4.1电渣重熔设备和基本原理

电渣重熔法(Electro-slag Remelting，以下简称ESR法)是在水冷结晶器中，利用熔渣的电阻热来重熔 自耗电极，生产高质量的钢和合金的一种方法，系当今世界上采用最广泛二次精炼法（见图4-1）。它与真空自耗电弧炉相比较，不需真空抽气系统，多采用交流电源，故其设备简单，容易操作，钢锭内部组织致密，表面质量良好。主要用于特殊钢和合金的生产。

4.1.1电渣重熔设备

与真空自耗电弧炉相比，电渣炉的设备较为简单，它由以下几部分组成：电源变压器和短网，自耗电极升降系统，结晶器与底水箱，测量及控制系统，供水与除尘系统等等。这里只介绍电源变压器、结晶器、底水箱和电渣炉的各种结构类型。

（1）电源变压器

电渣重熔电制度的特点是使用的大电流、低电压的交流或直流电源。为此需要选择与电渣炉容量相适宜的变压器将外部输入的高压电转变为低压电（40～100V）。

（2）结晶器

结晶器是电渣炉最重要的设备部件。电渣重熔过程中，不仅自耗电极在结晶器内熔化，而且液态金属还在结晶器内强制冷却、结晶，并形成金属锭或铸件。它是炉子的熔炼室，同时又是金属凝固的锭模。结晶器的形状更加复杂，其结构多种多样(图4-4)，主要有锭模式结晶器、滑动式结晶器和组合式结晶器三类。

(3) 底水箱

底水箱安装在结晶器的下面，电渣熔炼初期它承受着大量的热负荷，并且还有部分(或全部)熔炼电流通过底水箱，它起冷却和承重的作用，还起导电作用。要求底水箱具有良好的导电性能和冷却能力，并且要有足够的刚度。底水箱的上盖板应采用光滑的紫铜板做成，箱体内通水冷却。冷却水在底水箱中可设计成不同的流向，底水箱也可制成不同的形式。

（4）电渣炉的类型 

电渣炉的类型很多，结构也多种多样。本节中仅从电渣炉的电源种类，供电方式、机架结构类型等作如下介绍：按电源可分为直流电渣炉和交流电渣炉两种，在工业生产中大量采用的是交流电源供电。按供电方式可分为单相电渣炉、三相三电极电渣炉、由三个单相(或多个单相)单电极组成的电渣炉以及双极串联电渣炉。如图4-6～4-8为电渣炉的几种布置形式，图4-3为电渣炉的电源布置示意图。

图4-1电渣炉 

   
图4-2不同类型的结晶器
1-自耗电极； 2渣池；3-金属熔池；4-金属锭；           1-3 锭模式结晶器； 
4-5 滑动式结晶器； 5-结晶器；6-底水箱   6-7 可拆卸式；  8 移动式

图4-3 单相固定式电渣炉

图4-4 单相双极串联电渣炉

图4-5 三相电渣炉

4.1.2电渣重熔的基本原理

（1）重熔的基本原理

电渣重熔过程中，电流经过自耗电极、熔渣、金属熔池、冷凝的金属锭以及底水箱，最后流经短网、变压器等，形成一个回路（见图4-6）。对于双极串联的电渣炉而言，电流是从其中的一根自耗电极经过熔渣(小部分电流还流经金属熔池，然后再流回熔渣)，再经另一根自耗电极，最后回到变压器而构成回路。

电渣重熔过程，包括渣池的形成、自耗电极的熔化、重熔金属的凝固以及重熔锭的补缩等都是在一个连续的工作程序中进行的。

当电流通过熔渣时，由于熔渣具有较大的电阻，在渣池中产生强大的电阻热。单位时间内渣池中析出的热量Q用下式表示：

      Q =  I²  R                  (4-1)

式中：Q—单位时间内产生的电阻热，J/S ；   

 I—通电熔渣的电流强度，A；

        R—渣池在熔炼温度下的电阻，Ω

自耗电极插在渣层中，由于熔渣的高温，使自耗电极的插入部分被加热，并超过自身的熔点，于是电极端头的表层开始熔化，形成薄层金属液，并附在端头上部。同时，在重力g、电磁力R、渣池运动的冲刷力F的作用下，沿电极端部表面向下流动，在电极的中央部位集中，并汇集成熔滴。重力使熔滴向下滴落，而熔渣与熔滴的界面张力δ力图阻止此熔滴下落(图4-7)

