电渣重熔工艺和理论知识

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1、电渣重熔工艺和理论知识ESR techniques and theoretical knowledge* 一、电渣重熔基础理论知识1、概述电渣冶金起源于美国，一九四O年霍普金斯取得了发明专利。一九五八年，苏联德聂泊 尔特钢厂工业电渣炉建成，现代电渣冶金开始进入工业化进程。六十年代中期，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，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、银等有色金属合 金。我国是世界上电渣冶金起步较早的国家之一，一九六O年，重庆特殊钢厂、大冶特殊钢 厂，大连钢厂及上钢五厂的电渣炉先后建成投产。紧随其后齐齐

2、哈尔钢厂、抚顺钢厂等工业 电渣炉相继建成投产。五十多年来，我国电渣冶金始终保持着旺盛的发展趋势。随着我国科 学技术突飞猛进的发展，航天航海、汽车制造、石油化工、电站建设、核设施、机械制造等 诸多行业，以及军工事业的发展、列车提速等许多领域越来越发挥着电渣钢的作用。目前最 大的一座是原上海重型机器厂电渣炉，重熔钢锭重达2001,现在又筹建450t大型电渣炉。2009 年,我国电渣重熔钢生产能力已超过170万to 50多年来国内外电渣冶金取得了突飞猛 进的发展，新工艺、新技术层出不穷，形成了一个跨专业、跨行业的新学科。2、现代炼钢方法转炉，电弧炉，电渣重熔炉，真空感应炉，真空自耗炉（电弧重熔炉），

3、电子束重熔炉（EBR） 等。电渣重熔是一种炼钢方法，而不是炉外精炼。炉外精炼方法有LF,VD,V0D,VAD,RH3、电渣重熔炉类型 3.1按工艺特点分：普通电渣重熔炉，电渣熔铸炉，加压电渣炉,保护气氛（可控气氛）电渣 炉，连铸式电渣炉，电渣离心浇注炉，电渣热封顶等。可控气氛电渣重熔技术。电渣重熔通常在大气下进行，重熔合金中的氧含量，取决于 主要脱氧元素的浓度和该脱氧元素的氧化物在渣中的活度。此外，渣池上的氧分压或多或少 也会产生一定的影响。过去通常采用往渣池中加入脱氧剂的方法对熔渣连续脱氧，但是这会 导致熔渣成分的改变。随着钢种的发展和质量要求的不断提高，出现了不同气氛的电渣重熔 技术。目前

4、，可控气氛电渣炉主要有几种形式：惰性气体保护，其主要目的是防止重熔过程 钢中活泼金属被氧化，主要采用氩气保护或氮气保护；干燥空气保护电渣炉，适合于重熔对 氢比较敏感的钢种，特别是大型钢锭。新型保护性气氛电渣炉使用的是气密型惰性气体保护罩，从电极料杆到结晶器上口用一个 完全致密的不锈钢金属罩封闭，密封效果很好。惰性气体可以在气密罩内积蓄并形成一定的 压力，既防止重熔过程中电渣钢增氢，也防止大气对金属电极和渣池的氧化。同时，电渣锭 头尾的化学成分均匀性，也大大优于普通电渣炉生产的电渣锭，包括重熔含铝、钛钢在内， 电渣锭的头尾铝、钛等化学成分偏差极小。加压电渣炉，主要用于生产高氮钢，产品中氮含量可达

5、1.0%以上。高效节能电渣连铸设备。传统电渣重熔采用一次重熔一个钢锭的间歇式生产方式，生产效 率低，且钢锭在后步锻造或初轧开坯过程中钢锭头尾去除量较大，钢的成材率低。另外，传 统电渣重熔电极的熔化速度受到很大的限制，生产成本较高。为此，奥地利因泰克公司开发 了快速电渣技术，铸坯的表面质量和内部质量良好。自2002年起，我国也进行了电渣连铸技 术的开发研究，采用双极串联、交换电极、液面检测与控制、连续拉坯及在线切割等技术。电渣热封顶的设备是普通的电渣炉。将常规冶炼的钢水浇入钢锭模后，在锭模上方安装 特制的冒口，加入渣料，插入电极即可开始电渣加热保温过程。冶金效果可归纳为三点：(1) 节约金属，提

6、高金属收得率。因使钢锭或铸件在凝固过程中的收缩不断得到补充，消除了中 心疏松和缩孔缺陷，减少了废品率。同时由于保证了冒口最后凝固，可以减小冒口的体积， 减少了金属消耗。例如浇铸9t重的涡轮机叶片，采用电渣热封顶技术可以使冒口金属消耗减 少 88。(2) 提高钢锭中心化学成分的均匀性和钢的纯净度。由于钢锭顶部存在热源，避免 了普通钢锭凝固过程出现的“结晶雨”现象，消除了钢锭下部的负偏析锥。当在电渣热封顶 过程中采用金属自耗电极时，电极熔化的金属不断进入钢锭中心的液相区，使由于选分结晶 造成的中心溶质元素富集得到稀释，钢锭的中心偏析减轻。富集到钢锭中心的非金属夹杂物， 随金属液流动与钢锭顶部的高温

7、渣池接触，进行反应进入渣池，从而又减少了钢锭中的非金 属夹杂物。(3) 改善了钢锭中心的凝固质量。由于钢锭顶部存在高温热源，同时熔化电极的 金属熔滴也从上到下向钢锭中的液体传热，改变了钢锭凝固时的热状态，使钢锭实现了从下 到上的定向凝固。另外热状态的改变，也影响了金属的结晶速度和凝固前沿的温度梯度，使 之与普通钢锭相比晶粒尺寸减小，凝固组织致密。通过改变电渣热封顶的工艺参数，控制向 钢锭的输入功率，可以改变金属的结晶形态，得到所需要的凝固组织。 3.2按生产方式分：双臂交替电渣炉，单臂单(熔)位电渣炉，单臂双工(熔)位电渣炉。 3.3 按调压方式分：有载有极调压电渣炉，有载无极调压电渣炉。3.

