，不只是你用哪種工藝熔的鋼，更在于合金設計、熱處理控制、機械加工，以及能否穩定、低成本、大批量地生產出同等質量的產品。否則，就算技術名字喊得再響，也難掩它早已不是“皇冠上的明珠”，而只是一顆被歷史拋光過、如今光澤普通的老寶石。

那為啥“電渣重熔炮管鋼”那么讓人心醉呢？其實本質上是大多數軍迷聽到一個詞匯就停止了，并沒有深入的去了解這門技術以及這門技術的發展趨勢。這種事情在我們老家一般叫做“眼窩子淺”。