电渣重熔（提纯金属的方法）

主要产品

电渣重熔的产品品种多，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，可以铸代锻，简化生产工序，提高金属的利用率。

其主要目的是提纯金属并获得洁净组织均匀致密的钢锭。经电渣重熔的钢，纯度高、含硫低、非金属夹杂物少、钢锭表面光滑、洁净均匀致密、金相组织和化学成分均匀。电渣钢的铸态机械性能可达到或超过同钢种锻件的指标。电渣钢锭的质量取决于合理的电渣重熔工艺和保证电渣工艺的设备条件。

主要作用

电渣熔铸工艺从根本上解决了一般铸造工艺的主要矛盾，它综合了电渣重溶-获得高冶金质量的金属和铸造-浇铸异型零件精化毛坯的长处，并具有与普通冶炼的变形金属相近的致密组织以及无各向异性的特点。与普通锻件相比，电渣熔铸件的各项性能指标完全达到同钢种的变形金属指标，甚至还避免了锻件的一些不足之处。

应用成果

电渣重熔

电渣熔铸冷轧辊、阀体、三通管、厚壁中空管、石油裂解炉管、齿轮毛坯、各种模具(包括冲压模具)和柴油机曲轴等。

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年代开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。

把平炉、转炉、电弧炉或感应炉冶炼的钢铸造或锻压成为电极，通过熔渣电阻热进行二次重熔的精炼工艺，英文简称ESR。美国霍普金斯(R.K.Hopkins)于20世纪40年代首先提出这种精炼方法的原理。其后苏联和美国相继建立工业生产用的电渣炉。60年代中期由于航空、航天、电子、原子能等工业的发展，电渣重熔在苏联、西欧、美国获得较快的发展。生产的品种包括：优质合金钢、高温合金、精密合金、耐蚀合金以及铝、铜、钛、银等有色金属的合金。1980年世界电渣重熔钢生产能力已超过120万吨。中国1960年建成第一座电渣炉，其后得到很大发展。最大的是上海重型机器厂电渣炉，钢锭重达200吨。大连远东工具的电渣重熔钢生产能力已经进入国内领先水平。

电渣重熔技术在军事上早有应用，坦克炮的寿命是衡量一个国家坦克制造水平的重要标志。以前俄罗斯及中国制造的坦克炮的寿命一般只有100-500发，而西方国家比如说德国的坦克炮采用了电渣重熔、内膛镀铬技术，使其寿命达到了800-1000发，大大提高了军事装备的水平。当然通过近年来的不断的科技投入，中国的坦克炮技术与西方国家的技术差距已相差不大。

工作过程

电渣重熔

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-渣充分接触，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。

设备优劣势

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。

主要设备

电渣重熔炉

1980年4月，一台200吨级的大型电渣重熔炉在上海重型机器厂试制成功。它是中国最大，也是世界上最大的一台电渣重熔炉。

大型电渣炉建设是一项重大工程。整个工程由副总工程师林宗棠负责领导和组织，北京钢铁学院朱觉教授任顾问，上海重型机器厂和北京钢铁学院共同开发研制。重熔工艺和车间设计由刘椿林负责；电渣重熔设备由皇甫埏负责设计；高压和低压电气由苏烨和谈家宝负责设计；土建和公用部分由上海机电设计研究院设计。从1972年11月起到1974年12月止，刘椿林和北京钢院教师刘海洪带领试验小组在上重厂和有关工厂先后进行了多项试验，以确定电渣炉设备的设计参数、重熔和抽锭工艺参数。这台三相三摇臂双极串联式的大型电渣炉由三个小机架呈等边三角形布置构成。每个小机架有一根18米高的立柱。三根立柱的底部固定在地基上，中部和顶部用曲梁连接，构成电渣炉本体。在中部曲梁上安放直径2.8米的铜衬钢壳水冷结晶器。每根立柱的上部通过传动装置装有可以上下运动又能左右旋转的摇臂。摇臂的一端装有电极夹持机构，可以夹持相互绝缘而串联的两根电极。三个摇臂共悬挂六根电极。每两根电极由一台单相变压器供电。这样六根电极便组成三相双极串联回路。电极直径为500毫米，每根重约5吨。结晶器下部有一台带水冷却底板的电动平车，平车载重可达300吨。平车放在能沿三根立柱上下运动的活动平台上。重熔开始前，活动平台上升使水冷底板将结晶器下部封住，然后在结晶器内造渣和重熔电极。六根钢电极同时进行重熔，经过一定时间电极重熔将尽，三个摇臂轮流地换上新的电极，以便熔炼出一个大的电渣锭。随着钢电极的重熔，结晶器的渣液面便不断上升，达到一定高度后便进行抽锭操作，即在渣液面上涨的同时不断将水冷底板向下缓慢降落，以得到有一定长度和所需吨位的大型电渣锭。钢锭炼成后，平台下降，钢锭便从结晶器内抽出，电动平车载着钢锭沿着轨道开出炉外。

