电渣重熔

1 电渣重熔概念

电渣重熔（ESR）是利用电流通过电渣层产生电阻热来熔化自耗电极的合金母材，液体金属以熔滴形式经渣层下落至水冷结晶器中的金属熔池内，即渣洗清洁钢液，钢锭由下而上逐步结晶。

电渣重熔一般是在大气中进行，也可用氩气保护。电渣重熔后并不能降低气体和夹杂物的含量，只是降低大颗粒夹杂物含量，并且使夹杂物弥散分布使夹杂物的有害作用降低至最低。电渣重熔获得成份均匀、组织致密、质量高的钢锭。重熔时合金得到进一步精炼，夹杂物去除是通过渣洗和在熔池中上浮。合金的持久性能和塑性都得到提高，消除或减轻了各种宏观和显微缺陷。如果需要进一步降低钢中气体需要进一步的真空自耗处理。

电渣设备简单，投资省。最简单地说电渣重熔就是采用了电焊的原理。电渣炉机械结构设计简单，但是传动机构采用滚珠丝杠比较流行。

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。

东北大学从20世纪90年{BANNED}始研制以液压传动或滚珠丝杠传动为核心的新型机械设备，以工控机和PLC为硬件，以专家控制为软件的智能化计算控制系统的新一代电渣炉，目前已有近20台设备成功应用于国内的工业生产中，使用效果良好。

2 电渣炉设备组成

电渣炉通常有三部分组成：机械系统、供电系统、控制系统。

电渣炉的机械系统从机械结构上分为双支臂和单支臂两种；它主要由结晶器平台、支撑立柱、横臂(含升降旋转台车)、电极升降机构、电极夹持器、、假电极等组成；目前，电渣炉的升降机构大部分采用丝杠传动和钢丝绳传动两种；丝杠传动相对钢丝绳传动而言，较为平稳，对小型电渣炉尤其合适；但是，丝杠传动在电极升降调节时，其丝杠与丝母由于制造、安装的误差，使其在传动时有一定的间隙，限制了它的响应速度，影响了系统的调节精度；因此，少量新型电渣炉采用了液压驱动电极升降；液压驱动具有响应速度快、调节平稳、系统控制准确等优点，但由于增加了液压系统，造价相对较高。

中小型电渣炉的供电系统一般采用单相变压器供电，大型电渣炉多采用三相变压器供电；调压方式分为无载和有载电动调压、磁性调压器无级连续调压三种；当冶炼精度要求比较高时，应采用有载电动调压(在工作区级差一般为2～4V)或磁性调压器无级连续调压；供电方式分为交流和直流两种，目前，国内大部分电渣炉是交流供电；单相交流供电的短网为非平行布置，阻抗较大，功率因数较低，工厂的电力负荷不平衡，所以多用在小型电渣炉上；从性能上看，直流供电有其优越性，如：冶炼电流稳定性好、短网功率损耗低、系统的功率因数高、工厂的电力负荷较易平衡等优点；大型直流电源的应用技术已经成熟。

当前国内电渣炉的控制系统还很落后，电极升降调节有不少仍在采用直流放大机进行控制，电极升降调节为开环调节，假如电极以一给定速度下降，当冶炼电压、电流波动较大时，人工需及时进行干预。因此，一方面造成电渣炉冶炼时熔速不均匀，影响电渣锭质量，另一方面，工人的劳动强度也比较大

电极升降调节技术从交直流放大机到今天已发展了好几代。现在，工业控制计算机可编程控制器、变频调速正在迅速推广应用到炼钢电弧炉的电极调节系统中；而单纯的电极调节系统也已不能完全满足生产的需要。集生产管理于一身，在满足操作和控制精度的同时，将生产信息(如：班次、通断电时间、工作电流、电压、电能消耗、设备系统的工作状态等参量)显示出来，并通过局域网与生产中心联网通讯，这样的先进控制系统正逐步得到应用，将其推广到电渣重熔炉的控制系统定会取得良好的效果。

3电渣重熔基本过程。

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-渣充份接触，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CaF2较多，在重熔过程中，污染环境，必须设除尘和去氟装置。

4 电渣重熔的工艺参数与相互关系

4.1电渣重熔的工艺参数

为了保证电渣过程能够稳定进行和重熔合金的质量，在制订合金的重熔工艺时必须选择合适的工艺参数。另外合理的工艺参数还可以降低各项消耗指标。电渣重熔过程必须选择确定的下列参数: 填充系数、渣层厚度、工作电压、面积电流（电流密度）等。

4.2 重熔工艺参数的相互关系

4.2.1重熔渣层厚度

当输入功率恒定时渣层厚度直接影响金属熔池的深度:渣层厚，渣温低，熔池浅；电渣稳定性好；渣层薄，渣温高，熔池深；电渣稳定性差；

4.2.2重熔工作电压

当输入功率和渣层厚度一定时，工作电压过高，电流波动大，电渣过程不稳定，渣层温度高，金属熔池浅，熔化速度快。电压过低时电流增大，渣层温度低，金属熔池加深，熔化速度减慢。冶炼电压对渣层温度的影响如图所示。从途中可以看出随工作电压升高渣层温度升高。导致重熔速度加快和冶炼电耗增加

冶炼电压对渣层温度的影响

4.2.3面积电流

面积电流密度是自耗电极单位横断面积上承载的电流值（A/cm2）.下图给出在电渣过程条件下面积电流与自耗电极直径的关系。图中有上限和下限曲线，在其中间区内是电渣过程稳定区，超过上限和低于下限区是不稳定电渣过程或电弧过程。随自耗电极直径的增加，稳定电渣过程的面积电流减小。图中数据适用于填充系数为0.35～0.45的重熔条件。

自耗电极直径与面积电流的关系

4.2.4填充系数

填充系数是自耗电极直径与结晶器内径的比值。它对重熔工艺稳定性与重熔合金的质量具有较大的影响。目前使用的填充系数偏低，原因是因为电渣钢锭重量小铸造自耗电极弯曲度大的缘故。随着开坏轧钢能力的提高，钢锭重量应该增大，铸造电极弯曲度减小，为提高填充系数创造了条件。大填充比重熔时，可以减轻大气对合金的污染，提高钢的纯洁度，改善钢锭表面质量，降低消耗指标，提高生产效率等。