真空玻璃管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，目前已有近固体啤酒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
车载厨房非平行布置，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
dc资源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。
5 电渣重熔的基本功能及其可能的应用范围（见附图2）
6 电渣重熔工艺应用的品种
电渣重熔产品品种多，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，以铸代锻，简化生产工序，提高金属的利用率。
7 电渣重熔过程中熔化速度对电耗的影响
增加熔速能够大幅度地降低电耗，而且实际生产中也往往采用这种方法作为节能省耗的主要措施，但需要指出的是，熔速的增加不
是无止境的，它受到众多外部因素的限制，只有合理的增加熔速，使其不超过某一熔速上限时才能达到既节电又能确保钢锭质量的效果．
上已述及，随着熔化速度的增加，输入渣池的功率增加，导致熔池深度增加，结晶角迅速减小．其最终结果是使钢锭径向结晶的趋势增加，严重破坏电渣重熔钢锭趋于轴向结晶的有利条件．同时，由于熔池变深，凝固时间增加，偏析、夹杂等凝固缺陷发生的可能性增加，钢锭的表面质量也会变坏．因而出增加熔化速度上限是必要的．在大量的实践和理论研究的基础上，人们认为，合理的熔化速度应保证合理的熔池形状．具体而言，应该保
证结晶角在70°～110°之间为宜．所以在增加熔速时，应该保证结晶角不大于110°，这就是熔速增加的上限．
熔化速度是电渣重熔工艺的重要参数．合理选择熔速不仅能够保证钢锭良好的结晶质量和表面质量，还能够最大限度地降低电耗，节约能源，实现优质低耗的目标．合理的熔化速度跟诸多因素有关，针对特定的钢种和熔炼条件选择熔速应从以下几个方面考虑：
(1)根据熔池形状初步确定熔速．
(2)根据给定熔速建立温度场模型．
(4)求解温度场模型，获得晶轴间距的大小，判断是否符合要求．
(4)根据温度场模型求解的结果，模拟熔池形状，计算结晶角，判断是否符合要求．
(5)在满足上述条件的情况下，尽量增加熔速，但应保证结晶角小于110°．
合理的熔速应该满足如下的特征：
(1)钢锭熔池形状合适，锭中心熔池深度约等于锭直径的1/2，熔池前沿形状应该是抛物线形．
(2)金属熔池上部应该出现圆柱段，且圆柱段高度不小于10 mm．
(4)钢锭中无缩孔、疏松、偏析等凝固缺陷，钢锭表面光洁．
(4)吨钢电耗≤1 200 kW •h／t．
8 电渣重熔过程中大填充比对电耗的影响
8．1 降低渣池热幅射损失
电渣重熔在很高的温度下进行，最高温度可达1 900℃ ，渣面温度也在1 700℃左右。热幅射的大小与幅射温度的4次方成正比，因此，热幅射产生的热损失很大。热幅射的传播还同辐射体面积有关，面积越大热辐射量就越大。大填充比的自耗电极与小填充比的自耗电极比，面积较大(短信通道见图2)。随着自耗电极断面A的增加，暴露于空气中的渣池面积 随之减小。可见，大填充比电渣重熔由于电极横断面的增大而减少了渣池暴露引起热幅射的面积，从而降低了热幅射损失。
8．2 减少作用于自耗电极上的电压损失
以攀成钢冶炼460～500型锭为例，冶炼电流为8 000 A～14 000 A。在该大电流下，自耗电极本身的电阻也将产生一定的压降。实测表明，电极压降同钢号和配电制度等因素相关，在相同配电制度情况下， 自
耗电极直径越大，其压降就越小。但在实际生产时，不同的电极直径往往要使用不同的冶
炼电流，电极直径加大，其冶炼电流也随之加大，结果是电极在单位长度上的压降并没有什么变化。通过对190、240、290三种规格自耗电极的测量显示，单位长度上的压降几乎相等，平均约为1．7 V／m。因此，仅从单位长度的压降值，反映不出大填充比节电，但冶炼同种规格的钢锭，大填充比使用的电极长度比小填充比使用的电极短。以攀成钢冶炼465型锭为例，使用qb175 mm电极的
冶炼时需用电极5．7 m；而用qb275 mm电极时，只需2．1m，显然在整个冶炼周期，大填充比电极的压降损失要小。对单电极电渣炉，这种损耗更为明显与直接。对双臂交换式电渣炉，大填充比还可减少电极交换时间.
