电渣重熔的发展及其趋势

电渣重熔的发展及其趋势

李孝根

内蒙古科技大学材料与冶金学院09冶金2班 0961102226

摘要：简要地回顾了电渣重熔工艺在近几十年的发展与创新。对电渣重熔技术发展过程中的一些重要工艺，如快速重熔、保护气氛下的电渣重熔等进行了简单的描述。这些技术在改善传统电渣冶金工艺局限性的同时，进一步发挥了电渣重熔的优越性，使电渣重熔显示了更宽广的应用前景。并简要地讨论了电渣重熔工艺在21世纪的发展趋势。

关键词：电渣重熔导电结晶器电渣快速重熔保护气氛下的电渣重熔

Development and Tendency of Electroslag Remelting

Abstract ：The development and achievement of technology of Electroslag Remelting (ESR) in near decades has been reviewed briefly in this text. Some important technologies in the evolution of ESR， such as Electroslag Rapid Remeltiong (ESRR) ，Electroslag Remelting under gases ， etc. were introduced briefly . With the development of these techniques， which avoid some disadvantages existing in the traditiongal ESR， the ESR is entitled to wider range application. And the development trend of the technology of ESR in the 21th century is discussed. Key Words ： ESR ，Current conductive mold(CCM) ，ESRR ，ESR under gases

前言

电渣重熔是一种在世界范围内广泛应用于优质钢生产的重熔工艺。在它应用于生产实践的几十年中证明了它在生产高品质精细钢中的重要性。在早期阶段，该工艺能有效地脱氧脱硫，再加上控制凝固的作用，使非金属夹杂物的分布特性大为改善。随着电渣重熔技术的发展和应用，冶金工作者开始认识到，电渣重熔工艺的最重要的特性是可以控制凝固，并能通过控制熔化速率来改善重熔钢锭的宏观和微观组织，而这一点是其他二次精炼技术所无法实现的。

当前，随着市场对高品质精细钢材的需求不断增加，电渣重熔工艺更广泛应用在生产实践中，其技术得到了更大的创新和发展，工艺也日渐成熟。作为一种特殊的二次精炼技术，在新的世纪中必将得到更大的发展。目前，电渣重熔已从

最初的单一重熔技术发展成为一门跨行业、跨专业的新学科。

电渣重熔的工作原理如图1

所示: 向渣池中通入大容量的

电流，自耗电极被渣产生的高

热量融化，从电极端部滴下的

金属液滴在经过渣池的过程中

被提纯，并逐渐在结晶器中凝

固成锭。

1 电渣重熔的优越性和不

足之处

多年来电渣冶金工作者做了全面、系统的研究，一致认为电渣重熔设备简单、操作方便、铸锭表面光洁、热塑性好、成材率高、具有很强的竞争力。电渣重熔以其特殊的工艺过程和熔炼结晶方式具有其它生产工艺所不能替代的优越性，因而得到冶金工作者的广泛重视。

1.1 它的优越性具体概括如下]2,1[:

1.1.1 细化晶粒

由于结晶器及水冷底板的强冷却作用，熔炼过程中，晶粒来不及长大，在钢锭内部呈细小均匀分布，起到改善钢锭内部组织的作用。

1.1.2 减少钢中非金属杂质及夹杂

在重熔过程中金属液滴是一滴一滴通过一定厚度的熔渣层，与呈镜面的金属液相比，金属液滴的比表面(单位重量占表面积) 要大几百倍，增加了钢渣界面积，熔渣吸附金属中的非金属杂质和夹杂的能力大大增加，同时钢中的杂质在通过渣层的过程中，按分配定律重新分配，使得钢液中杂质的浓度降低，起到渣洗的作用。

1.1.3 改善钢的热加工性能

由于电渣重熔后，钢锭晶粒变得细小均匀，钢锭的组织变得致密，钢锭表面光洁，同时钢中杂质减少，在热加工过程中应力集中和裂纹源大大减少，因此锻造过程中易产生的裂纹和开裂可以避免，由此可以提高钢锭的加工成材率。

1.1.4 过程可控性好

对产品的化学成分、夹杂物性质及形态、结晶方向、枝晶间距、显微偏析、碳化物颗粒度等均可以不同程度予以控制，可控制参量少，外围检测准确，便于实现微机闭环控制。

1.1.5 减少组织的宏观偏析和微观偏析。

1.1.6 可控制重熔气氛，减少氧、氮、氢的侵入。

1.1.7 改善工具钢和模具钢中碳化物分布。

1.1.8 可以生产超大型钢锭。

从以上可以看出电渣重熔技术在现代工业生产中有着不可取代的重要性。在现代工业材质生产中，电渣重熔的优点得到了充分的发挥和利用。

1.2 但是电渣重熔的不足之处也是十分明显的。

概括如下:

(1) 灵活性不足。电渣重熔只能将成分一定的钢材重熔，不能改变钢材的成分。

(2) 生产成本高。电渣重熔过程中，电耗非常大，又由于是二次精炼，大大增加了钢材的生产成本。

(3) 氟的污染。电渣渣料中含较多的2CaF ， 会逸出HF 、4iF S 、6SF 等有害气体， 危害工人健康，造成环境污染。

(4) 批量少，管理不便。电渣重熔一炉一个钢锭，批量小，检验量大， 不便管理。如何发展电渣重熔技术的优越性，改进与消除其不足之处，一直是电渣重熔技术发展道路上的主要问题。近些年的研究主要集中在改善重熔工艺的不足之处，如何降低电耗和无氟渣的研究已经取得很大的进展。

2 电渣重熔新工艺

2.1 电渣重熔新工艺的优势

电渣重熔经过了几十年的发展和创新，出现了一些新的工艺。这些新工艺促进了电渣重熔进一步在钢铁工业中的应用，例如: 新的电渣快速重熔工艺(ESRR) 使小钢件能在较高的熔速下重熔；一种新型的导电结晶器能为非常大的钢锭提供单独的温度及熔化速率的控制；没有自耗电极的电渣重熔工艺开辟了重熔工艺全新的可能性；如电渣连铸。目前电渣冶金正处于稳定的发展阶段，在21世纪将在

以下几个方面具有优势 [3]:

(1) 电渣重熔在中型及大型锻件生产中，将处于垄断地位，如汽轮转子及发电机转子、大型水轮机叶片及大轴等用的毛坯。

(2) 在优质工具钢、模具钢、双相不锈耐热钢、管坯、冷轧轧辊生产领域中占绝对优势。

(3) 要求周期疲劳的弹簧钢等重要产品， 如仪表弹簧及枪炮弹簧， 将选用电渣重熔。航空轴承及仪表轴承用钢，依然采用电渣重熔生产。

(4) 有色金属的电渣重熔正处于发展阶段。

(5) 电渣重熔在熔铸空心锭和电渣熔铸异型铸件上具有独到之处。

2.2 电渣重熔冶金近些年新的进展，当推导电结晶器新技术、保护气氛下的电渣重熔、快速电渣重熔、电渣复合轧辊等。

2.2.1 导电结晶器技术

导电结晶器技术新型导电结晶器 7] 4, [

(CCM)的开发，具有了一些新的优点。其基

本原理如图2所示。传统的ESR 工艺中，电

流从自耗电极经液态炉渣进入重熔的钢锭

中，结晶器保持中性。相比之下，导电结

晶器可以使一些不同导电装置进入带有或

没有自耗电极的工艺的熔渣中， 可以有多

种方式让电流经过渣池， 如电极—结晶器

/ 重熔锭、结晶器—重熔锭、结晶器—结晶器。这就为开辟电渣重熔新工艺提供了理论基础和多种新的可进一步研究的可能性。在此基础上，乌克兰巴顿电焊研究所开发出了液态金属电渣冶金技术和双回路电渣冶金技术]10[。

2.2.3 气体保护电渣重熔常规的电渣重熔生产是在敞开系统或采用干燥空气流动以控制氢、氧含量。

自耗电极表面形成的氧化层不断将氧化铁传递给渣池。这样就会增加渣中的氧含量及钢锭中的氧含量。在传统工艺中，通常采用往渣池中加入脱氧剂( 如Al 、CaSi 、FeSi 等)，但是这样会改变熔渣成分，从而使重熔锭中的易氧化元素和原

锭不一致。为解决这个问题，先前的工作者采用有保护性气体的电渣重熔[5]。如图3所示。到目前为止，保护气氛下的电渣重熔取得了比较满意的结果。这种设备的上面部分是一个盒状密封罩，里面充满惰性气体。套模及电极升降处保持良好密封，以控制熔池上方及电极周围气氛。该熔炼过程是在完全无氧化的惰性气氛下进行，因而，熔渣和电极不会被氧化，也无需加入脱氧剂，重熔锭具有最佳的纯洁度。这样在有效防止增氧的条件同时，也可以防止增氢。相信在不久的将来，电渣重熔过程的惰性气体保护将成为通用措施之一。

真空电渣重熔8],7,6[是在此基础上进一步发展起来的。电渣重熔金属具有良好的纯洁度、铸态组织更致密均匀、成份可精确控制、不易形成白点及产生偏析、硫含量极低、夹杂物细小弥化。而且在有效脱硫的同时，活泼元素( 如钛、铝等) 没有烧损。