可以将重熔过程中自耗电极的熔化和金属熔滴的过渡看成以下三个阶段：

1) 自耗电极末端形成液态的金属膜；

2) 聚集成熔滴而通过渣层向金属熔池过渡；

3) 进入金属熔池表面。

 
图4-6 电渣重熔基本原理图

图4-7  金属熔滴受力示意图
1－渣池；2－熔化液层；3－金属熔池；4－渣皮； 5－电渣锭；6－结晶器；
7－底水箱；8－变压器； 9－短网；10－夹持器；11－自耗电极

4.2电渣重熔的优越性

电渣重熔与一般的冶炼方法相比，不同之处在于：重熔过程，包括渣池的形成、自耗电极的熔化、重熔金属的凝固以及重熔锭的补缩等都是在一个连续的工作程序中进行的。正因如此，具有一系列优越性。

（1）重熔金属能被熔渣有效精炼。

（2）改善金属锭的结晶条件，提高金属的成材率。

（3）设备简单，生产费用低，操作易掌握。

（4）产品品种多，应用范围广。

（5）电渣重熔法还有一个很大的优点，能炼制不同截面的金属锭，如圆形、正方形、矩形，以及宽窄面长度比很大的金属锭。还可以生产中空管和熔铸不同形状的铸件，如空心管坯、轧辊毛坯、高压容器、大型高压阀门，以及曲轴等

电渣重熔法有一些不足之处，如生产率较低，电能消耗高，去气效果差，重熔含Ti、Al元素高的钢种时，化学成分不容易准确控制，生产费用仍比一般熔炼方法要高。

4.3电渣重熔的原材料、渣制度及工艺参数的选择

4.3.1 电渣重熔的原材料  

（1）自耗电极

电渣重熔所用的自耗电极一般为电弧炉或感应炉冶炼的金属锭，经过轧制或锻造后制成金属棒。它的断面可以是圆形的、方形的或矩形的，其品种应该与重熔后的成品种类相同。为了避免重熔过程中易氧化元素大量烧损，要求自耗电极的表面没有铁锈和氧化铁皮，尤其是对含有Al、Ti、B等元素的钢和合金重熔时，更应如此。重熔过程中，除易氧化的元素(Ti、Al等)可能被烧损外，其他元素基本上变化不大。对于这些易氧化的元素，应根据重熔过程中的烧损量，在制备自耗电极时将它们控制在一定的范围内重熔过程中为了避免自耗电极偏心，要求它应尽可能平直，一般要求每米不超过6mm的弯曲度。

（2）      护锭板

重熔开始时，为了防止底水箱被烧穿，可在结晶器的下部、底水箱的上面，安放一块金属板，此板名为护锭板。护锭板采用与自耗电极相同的材料制成。护锭板的表面不应带有氧化铁皮和铁锈，要求十分平整，这样能保证与底水箱的表面紧密接触，取得良好的导电效果。护锭板的厚度一般选用12～18mm。

（3）引燃渣料

众所周知，电渣重熔时，熔融状态的炉渣有一定的导电能力，当渣料为固态时，其导电能力很差，不能直接用来导电发热而建立渣池。如果采用固体渣料作为引燃渣料时，必须寻找一种能在固态时有足够导电能力的炉渣。在实践中人们发现，当固体渣中含有一定数量的TiO₂时，能满足这个要求。因此在相当一段时间内，将含有TiO₂的固体渣料作为电渣重熔的引燃渣料。

（4）重熔渣料

电渣重熔过程中，炉渣起着十分重要的作用。常用的渣系多由萤石 (CaF₂)、铝氧 (A1₂O₃)、石灰(CaO) 以及镁砂 (MgO) 等组成，(见表4-1)。

4.3.2 电渣重熔工艺参数的选择

（1）电渣锭的尺寸

锭重和锭子尺寸间关系满足式4-2。

                      （4-2）

G_锭 —锭重，t；  D_锭 —锭子平均直径，㎝；

h _锭— 锭高，cm；γ _锭 —重熔金属的比重，g/cm³；

表4-1  常用的渣系及液态的比重、熔点

结晶器的直径D_结以下式确定：

                                    （4-3）

式中：D_结一结晶器的平均直径，mm； D_产—产品直径，mm；

      M一毛坯加工余量(对于钢锭，M=0；对于铸件，M=10～15mm)；

      δ％一锭坯的减缩率(一般为3±0.5％)。

结晶器的高度(H_结)以下式确定：

       H_结=（3～6）D_结；                           （4-4）

若D_结＞300mm时，式中H_结取下限。

自耗电极的直径如取决于结晶器的直径D_结，可按下列经验公式确定：

d_极  =  K·D_结                                 ( 4-5 )

