电渣重熔工艺技术培训课程(PDF 151页)
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电渣重熔工艺
姜周华 东北大学 2010年3月
电渣重熔工艺
电渣重熔原理和特点 电渣炉电气原理 电渣重熔渣系 电渣工艺制定的基本原则 电渣工艺参数的分类 钢锭结晶质量的衡量方法 工艺参数对目标参数的影响 电渣重熔参数的优化匹配 ESR过程工艺参数的变化及工艺控制模型
1.电渣重熔原理和特点
ESR过程中和渣有关的现象与渣性质的关系
3.2 ESR渣系分类
按照渣系酸碱性分类，电渣重熔用渣可 分为酸性渣和碱性渣。 按照炉渣组元划分可分为二元、三元、 四元、五元炉渣。 按照其组元是否含有CaF2划分可分为含 氟渣和无氟渣。
渣的组元
常用渣系的基本形态是以CaF2为基础，配入适 当的CaO、Al2O3、MgO、SiO2、TiO2等氧化 物组成的，各组元成分在渣中有各自的作用。 CaF2－Al2O3 CaF2－CaO－Al2O3 CaF2－Al2O3－CaO－SiO2 CaF2－Al2O3－CaO－MgO CaF2－Al2O3－CaO－SiO2－MgO
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。
r U2 X R
电渣炉电气特性曲线
渣池的电位分布与发热场
渣池的流动
3.电渣重熔渣系
3.1 熔渣在ESR过程中有三个作用
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。
(4)MgO
渣中含有适当的MgO将会在渣池表面形成 一层半凝固膜，可防止渣池吸氧及防止渣 中变价氧化物向金属熔池传递供氧，从而 使铸锭中氧、氢、氮含量降低，同时这层 凝固膜可减少渣表面向大气辐射的热损失。 但是MgO容易使熔渣的粘度提高，所以渣 中含MgO一般不超过15％。
(5) SiO2
渣中加入少量SiO2，可以降低渣的熔点，提高 渣的高温塑性，使铸锭表面光洁，而且也能降 低渣的电导率。SiO2的加入还可以改变钢中夹 杂物的形态，由铝酸盐夹杂变为硅酸盐夹杂， 使钢材易于加工变形。但是渣中SiO2含量过 多，则有反应2CaF2+SiO2＝2CaO+SiF4↑发 生，造成渣中CaF2挥发损失，另外SiO2高还将 使金属中SiO2含量增加。
(6)TiO2
在重熔含Ti的钢及合金时，渣中加入一定 量的TiO2可以抑制钢中钛的烧损；另 外，常采用CaF2+TiO2型导电渣作引燃 剂；TiO2是变价氧化物，它对金属熔池 起传递供氧作用。
电渣重熔的特点
1）金属的熔化、浇铸和凝固均在一个较纯净的环 境中实现 2）具有良好的冶金反应的热力学和动力学条件 3）自下而上的顺序凝固条件保证了重熔金属锭结 晶组织均匀致密 4）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
成分和组织的均匀，结构致密是ESR的最显著特点
(1) CaF2
能降低渣的熔点、粘度和表面张力。但和 其他组元相比，CaF2的电导率较高，纯 CaF2在1650℃时电导率达4.54Ω-1.cm-1； 渣中CaF2含量高，熔炼中易放出有害气体 和烟尘，造成环境污染。
(2)CaO
渣中加入CaO将增大渣的碱度，提高脱 硫效率，在CaO加入量为40％情况下， 脱硫率最高可达到85％；而且CaO的加 入能够降低渣的电导率。但是CaO吸水 性强，易带入氢和氧，造成钢增氢增氧。
电渣重熔（ESR） 是在水冷结晶器中利用电流通 过熔渣时产生的电阻热将金属或合 金重新熔化和精炼，并顺序凝固成 钢锭或铸件的一种特种冶金方法。 最显著特点 是生产的金属纯净、成分和组 织均匀，结构致密----产品性能优 异
电渣重熔的基本原理
在铜制水冷结晶器中加入固态或液态炉渣，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，便有电流从变压器输 出，通过液态熔渣。由于上述供电回路中，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， 从而在渣池中产生了大量的焦耳热，使其处于高温熔 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，熔化的金属聚集成液 滴，在重力的作用下金属熔滴从电极端头脱落，穿过 渣池进入金属熔池，由于水冷结晶器的强制冷却，液 态金属逐渐凝固成钢锭，在正常重熔期，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。
(3) Al2O3
能明显降低渣的电导率，减少电耗，提高生产 率。例如CaF290％+ Al2O310％，在1650℃ 时，电导率降为3.34Ω-1.cm-1；如果Al2O3增 加到30％，电导率将降为1.75Ω-1.cm-1。但是 渣中Al2O3增加，将使渣的熔化温度和粘度升 高，并将降低渣的脱硫效果，另外会使重熔过 程难以建立和稳定。一般Al2O3的含量不大于 50％。
传统的浇铸法和ESR方法生产H13热模具钢中铬和钼的偏析
Mo微观偏析对电渣重熔Aห้องสมุดไป่ตู้SI H11 (X38CrMoV5-1) 横向韧性性能影响
38NiCrMo4 冲击韧性at 750 N/mm2 (直径750 mm)
2 电渣炉电气原理
电渣炉电气原理图
大电流回路中产生电感的原理
交流电渣炉电气特性方程
传统浇铸法与电渣重熔钢锭结构的比较
传统的浇铸法和ESR方法生产H13热模具钢中铬和钼的偏析
模铸锭与电渣重熔钢锭质量比较
模铸钢锭，直径2000mm，重100t ESR锭，直径2300mm，重80t
