电渣重熔ESR
电渣重熔炉(ESR)的工作原理及特点
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电渣重熔炉(ESR)的工作原理及特点
世界上第一台电渣重熔炉是于1930 年在美国诞生的，可是，后来世界上对电渣重熔炉进行大量研究、开发工作的当属原苏联乌克兰电焊机研究所。
1、电渣重熔炉的工作原理
电渣重熔炉是利用熔渣隔绝空气的保护方法来精炼某些钢或合金的一种
电炉设备。
电渣重熔炉的工作原理示意从发热原理来说，电渣重熔炉是一种电阻熔炼炉。
电渣重熔工艺是电极下端部浸埋在熔融的熔渣中。
交流电流通过高电阻渣池时产生大量热量，它把浸埋在熔融的熔渣中的电极端部熔化，熔化产生的金属熔滴穿过渣池滴入金属熔池，然后被水冷结晶器冷却后凝结成锭。
在此过程中，金属熔滴与高温高碱度的熔渣充分接触，产生强烈的冶金化学反应，使金属得到了精炼。
电渣重熔炉的关键技术是熔渣系统。
在电渣重熔炉中，熔渣的主要作用
有四点，即：热源作用、保护作用、成型作用和冶金化学作用。
真空技术网(chvacuum/)认为熔渣的化学成分对电渣熔炼产品的质量和技术经济指标有很大影响。
熔渣的特点是：
(1)具有较高的电阻率，在熔炼过程中能产生足够的热量，以保证金属熔化、升温和提纯。
(2)具有一定的碱度，因此其脱氧和脱硫效果好。
(3)不含有稳定的氧化物，如MnO、FeO 等。
(4)具有良好的流动性，以保证高温下的对流热交换和液态物理化学反应
充分进行。
(5)具有较低的熔点，通常比被熔金属的熔点低150-250 ℃，这使锭子成。
模具钢电渣重熔工艺
模具钢电渣重熔工艺电渣重熔是金属及其合金的一种特殊的冶炼方法，虽然电渣冶金可划分出多种技术方法和应用于不同的领域，但其基本和核心的技术是电渣重熔(Electroslag Remelting，简称ESR)。
电渣重熔的基本原理是：在铜制水冷结晶器中加入固态或液态的炉渣，将自耗电极的端部插入其中。
当自耗电极、炉渣和底水箱通过短网与变压器形成供电回路时，有电流从变压器输出通过液态熔渣。
由于在上述供电回路中熔渣的电阻相对较大，占据了变压器二次电压的大部分压降低，从而在渣池在产生大量的热，使其处于高温的熔融状态，由于渣池的温度远大于金属的熔点，从而使自耗电极的端部逐渐加热熔化，熔化的金属汇聚成液滴，在重力的作用下金属熔滴从电极的端头脱落，穿过渣池进入金属熔池，由于水冷结晶器的强制冷却，液态金属逐渐形成钢锭。
1．电渣重熔的特点电渣重熔属于二次精炼方法，自耗电极是其原料，自耗电极可由其他的冶炼方法获昨，如电弧炉、感应炉、真空感应炉和真空自耗炉等制备。
电渣重熔的目的是在初炼的基础上进一步提纯钢、合金和改善钢锭的结晶组织，从而获得高质量的金属产品，与其他的冶金方法相比，具有以下的特点：①金属的熔化、浇注和凝固在一个较纯净的环境中实现，减少了钢液的污染。
②具有良好的冶金反应的热力学和动力学条件，电渣重熔过程中渣池温度通常在1750℃以上，电极下端至金属熔池中心区域的熔渣温度可达1900℃左右，钢液的过热度可达450℃左右，高温熔池促进了冶金物理化学反应。
良好的动力学条件表面在电渣重熔过程中钢渣能进行充分接触，同时由于电磁力的搅拌作用，不断更新了钢渣打的接触面，强化了冶金反应，促进了有害杂质和非金属夹杂物的去除。
③自上而下的顺序凝固条件保证了重熔金属锭结晶组织均匀致密。
在电渣重熔过程中电极的熔化和熔融金属的结晶是同时进行的。
钢锭上端始终有液态金属溶池和发热的渣池，既保温又有足够的液态金属填充凝固过程中因收缩而产生的缩孔，可以有效的消除一般钢锭的疏松和缩孔，现时金属液中的气体和夹杂物也易于上浮，所以钢锭的组织致密、均匀。
不锈钢电渣重熔技术
= 炉管、叶片、护环、水轮机导叶和叶片
油气开采：超级13Cr、15Cr、双相不锈钢
= 石油化工：高温、耐蚀部件（管道、阀门） = 海洋工程（海水淡化）：超级双相不锈钢、超级奥氏体 = 不锈钢
特殊钢先进冶金工艺与装备教育部工程研究中心
Northeastern University