8、4按控制方式分：恒功率控制电渣炉，恒熔速控制电渣炉，电压摆动控制电渣炉。 3.5 按结晶器形式分：结晶器固定式电渣炉，结晶器移动式电渣炉，钢锭下拉式电渣炉。尤其在高速钢冶炼上，为了使高速工具钢在电渣重熔时内部质量均匀，尤其是微细碳化物 的分布，电渣重熔钢锭的断面必须小，因此一般采用结晶器固定式熔炼。但这种方式操作周 期长，生产率很低。为了长时间连续熔炼，采用钢锭下拉方式，装备有两个交替使用的重熔 电极支臂、钢锭下拉装置、切断装置、运输台车、液面监控设备和防止结晶器熔损的结晶器 移动装置。* 采用这种新的电渣重熔技术，可以实现小断面钢锭的长时间稳定熔炼，可以 改善钢材的质量，生产率可提高50左右

9、，钢锭成品率提高了 5以上。* 3.6按布置形式分：地坑式电渣炉，台架式电渣炉。* 3.7 按供电方式分：单相电渣炉，两相电渣炉，三相电渣炉，双级串联电渣炉。* 双极串联供电，可以减少回路感应，提高电功率因数；采用三相电源，有利于外网电 压平衡；用小截面电极重熔大钢锭，有利于控制电极成分偏析；采用抽锭操作，能用短结晶 器重熔长的钢锭。* 4、电渣炉的构造?* 分成以下几个部分：电源变压器；电极升降机构；电气控制及测量仪表；结晶器和底 水箱；电极。* 4.1 电源变压器* 高压电器控制采用真空开关柜，具有齐全的电压、电流、功率及电度的检测计量及继 电保护，设置氧化锌避雷* 器吸收操作过电压，并设

10、有分合闸式整流电源。* 高压供电：10KV/6KV* 高压保护：* 一次接地；一次欠压；*一次过流；二次过流；?* 变压器重瓦斯；*变压器轻瓦斯；?* 变压器油温高；* 变压器冷却故障等。* 电渣炉变压器可以是单相变压器，也可是三相变压器。目前最小吨位的电渣炉多采用 单相变压器，大吨位的电渣炉多采用三相变压器。无论单相或三相变压器的电力曲线都应是 硬特性的，即在冶炼过程中变压器输出电压不随冶炼电流而变化。变压器的容量大小，主要 视重熔钢锭的截面积（即结晶器的横截面积）而定。?* 从变压器的冷却方式上，由原来的强制油循环冷却，发展为干式风冷。随着铁芯材料 质量的提高，变压器发热* 的现象明显减弱

11、，自冷式变压器将成为电渣炉用变压器的发展方向。西安变压器厂为山东 一企业制造的 40t 电渣炉用 6000 KVA 大型变压器就是采用自行冷却方式冷却的。其主要缺 点是为了增大散热面积，变压器的体积较大。* 对于变压器的安装位置，在保证安全的条件下应尽可能离电渣炉近一些，以缩短导线， 减少网络感抗及电压降。* 4.2 电极升降机构* 电渣炉电极升降机构通常有：丝杆传动；钢丝绳传动；液压式传动。* 目前的发展，在传动机构方面：已由滚珠丝杠、精密球型丝杠及液压传动取代了钢丝 绳及梯型丝杠，使支臂及托锭承重小车的升降更加灵活、平稳、准确。另外，立柱旋转取代 了支臂旋转，不仅解决了支臂旋转巨大的齿轮制

12、造及安装方面的困难，而且减少了零部件重 量，所占空间及造价，转动更加灵活，设备外观给人以简洁明快之感。* 电极升降机构的主要问题是电极的给送速度，电极的给送速度关系着供电制度和温度 的变化。为了适应熔化速度的要求，电极给送速度应当可以大幅度调整和灵敏控制。为了缩 短辅助时间和换电极停电时间，要求有较高的非工作提升速度。从目前生产实践经验上看， 上述两种速度大致范围如下：电极给送速度5 60mm/min；非工作提升速度24m/min。* 为了适应这种要求，在电极升降机构上采用以下几种传动方式：* a.手动传动：适合于100kg以下的小型电渣炉。* b. 单电动机传动：单电动机传动为了适应调整速度

13、的要求都采用直流电动机，这种电动机可以无级调整。只适用于0.5t以下的电渣炉。* c. 双电动机传动：双电动机传动，即高速采用交流电动机，低速采用交（直）流电动 机，以满足电极给送速度和非工作提升速度的要求。这种传动方式，两个单动机同时装入一 套轮系驱动从动轴。* 连接的方式有：离合器传动、行星齿轮传动、差动齿轮传动三种。* 电极升降采用丝杆传动，传动平稳、精度高。为适应熔化速度的要求，缩短辅助时间， 变速箱采用双行星齿轮差动式变速器，双电机输入，可以满足电极快速提升，快速下降和慢 速冶炼的要求。为保证电极升降的自锁、差动减速器，除采用双行星及双蜗轮蜗杆外，电机 采用电制动型。立柱用无缝钢管及

14、方钢焊制。横臂为铜钢复合式导电横臂，升降为台车式结 构，通过六对导轮上下移动，灵活可靠。为减轻传动部分的负荷在立柱心部配有平衡锤，以 平衡自耗电极和横臂的重量。丝杠装有保护套和自动调心装置防止灰尘进入，并自动调节丝 杠间隙。*4.3 短网*即大电流线路，对电渣炉来说，由变压器二次侧至电极夹头，和至底水箱之间，连接的缆、铜排、电铜管和低压电流互感器等组成。* 短网特点：由于大电流线路中通过强大的电流，在电* 渣炉附近空间会形成一个强大的交变磁场，磁场内的钢铁构件，甚至混凝土中的钢筋都要 产生涡流发热，即增加了网路的电能损耗，又有损于结构件的强度。* 为了减少电抗造成的电能损失，消除散磁、降低电流