式中：K——充填比，一般选用0.4～0.6；d_极—自耗电极直径，mm；

      D_结—结晶器直径，mm。

目前，世界各国根据自己的实际情况，选择的充填比K不同。在保证重熔金属质量和安全操作的前提下，K值选用大一些为好，它对降低电能消耗、提高生产率以及改善锭表质量都是有益的。自耗电极的直径不能过大，否则将影响操作安全。自耗电极的长度L_级，可以按下式计算：

；                  （4-6）

式中 G_极—金属锭质量，t；n—生产一根金属锭所需要的自耗电极数目，根；

    γ_金—重熔金属的密度，普通钢取7.9g／cm³；

    Z—电极致密度，对铸造电极取0.95，对锻轧电极取大约等于1；

    △L—电极余尾，应视电极的夹持方式而定，一般取（2～3）d_极。

（3）冶炼电压

冶炼电压是指重熔时工作电压和线路电压降之和。工作电压接近于渣层电压，比较确切地代表了实际电压。它决定了自耗电极的埋入深度，决定了能否形成满意的锭子轴向结晶和表面质量，并关系到元素的氧化程度。适当提高炉口电压，能细化熔滴，升高渣温，有利于锭子轴向结晶。通常导电性好、电阻小的渣系，工作电压宜选择偏低些，冶炼含Al、Ti等易氧化元素的合金以及宜产生偏析的钢或合金时，工作电压宜选择偏低些。工作电压可以按以 下经验公式选取。

U = 0.5 D_结 + B                               （4-7）

U —工作电压，V； D_结—结晶器直径，cm； B— 常数，取27～37 V；

（4）冶炼电流

冶炼电流是重要的参数，对产品质量和经济技术指标有重要影响。提高冶炼电流，自耗电极埋入深度增大，不利于锭子的轴向结晶。冶炼电流主要由自耗电极截面积和电流密度确定。

I = A·J                                      （4-8）

A—自耗电极截面积，mm²；J—电流密度，A/mm²；

电流密度J可以有经验公式选择。

                                  （4-9）

其中d_电为自耗电极直径，mm。

（5）输入功率

输入功率是为了检验电压电流值是否合适，或为设备选择变压器提供依据。确定输入功率是根据单位渣池体积输入功率来确定的。如D_结=400～800mm时，有效输入功率为0.15～0.30KW/ cm² , D_结=200～400mm时，有效输入功率为0.30～0.60KW/ cm² 当D_结＜200mm时，有效输入功率＞0.60KW/cm²。

（6）渣量及渣池深度

渣量的确定按下式进行，常用的渣系及比重见表4-3。

                           （4-10）

G_渣 —渣重，㎏；       D_结 —结晶器直径，㎝；

h _渣— 渣池深度，cm；  γ_渣 —重熔金属的比重，㎏／cm³；

渣池深度可以根据如下经验公式确定：

                               （4-11）

当D_结≤250mm时，取上限，当D_结＞350mm时，取下限。据文献介绍，国内单相电渣炉的渣量30～40㎏/t,三相电渣炉的渣量60～70㎏/t,国外渣量为锭重的3～5%。

（7）冷却水温度

为了有利于钢锭的结晶和防止事故发生，要求结晶器和底水箱的冷却强度大一些，通常要求冷却水压力1.5～2.0㎏/mm²，保证结晶器出口水温控制在40～60℃。

4.4电渣重熔的冶金特点(第11次课)

电渣重熔过程，包括渣池的形成、自耗电极的熔化、重熔金属的凝固以及重熔锭的补缩等。这些过程是在一个连续的工作程序中进行的。

4.4 .1电渣重熔渣池的形成

(1) 熔渣的作用

 1）重熔过程的热源。

2）有效地进行精炼。

3）炉渣的保护作用。

4）此外，在重熔金属的凝固过程中，锭表面还形成一层薄薄而均匀的渣壳，保护结晶器不受高温熔渣的直接作用，并使锭的表面光滑，易于脱模。

(2) 熔渣的性能

1）一定的比电导。

2）较低的黏度与熔点。

3）低的蒸气压。

4）熔渣的界面张力适宜。

5）熔渣的密度适中。

6）熔渣的透气性适宜。

(3) 渣系的选择

应根据以上熔渣物理性能的分析选择熔渣。常用的渣系见表4-1。

渣系的熔点应低于重熔金属熔点100～200℃，熔渣的黏度也应小，则重熔过程中渣的流动性好，有利于脱硫和去除非金属夹杂物。同时还可使锭子表面形成一层薄而均匀的渣壳，有利于锭子凝固和获得光滑的表面。

