电渣重熔炉

一种电炉设备

电渣重熔炉是利用电流通过高电阻熔渣产生的热能对金属进行再熔炼的设备。电渣重熔一般是在大气压力下进行的，根据需要，也可配置真空机组进行真空精炼。

诞生

世界上第一台电渣重熔炉是于1930年在美国诞生的，可是，后来世界上对电渣重熔炉进行大量研究、开发工作的当属原苏联乌克兰电焊机研究所。

工作原理

电渣重熔炉是利用熔渣隔绝空气的保护方法来精炼某些钢或合金的一种电炉设备。电渣重熔炉的工作原理如《电渣炉工作原理示意图》所示。

从发热原理来说，电渣重熔炉是一种电阻熔炼炉。电渣重熔工艺是电极下端部浸埋在熔融的熔渣中。交流电流通过高电阻渣池时产生大量热量，它把浸埋在熔融的熔渣中的电极端部熔化，熔化产生的金属熔滴穿过渣池滴入金属熔池，然后被水冷结晶器冷却后凝结成锭。在此过程中，金属熔滴与高温高碱度的熔渣充分接触，产生强烈的冶金化学反应，使金属得到了精炼。电渣重熔炉的关键技术是熔渣系统。在电渣重熔炉中，熔渣的主要作用有四点，即：热源作用、保护作用、成型作用和冶金化学作用。熔渣的化学成分对电渣熔炼产品的质量和技术经济指标有很大影响。

熔渣的特点是：（1）具有较高的电阻率，在熔炼过程中能产生足够的热量，以保证金属熔化、升温和提纯。（2）具有一定的碱度，所以其脱氧和脱硫效果好。（3）不含有不稳定的氧化物，如MnO、FeO等。（4）具有良好的流动性，以保证高温下的对流热交换和液态物理化学反应充分进行。（5）具有较低的熔点，一般比被熔金属的熔点低 150-250℃，这使锭子成型良好。（6）具有较高的沸点，以便在高温下不致大量挥发掉。

电气设备

电渣重熔炉的电气设备除电炉变压器外，还有以下3部分：（1）高压侧设备主要有：隔离开关、高压断路器、高压电压互感器、高压电流互感器等。（2）低压侧设备主要有：短网母线、低压电流互感器等。（3）控制设备，包括调节器柜、操作台、传动电动机等。

它与单柱式电渣炉相比，短网平行布置，它使电抗抵消、因而功率因数高。与其他重熔设备相比，电渣重熔炉的主要优点是：（1）金属熔液与熔渣之间存在着强烈的冶金化学反应，所以除磷、除硫效果比较好，锭子纯度比较高。（2）设备简单、生产率高、投资省。（3）熔渣能将被熔融金属同外界空气隔离，不受外界污染。（4）熔渣和熔融金属产生冶金化学反应，能够熔炼出高级金属和合金。（5）熔融金属中的非金属夹杂物与熔渣起化学反应，则非金属夹杂物全部被熔渣清除掉。（6）由于锭子是在水冷铜坩锅中冷却，其冷却速度非常快，这就导致锭子内部结构均匀，不产生偏析。

特点

电渣重熔法是阶段重熔和精炼金属的新方法。它虽然不在真空中熔炼，但是，它的熔渣能将空气和被熔炼金属隔绝，具有最佳的提纯效果，所以，它对今后生产超高纯度的材料将会发挥更大地作用，很有可能成为生产活性金属的主要手段。电渣重熔法操作简单、易于控制、所炼出的钢锭组织致密、表面质量好。

应用

电渣重熔炉的应用范围很广，不仅可用来生产航空轴承钢、高温合金、精密合金和某些有色金属等，还可用来生产上百吨重的大型优质合金钢锭、大型扁锭或板锭、中空钢锭、复合板，以及熔铸轧辊、齿轮坯、涡轮盘、压力容器、飞机起落架、炮管等异形铸件。