15、的搅拌作用，防止出现点状偏析， 该电渣炉采用计算机化最佳设计的低阻抗节能型短网。为减小大电流线路的阻抗值，两相之 间布置尽量靠近，抵消磁作用，并采用同轴设计（同轴导电立柱、同轴电缆）及大截面水冷 电缆供电。*在电极升降臂的前端为电极夹紧装置，通常是水冷的铜夹头。*电极夹头的作用主要是：1 ）传导电流，把软电缆传来的很大电流传到电极上；2 ）夹持作用，把很重的电极夹住；电极夹头可以用手工夹紧，也可以用机械夹紧。*电极夹头是在很恶劣的条件下工作的，它受高温炉气加热和电流流过时本身发出的电阻热的作用。因此对夹头材料的要求是耐高温、抗氧化、电阻小，有足够的强度。* 也就是说：电极夹头必须和电极保持良好

16、的接触，以降低电耗和本身产生的电阻热，并有 足够的强度卡住电极保证在重熔时不掉下来。*为了保证电极和夹头的接触良好，可以采用辅助电极。辅助电极通常用低碳素钢制成。辅助电极除保证夹头和电极接触良好外，还起保证重熔电极全部熔化的作用。*电极夹紧装置采用弹簧压紧，液压或气动松放，电极夹头采用水冷烙铜夹头。耐高温、抗氧化、电阻小、强度高、寿命长。电极夹头可旋转调整，以保证电极与立柱平行。4.4 低压电器控制* 采用可编程控制器（PLC）进行电器控制，采用SIEMENS?PLC，对FRNG11S日本富士公司生产的变频器实现交流电机的无级调速。* 4.5 电极升降系统* a.快速和慢速升降；*?b. 手动

17、和自动操作升降；* 采用差动式变速器，快速用交流电机实现快升快降，慢速采用变频调速电机，自动升 降，也可手动操作。* ? ?c. 室内和炉前可两地操作。4.6 结晶器* 可以是钢制的，也可以是铜制的。* 钢制结晶器比较便宜，但导热性差，常发生粘锭现象，寿命较低，维修费用大。* 铜制结晶器价格比较昂贵，但寿命高，采用铜制结晶器实际上比钢制结晶器合算。* 结晶器的结构有焊接结构和装配结构。* 随着结晶器尺寸增加，给结晶器的焊接也带来困难。为节约铜板，采用内套铜制外套 钢制的。为了解决铜钢焊接的困难，采用装配式结构。从使用效果来看内筒铜制外套钢制 的装配式结晶器较好，其使用寿命较高。这种结晶器由于采

18、用螺栓连接避免在重熔过程中， 由于内外套膨胀收缩不不一致，引起焊缝裂纹而产生漏水的可能性。* 4.7 冷却水*冷却水质要求应符合 GB10067.7-88 中第 5.1.33 条的要求。*PH 值 ?*悬浮性固体?*碱度*氯离子*硫酸粒子*全铁*可溶性 SiO2?*溶解性固体?*电导率?*总硬度 CaO （mg 当量）? 7-8.5V10mg/L V60mg/L V60mg/L（平均） V220mg（最多）V 100mg/LV 2mg/L?V 6mg/LV 300mg/LV500 “ s/L 对带电体10?对不带电体60* ?5、电渣重熔安全操作知识* 电渣重熔主要操作事故，与重熔过程中使用水

19、冷件有关。如果水从熔渣或金属表面流 过而不倒出它们的情况下，也不会有多大的危害，但是，少量的水流人熔钢或熔渣层的下面， 就会发生破坏性的爆炸危害。结晶器、底水箱、卡头和水冷电缆都是漏水源。结晶器和底水 箱在使用中偶尔可能破袭，这可能由机械、或电破坏、或密封失败而造成。即使如此，也很 少发生爆炸，但是这种危险总是存在的，因此，主张操作者穿劳保服，特别是操作者向炉内 观察时，要保护好面部和眼睛。所以，如有可能的话，在观察熔炼时，最好使用潜望镜（或一 个小镜子），或通过电视以确保绝对安全。在整个熔炼过程中，操作人员要戴上色镜来保护眼 睛，因为色镜能抑制来自渣池的闪烁，这种色镜要比常规的炼钢色镜暗一些

20、，因为渣温度大 约在180020000C左右。* 由于冷凝作用，结晶器表面有冷凝水产生的危险，未处理的渣材料中也含有水， 因此，都不得忽视。确保供水 * 需求，但有时可能出现某个供水件没有打开的人为错误。如果熔炼中发生断水情况，操作 者应及时打开备用水源，仍无法供水，这时操作者应立即停炉，并从自由水源用软管提供冷 却，耽搁供水可引起严重问题。对于已过热的件千万不要强制供水，因为当新的供水流到一 个已过热的件上时，易引起严重爆炸事故。水集中在热渣表面，不可能引起严重问题。但是， 如果在凝固产生渣帽收缩之后，水就有可能进入渣帽和结晶器壁之间的间隙中，那么爆炸性 蒸发就能发生。以上情况的发生常常先于

21、高水温报警动作，或先于蒸汽冒出，因此，要密切 注意那样的报警信号，不理睬报警信号，或忽视安全连锁，往往会发生不幸后果。* 在短结晶器操作中，座炉前要认真检查结晶器底法兰焊缝、内腔纵焊缝是否渗水，如 有应进行修理或更换，否则会引起爆炸。刚起弧加渣料时要均匀加入不能停留，否则会因渣 阻小产生大的电流而熔漏底水箱爆炸。发现结晶器内渣液面翻动，这是由于结晶器内焊缝漏 水形成，要及时切断高压并将电极提起，通知人员远离炉前，防止爆炸 * 烫伤人。电渣重熔采用低电压，不存在大的危险，但是变压器室内电压高，因此，通常要求注 意。电渣炉设备的传动系统是液压传动的，一定要注意液压介质的泄漏问题，如果是易燃介 质，