二、电渣重熔的不锈钢品种及 其应用
=
电渣重熔的起源-首个不锈钢电渣锭
的不锈钢主要钢种
马氏体不锈钢 沉淀硬化马氏体不锈钢 超级铁素体不锈钢 奥氏体不锈钢、超级奥氏体不锈钢、高 = 氮奥氏体不锈钢 双相不锈钢、超级双相不锈钢
钢渣接触条件的比较
O
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电渣重熔冶金
渣池强烈搅 拌：电动力、 电磁力、自然 对流、气体逸 出和膨胀的推 力
=
= = = = =
非金属夹杂物的去除
电渣熔铸去除钢中非金属夹杂物主要发生在电极熔化末端熔滴 = 形成的过程中 电极熔化末端熔滴形成过程的钢渣接触面积最大，达3219 mm2/ = 克，它是熔滴过程的67 倍，是金属熔池的21000 倍 电极熔化末端熔滴形成的时间较熔滴滴落时间为长，约为1.41 倍 = 电极熔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 小尺寸的熔滴去除非金属夹杂物效果比大尺寸强。熔滴内大颗 = 粒的非金属夹杂物的减少较小颗粒的为强
电渣炉培训
3）黏度 熔渣应有适当的黏度，并且在高温下黏度值随温度变化越 小越好。具有良好流动性的渣才能保证高温下渣池热对流，使铸 锭径向温度均匀，利于去气脱硫等物化反应的进行，利于形成薄 渣皮，提高铸锭表面质量。一般熔渣在1800℃时，黏度 η ≤0.5Pa•s。 4）碱度 为了保证重熔过程脱硫良好，熔渣应具有较高的碱度，一般 碱度B>1，B=CaO／(SiOz+1/2Al2O3)。
五、如何才能正确操作
1、操作前，要将下底板和电击棒清理干净，以利于导电。 2、按配比将渣混合均匀，要少加勤添。 3、化渣时，电流控制在1000到1500安培。 4、待渣系充分熔化后，形成渣池时，再运行。 5、每次准备多余的渣液，作为应急使用。
六、操作中注意事项 1、如何给电极做标记？ 2、如何卡电极棒？ 3、如何看渣池的温度？ 4、结晶器、底板冷却水安装方式？ 5、化渣后石墨引弧剂为什么要拿出来？ 6、渣层厚度多少最佳？ 7、电流如何确定？A=200D
1) 电极棒熔铸质量存在缺陷，缩孔、夹杂等。 2）两个电极焊接的；焊接方式不对或不牢； 3）渣池温度过高，熔化速度过快，运行中设备控制不精
确；
4）渣池深度不够，结晶器与底板打火； 5）渣系配比不对、渣系不均匀等导致渣池电导率发生变化。 6）底板或结晶器渗水；结晶器与底板打火； 7）设备控制出现问题； 8）加入铝粉的时间不对或不均匀。
电流从电极进入渣池后，要通过金属熔池和凝固钢锭再由底水 箱和短网返回变压器。
由于电极熔化、金属液滴形成、滴落过程中金属熔池内的金 属和炉渣之间要发生一系列的物理化学反应，从而可去除金属 中有害杂质元素和非金属夹杂物。 钢锭由上而下逐渐凝固，金属熔池和渣池就不断向上移动， 上升的渣池使结晶器内壁和钢锭之间形成一层渣壳，它不仅使
电渣重熔
电渣重熔免费编辑添加义项名材料电渣重熔钢（electroslag remelting）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。
中文名称电渣重熔外文名称electroslag remelting主要目的提纯金属热源主要目的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。
电渣钢的铸态机械性能可达到或超过同钢种锻件的指标。
电渣钢锭的质量取决于合理的电渣重熔工艺和保证电渣工艺的设备条件。
主要产品电渣重熔的产品品种多，应用范围广。
其钢种有:碳素钢、合金结构钢、轴承钢、模具钢、高速钢、不锈钢、耐热钢、超高强度钢、高温合金、精密合金、耐蚀合金、电热合金等400多个钢种。
此外，可用电渣法直接熔铸异形铸件，可以铸代锻，简化生产工序，提高金属的利用率。
主要作用电渣熔铸工艺从根本上解决了一般铸造工艺的主要矛盾，它综合了电渣重溶-获得高冶金质量的金属和铸造-浇铸异型零件精化毛坯的长处，并具有与普通冶炼的变形金属相近的致密组织以及无各向异性的特点。
