电渣冶金工艺特点及应用
摘 要 电渣技术经过50年的发展，如今已经形成电渣冶金新学科。其技术经济上的优越性促成电渣冶金的迅速发展。现代工业生产对材料要求的不断提高使得电渣冶金工艺在未来有其重要的价值和发展前景。
关键词 电渣冶金 工艺特点 应用
The features and applications of
electroslag metallurgy process
Wang Yang, Gao Guo Cai
Abstract: Electroslag technology has formed the electroslag metallurgy subject during the development of fifty years. The superiority of economy promoted the fast development of the electroslag metallurgy. The electroslag metallurgy has important value and development prospect to cope with the strict requirement of modern industrial production on materials in the future.
Keywords:Electroslag metallurgy Technological feature Application
电渣冶金是金属及其合金的一种特殊熔炼方法。它是一种利用强电流通过渣池区域所产生的焦耳热将固态渣熔化成液态熔渣，自耗电极（或液态金属）在高温液态渣池中逐渐熔化和精炼的方法。
电渣冶金包括：电渣重熔、电渣熔铸、电渣转注、电渣浇注、电渣离心浇铸、电渣热封顶、电渣焊接、电渣复合、电渣直接还原、及新近开发的可控气氛电渣冶金等。
电渣冶金诞生二十世纪四十年代末，在乌克兰巴顿电焊研究院工作人员发现，当电流通过熔渣（渣池）时产生的热量使焊丝（金属电极）熔化，可将零件的两边焊接起来，由此电渣法形成。标志着电渣法在冶金工业中进一步发展及电渣重熔工艺诞生的事件是1952年乌克兰巴顿电焊研究院在世界上第一次熔炼出具有优良特性的小型奥氏体电渣钢锭。1958年第一台工业电渣炉在扎布罗什扎的德聂波尔钢厂投入运行，标志着电渣重熔特种冶金诞生[1,2]。
1.冶金工艺特点
电渣重熔冶金的特点是熔铸始终在液态渣层下进行，不与大气接触；液态金属在铜制水冷结晶器中凝固，不与耐火材料接触；冶金反应温度高；金属液与熔渣接触充分；渣池搅拌强烈；金属液与熔渣界面由于毛细效应而发生振荡及顺序结晶。
1.1.渣池温度高
一般渣池表面层温度可达到1700℃，而电极下端至金属熔池中心区域温度最高，由此可知电渣渣池的温度要更高。电渣重熔常用渣系CaF2+Al2O3的熔点为1300℃左右，一般钢的熔点在1400℃至1500℃之间。较高的渣过热度和钢液的过热度可以促进一系列物理化学反应的进行，有利于非金属夹杂的去除和脱硫。
表1 不同钢种熔点及重熔渣池温度[3]
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钢号
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钢的熔点
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渣池温度
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45
GCr15SiMn
GCr15
12Cr2Ni4A
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1495℃
1450℃
1455℃
1499℃
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1760℃
1725℃
1750℃
1760℃
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钢号
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钢的熔点
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渣池温度
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1Cr13
1Cr18Ni9Ti
1Cr18Ni22W2Ti2
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1503℃
1452℃
1374℃
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1775℃
1850℃
1860℃
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1.2.金属液与熔渣接触充分
电渣重熔过程液态金属和熔渣充分接触发生在三个阶段：
(1)第一阶段自耗电极熔化端面上所形成的液体金属膜与熔渣接触过程。
自耗电极端头，在熔渣内受熔渣的电阻热，沿表面逐层熔化，熔化金属沿锥头形成薄膜，金属细流沿锥面滑移，在端头汇聚成滴。金属流内可能产生湍流，不断更新表面。
(2)第二阶段为熔滴中金属的精炼。
此段过程中电极端头金属液在重力和电磁引缩效应作用下，脱离电极滴落，穿过液态渣池，落入到金属熔池。滴内金属可能产生环流。
(3)第三阶段为金属在金属熔池中的精炼。
金属熔池上表面始终在渣层下和熔渣长时间相接触。
表2 电渣重熔各阶段钢液与熔渣接触条件比较
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钢渣界面积
(mm2)
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熔滴、金属熔池质量
(g)
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比面积