8.3 大填充比可加大冶炼功率
同电弧炉发展高功率、超高功率降低能耗相似，加大电渣重熔冶炼功率同样可以提高冶炼速度，降低电耗。理论上，通过加大冶炼电压或冶炼电流都可实现功率增大。但冶炼电压的加大可能产生以下不利影响：①造成冶炼过程的不稳定；② 减薄了渣壳厚度，增加了渣池径向热损失Ps；③ 容易造成结晶器旁流，烧结甚至击穿结晶器。因此，一般采用加大冶炼电流的方法来增加功率。然而，冶炼功率并非可以随意加大。如图3a所示，对小填充比冶炼工艺，功率的加大使自耗电极端部埋入深度h 加大且呈圆锥状，熔液通过锥体尖端滴
入熔池中心，高温在中部的集中，使熔池深度hM随之加深且呈圆锥状。柱状晶的生长垂直于固液相界面，熔池深度的加深使结晶取向趋于水平，严重影响了铸锭的凝固质量。当采取大填充比冶炼时，由于功率的增大和电流的集肤效应， 自耗电极端部呈平面状，埋入深度h 大幅缩短，熔滴落点分散，熔池加热面(即上表面)温度均匀化，至使熔池深度池底部趋于倒梯形(见图3b)。在这种条件下，适当增加冶炼功率，熔池底部仍较平坦，结晶取向趋于竖直。可见大填充比可以在保
证铸锭冶金质量的情况下增大冶炼功率。大功率冶炼降低电耗可通过缩短冶炼时间实现。
9 电渣锭纵裂原因及改进措施
主要质量问题有：表面质量(渣沟、打弧)、内部质量(meno2夹杂、气泡)、纵裂。其中以纵裂危害最大。裂纹即是由钢锭在凝固和冷却过程中受热应力和组织应力作用，超过钢的强度极限或塑性变形超过临界值时，在钢锭表面薄弱处产生裂纹.
9.1 防止纵裂的改进方法
1 通过提高母材材质，降低钢中气体含量和夹杂，增强钢的强度；通过降低凝固初期的散热强度和冷却过程中的温降速度，降低凝固和冷却过程中钢锭的热应力和组织应力 。
2 加强入炉原辅材料及钢包、钢锭模的烘烤质量的规范与现场监督，减少气体摄入量。
4 减少钢液裸露时间，对拉渣造新渣、出钢、浇注均制订了相应时间要求，出钢温度采用中下限，杜绝高温出钢。
．4 加强还原效果，要求炉渣必须调白。
．5 降低电渣熔炼过程中的输入功率。
．6 改进电渣渣系，使用三、七提纯渣。
7 加强缓冷效果，延长缓冷时间.
