[科普中国]-电渣冶金

介绍

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。

电渣冶金一般通称为电渣重熔，是利用炉渣作为电阻和提纯剂，熔渣和钢液的精炼及钢锭结晶都在一个水冷结晶器中进行从而可控制钢锭结晶的一种冶金方法。一般亦称ESR法，即Electro-Slag Remelting。

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(Г.З. Волошкевич)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10m，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=0.86IRscosφ

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。

Qw=Q渣+Q金+Q水+Q辐

即渣池产生的热能Qw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300m/t，而在金属液滴下落过程中，钢渣接触比面积达50m/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