与普通锻件相比，电渣熔铸件的各项性能指标完全达到同钢种的变型金属指标，甚至还避免了锻件的一些不足之处。
应用成果近些年来，电渣熔铸新工艺逐渐引起了国内外工程技术界的重视，许多工业部门在加紧研究和使用电渣熔铸产品。
在发展这项新工艺方面，原苏联、日本和美国的研究成果较多，其次是西德、捷克斯洛伐克、英国、瑞典和法国。
东北大学电冶金研究室在发展电渣熔铸新工艺以及研制使用它的异型件方面取得了以下成果:?电渣熔铸冷轧辊、阀体、三通管、厚壁中空管、石油裂解炉管、齿轮毛坯、各种模具(包括冲压模具)和柴油机曲轴等。
目前，国外著名的电渣炉制造厂家，如美国的CONSARC、德国的ALD和奥地利的INTECO等公司均采用基于PLC和工控机的2级计算机控制系统，能实现整个重熔过程的设备和工艺的全自动控制。
第七章 电渣重熔用渣
钢铁冶金研究所&特殊钢冶金学术方向
电渣重熔的基本原理
由于电极熔化、金属液滴形成、滴落过程中金属熔池内 的金属和炉渣之间要发生一系列的物理化学反应，从而 可去除金属中有害杂质元素和非金属夹杂物。钢锭由上 而下逐渐凝固，金属熔池和渣池就不断向上移动，上升 的渣池使结晶器内壁和钢锭之间形成一层渣壳，它不仅 使钢锭表面平滑光洁，而且降低了径向导热，有利于自 下而上的顺序结晶，改善了钢锭内部的结晶组织。
钢铁冶金研究所&特殊钢冶金学术方向
具有良好的冶金反应的热力学和动力学条件
电渣重熔过程中渣池温度通常在1750℃以上，而电极 下端至金属熔池中心区域的渣温度可达1900℃左右。 因此重熔过程中渣的过热度可达600℃左右，钢液的 过热度可达450℃左右。高温的熔池促进了一系列的 物理化学反应的进行。
1)发热体作用； 2)成型作用，即钢水在渣皮的包覆中凝固成型； 3)净化作用，即去除钢中夹杂物，脱硫和控制元素成分 等。 通常情况下，电渣重熔渣系以CaF2-Al2O3系为主，根据 需 要 适 当 添 加 CaO 、 MgO 、 TiO2 等 组 元 ， 一 般 要 求 渣 系 中 SiO2含量要低，而渣中FeO和P、S杂质也要尽可能少。
钢铁冶金研究所&特殊钢冶金学术方向
在水冷结晶器与钢锭之间形薄而均匀的渣壳 保证了重熔钢锭的表面光洁。
在电渣重熔过程中，由于结晶器壁的强制冷却，使渣 池侧面形成凝固渣壳。在合理的电渣工艺制度下，金 属熔池具有圆柱部分。熔池在上升过程中由于金属液 体上升接触到凝固的渣皮时会使部分凝固的渣皮重新 熔化，使渣皮薄而均匀，金属在这层渣皮的包裹中凝 固，电渣锭会十分光洁。另外，渣皮的存在能减小径 向传热，有利于形成轴向结晶条件。
电渣重熔的基本原理
电渣重熔热平衡计算及电渣降耗
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《特钢技术》 2001 年第 4 期
λs —渣皮导热系数 / Kcal/ M. ℃. h ; εs —渣皮黑度 ; IESR —重熔电流 / A ; UESR —重熔电压 / V ; UH —变压器的空载电压 / V ; qESR —重熔单位电耗 / Kwh/ kg ; ηESR —电渣重熔热效率 ; qs. v. m —液态炉渣的蒸发潜热 / Kcal/ kg ; QSR —渣池释放出的渣阻热 / KVA/ h ; USR —有效工作电压 V ( 一般波动在 27 ～
联系人 :殷秀文 工程师 四川江油 (621701) 四川川投长城特殊钢股份有限公司一厂炼钢分厂 电话 : (0816) 3648321
2001 第 4 期 《特钢技术》
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3. 8 重熔电压 UESR
UESR = USR + 50Dk
(V)
3. 9 重熔电流 IESR
电渣重熔在正常熔炼期 ,渣池中释放的热 量 ,主要用于 :
(1) 自耗电极的加热与熔化及使过渡的金 属熔滴过热到一定程度 ;
(2) 使渣池和金属熔池维持熔融和具有一 定的过热状态 ;
