电渣炉:电渣冶金

利用电流通过液态熔渣产生电阻热用以精炼金属的一种特种熔炼方法。它是一项跨学科、跨行业的技术，用于重熔精炼时称为电渣重熔；用于铸造时称作电渣熔铸；用于焊接时称做电渣焊；用于制备复合材料时称做电渣复合；用于铸锭加热补缩时称为电渣热封顶；用于连续铸钢之中间罐的中间罐电渣加热，将熔融钢水浇入水冷结晶器，经过导电状态的熔渣渣洗的电渣浇铸，在耐火材料炉衬的炉体内，利用电渣过程，熔化金属使之合金化，制获得优质合金钢钢水供铸造的有衬电渣炉熔炼，将有衬电渣炉与离心铸造相结合的电渣离心浇铸，在感应炉内(钢液上面)制造电渣过程，活化炉渣，强化脱硫，发展形成了感应电渣炉，进一步与离心浇铸相结合形成感应电渣离心浇铸。电渣冶金技术正处于发展阶段，其领域边界尚不分明，它属于冶金学科前沿技术，将是21世纪金属毛坯、金属材料制备的新方向之一。电渣冶金产品共同的特点是：金属纯净、组织致密、成分均匀、成型良好、表面光洁、使用性能优异。

简史         在1940年美国霍甫金斯(R．K．Hopkins)获得“凯洛电铸锭”专利，它实质上即是电渣重熔，但由于技术垄断，进行封闭性生产，以及霍甫金斯及其同事误认为电渣过程是“埋弧放电”，因此技术进展缓慢。乌克兰沃洛斯凯维奇于1951年发现“电渣现象”，1953年开发出电渣焊接技术，1958年前苏联工业电渣炉问世，此后电渣冶金发展极为迅速，全世界已有工业电渣炉430多台(指≥1t的炉子)，年生产能力180万t，世界上最大的电渣炉是德国萨尔钢厂165t电渣炉及中国上海重型机器厂200t电渣炉，世界上最大的板坯电渣炉是俄罗斯70t板坯电渣炉，最大的电渣焊焊件直径3m，焊缝达10m²，世界上最大的电渣生产车间是乌克兰波洛什第聂伯特钢厂电渣车间，有电渣炉22台，年生产能力11万t／a。

理论基础        电渣冶金以电渣重熔为例其基本过程和冶金原理如图1所示。热过程将电炉、转炉及平炉冶炼的钢水铸造成棒状，作为重熔原料，称自耗电极。在铜制水冷结晶器中注入高温碱性熔渣，自耗电极、渣池、金属熔池、铸锭、底水箱、过程短网和变压器形成回路，当电流通过渣池析出电阻热，单位时间热量可按下式计算：

Q=0.86I²R_scosφ

式中I为电流；R为渣池等效电阻；cosφ为功率因数。渣池充分过热，自耗电极端头浸入过热渣池吸热熔化，形成熔滴，熔滴滴落穿过渣池，滴入金属熔池，由于水冷结晶器的强制冷却作用，铸锭迅速凝固成铸锭(对于电渣离心浇铸、电渣精铸及电渣耐用模浇铸，下部不是水冷结晶器，而是耐火材料打结的电渣坩埚炉)获得纯净钢水。

Q_w=Q_渣+Q_金+Q_水+Q_辐

即渣池产生的热能Q_w等于渣熔化、过热消耗的热能Q_渣，金属熔化、过热消耗热能Q_金，冷却水带走的热能Q_水及辐射热能损失Q_辐之和。

渣洗精炼      (1)电渣冶金反应温度高。渣池温度大约在1650～1750℃ 范围，即熔渣过热450℃ 左右，钢液过热250℃左右。(2)钢渣充分接触。在电极熔化端头熔融膜与渣接触比面积达300m²／t，而在金属液滴下落过程中，钢渣接触比面积达50m²／t。(3)渣池强烈搅拌。电渣冶金渣池受电吹力、电磁引缩效应、渣池热对流及重力作用，产生强烈的有序流动。(4)电毛细振荡。在用交流电条件下，钢渣界面电位变化及极性交变，在钢渣界面引发剧烈振荡，促进炉渣对钢中非金属夹杂物的吸附和溶解。炉渣吸附钢中夹杂物的热力学条件是：由于△F渣－夹+σ_金一渣－σ_金－夹<0鉴于高熔点的夹杂物σ_金－夹值很大，而σ_渣－夹≈O，σ_金一渣较小，所以上述反应是自发过程。(5)电渣冶金脱硫。即碱性渣脱硫，渣中(S^2-)再被大气氧化：