汽轮机转子用特大型钢锭（26NiCrMoV 115）模铸钢锭中心碳偏析实测值的比较
钢锭中心二次晶距（模铸与电渣比较）
姜周华 东北大学 2010年3月
电渣重熔工艺
电渣重熔原理和特点 电渣炉电气原理 电渣重熔渣系 电渣工艺制定的基本原则 电渣工艺参数的分类 钢锭结晶质量的衡量方法 工艺参数对目标参数的影响 电渣重熔参数的优化匹配 ESR过程工艺参数的变化及工艺控制模型
1.电渣重熔原理和特点
ESR过程中和渣有关的现象与渣性质的关系
3.2 ESR渣系分类
按照渣系酸碱性分类，电渣重熔用渣可 分为酸性渣和碱性渣。 按照炉渣组元划分可分为二元、三元、 四元、五元炉渣。 按照其组元是否含有CaF2划分可分为含 氟渣和无氟渣。
渣的组元
常用渣系的基本形态是以CaF2为基础，配入适 当的CaO、Al2O3、MgO、SiO2、TiO2等氧化 物组成的，各组元成分在渣中有各自的作用。 CaF2－Al2O3 CaF2－CaO－Al2O3 CaF2－Al2O3－CaO－SiO2 CaF2－Al2O3－CaO－MgO CaF2－Al2O3－CaO－SiO2－MgO
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。
r U2 X R
电渣炉电气特性曲线
渣池的电位分布与发热场
渣池的流动
3.电渣重熔渣系
3.1 熔渣在ESR过程中有三个作用
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。
(4)MgO
渣中含有适当的MgO将会在渣池表面形成 一层半凝固膜，可防止渣池吸氧及防止渣 中变价氧化物向金属熔池传递供氧，从而 使铸锭中氧、氢、氮含量降低，同时这层 凝固膜可减少渣表面向大气辐射的热损失。 但是MgO容易使熔渣的粘度提高，所以渣 中含MgO一般不超过15％。
(5) SiO2
渣中加入少量SiO2，可以降低渣的熔点，提高 渣的高温塑性，使铸锭表面光洁，而且也能降 低渣的电导率。SiO2的加入还可以改变钢中夹 杂物的形态，由铝酸盐夹杂变为硅酸盐夹杂， 使钢材易于加工变形。但是渣中SiO2含量过 多，则有反应2CaF2+SiO2＝2CaO+SiF4↑发 生，造成渣中CaF2挥发损失，另外SiO2高还将 使金属中SiO2含量增加。
(6)TiO2
在重熔含Ti的钢及合金时，渣中加入一定 量的TiO2可以抑制钢中钛的烧损；另 外，常采用CaF2+TiO2型导电渣作引燃 剂；TiO2是变价氧化物，它对金属熔池 起传递供氧作用。
电渣重熔的特点
1）金属的熔化、浇铸和凝固均在一个较纯净的环 境中实现 2）具有良好的冶金反应的热力学和动力学条件 3）自下而上的顺序凝固条件保证了重熔金属锭结 晶组织均匀致密 4）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
成分和组织的均匀，结构致密是ESR的最显著特点
(1) CaF2
能降低渣的熔点、粘度和表面张力。但和 其他组元相比，CaF2的电导率较高，纯 CaF2在1650℃时电导率达4.54Ω-1.cm-1； 渣中CaF2含量高，熔炼中易放出有害气体 和烟尘，造成环境污染。
(2)CaO
渣中加入CaO将增大渣的碱度，提高脱 硫效率，在CaO加入量为40％情况下， 脱硫率最高可达到85％；而且CaO的加 入能够降低渣的电导率。但是CaO吸水 性强，易带入氢和氧，造成钢增氢增氧。
电渣重熔（ESR） 是在水冷结晶器中利用电流通 过熔渣时产生的电阻热将金属或合 金重新熔化和精炼，并顺序凝固成 钢锭或铸件的一种特种冶金方法。 最显著特点 是生产的金属纯净、成分和组 织均匀，结构致密----产品性能优 异
电渣重熔的基本原理
在铜制水冷结晶器中加入固态或液态炉渣，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，便有电流从变压器输 出，通过液态熔渣。由于上述供电回路中，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， 从而在渣池中产生了大量的焦耳热，使其处于高温熔 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，熔化的金属聚集成液 滴，在重力的作用下金属熔滴从电极端头脱落，穿过 渣池进入金属熔池，由于水冷结晶器的强制冷却，液 态金属逐渐凝固成钢锭，在正常重熔期，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。
(3) Al2O3
能明显降低渣的电导率，减少电耗，提高生产 率。例如CaF290％+ Al2O310％，在1650℃ 时，电导率降为3.34Ω-1.cm-1；如果Al2O3增 加到30％，电导率将降为1.75Ω-1.cm-1。但是 渣中Al2O3增加，将使渣的熔化温度和粘度升 高，并将降低渣的脱硫效果，另外会使重熔过 程难以建立和稳定。一般Al2O3的含量不大于 50％。
传统的浇铸法和ESR方法生产H13热模具钢中铬和钼的偏析
Mo微观偏析对电渣重熔Aห้องสมุดไป่ตู้SI H11 (X38CrMoV5-1) 横向韧性性能影响
38NiCrMo4 冲击韧性at 750 N/mm2 (直径750 mm)
2 电渣炉电气原理
电渣炉电气原理图
大电流回路中产生电感的原理
交流电渣炉电气特性方程
传统浇铸法与电渣重熔钢锭结构的比较
传统的浇铸法和ESR方法生产H13热模具钢中铬和钼的偏析
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