电渣重熔工艺和理论知识

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，一九四〇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一，一九六〇年，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200t，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t。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），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,VOD,VAD,RH 等。

3、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，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。

3.4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，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。

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* 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；