脱硫产物是SO₂气体，排向大气，反应不断向右进行。

凝固过程      合金铸锭的二次枝晶间距d_I标志着合金显微偏析，根据弗莱明研究，二次晶间距d_I(μm)与凝固前沿局部冷却速度R_c存在以下关系：

d_I=bR_c^-n

式中R_c为局部冷却速度℃／min；b、n为常数，根据合金成分而定。因此以铜制水冷结晶器的强制冷却作用可获得成分均匀、显微偏析极小的铸锭。

对电渣离心铸造而言，在离心力F作用下：

F=mω²r

式中m为钢液质量，g；ω为角速度，rad／s；r为旋转半径，cm。因此，组织致密，密度比普通锻件仍大0.9％～1.36％。

电渣冶金方法

电渣重熔      利用电渣冶金过程导电状态的渣洗作用去除钢及合金中非金属夹杂物。有害元素(s、P、Pb、Sb、Bi、Sn)及有害气体(N、H、0)，控制铸锭凝固，消除钢锭发纹、疏松、缩孔、带状偏析和区域偏析，改善显微偏析，改善金属加工塑性，提高材料低温、常温及高温机械性能，达到各向同性，提高材料的疲劳寿命及断裂韧性，是生产优质合金钢及超级合金重要手段。在真空电弧重熔(VAR)、等离子电弧重熔(PAR)、电子束重熔(EBR)、电渣重熔ESR等4种重熔精炼方法中，以电渣重熔产量最大，工艺最成熟，应用最广泛。

电渣熔铸      与电渣重熔原理类似，仅将结晶器换成异形水冷铜模。由于电渣熔铸铸件金属纯净、组织致密、成分均匀、表面光洁，其性能达到或超过同钢种锻件水平。由于电渣熔铸全部液体金属不是一并注入，消除了因收缩形成铸件疏松与缩孔，消除了因选择结晶形成的偏析，鉴于液体金属成滴进入熔池(不是单一铸造)。电渣熔铸具有以下优越性：(1)设备简单，可靠性高，无需竞大而昂贵的大型锻压设备及厂房。(2)操作工艺易于掌握，控制参数少，易于自动化。(3)工序简化，缩短了生产周期，节约工时，以生产高温合金涡轮盘为例，生产周期比锻造盘缩短75％。(4)毛坯精化，减少金属切削消耗，以电渣熔铸船舶曲轴为例，比锻件节约金属材料51％。(5)成本低，以电渣熔铸飞机起落架为例，成本比锻件降低63％。(6)生产具有灵活性，产品更换只要更换结晶器，用组合式结晶器可调整铸件尺寸，可单独生产、成批生产、连续在线生产。

电渣熔铸应用的界限是：(1)该产品用其他方法无法生产，例如材料本身就是不能变形的铸造合金。(2)现有设备无能力生产，需要扩建大锻压设备及辅助装置，如水泥回转窑护圈等。(3)以现行工艺生产毛坯，工时和材料耗费大，不经济合算，如高压容器。(4)产品形状复杂，要求优质、高性能、具有高的材料利用率，如内燃机车曲轴。

电渣直接还原熔炼法(DESM)     用石墨电极熔化CaF₂渣，然后加入V₂O₅，并加入Al作还原剂，铝氧化产生大量热，反应如下：

3V₂O₅+10Al=5V十5Al₂O₃

由于反应产生大量热，必须相应降低输入电功率，产物钒铁含有较多过剩的Al，通过再加一些V₂O₅和海绵铁，残余Al即用此法去除。

电渣转注(ESMPC)        传统电渣熔铸由于自耗电极与结晶器必须保持一定距离，限制铸件尺寸不得小于50mm。电渣转注将固定式铸模与移动式熔炼室分开，使铸件尺寸和形状不受限制，而且一次可熔铸多个小零件。通过白耗电极熔化，在熔炼室聚集，再转注入三面封闭的固定模中，由于钢渣接触面积扩大，钢渣精炼时间增长，两相区缩小，局部凝固时间缩短，有利于改善显微组织。该技术的关键是用金属液位检测信号，控制熔炼室移动速度。