22、在冶炼过程中泄漏极易造成火灾。所以，为了安全起见，可选用不易燃烧的液压介质做 为传动介质，这样就可避免火灾事故的发生。* 电渣重熔可能出现的主要危险是由于工艺看上去很好掌握，可能产生自满情绪。倘若 采取预防措施，积极维护，就不会发生任何问题。*6、电渣重熔现状及发展趋势* 从趋势上看，新建电渣炉向着钢锭大型化的方向发展。八十年代，绝大多数厂家的电 渣炉都在3t以下，而近三十年来10t以上的电渣炉已相当普遍。就连山东民营企业也建起了 40t 电渣炉。一九七九年，齐齐哈尔钢厂从西德莱保尔德海拉*斯公司，引进第一台10t单相、单支臂、双熔位、保护性气氛电渣炉。之后近20年的时间 里，没有厂家再从国外

23、引进电渣炉。九十年代末期以来，邢台轧辊厂、内蒙二机及上钢五厂 先后从美国康萨克公司引进了四台20t电渣炉。2000年后，引进电渣炉数量更加增多。随着引进电渣炉数量的增加，国外电渣炉一些先进技术也逐渐被移植。重力传感器的使 用为电子称重系统的应用以及计算机控制熔化速率提供了必要条件。从我国电渣炉的发展情况看，控制系统已由简单的自耦，甚至手动控制，发展为可控硅 或 PLC 控制，部分厂家采用了计算机控制。但是由于我国在冶炼工艺与计算机的结合方面存 在着薄弱环节，当前很多厂家的计算机控制实质上还是停留在一般的冶炼过程控制上。真正 意义上的计算机控制应当是在控制冶炼过程的同时，控制熔化速率及熔池的深度

24、和形状。在传动机构方面，已由精密球型丝杠及液压传动取代了钢丝绳及梯型丝杠，使支臂及托 锭承重小车的升降更加灵活、平稳、准确。另外，立柱旋转取代了支臂旋转，不* 仅解决了支臂旋转巨大的齿轮制造及安装方面的困难，而且减少了零部件重量，所占空间 及造价，转动更加灵活，设备外观给人以简洁明快之感。变压器由过去的冶炼过程中，必须断电换档的无载有级调压，发展为不需断电即可调整 冶炼电压的有载有级和有载无级变压器，有载无级变压器可以在带有负载，即在冶炼过程中， 不需断电就可把电压调整到任何所需位置。有载无级调压变压器的出现，为实现真正意义上 的计算机控制提供了必要条件。从变压器的冷却方式上，由原来的强制油循

25、环冷却，发展为 干式风冷。随着铁芯材料质量的提高，变压器发热的现象明显减弱，自冷式变压器将成为电 渣炉用变压器的发展方向。西安变压器厂为山东一企业制造的 40t 电渣炉，用 6000KVA 大 型变压器就是采用自行冷却方式冷却的。其主要缺点是为了增大散热面积，变压器的体积较 大。为了减少电抗造成的电能损失，消除散磁、降低电流的搅拌作用，防止出现点状偏析， 同轴设计电路（同轴导电立柱、同轴电缆）将会成为电渣炉今后的发展方向，到* 目前为止，国内引进的近十台电渣炉全部采用的同轴设计电路。另外，二次环路中通过强大的电流，在电渣炉附近空间会形成一个强大的交变磁场，磁 场内的钢铁构件，甚至混凝土中的钢筋

26、都要产生涡流发热，即增加了网路的电能损耗，又有 损于结构件的强度。这一点应当成为新型电渣炉设计必须考虑的问题。从国内电渣钢产量及生产能力方面，也呈现出迅猛发展的态势。仅东北特钢就成为拥有 30台电渣炉，形成年产& 5-9万t电渣钢的生产能力。目前，已形成年产3.5万t以上电 渣钢生产能力的厂家有抚顺特钢、北满特钢、大冶特钢和西宁特钢。我国是电渣冶金起步较早的国家，属于电渣冶金技术先进的国家。但是在采用电渣熔铸、 电渣浇注、电渣热封顶、电渣离心浇注、电渣复合熔铸、快速电渣重熔等新技术方面普及面 不宽，甚至在某些领域近乎处于空白状态。我国在电渣熔铸异形件方面工作开展较早，很多厂家* 及院所在六、七

27、十年代就对曲轴、炮管、飞机发动机涡轮盘、轧辊、模块等异形件进行过 研制，但是电渣熔铸异形件这项技术始终没有真正发展起来。目前，实现工业化生产具有代 表性的有西宁特钢电渣熔铸轧辊、模块；沈阳铸造研究所的大型电站用水轮机叶片、挖掘机 复合斗齿、气压机连杆；成都冶金硬面技术加工厂的供无缝管生产用复合穿孔顶头等。二、电渣重熔原理及工艺*1、电渣重熔基本原理*1.1 什么是电渣重熔*电渣重熔是利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源将电极熔化，溶化的金属汇聚成滴，穿过渣层进入金属熔池，在水冷结晶器内凝固成铸件的方法称为电渣重熔。*1.2 工艺特点*在铜制水冷结晶器内盛有熔融的炉渣，自耗电极一端插入熔渣内。

28、自耗电极、渣池、金属熔池、钢锭、底水箱通过短网导线和变压器形成回路。在通电过程中，渣池放出焦耳热， 将自耗电极端头逐渐熔化，熔融金属汇聚成液滴，穿过渣池，落入结晶器，形成金属熔池， 受水冷作用，迅速凝固形成钢锭。在电极端头液滴形成阶段，以及液滴穿过渣池滴落阶段，钢-渣充分接触，钢中非金属夹杂物为炉渣所吸收。钢中有害元素（硫、铅、锑、铋、* 锡）通过钢-渣反应和高温气化比较有效地去除。液态金属在渣池覆盖下，基本上避免了再 氧化。* 1.3 电渣重熔冶金特点* 1.3.1 反应温度高* 电渣重熔过程渣池的温度对精炼提纯效果、电极溶化率、金属熔池形状、铸件成型和 结晶有决定性的影响。* 一般渣池表面