这台电渣炉有以下特点：双极串联供电，可以减少回路感应，提高电功率因数；采用三相电源，有利于外网络电压平衡；三摇臂轮换电极，用小截面电极重熔大钢锭，有利于控制电极成分偏析；采用抽锭操作，能用短结晶器重熔长的钢锭。

用它重熔钢锭制成的锻件，1982年通过国家鉴定，同意用这台电渣炉为中国第一台核电站——秦山30万千瓦核电站生产安全一级压力容器用钢锭。接着为核电站的蒸发器和稳压器提供了所需的全部大型电渣锭。其中最大的两只电渣锭单重分别为205吨和207吨。

后还用这台电渣炉重熔了火电锻件和化工容器用的大型电渣锭。它生产的大型电渣锭经过国家鉴定，表明电渣钢纯度高，成份均匀，性能良好，韧性特别优良。从而为中国优质大型锻件的制造开辟了一条新的途径。

冶金效果

电渣重熔产品由于金属纯净、组织致密、成分均匀、表面光洁，其使用性能、工作寿命与电弧炉生产的同钢种比较，有大幅度提高：

（1）转子用钢。奥地利伯乐（Bohler）公司用25CrNi3Mo作60万kW汽轮机转子，转子净重13.5t，金属成材率87%，汽轮机工作温度可提高30℃，使汽轮机热效率提高。

（2）轧辊材料。冷轧轧辊用87Cr2MoV7制成，电炉钢锻件寿命为18950t/根，电渣钢锻件寿命高达47250t/根。

（3）高速钢。日本特殊钢公司采用电渣重熔生产M2高速钢，在同样锻压比下与同钢种电炉钢比较，电渣钢碳化物颗粒度是电炉钢的1/2，碳化物带状间距是电炉钢的2/3。在4000倍电子显微镜下观察电渣铸锭，针状碳化物细小，分布均匀；而普通电炉钢铸锭碳化物沉淀，聚集晶界呈粗厚针状。因此，该公司决定生产高速钢100%采用电渣重熔工艺。俄罗斯生产P6M5K5（W6Mo5Cr4V2Co5）采用电渣重熔钢制铣刀，比同钢种电炉钢铣刀切削寿命提高45%。

（4）模具钢。电渣重熔钢作模具，由于各向同性，使用寿命提高，H21（3Cr2W8V）做压铸模生产黄铜联轴节，电炉钢为2000次，而电渣钢为4300次，寿命延长115%。

（5）轴承钢。电渣重熔可去除轴承钢中夹杂物，使夹杂颗粒细化，分布弥散，电渣重熔GCr15钢制成轴承，使用寿命是电炉钢轴承的3.35倍。

（6）装甲板。美国M68坦克装甲板采用4435fV钢，同样防护能力下，电渣重熔板可减重30%～40%。

（7）飞机起落架。法国协和式客机起落架用35NCD16钢（0.35C-4Ni-1.75Cr-0.40Mo），相对疲劳强度（循环3×10次），电炉钢为76kg/mm，而电渣钢锻件为87kg/mm2。用30CrMnSiNiA钢，电炉钢锻件断裂韧性KIC为261kg/mm，而电渣钢锻件KIC为477kg/mm。

（8）超级合金。电渣重熔能大大改善难变形高温合金热塑性，例如Hastelloy X合金在真空感应炉中熔炼的，最大变形量30%，变形温度区很狭窄。采用真空电弧重熔热塑性有所改善，最大变形量达50%。采用电渣重熔热塑性更大为提高，最大变形量达90%。

（9）有色金属及其合金。电渣重熔有色金属包括铝合金（Al-Mg、Al-Mn、Al-Cu合金）、铜及铜合金（Cu、Cu-Mo、Cu-Be、Cu-Mn）及Ti合金（6Al-4V-Ti）及铀（U）和银（Ag），均能去除合金中夹杂物及有害气体，改善加工性能。

发展展望

电渣重熔能有效去除钢中非金属夹杂物和脱硫，是生产航空材料可靠的方法，随航空事业发展电渣重熔产量在增长，近年美国电渣炉的增建，主要是航空工业的需要。在铁路交通的发展方面，机车车辆增速所用轴承钢及弹簧钢要求超纯及高均匀度，需提供电渣钢来满足。今后电渣重熔发展中要注重提高热效率及电效率，以降低吨钢电耗（世界最先进的指标达849kW·h/t），同时应推广无氟渣，德国电渣炉采用无氟渣重熔杜绝了氟对大气的污染。