CaF₂-CaO渣系，具有显著的脱硫能力，并且脱硫能力随熔渣碱度的提高而增大。当重熔含硫的易切削钢时，为了保证钢中硫的含量，则需采用酸性渣操作，其碱度R＜l。

电渣重熔时，熔渣中不稳定的氧化物 (FeO、MnO) 等以及变价金属的氧化物( Me_xO_y )含量应越少越好，以防止金属中[O]含量增高和元素的烧损。在熔炼含AI、Ti、B等元素的钢与合金时，渣中不应含有(SiO₂)。

由于Na₂O、K₂O等碱金属氧化物的熔点低，且容易挥发，因此渣中不应含有此类氧化物。

(4)渣池的建立

在重熔开始时，要迅速建立起重熔渣池，使电渣过程能够顺利进行。建立渣池的方法有明弧法和无弧法，目前的生产中主要采用后者。无弧法中，又以固体导电渣引燃法和液渣法为主。

4.4.2自耗电极的熔化

金属熔滴在滴落的过程中，其过渡特征主要表现为熔滴滴落的频率和熔滴直径的大小，这些对金属的精炼有着相当的影响。

首先，熔渣成分对熔滴尺寸有明显的影响。当采用直径d_极=200mm的ЭП65钢作自耗电极，结晶器的直径D_结=425mm，熔渣为含CaF₂-Al₂O₃渣系，并添加不同数量的Al₂O₃，进行重熔时，其熔滴质量变化列于表4-2。

表4-2  熔滴变化情况

其次，渣池深度与熔滴滴落频率和熔滴尺寸有着一定的关系。当采用小断面的自耗电极时，随渣池深度的增加导致熔滴滴落频率的降低，而熔滴直径增大 ( 见表4-3 )。

表4-3 渣池深度与熔滴滴落频率、熔滴直径的关系

注：电极升降速度为1.55m/h；电压为45V

电渣生产中重熔过程的稳定与否，与自耗电极的下降速度有密切的关系。当电极下降很慢时，电渣过程会过渡到电弧过程。此时，电极的端头是平的，熔滴通常分布在电极端面的边缘(见图4-18a)。当熔滴下落的瞬间，可以观察到电弧放电的现象，此时电渣过程不稳定。当提高电极下降速度时，此时电极端头出现圆锥形凸起(见图4-18b)，熔滴在电极端头的中心部位 (凸起的尖端) 形成。进一步提高电极下降速度，插入渣中的电极圆锥部分的尺寸增加，圆锥的侧表面凹度变小。

图4-8 电极熔化特征

a-电极下降速度低；b-电极下降速度适中；c-电极下降速度过快

再进一步提高电极的下降速度，则电极端部圆锥体的侧表面变成凸形，同时将有一部分电极圆柱体也埋入渣池中。此时，随电极下降速度的增加，还能观察到电流的缓慢增加(图4-19)。

图4-9 电极下降速度与电流的关系

1-电极直径180mm，U=80V；2-电极直径180mm，U=51V；

3-电极直径100mm，U=51V；4-电极直径80mm，U=51V；

当电极下降速度过快时，将会导致电极端部与金属熔池表面之间由于熔滴断落而发生周期性的电弧放电，因而出现渣池下部沸腾。有时甚至还会出现电极与金属熔池之间短路，使重熔过程不稳定。

总之，在采用大断面电极的电渣重熔时，电极末端应当是正规锥体的形状，这时重熔过程最为稳定。

4.4.3 重熔金属的凝固

电渣锭的凝固过程与一般铸锭方法凝固的差别如下：

（1）电渣重熔锭的偏析比其他方法都小；

（2）电渣重熔过程中，在金属凝固的同时，由于自耗电极的继续熔化，可以不断地向结晶器，内补充新的金属液，普通模铸时则不需要；

（3）电渣锭的表面有一层薄渣壳，使其轴向冷却速度远大于径向冷却速度，结晶组织趋于轴向；

（4）电渣锭的结晶组织，不仅与锭表渣壳有关，还与金属熔池的形状有关。

实践证明，自耗电极的下降速度、工作电流、工作电压、渣池深度以及重熔金属的导热性等主要因素影响金属熔池形状的形成。

4.4.4补缩、脱模及冷却

补缩：在重熔结束前10~15分钟时进行补缩以保证获得平整没有缩孔的电渣锭，提高金属锭的成材率；

脱模及冷却：熔炼结束后，应待金属锭完全凝固后10分钟，再脱 模操作。通常根据不同钢种以及锭的大小来规定模冷时间。脱模后，合金钢一般均应缓冷，缓冷的方法 有空冷、砂冷、罩冷和坑冷等。       