29、层的温度在1750C左右，渣池最高温度区的温度达1900r左右。电渣重 熔的常用渣系CaF270%+Al20330%的熔点13201340C, 般钢的熔点在14001500C之 间，因此在重熔过程，渣过热600C左右，钢液过热450C左右，无疑渣池温度是促进一系列 物理化学反应的前提条件。* 1.3.2 钢渣充分接触* 电渣过程液态金属和熔渣充分接触发生在三个阶段：* （1）电极溶化末端：自耗电极端头，在熔渣内受熔渣的电阻热，电极表面逐层熔化，熔化金属沿锥头形成薄* 膜，金属细流沿锥面滑移，在端头汇聚成滴。金属流内可能产生湍流，不断更新表面。* （2）金属熔滴滴落：电极端头金属滴在重力和电磁引

30、缩效应作用下，脱离电极滴落， 穿过液态熔池，过渡到金属熔池。滴内金属可能产生环流。* （3）金属熔池：金属熔池上表面始终在渣层下，和熔渣长时间相接触。1.3.3 渣池强烈搅拌在电渣重熔过程中渣池被强烈搅拌，引起搅拌的原因是：* （ 1 ）电动力的作用：电极端头呈锥状，由于导电截面的变化，产生轴向导电力。如电 弧焊接操作时电动力克服了熔滴重量，把熔滴吹响焊缝。* （ 2 ）电磁引缩效应力：电流通过渣池，按右手定则产生自感磁场，电流通过磁场，按 左手定则产生向心方向的电磁力。* （ 3 ）重力作用：金属熔滴受重力的作用，在渣池中滴* 落，由于熔滴和熔渣之间存在附着力、摩擦力、必然带动渣池运动。*

31、（ 4 ）渣的对流：由于渣池的不同部位温度不同，造成不同的比重，如 CaF270 Al2O330渣，渣温由1700C升到1900 C，比重（&）减轻23%。又由于有不同的比重，因此比重 较小的渣浮升，比重较大的渣就下沉，从而促使渣池产生对流。* （5）气体逸出和膨胀产生的推力：在电渣重熔过程中，当钢中的气体由金属熔池进入 渣池逸出时，通常认为有一沸腾过程。这一过程必然促使渣池膨胀产生推力，加剧渣池的搅 拌。* 1.3.4 电毛细振荡* 当交流电通过液态金属与液态炉渣分界面时，金属-炉渣界面发生强烈振荡，称为电 毛细效应。这是由于交流电通过液体界面，引起极性交流，随着两个相界面上电位差的变化，

32、相界面张力发生剧烈变化。这种相界张力不断交替增加或减少激起相界面剧烈振荡。* 1.4非金属夹杂物的去除* 电渣重熔去除钢中非金属夹杂物，主要发生在电极溶化末端熔滴形成的过程中。这一 论断其理由是：* （1）自耗电极沿表面逐层溶化，沿锥面形成薄膜厚度远比熔滴半径及金属熔池深度小， 其钢渣接触面积又较熔滴为大，而且在逐渐溶化的过程中，任何部分夹杂物都可能和熔渣接 触，和渣进行反应。在电极溶化末端熔滴形成过程的钢渣接触面积最大，达3218mm2/g。* （2）自耗电极由于溶化端头呈锥形，其尖端在熔滴形成的末端，由于电磁引缩效应， 在端头形成缩颈，所以端头电流密度最大，有尖端放电的特征，可以设想这个区

33、域温度最高。* （3）电极溶化末端熔滴形成的时间较熔滴滴落时间为长，约为1.41倍。尽管不如金属 熔池存在时间长，但从动力学观点出发，将接触面积和作用时间综合考虑，电极溶化端头熔 滴形成过程依然是夹杂物去除最有利过程。* （ 4）电极溶化末端熔滴形成过程是最先和熔渣接触并* 发生反应部分，钢中原始夹杂物含量最高，无疑可大量去除夹杂。* 电极溶化锥头液态薄膜层内，金属沿锥头向下流动，钢液中非金属夹杂物，一方面 由于紊流扩散由钢液内部向外层钢渣界面转移；另一方面受到浮力作用，夹杂物上浮，部分 抵消了扩散作用。所以不是钢中所有非金属夹杂物都能与炉渣接触，这样就影响了去夹杂效 果，构成过程中限制环节。

34、研究发现，液态金属熔滴在渣池内下落过程中，钢中非金属夹杂 物不断被渣所吸收，所经过的路径越长，夹杂物被渣吸收的越多。但夹杂物的浓度不减小到 零，而是按衰减定律递减，小尺寸的熔滴去除非金属夹杂物效果比大尺寸熔滴强，这是由于 熔滴内部涡流作用促使夹杂物运动到钢界面而被炉渣所吸收之。* 乌克兰学者指出，电渣重熔钢中原始夹杂物去除是很彻底，重熔后钢中夹杂物主要 是新生成的夹杂物。这是由于，在金属熔池冷却及结晶过程中随着温度的降低钢中氧溶解度 减小，过饱和的氧析出并与钢中合金元素作用形成新生夹杂物，一部分先生成大颗粒夹杂物 通过浮升进入渣* 中，一些细小及后生成的夹杂物往往残存于钢中。* 综上所述可得出

35、以下结论：*（ 1 ）电渣重熔去除钢中非金属夹杂物主要发生在电极端头，而金属熔滴滴落过程的渣洗以及夹杂物自金属熔池的浮升，都具有去除夹杂的作用，但不是主要途径。*（ 2 ）电渣重熔过程中炉渣吸收钢中夹杂物可视为自发过程，而夹杂物由钢液内部向钢渣界面转移构成限制性环节。*（ 3 ）电渣重熔后钢中残存夹杂物相当一部分是金属熔池冷却及凝固过程二次氧化形成的新生夹杂物，它的析出和分布与结晶条件有关。*1.5 去硫反应* 硫是钢和合金中有害的夹杂之一。当硫含量较高时，它会使钢和合金产生热脆，显著 降低耐热强度，并使可焊性变坏。一般要求钢和合金中硫含量在0.0050.010%范围内。然 而，有时因为特殊需

