中国练铁技术

太原科技大学

二○一○～二○一一学年第一学期

材料学院

冶

金

论

文

课程名称：冶金实验研究方法班级：冶金工程071401

学号：200714070122

姓名：田维波

指导教师：杨小容

二○一○年十一月

中国炼铁技术的现状与发展

田维波

（太原科技大学，材料科学与工程学院冶金工程071401班，山西太原 03002）

摘要

电渣重熔过程是一种消耗金属电极再重熔的过程。通过控制重熔固和化学反应，生产比原材料更高质量的钢锭。电渣重熔被许多行业性能的钢锭。例如，化工、航空航天、运输、军工和机械等部门。电包含电磁、流动、传热和相变等各种复杂的物理过程。电渣重熔的基在电极和水冷壁间通过电流，由于电渣的电阻率较高产生大量焦耳热生高温，电极不断的被熔化，熔化的液滴穿过渣层进入金属熔池从而钢锭，并拥有更好的结构和组成。

本文利用计算流体力学方法对电渣重熔的渣池、钢液和钢锭进行模拟。通过数值模拟，得到了电渣重熔过程中的温度场分布、流场分的凝固情况。并在此基础之上，通过改变熔速和冷却条件来查看其对果的影响，并在不同的截面进行了温度和液相率的仔细分析。有许多关于电渣重熔数值模拟计算的文章，有只分析电磁现象的流动和传热的者只分析一个区域的。本文的计算是基于轴对称稳钢锭的模拟，对电渣重熔过程中的渣相和金属相流动、传热以及相变综合的模拟计算。

关键词:电渣重熔，温度场，凝固，流场

第一章绪论

世界科技高速发展，为适应时代需要，出现一系列令人瞩目的新动向。金属材料具有实现新功能新目标的发展趋势，即从单一功能向多个功能、从一般功能向特殊功能发展的趋势。电渣重熔恰好能够满足金属的这一需求，它将金属的精炼提纯、结晶凝固和成型集中到一个工序完成，使成型的构件不仅具有良好的冶金质量和凝固质量，而且形状和尺寸接近于最终产品，是物性转变的最佳短流程。电渣重熔技术包括电渣熔铸、电渣浇注、电渣热封顶和电渣焊接等。它是冶金技术领域的一个飞跃，为各种特殊行业所需优质铸件的制造提供了一条较为方便实用的生产途径。就目前生产应用而言，电渣重熔金属材料产量居第一，它的年产量超过其他重熔方法的总和。

电渣重熔概述

1.1.1电渣重熔过程的基本原理及其特点

电渣重熔[1} ( Electroslag Remelting，简称ESR)是把普通冶炼方法制成的自耗电极，插入盛有熔渣的水冷结晶中，进行再熔化精炼的工艺。在铜制水冷结晶器内，注入高温的液态熔渣，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，来自短网的电流便通过电渣，由于电渣电阻相对较大，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自耗电极的端部被加热逐渐熔化成金属熔滴，在重力作用下从电极端头脱落穿过渣池进入金属熔池。由于水冷结晶器的冷却作用，液态金属逐渐凝固成钢锭或者铸件。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到变压器。在重熔过程中，通过对电压和电流等参数的控制来改变电渣重熔的工艺过程。于在电极熔化、金属液滴形成、滴落过程中液态金属和炉渣之间要发生一系列的物理化学反应，从而可以去除金属中的有害杂质元素和非金属夹杂物。形成的铸件由下而上逐渐凝固，金属熔池和渣池不断向上移动，上升的渣池使结晶器内壁和铸件之间形成一层渣壳，它不仅使铸件表面平滑光洁，而且降低了径向导热，有利于铸件自下而上的顺序结

晶，改善铸件内部的结晶组织性能。电渣重熔可以生产高品质的金属铸件，属于二次精炼。与其他方法相比具有显著的优点。

1)电渣重熔金属的熔化、浇注和凝固均在一个较为封闭的环境中实现。整个熔铸过程始终在液态渣层下，故与大气隔绝，最大限度地减轻了大气对钢液的影响，减少钢水的氢、氮的增加和钢的二次氧化。由于熔化和凝固均在水冷铜制结晶器中完成，因而没有普通冶炼和铸造方法由于耐火材料造成对钢水污染的缺点。