(3) 结晶器和底水箱冷却水带走的热消 耗;
(4) 渣池表面的辐射和蒸发及废气带走的 热量 。
(其热量分配见图 2)
UH = UESR + △UHIESR/ 1000 3. 11 电渣重熔的总热量
QESR = 8. 6 ×10 - 4 IESRUESR 3. 12 电渣重熔的单位电耗
(V) ( Kcal/ h)
qESR = QESR/ (51. 6 GESR)
(kWh/ kg)
3. 13 电渣重熔的热效率
ηESR = (Q有效/ QESR) ×100 %
几种熔炼炉对比
1. 镍基合金熔炼工艺国内外镍基高温合金、镍基耐蚀合金、精密合金的熔炼设备主要有真空感应炉、真空自耗炉、电渣炉、电子束炉和等离子电弧炉等。
1）真空感应炉（VIM）真空感应熔炼是一种成熟的真空熔炼方法，是镍基高温合金、耐蚀合金等的重要生产工艺，特别是对于含有铝、钛等活泼元素较多的合金，必须采用真空感应熔炼。
VIM可提供对化学成分最大程度的控制，防止了溶液与大气中氢、氧、氮的接触。
真空下反应的进行和完成比在大气下要快。
除了使溶液均匀外，感应搅拌能持续将反应物带到熔体和真空界面，从而使精炼反应顺利进行。
气体夹杂和痕量元素的蒸发能改善大多数高温合金的力学性能。
VIM缺点在于大多数最终产品都必须进行重熔，主要是为了减少偏析和控制凝固组织以及耐火材料的侵蚀，采用CaO耐火材料坩埚、电磁搅拌、陶瓷过滤等技术均可以有效提高合金的纯净度。
新建3座12 tVIM，熔炼周期14 h/炉，平均每炉产量12 t，年产能18000 t，可满足规划生产真空感应炉锭17685.8 t/a的要求。
2）电渣重熔炉（ESR）电渣冶金是目前生产高品质材料的重要方法，具有纯度高、含硫量低、非金属夹杂物少、钢锭表面光滑、结晶均匀致密、金相组织和化学成分均匀的优点，广泛应用于航天航空、军工、能源、船舶、电子、石化、重型机械和交通等国民经济的重要领域。
电渣重熔的目的是通过将化学精炼和控制凝固结合起来生产高质量铸锭。
电渣重熔过程中，金属材料能够被熔渣有效地精炼，合金中的非金属夹杂物、气体和硫含量显著减少，合金的纯净度提高，因而合金的力学性能得到改善。
电渣熔炼过程中，始终有液态渣的保护，使金属不与空气接触，合金元素烧损低，成分容易控制；避免了熔炼过程中耐火材料的污染；铸锭组织致密，缩孔较小，没有疏松及皮下气泡等缺陷，提高了材料的塑性；设备简单，易于操作。
然而ESR也存在许多不足之处，如熔炼和凝固速率偏低、熔渣吸收气体、活泼元素不易控制以及电极重熔过程经受高温氧化等。
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电渣重熔 ESR
Electr-o-slag
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电渣重熔 把平炉、转炉、电弧炉或感应炉冶炼的钢铸造或锻压成为电极，通过熔渣电阻热进行二次 重熔的精炼工艺，英文简称ESR。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。 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。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。 因为是在铜制水冷结晶器内熔化、精炼、凝固的，这就杜绝了耐火材料对钢的污染。钢锭 凝固前，在它的上端有金属熔池和渣池，起保温和补缩作用，保证钢锭的致密性。上升的 渣池在结晶器内壁上形成一层薄渣壳，不仅使钢锭表面光洁，还起绝缘和隔热作用，使更 多的热量向下部传导,有利于钢锭自下而上的定向结晶。由于以上原因,电渣重熔生产的钢 锭的质量和性能得到改进，合金钢的低温、室温和高温下的塑性和冲击韧性增强，钢材使 用寿命延长。 电渣重熔设备简单，投资较少，生产费用较低。电渣重熔的缺点是电耗较高，目前通用的 渣料含CaF较多，在重熔过程中，污染环境，必须设除尘和去氟装置.