36、要，有意添加硫，其含量为0.150.20%，制成易切削钢，在这种情况 下，则要求电* 渣保持一定含量的硫。* 同一般炼钢方法比较，电渣重熔最重要的优点之一是能使重熔金属进行极为强烈的脱 硫。但必须具备三个条件：* （1）炉渣应有高的碱度；* （2）要求炉渣有足够的流动性和过热度；* （3）重熔金属和炉渣的接触表面应尽量大。* 钢和合金经电渣重熔去硫程度通常在5080%之间。去硫程度取决于原始电极的硫含 量。采用高碱度渣，钢中硫含量可以低达0.0014%。* 电渣去硫或保持硫取决于化学和电解两大反应：* （1 ）硫从金属向渣中转移，即渣金属反应：* S（O）?（S2）O* （2）硫被炉气中的氧氧

37、化，即气体渣反应：* （S）+3/2 02 ? S02+（02 ）* 此处（），分别为金属相，渣相，气相。* 电渣气氛对去硫的影响：* 交流电渣重熔时气氛的氧分压决定着硫的反应。无保护气体下熔炼，采用高碱度渣， 去硫效果特别显著。在低氧分压的气氛下，无论何种碱度的渣系，均能抑制硫的去除。研究 还表明在氩气气氛下熔炼时，能够抑制硫的转移，气氛不同去硫效果不同。* 在渣中增加A1203会降低炉渣脱硫能力，这是因为A1203具有两重性，降低了 CaO和 Si02 的活度。* 1.6 去磷反应* 磷也是钢和合金中有害元素。当含磷高时会使钢和合金发生冷脆，降低钢的塑性。尤 其是钢中碳含量高时这种现象特别

38、显著。另外，磷在钢锭中偏析严重，又往往混入氧化物和 硫化物夹杂使钢的机械性能降低。所以，除了某种特殊钢把磷当作合金成分外，一般都把磷 当做杂质除至最低。* 磷在钢和合金中是以磷化铁（Fe3P Fe2P）、磷化镍（Ni3P）和其它元素的磷化物形式 存在的。* 脱磷反应式为：*2 P +5(FeO)=(P2O5) 5 Fe * (P205) +3(FeO) = (FeO P205) H=-30600cal* 2 P +5(FeO) +4(CaO)=(4CaO P205)+5 Fe* H=-130000cal* 分析上式可以得出去磷必须具备的条件如下：*( 1 )渣中氧化铁，氧化钙含量要高，即高碱度

39、高氧化性炉渣；*(2)由于去磷反应为放热反应，为了防止回磷现象故应低温操作。* 电渣重熔温度越来越高，脱磷效果愈来愈差，为了降低重熔金属中的磷含量，必须采 用低电压操作，在保证电渣过程稳定的前提下，输入功率不宜过大。电渣过程一般去磷不会 太多，有时甚至回磷。*为了最大程度的去磷，应采用含CaO的铁质炉渣。采用含BaO的渣系较含CaO的渣系有更大的脱磷能力。这是因为Ba2 +阳离子的半径要比Ca2 +阳离子的半径大，与氧离子结合 能力强的缘故。* 1.7 去气(氢、氧、氮)* 钢中有害气体不仅降低钢的机械性能，而且还会使钢产生白点、发纹、皮下气泡等缺 陷，因而造成钢材报废。所以在熔炼过程中，必须

40、掌握控制气体的规律，使钢中气体含量达 到最低程度。在电渣熔铸过程中，由于气体(N2、02、H2)在固态金属和液态金属具有不同 的溶解度，在金属凝固过程中过饱和的气体由固相排向液相，沿结晶前沿形成气泡，又由于 渣池中气体的溶解度比钢液中高，渣可以吸收上浮的气体。* 电渣重熔时钢锭自下而上的轴向结晶更有利于气体排除。* (1)氢以原子或离子形式溶于钢中，电渣重熔金属含氢量与以下因素有关：* a.重熔金属的牌号；* b.炉渣成分与渣料干燥状况；* c. 重熔气氛。* 根据重熔各种牌号金属统计，去氢量随着合金成分的* 变化而不同。由于合金成分不同，氢在钢中的溶解度不同，去氢也不一样。* 炉渣成分及渣料

41、干燥状况是直接影响熔炼金属氢含量的主要因素之一。在熔炼条件相 同的情况下，渣系不同，其重熔后金属中氢含量也不同。使用含CaO的渣系比使用不含CaO 的渣系重熔，钢中的氢含量要高，这是因为渣中含有CaO,会使炉渣透气度增大，大大地提高 了吸氢的危险性。* 渣料未经干燥处理，渣料中含有一定量的水分，其一部分是来自大气中；另一部分是 渣料中本身含有的结晶水。国外资料认为，渣中(H)含量是金属中H含量的四倍，没有 经过干燥处理的炉渣，渣中氢含量可达 0.005，采用石墨电极化渣，使渣熔融增碳，然后 向渣池吹入氧气，形成CO2气泡，渣中(H)可进入CO2气泡中而上浮，逸入气相，这样使渣 中(H)可低于0

42、.001%。从而控制钢中含氢HV0.00025%。实践证明，关于氢含量在电 渣过程中一般认为不会去除太多，重熔后钢中氢含量可达23.0X10-6o（2）氮的去除，往往是以氮化物夹杂去除。不同氮化物去除的途径是不同的。* 氮化铬分解温度较低，在电渣重熔过程中首先分解，气体通过扩散或呈气泡逸去。* 氮化铝夹杂物比重比钢液轻得多，可以通过浮升途径去除。* 氮化铌夹杂高温较稳定，不能分解，比重比钢重只能通过渣洗过程为炉渣所吸收。* 一般渣中氧化钙活度愈大，气氛中氧的反应愈大，去除氮化物效果愈佳。* 关于氮气，通常认为重熔后钢中氮含量可减少2040%。但是，也有不能去除或稍有 增加的情况。特别是在钢中含