8 通过电炉合金化与电渣炉微调，在钢种化学成份规格允许范围内，将热塑性有益元素含量如 Mn、Si、Cr、A1等调至高限，将热塑性有害元素s尽可能降低。
9 通过配入微量稀土，来改善电渣锭的热塑性，严格来讲，稀土添加属合金化。在此单独提出，是由于它在解决电渣钢锭开裂问题上，起了极其重要的作用。
稀土添加方式采取在电渣过程中加入。
10 电渣重熔的优越性和不足之处
多年来电渣冶金工作者做了全面、系统的研究，一致认为电渣重熔设备简单、操作方便、铸锭表面光洁、热塑性好、成材率高、具有很强的竞争力。电渣重熔以其特殊的工艺过程
和熔炼结晶方式具有其它生产工艺所不能替代的优越性，因而得到冶金工作者的广泛重视。
10．1 它的优越性具体概括如下：
10．1．1 细化晶粒
由于结晶器及水冷底板的强冷却作用，熔炼过程中，晶粒来不及长大，在钢锭内部呈细小均匀分布，起到改善钢锭内部组织的作用。
10．1．2 减少钢中非金属杂质及夹杂
在重熔过程中金属液滴是一滴一滴通过一定厚度的熔渣层，与呈镜面的金属液相比，金属液滴的比表面(单位重量占表面积)要大几百倍，增加了钢一渣界面积，熔渣吸附金属中的非金属杂质和夹杂的能力大大增加，同时钢中的杂质在通过渣层的过程中，按分配定律重新分配，使得钢液中杂质的浓度降低，起到渣洗的作用。
10．1．3 改善钢的热加工性能
由于电渣重熔后，钢锭晶粒变得细小均匀，钢锭的组织变得致密，钢锭表面光洁，同时钢中杂质减少，在热加工过程中应力集中和裂纹源大大减少，因此锻造过程中易产生的裂纹和开裂可以避免，由此可以提高钢锭的加工成材率。
10．1．4 过程可控性好
对产品的化学成分、夹杂物性质及形态、结晶方向、枝晶间距、显微偏析、碳化物颗粒度等均可以不同程度予以控制，可控制参量少，外围检测准确，便于实现微机闭环控制。
10．1．5 减少组织的宏观偏析和微观偏析。
10．1．6 可控制重熔气氛，减少氧、氮、氢的侵人。
10．1．7 改善工具钢和模具钢中碳化物分布。
10．1．8 可以生产超大型钢锭。
从以上可以看出电渣重熔技术在现代工业生产中有着不可取代的重要性。在现代工业材质生产中，电渣重熔的优点得到了充分的发挥和利用。
10 .2 电渣重熔的不足概括如下：
(1)灵活性不足。电渣重熔只能将成分一定的钢材重熔，不能改变钢材的成分。
(2)生产成本高。电渣重熔过程中，电耗非常大，又由于是二次精炼，大大增加了钢材的生产成本。
(3)氟的污染。电渣渣料中含较多的CaF 会逸出HF、SiF4、SF6等有害气体，危害工人健康，造成环境污染。
(4)批量少，管理不便。电渣重熔一炉一个钢锭，批量小，检验量大，不便管理。
11 电渣冶金技术的发展趋势：
(1)将电渣的加热和精炼功能用于钢水的炉外精炼。
电渣钢包炉将具有热效率高、操作乎稳、噪音低、脱硫和去除非金属夹杂物效果好等特点，可望成为钢包精炼炉的一种新炉型。而采用直流电渣或交、直流电渣的方式用电化学方法将渣中
某些较稳定的氧化物(Ca0、MgO及稀土氧化物)部分电解而实现钢的微合金化，起到脱氧、脱硫、非金属夹杂物变性及改善钢的机械性能的目的。
(2)利用电渣的加热和脱硫功能进行铁水预处理
脱硫也是电渣冶金的新动向。这项技术适用于小高炉铁水脱硫。小高炉铁水温度低、容量小，用一般喷粉脱硫方法由于设备投资大，处理过程温降大，难以取得好的效果。采用电渣法温降小、投资少、脱硫率高，有望在工业上应用。另外，熔融还原铁水通常硫含量高、铁水量少、温度偏低，也需要类似的脱硫方法。而对铸造铁水的处理，不仅可以脱硫，而且可以利用直流电渣的电化学反应对铁
水进行球化变质处理。
(3)电渣法处理固体料进行熔化和还原，是值得探索的技术。东北大学曾采用有衬电渣炉进行了预还原含钒球团处理、硼镁矿和铬精矿的熔融还原实验室实验，并取得了较好的效果。另外，还进行了氧化物的电渣熔炼实验。
(4)利用电渣重熔顺序凝固的特点对金属凝固过程进行控制，将是重要的研究方向。除了电渣熔铸、电渣离心铸造、热封顶及一般的电渣浇铸外，在电渣保温下采用控制注速和浸入式水口保护的慢速电渣浇铸可望获得与电渣重熔质量相当的钢锭或铸件，如图2所示。这种方法适用于断面尺寸变化大、电极难以进入结晶器、形状复杂的铸件生产。
12 附图
图 1
图 2
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