(mm2/g)
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作用时间
(s)
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比面积时间
(mm2*s/g)
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电极末端
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14820
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4.9
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3218
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0.125
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410.2
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熔滴
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230.1
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4.9
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47.9
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0.088
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4.26
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金属熔池
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4520
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28200
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0.16
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991
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159
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注：电极直径Ф100mm，结晶器直径Ф280mm，电流I＝4500A，电压V＝55V，渣系AHФ-6渣，钢种GCr15。
由表2可见，电渣重熔第一阶段电极端部熔化的液态金属与熔渣有效接触面积非常大，并且金属液膜很薄，传质路程很短，所以对钢渣的精炼反应非常有利，是电渣金属的重要精炼阶段。电渣重熔第二阶段虽然比面积也很显著，但由于熔滴与熔渣接触时间不长，该阶段对金属的精炼效果不显著。电渣重熔第三阶段尽管钢渣的比面积很小，而金属液与熔渣一直保持接触状态，精炼时间长，弥补了其比面积小的不足。
1.3.渣池搅拌强烈
在电渣重熔过程中渣池被强烈搅拌，引起搅拌的原因是：
（1）电动力的作用
电极端头呈锥状，由于导电截面的变化，产生轴向电动力。
（2）电磁引缩效应力
电流通过渣池，产生自感磁场，电流通过磁场，产生向心方向的电磁力。
（3）重力作用
金属熔滴受重力作用，在渣池中滴落，由于熔滴和熔渣之间存在附着力、摩擦力，必然带动渣池运动。
（4）渣的对流
由于渣池的不同部位温度不同，造成不同的比重，熔渣温度越高则其比重越轻，因此比重较小的渣浮升，比重较大的渣就下沉，从而促使渣池产生对流。
（5）气体逸出和膨胀的推力
在电渣重熔过程中，当钢中的气体由金属熔池进入渣池逸出时，通常认为有一沸腾过程。这一过程必然促使渣池膨胀而产生推力，加剧渣池的搅拌。
1.4.电毛细振荡
当交流电通过液态金属与液态熔渣分界面时，金属－熔渣界面发生强烈振荡，称为电毛细效应。这是由于交流电通过液体界面，引起极性交变，随着两个相界面上电位差的变化，相界面张力发生剧烈变化。
界面张力随时间成周期性变化，变化频率与交流电频率相关。用频率为50Hz交流电时，当熔渣作为阳极时相间张力增加，这时金属－熔渣界面呈凸起弯月形，经过0.01秒，当渣成为阴极时相界面变成下凹弯月形。因此相界张力不断交替增加或减少激起相界面剧烈振荡。
对于直流电电渣重熔，一定组成的熔渣、金属液，界面张力保持一定值，不发生电毛细效应。
由于交流电周期性变化，引起电极熔化末端液态金属层与熔渣之间、金属熔滴与熔渣之间以及金属熔池与渣池之间等渣金交界处的界面张力也周期性变化，促使界面周期性振荡，加强了传质过程、扩大了界面反应面积，强化了金－渣反应，促使熔渣吸收或溶解钢中夹杂物，促使气体向渣中转移[4]。
表3 不同电源电渣重熔的脱硫效果
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交流电源
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直流正接电源
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直流反接电源
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原始电极[S]含量
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0.032％
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0.032％
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0.032％