43、有Ti、Nb、Zr等形成氮化物强烈的元素时尤其是这样。* （3）在电渣重熔过程中，脱氧是通过物理和化学两种途径进行的，随着炉渣的碱度增 加，钢中氧含量降低。显然，这是不稳定氧化物SiO2活度降低所至。* 当碱度一定时，随着渣中 Al2O3 比例增加，钢中的氧含量也有明显的降低。 实践证明用不稳定氧化物含量很低的渣系重熔时，可以脱除母材中的氧含量达2050%。* 1.8 合金元素的氧化和还原（烧损）* 氧化还原是一个化学反应的两个方面。因为一个元素被氧化，必然伴有另一元素的氧 化物被还原。* 重熔过程中，钢中活泼元素如Al、Ti、Ce、B等，往往因氧化而损失，如何防止活泼 元素氧化，是电渣重熔的

44、重要问题之一。* 渣的碱度变化对重熔钢元素烧损的影响是很大的。如果把渣的碱度控制在12左右， 元素C、Si、Mn的烧损都可控制在降低的范围，而碱度超过2时Si的烧损猛增。Mn在Ca0/Si02 2以下损失很大，而超过此值则明显减少。当含量一定时，Si和Mn的烧损随熔渣中A12O3 含量的增加而减少。显然，这是由于A12O3的增加使得CaO和SiO2活度降低的结果。* 在使用较稳定的渣系时，Ni、W、Mo几乎无烧损，Cr稍*有减少。而易氧化元素Al、Ti回收率仅达4050%。* 1.9 钢液的凝固和结晶* 在电渣重熔过程中，电极的溶化和熔融金属的结晶是* 同时进行。* 由于结晶从下部开始，金属的

45、收缩可由金属液面的降低得到补偿，金属中的气体和夹 杂也易于上浮，所以钢锭的组织均匀致密、均匀。* 由于金属熔池体积很小，重熔过程中的冷却速度很大，使固相和液相中的充分扩散受 到抑制，减少了成分偏析，并有利于夹杂物的重新分配。* 其基本特点可归纳为以下四点：* （1）由于底板传热的条件，造成接近于轴向的热流分配；* （2）通过渣池传导和电极熔滴过渡，不断由渣池向铸锭上表面供热；* （3）由于钢锭与结晶器壁不接触，减弱了侧壁的冷却作用；* （4）液态金属上面的渣池，构成了热的保温帽。* 由于电渣重熔锭在结晶器内的方向性顺序结晶，结晶过程是容易控制的。若能正确配 合金属液送入结晶器的速度和铸锭结晶速

46、度，就能保证得到无低倍缺陷的钢锭。*2、电渣重熔工艺* 电渣重熔工艺包括：熔铸过程中的条件以及保证获得良好精炼效果、冶金质量、技术经济指标的必要参数。*2.1 条件参数*是根据电渣产品几何尺寸、重量要求定出的参数，是其它各参数制定的先决条件。属于条件参数的有：结晶器直径，高度；电极的直径，长度；充填系数及电极、结晶器的直径 比。*（ 1 ）结晶器直径，高度的确定* 由于钢锭收缩及渣皮的生成，钢锭毛坯直径尺寸与结晶器直径相比总有一个收缩率， 根据生产经验统计，其减缩率为2.53%。考虑到产品熔铸后直径的减缩，以及毛* 坯的加工余量，结晶器直径可按下列经验公式计算：* D 结=（D 产品 +A）/

47、 （1-6 %）* 式中 D 结结晶器直径（ mm）；* D产品产品的规定尺寸（mm）；A毛坯的加工余量，一般按20-40mm计算；6 %熔炼毛坯的减缩率，一般为30.5%。* 结晶器高度与其他工艺参数有密切关系。一般固定式结晶器高度H固，可按下式确定：H固（36） D结。当D结300mm者，按下限考虑。* 抽锭式结晶器高度H抽要考虑凝固金属的高度，金属熔池深度，渣池厚度以及结晶器 上部必要的余量诸因素。* H 抽心（0.91.4） D 结 + （ 50100） mm* 有的根据实际经验提出：* 当D结V400mm时，H抽心（1.52.0） D结；* 当D结400mm时，H抽心（1.21.5）

48、D结。* （2）电极尺寸的确定* a. 电极尺寸的选择直接影响产品的质量及经济技术指标，它与结晶器直径、供电情况、 炉体结构及许多工艺参数有密切关系。* 实践证明，电极直径主要是由结晶器直径决定的，二者的匹配成为确定其它电渣工艺 参数的重要条件。为了说* 明二者匹配情况，往往引入“充填系数”这样一个概念，即* 二者直径比。* 在结晶器直径一定的条件下，当d极/d结值增大时，钢锭表面质量、生产率和电耗等 技术经济指标都有所改善。但是，并不是d极/d结值越大越好，实际上对某一直径结晶器而 言，所采用的电极直径有一个最佳值。当d极/d结值0.65时电耗反而有所增加，尽管熔化 率提高但金属熔池深度超过

49、了钢锭直径的1/2，这对重熔钢锭质量是不利的。* 公式d极冰 d结中K经验值可选（0.40.5）0.1。* b. 对于单臂固定式电渣炉，电极长度必须符合下列关系：* L0=L极+AL假极* 式中L0电极夹持器有效行程（m）；*L极一一电极长度（m）, 般不应太长，每增加1m,炉口工作电压就要降低12V 左右；* L假极假电极长度，一般取0.30.5m。* 对于简单的圆柱形产品电极长度L极按下式计算：* L 极=6锭/ （n /4d 极 2n Y 金）+i* 式中 G 锭钢锭重量（ t）* Y金所炼金属比重，一般取7.85t/m3；n 电极致密度；* i余头长度，一般取0.050.1m。* 对于

50、双臂交替式电渣炉，这种电渣炉对电极长度要求并不严格，只要电极长度小于夹持器有效行程即可。* 2.2 控制参数* 控制参数主要包括：渣系的组成、渣量（渣厚）、冶炼电流、工作电压、供电功率等。* （1）渣系的选择* 渣系对冶金质量和冶炼效率的影响：电渣重熔熔渣的* 作用有两个方面，一是工艺作用，如作为热源的电阻发热体作用。形成渣壳对于铸锭成形 性的作用等。二是冶金作用，包括对钢质的净化、元素的氧化与还原等。* 渣系的选择：要考虑具有足够的比电阻，良好的流动性（粘度），熔渣中变价不稳定氧 化物含量尽量控制低些* （如FeO、Si02、MnO等），应考虑它的碱度、表面张力以*及透气性，钢锭的成形性（即