4.5电渣重熔的冶金质量

4.5.1  电渣过程的脱磷、脱硫

 电渣重熔法的脱硫效果较显著，脱硫率一般能达到50～80％，这是电渣重熔法的优点之一。普通炼钢方法，为了使金属能有效地脱硫，必须具备以下条件：

（1）熔渣应具有高的碱度；（2）为使熔渣具有很好的流动性，要求熔渣的温度高；（3）金属与熔渣的接触界面尽可能大。   

电渣重熔的脱硫过程，有以下三种形式：

（1）是炉渣脱硫，即硫从金属中向渣中转移

其反应式为：    [S]+(O^2- )→(S^2- )+[O]               （4-12）   

反应的平衡常数为：                   （4-13）

则由4-13可得：                     （4-14）

如果渣中氧离子的含量越高，金属中氧的活度越低，则硫从金属中转入到渣中的数量就越多。为了使渣中有较多的氧离子含量，可以通过采用高碱度的熔渣来实现。从炉渣脱硫的化学反应式来看，随着硫的脱除，金属中的氧含量应随之增加。

（2）重熔过程中还进行气化脱硫的反应，即硫从熔渣中向大气转移

(S^2- ) +3/2｛O₂｝= (O^2-) +｛SO₂｝                  （4-15） 

此反应的平衡常数为：                 （4-16）

由式4-16可得：                  （4-17）

从 (4-17) 式看出，大气中氧的分压越高，而渣中氧离子的活度越低，则对重熔过程中的气化脱硫有利。以上两个反应过程存在着一定的矛盾。但是，这两个过程是在同一系统内发生的，因此脱硫的最终效果，应是这两个反应相互作用的综合结果。

（3）金属中[S]从金属中向渣中过渡

电流和电压极性不同，对金属中硫的去除也会产生一定的效果。如果采用直流反接（即自耗电极接正极），可以使金属中[S]从金属中向渣中过渡，取得较好的脱硫效果。采用直流正接基本上看不出脱硫效果。电渣重熔时，在以上三种脱硫方式中，气化脱硫占有相当的比例。总的来看，采用交流电源和高碱度熔渣在大气下重熔所取得的脱硫效果最好。当采用交流电源时，在氟化物渣系中，以CaF₂--CaO渣系的脱硫效果最佳。

关于金属中的脱磷，传统的方法是在冶炼过程中尽力创造 “三高一低”(高碱度，高(FeO)含量，大渣量和较低温度)的条件。但是，在电渣重熔过程中，由于熔渣为非氧化性的，熔池温度又高，因而很难获得良好的脱磷效果。

4.5.2  电渣重熔过程中非金属夹杂物的去除

电渣重熔对去除金属中非金属夹杂物十分有效，下表给出滚珠轴承钢经电渣重熔后，非金属夹杂物含量的变化。

表4-4电渣重熔滚珠轴承钢氧化物夹杂的变化

表4-10不同条件下电渣重熔时 [Ti] 的烧损情况

4.6电渣重熔的应用

(1) 电渣新应用

电渣重熔 ESR；电渣熔铸 ESC；电渣浇铸 ESP；电渣转铸 ESMPC；电渣离心浇铸 CESC；

电渣热封顶 ESHT；快速电渣 ESRR；电渣焊 ESW；电渣复合 E.S.Cladding；

电渣喷射成形 E.S.Osprey；电渣直接合金化 Direct ESM；

(2) 未来电渣产品展望

I   重熔在中型及大型锻件生产中,将处于垄断地位。

II 在优质工具钢、模具钢、双相不锈耐热钢、含Ｎ超高强钢、管坯、冷轧辊生产领域中占绝对优势,真空电弧重熔在这一领域必为电渣重熔所取代。

III 在超级合金领域(高温合金、耐蚀合金、精密合金、电热合金),电渣重熔与真空电弧重熔处于竞争局面,在80年代末,电渣重熔在产量上已超过真空电弧重熔。许多沿袭真空电弧重熔的均系较老材料,受过去技术鉴定所限制,而新材料电渣占绝对优势。

IV 有色金属生产方面,电渣重熔处于方兴未艾的阶段。