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铸锭[S]含量
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0.006％
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0.034％
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0.015％
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注：电极为45＃钢，渣系为CaF2 80%+CaO 20％。
1.5.液渣保护及在渣壳中成型
由于不存在耐火材料的侵蚀问题，杜绝了由此带入外来夹杂的可能性，同时金属熔池上方始终有热渣保护，能使钢液不与大气直接接触，减轻了二次氧化和避免了一般铸锭常见的缩孔、疏松、翻皮等缺陷。随着电渣锭生长，熔池和渣池不断上升，上升的渣池在水冷结晶器的内壁上形成一层均匀的光滑渣层，钢液在液态熔渣覆盖和渣壳包覆中凝固，渣皮对钢锭的表面性质和结晶器－钢锭间的润滑性起着重要作用，因此钢锭表面非常光洁。
1.6.金属液顺序凝固
由于金属熔池同时受到上部渣池和熔滴的加热和水冷结晶器的向下水平方向的散热的双重作用，结晶过程基本上是由下向上呈人字形或垂直生长，结晶方向由热源的移动速度即熔池的结晶速度和熔池的形状而定，因而又为电力制度所控制。由下向上的结晶有利于排出金属液中的气体和钢液中的夹杂物。
2.电渣冶金应用
电渣冶金具有以下优越性：
(1)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。如GCr15电渣钢制成轴承寿命是电炉钢轴承的3.35倍。
(2)生产的灵活性：电渣冶金不仅可生产圆锭、方锭、扁锭，而且能生产圆管、椭圆管、偏心管、方形管及异形铸件，实现毛坯精化。所熔铸的异形铸件从几克重的金属假牙到150t的水泥回转窑炉圈。
(3)工艺的稳定性：质量与性能的再现性高。可将电炉母炉号为一批抽检。
(4)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，对超级合金、高合金及大钢锭而言，提高成材率，其效益足以抵消生产成本。
(5)过程的可控性：过程控制参量较少，目标参量易达到，便于自动化。对产品微量化学成分、夹杂物的形态及性质、晶粒尺寸、结晶方向、显微偏析、碳化物颗粒度及结构等都能予以控制。
这些优点促使电渣冶金这一技术迅速推广开来。工具钢、结构钢、低合金钢和中合金钢、高强度钢、高合金不锈钢和耐热钢，铁、镍和镍钴基合金，铜及其合金，电工钢及合金，基于金属间化合物的高活性钢和合金都能进行电渣熔炼。
电渣法在特种冶金领域的进一步发展产生了电渣熔铸。在许多情况下，电渣熔铸可取代金属的液态模锻，并可得到具有最佳形状和高质量的锻件。此外，要求电渣熔铸要达到金属质量，如无缺陷、高的物理和机械性能、高纯度（有害杂质和非金属夹杂物低）等都能在电渣熔铸中达到。电渣熔铸的特点是有价合金元素的收得率高和完全消除了试生产阶段的报废。
在重型机器制造业中，电渣熔铸用来生产冷压和热压模的钢坯、大型钢包的耳轴和耳轴承板、冷热轧辊、轧辊辊套、回转炉、曲轴、冶金工具，也用来生产铸焊高压气缸，尤其是用电渣熔炼法将支管直接熔接在容器铸件上。用电渣熔炼法技术可使熔焊的支管与容器表面之间达到光滑过渡。用电渣熔炼焊接的支管表面既光滑又清洁，无须另外进行机械处理。
电渣重熔的产品涉及到原子能、宇航、船舶、电力、石油化工以及重型机械等工业部门。异型件有各种各样的形状和尺寸，其最大重量达几百吨，最小的只有几十克。如巨型发电机转子轴、船舶柴油机大型曲轴、各种高压容器、大型圆环件、各种类型的轧辊、动力管道的阀体、三通管、透平涡轮盘、厚壁中空管、核电站压水堆的主回路管道（直管、弯管）、石油裂化炉管（圆、椭圆及U型管）、齿轮毛坯、各种模具（包括冲压模具）和几十克的假牙。
电渣冶金也存在着局限性，如熔炼和凝固速度偏低、自耗电极氧化、熔渣吸气以及活泼金属的氧化等。如何发挥电渣冶金技术的优越性，改善和消除其局限性，一直是电渣冶金技术发展的主要课题。最近电渣冶金技术又有了新的突破，相继开发了导电结晶器、快速电渣重熔、洁净金属喷射成形及可控气氛电渣冶金等技术[5]。这些技术的出现，使电渣冶金再一次显示出了强大的生命力以及宽广的应用前景。
3.结语
在炉外精炼技术飞速发展的今天，电渣冶金在许多方面仍具有较大的竞争力，如电渣重熔中型及大型锻件、电渣重熔空心锭和电渣熔铸异形铸件均占有重要地位。特别是在优质工模具钢、不锈钢及其它特殊钢生产领域，电渣冶金占有绝对优势。此外，电渣冶金在有色金属的冶炼方面也将得到越来越多的应用[6]。
现代工业生产需要的优质合金钢及特种合金数量日益增多，对金属材料质量和性能要求不断提高，毛坯的重量和体积不断增加，从而为电渣冶金提供了广阔的发展空间，新技术的不断出现也将推动电渣冶金的应用越来越广泛。
参考文献
1 B.E.Paton, B.I.Medovar, V.E.Paton. New Method of Electric Casting of Ingots. Bulletin of Technical Information, 1956, issue 1: 3~9.
2. B.E.Paton, B.I.Medovar, Yu.V.Latash. Electroslag Remelting of Steels and Alloys in Copper Water-cooled Mould. Avtomaticheskaya Svarka. 1958(11):5~15.
3. 李正邦. 电渣冶金原理及应用，北京：冶金工业出版社，1996.
4. 张家雯, 郭培民, 李正邦. 电渣重熔体系电毛细振荡的研究. 钢铁, 2000, (5):23~25.
5. 陈希春, 冯涤, 傅杰, 周德光. 电渣冶金的最新进展. 钢铁研究学报, 2003,(2):62~67.
6. 李正邦. 21世纪电渣冶金的新进展. 特殊钢, 2004, (9): 1~5.
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