51、注意渣系的熔点，比重熔钢低100200C为宜），还应考虑其经济性和安全性。* （ 2）渣量确定* 渣量的大小实际上是作为炉渣电阻大小的标志。如果炉渣厚度增加，则电极插入深度 增加，减少了电极的氧化，从而使得钢中氧化物夹杂降低。如果在结晶器、电极尺寸一定的 条件下随渣厚的增加，生产率降低、电耗增加。渣量计算公式如下：* G渣=盯/4 D结2 H渣 丫渣* 式中G渣渣量（Kg）；* D结结晶器直径（Cm）；* H渣 渣层厚度（Cm）,当D结V 400mm时，H渣1/2D结；当400mmVD结V700mm, H渣心1/3D结；当D结700mm时，H渣心1/4 D结；* Y渣熔渣比重，对“三七”渣系，

52、一般取0.0025Kg/cm3。* 通常人们按经验计算方法进行计算，经验式为：* G渣=（45%） G锭* 式中G锭重熔钢锭的重量（Kg）。* 在实际生产中渣皮损耗和熔渣的挥发造成渣厚的减少，应根据具体情况进行补加。* （3）熔炼电流* A=K极 d极* 式中A工作电流（I）；* K极电极的线电流密度，其波动在3248I/mm。*一般可按下列经验式计算：* A=40d 极或 A=200D 结* 在工作电压一定的条件下，随着电流增加，金属元素烧损量减小，这是由于电极埋入 深度增加，改善了被氧化的条件所致。而电流继续增加，氧的传递更为方便，元素烧损量反 而增大，同时对夹杂物的去除和低倍质量都是不利

53、的。*（ 4 ）工作电压熔炼工作电压又称炉口电压或有效工作电压。是指电* 极端部与低结晶器之间的电压。* V表（二次）=V炉口 +V线* 式中 AV线一一线路短网压降，一般短网每m压降12V，不同设备有所区别。* 经回归分析得出：V工作=0.6D结+26* 式中 D 结单位是 cm。* （ 5）重熔功率及其变压器功率的确定* 重熔功率是一个重要的冶炼参数，它是电流、电压的综合反映，生产中经常不是以电 功率来制定工艺的，研究有效供电功率至少有两方面的意义，一是核对工作电流和* 有效工作电压选择的合理性；二是为工艺或设备设计时选择变压器提供必要的依据。* 根据经验式可导出有效供电功率W效（kw）：

54、* W 效=0.12D 结 2+5.2D 结* 式中W效单位是kw； D结单位是cm。* 变压器容量为* P= W 效/C=h W 效/cos C* 式中P变压器容量（KVA）；* C有效功率系数，随电压损失波动在0.650.80, 般可按0.7考虑；* h余量系数，为1.11.2；* cos 功率因数，单级单相电渣炉为0.750.85。* 为了更直观些，其参考方程为：* P=27D 结-220* 式中D结结晶器直径或等效直径（cm）。* 方程式中D结V150mm, 般实际选择的P值要高些。* 2.3 目标参数* （ 1 ）金属熔池深度（ H 金）及极间距（ H 极间）* 金属熔池深度直接影响

55、着产品冶金质量，熔池愈是浅平就愈易生成轴向性大的结晶， 对去除夹杂愈有利。* H 金愈大其结晶速度愈慢，二次枝晶间距就增大，则易造成化学成分的显微偏析和低 倍偏析缺陷。通常H金是结晶器直径的1/21/3。在实际生产中主要是通过控制电极的熔化 速度来控制金属熔池深度的，通过方差得知，在d极/d结0.60.5的条件下,V熔=（0.7 0.85） D结，式中V熔单位是kg/ho* V熔过大或过小对冶金质量均不利。V熔过大，造成H金过深，使结晶结构恶化，易造 成低倍偏析等缺陷；V熔过小，同样会造成严重的低倍缺陷，甚至低倍孔洞。*H 极间是指电极锥头到金属熔池液面之间的距离，是反映电极埋入深度的参数。*

56、（ 2 ）冷却制度*采用水冷结晶器，这是电渣重熔区别于一般冶炼方法的又一特点。重熔过程中产生的热量 66被结晶器带走，* 其中 50 是从渣池部分带走的，30是由渣池传给结晶器由冷却水带走的，其余的 20 是 由渣液面辐射到结晶器壁被水带走的。* 冷却强度的大小，对结晶结构和晶粒取向有一定的影响，但作用并不十分明显。电渣 锭表面的激冷层只有十几毫米左右，如增大冷却强度激冷层却增加的很少，原因很简单，因 为在钢锭与结晶器之间有一层12mm的渣皮，它具有很好的绝热作用，所以使得冷却强度对 结晶结构不起决定作用。但要注意冶炼过程中冷却强度不应突然变化，以免造成渣皮突然变 厚或变薄，使钢锭表面产生环形

57、渣沟。* 重熔一般钢种时，结晶器出水温度应控制在40-60，进水温度应低于30C。原则上 应采用循环软水，因为在45 C时工业用水中的矿物质开始沉淀，在结晶器内形成水垢。一般 水量控制在3045m3/t 钢左右。* （ 3 ）电耗* 电耗构成了电渣钢（母料除外）80左右的成本，要* 想获得良好的经济指标，就要在充填系数、电制度、渣系选择上进行研究。大的充填系数， 合理的电制度和高比电阻的渣系是生产低成本钢的必要条件。国内电渣炉电耗一般在1200 1600kwh/t 钢范围内。* 2.4 电渣重熔的优点* （1）电渣重熔钢渣界面接触大，提纯效果好，钢的纯* 净度高；* （2）钢锭内部组织均匀致密；化学成分偏析小；* （3）脱硫率高，可达 50 80；* （4）钢锭表面光滑、成材率较模铸锭高510；* （5）电渣设备简单，投资省，上马快。