2.2.4 电渣快速重熔

传统电渣重熔过程中，重熔速度是依据熔化速度与重熔锭直径之比小于或略大于1的原则来控制的。对于一些易偏析合金，这一比值甚至到了0.65-0.75。这样重熔小钢锭时熔炼速度就很慢，造成冶炼费用相当高。

电渣快速重熔[8]是为了有效地生产出小尺寸及小断面锭而发展起来的。采用熔化较大断面电极来大幅度提高熔化速度，从而快速生产重熔小钢锭。

电渣快速重熔原理如图4所示。为了生产较小钢锭，采用一种水冷T 型结晶

器。下部断面由重熔坯

的大小决定，而上部宽

大部分则由大的重熔

电极决定。快速电渣重

熔钢坯的质量很好，可

以直接进行加工而不

需要精整。随着熔速提

高，表面会更光滑，这是因为过热渣不断增加，盖住了金属液面，消除了弯月面金属的过早凝固，从而阻止坯壳不均匀生长而卷入熔渣。正确选择熔渣和熔速，所得钢锭只有一些表面缺陷而不影响直接热加工。

2．2．5 电渣复合轧棍

电渣复合轧辊是电

渣重熔工艺的创新，

该工艺能够改变以往

电渣重熔工艺灵活性

不足的缺点。意大利

冶金试验中心(CSM)

采用管状金属粉末

电极电渣重熔

460mm 的双金属轧棍，该轧辊的工作表面是一层耐磨性好的高铬合金钢，而内部则采用韧性较好的中碳钢。日本也用金属包层法成功地制造了双金属轧棍。电渣重熔轧棍有几种工艺方案。这里主要介绍利用自耗结晶器熔铸复合轧辊的工艺。如图5所示，先熔炼直径等于未来轧辊辊身的外径、内径等于该轧辊辊颈的空心锭，然后把空心锭用作特殊的自耗结晶器，在该结晶器内用焊合的方法熔铸辊身和辊颈。

3 结束语

3.1 电渣重熔的产品组织致密、成分均匀、表面光洁、使用性能优异，工艺具有生产灵活、工艺稳定、过程可控的优点，是生产优质合金钢的主要手段之一，目前已经成为精细冶金的主要分支。

3.2 新型导电结晶器的原理提供了多种新的尚待研究的可能性。通过自耗电极加热无电流渣池的可能性为炉渣温度及重熔提供单独的控制，它甚至能够更好地控制钢锭的凝固条件。

3.3 快速电渣重熔工艺能提高3-10倍的熔速，是特种冶金新的突破点，但是工艺中的一些关键性环节还有待于进一步研究。

3.4 保护气氛下的电渣重熔和真空电渣重熔是重熔技术新的创新，其工艺已经相当成熟，优越性也相当明显，在实际生产中的广泛应用必将产生明显的经济效益。

3.5 有色金属的电渣重熔正处于发展阶段。

3.6 电渣冶金的发展前途是电渣技术走出单一结晶器重熔，并与钢铁冶金流程

相结合，成为在线工序的一个环节。

3.7 电渣重熔过程的仿真模拟将是电渣冶金在21世纪的发展重点，仿真模拟对于预测最终钢锭结构以及改进工艺、提高钢锭性能，为电渣重熔炉的计算机控制系统提供正确的工艺参数具有十分重要的意义。

参考文献

1 陆锡才. 电渣炉重熔技术最新进展[J] . 工业加热，2008，(2): 31~32

2 孟繁德. 电渣重熔的设备选型和工艺选择[J] . 上海钢研，2009，(2) : 21~27

3 李正邦. 特种冶金新进展(续)[J] . 中国冶金，2002，(2): 24~26

4 Wolfgang Holzgruber. 创新的电渣重熔工艺[J] . 钢铁译文集. 2001，(2): 15~17

5 刘庆文. 电渣重熔的最新进展[A] .W.&. H Holzgruber. Iron & Steel Maker[C] . 1998，(10): 42~45

6 李正邦. 电渣冶金的回顾与展望[J] .特殊钢，1999，20(5) : 1~6

7 陈希春，冯涤，傅杰，等. 电渣冶金的最新进展[J] . 钢铁研究学报， 2003，15(2) : 61~67

8 李正邦. 特种冶金新技术[J] . 特殊钢，2003，23(6) : 1~5

9 姜兴谓，姜周华. 国外电渣冶金技术的发展方向[J] . 国外钢铁，1991，(1) : 27-31

10 崔雅茹, 王超.特种冶炼与金属功能材料[J] .冶金工业出版社2005. 145~189