电渣离心浇铸(CESC)       电渣坩埚炉精炼与离心铸造动态凝固的有机结合，它是乌克兰巴顿电焊研究院的专利。经电渣精炼纯净的钢水，在离心力场下，由于惯性钢液与型筒产生相对运动，所以说离心铸造是动态凝固。该技术的新发展是按程序改变型筒转速，液态金属相对于型筒产生加速度，于是产生切向力，使枝晶折断、脱落，形成新的晶核，达到细化晶粒效果，通称动态效应。

电渣热封顶(ESHT)        即用电渣热作为发热冒口，铸锭上顶因凝固收缩产生凹坑。它是以自耗电极熔化进行补缩，所用电源功率很小，可以生产优质大锭，电渣热封顶已能用于100t的大锭。

电渣感应熔炼       指在中频感应炉熔炼时，在炉顶上造电渣的过程。能使渣活化，改进了感应熔炼。

电渣焊(ESW)        对大断面构件，电渣焊不用丝极而用板极，不仅电极制备方便，而且质量稳定，采用二根板极串联双线供电，有利于提高功率因数COSφ，原理见图2。

电渣复合        轧辊表面用丝、棒或管作电极，通过电渣堆焊，在45号钢辊心表面复合一层半碳高速钢制成轧辊，工作寿命大幅度提高。

特点与问题       世界各工业国家都在致力于发展电渣冶金，这是由于它具有许多优越性：(1)性能优异。电渣冶金产品金属纯净，组织致密、成分均匀、表面光洁、产品使用性能优良。如GCr15电渣重熔轴承钢使用寿命是电炉钢的3.35倍。(2)生产灵活。电渣重熔可生产圆锭、方锭、扁锭、空心锭。电渣熔铸可生产圆管、椭圆管、偏心管、方形管，所熔铸的产品从几克的假牙到150t的水泥回转窑炉圈。(3)工艺稳定。质量与性能再现性高。(4)经济上合理。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，对高合金钢及超级合金和大钢锭而言，提高成材率的效益足以抵消生产成本。(5)过程具有可控性。过程控制参量少，目标参量易于达到，便于用计算机控制。对产品微量化学成分、夹杂物形态及性质、晶粒尺寸、结晶方向、显微偏析、碳化物不均度及颗粒度、碳化物结构都能予以控制。

电渣冶金还存在以下不足，需采取对应措施弥补或改进：(1)电耗较高。世界各国电渣重熔电耗一般在1300～1600kw•h／t，而空心锭电耗更高。(2)氟的污染。电渣冶金渣中含有较多的CaF₂，在熔炼过程中还逸出SiF₄、AlF₃、SF₆、CF₄、HF等有害气体危害工人健康，造成环境污染，应推广低氟渣及无氟渣。(3)产品批量小，管理不便。应固定电渣工艺，以自耗电极母炉号为一批，便于产品检验及生产管理。

电渣冶金发展的前景      根据高新技术发展的需要，综观电渣冶金潜在优势，今后仍在以下5个方面具有良好发展前景：(1)电渣重熔在中型及大型锻件中，将处于垄断地位。(2)在优质工具钢、模具钢、耐热不锈钢、超高强钢、管坯及冷轧辊生产领域中已占绝对优势，真空电弧重熔将全面为电渣冶金所取代。(3)在超级合金(高温合金、耐蚀合金、精密合金、电热合金)中，电渣重熔与真空电弧重熔的竞争以电渣重熔取胜而结束。在80年代末，电渣冶金在产量上已远超过真空冶金，许多沿袭真空冶金的产品均系较老材料，受过去技术鉴定指标的限制，但在新材料上电渣占有绝对优势。(5)电渣重熔空心锭和电渣熔铸异形铸件具有独特地位，不受挑战。

电渣冶金的发展前途在于。电渣技术走出单一重熔，而与钢铁冶金流程相结合、工序化、在线化。成为连续炼钢和连续铸钢的一个工艺环节正是它新的生长点。