2)电渣重熔具有良好的冶金反应热力学和动力学条件。由于熔铸温度高，高温的渣池有利于物理化学反应的进行。良好的动力学条件表现在电渣重熔过程中钢渣能充分地接触。同时，在电磁力的作用下渣池被强烈搅拌，不断更新钢渣接触界面，强化冶金反应，促进了熔渣对有害杂质元素的吸收。3)由于铸件自下而上的顺序凝固条件，使得铸件内部的结晶组织均匀致密。不断产生的液态金属可以有效地消除铸件的缩孔和疏松等缺陷。另外，由于结晶器壁的强制冷却，渣池侧面形成渣壳。金属在这层渣皮中凝固，使金属表面十分光滑并且渣皮的存在能减少径向的传热，有利于轴向结晶的形成。

2电渣重熔的产生及应用状况

电渣重熔技术最初起源于美国，发明者霍普金斯((R.K.HopkinS)进行的渣中自耗电极熔化实验，并于1940年获得电渣熔炼专利。由于缺乏理论依据，霍普金斯及其同事长期误认为电渣过程是“埋弧过程”，所以该技术未获推广。现代电渣冶金技术是由前苏联乌克兰巴顿电焊研究所发现，过多的渣液用于埋弧焊时电弧熄灭，使操作平稳，从而发明了电渣焊，后来又用两个水冷挡块取代金属连接件，就构成了电渣重熔的基本方法。前苏联对这项技术进行了广泛深入地研究，并于50年代后期在第聂伯特种钢厂建成了P909型工业电渣炉。这一事件标志着电渣重熔技术工业化的开始。在20世纪60年代，出于航空航天及军备竞赛的需要，苏联对电渣冶金开展了大量的研究工作;另一方面，美国和西欧国家在电渣重熔与真空电弧重熔进行了七年激烈竞争后确认，电渣重熔不仅设备和操作简单，生产成本低，而且电渣钢的质量除气体含量外，在表面质量、脱硫、去除非金属杂质及结晶组织等方面优于真空电弧重熔。1967年在美国匹兹堡的卡内基一梅隆(Carnegie-Melton)大学召开了第一届电渣冶金国际会议。之后，几乎平均每两年召开一次电渣冶金或包括电渣冶金在内的国际学术会议。由于电渣冶金性能的优越性(电渣产品金属纯净、组织致密、成分均匀、表面光洁)，产品使用性能优异，生产的灵活性(电渣重熔可生产圆锭、方锭、扁锭及空心锭)，工艺的稳定性，经济上的合理性(设备简单、操作方便、生产费用低于真空电弧重熔，金属成材率高)，20世纪70年代初到80年代世界各国电渣冶金得到迅速发展。其主要表现为电渣炉的数量、生产能力显著增加，电渣钢品种不断扩大，电渣冶金技术出现了许多新分支，应用范围明显扩大，电渣炉的装备水平大幅度提高，并相继建成许多大型的电渣炉。当时比较重要的电渣炉有:德国的Rohling-Burbach公司160t的电渣炉，美国Erie市National Forge公司92t 电渣炉、日本神户制钢公司高砂厂的70t电渣炉、韩国Hundai国际公司92t电渣炉、印度88t电渣炉、英国不列颠钢铁公司SOt三相板坯电渣炉等。现在世界电渣钢生产能力超过120万t/a，电渣熔铸的产品有400多个品种，涉及到原子能、宇航、船舶、电力、石油化工以及重型机械等工业部门。全世界电渣技术研究中心有:乌克兰巴顿电焊研究院、俄罗斯电热设备科学院、美国联邦矿业局Albany冶金研究中心，加拿大哥伦比亚大学电渣实验室和德国MaxPlank研究所等。

1. 1. 3我国电渣重熔的发展历程

1958年在电渣焊的基础上发展了电渣重熔技术，并于年底进行了电渣重熔合金钢的实验。1960年开发出有衬电渣炉，并在重庆特殊钢厂、大冶钢厂、大连钢厂和上钢五厂建成投产。1961年11月冶金部在重庆召开了第一届全国电渣冶金会议，标志着我国电渣