供电制度优化

熔池的输入功率对钢锭质量的影响

1、熔池的输入功率对铸坯表面质量的影响

熔池输入功率不足（特别是工作电压过低），导致渣池温度偏低，将影响渣皮的厚度及其均匀性。电渣重熔过程中，电流对铸坯表面质量的影响是复杂的，迈罗奇恩科和切尔诺夫进行了详细的讨论。一般认为电流、电压过低，熔渣温度降低，渣皮过厚造成钢锭表面皱纹较深。相反，电流电压过高，会使渣皮过薄，引起渣皮拉断，严重时会引起表面的重皮和漏渣。所以，输入功率不宜过高，也不宜过低，找到适宜的供电制度是功率摸索的关键。

2、熔池的输入功率对元素烧损的影响

在相同的条件下，不同的功率对元素烧损的影响是不同的。随着电流的增加，电极插入深度变深，改善了电极端部被氧化的条件，Al的烧损有所降低；但随着电流的继续增加，渣温升高，给氧的传递带来更好的条件，Al的烧损有所增加。电压前期对元素烧损的影响与电流相反，随着电压升高，电极插入深度减小，元素更容易氧化；但随着电压继续升高，电极下端几乎离开渣面，出现打弧现象，元素烧损更加严重。

新钢种的供电制度摸索

对于新钢种，首先要确定合适的渣系，一般所使用的渣系的熔点比所重熔钢种的熔点低100~150℃；其次是找到合适的供电制度。

方法如下：首先在重熔前期，给1组比较低的功率参数，随着重熔的进行，逐渐提高功率（但要保证电流、电压的稳定），观察钢锭表面渣壳情况，直到渣壳变红、拉裂时为止，记录此时的功率，这时的功率就是此钢种所能输入的极限功率，适当降低功率，使渣壳变得薄而均匀，此时的功率为最佳功率。

重熔过程中炉口电压的可控性

1、炉口电压

炉口电压指的是自耗电极在渣液面处的电压。炉口电压是重熔过程中的一个重要的参数，它的可控性与钢锭质量的稳定性有很大的关系。

2、影响炉口电压可控的因素

电压经过短网后会产生一定的压降，这是因为电流在导体通过的时候会产生电阻热，另外，交流电通过回路会产生感抗，消耗了一部分能量，所以炉口电压总是比设定电压（变压器输出的电压）低。因此，在重熔的过程中，变压器输出功率应该根据要求逐渐变小。然而检测的炉口电压不能够真实体现真正的炉口电压，因此很难根据炉口电压来控制渣面的功率。

3、炉口电压的检测

考虑将炉口电压检测位置移到渣面或者距渣面高度相对不变的位置，只需测量此处的电压，并根据此处电压控制变压器输出电压。这样可以更有根据地设置变压器输出电压的大小，并很容易做出重熔炉钢变压器输出电压的变化曲线，并把曲线输入到PLC，实现自动控制。此装置还在研究过程中。

结论

1）提高电流和降低电压都可以使功率稳定。

2）功率过高会造成钢锭表面重皮、漏渣；功率过低会使钢锭表面有很深的皱纹。找到适中的功率是摸索新钢种供电制度的关键。

3）电压一定，随着电流的提高，元素烧损有所改善，但随着电流继续升高，元素烧损量增加；电流一定，元素烧损量随着电压提高而增大。

4）由于重熔过程中自耗电极的消耗，导致短网压降不断降低，这是造成炉口功率不可控的原因。

5）通过对相距渣面高度不变的位置电压的检测，可以很容易地画出设定电压变化曲线，并可实现自动控制。

应用前景

宇宙飞船、国际空间站、人造卫星、核潜艇、喷气式远程轰炸机、原子能、火箭、导弹等设备。但是，这些尖端设备对制造它的材料性能要求非常严格，对所用的钢材、合金、毛坯提出高纯度、高均匀性、耐高温、耐高压、抗冲击、抗疲劳等一系列特殊严格要求，尤其是对材料性能的稳定性、一致性和可靠性要求非常高。

可是，满足这些要求，已非众所周知的普通冶炼设备所能完成的。为此，冶金工作者们，为了提高和改善宇航设备上的特殊钢和合金的质量和纯度，长期进行研究和探讨新的熔炼设备和工艺。通过大量的系统的理论和实践研究，以及从热力学和动力学等方面研究和探讨冶金过程中的物理化学反应机理，得出的重要结论是：唯一能够满足上述要求的工艺就是在真空室内进行宇航材料的冶炼。这是因为（1）在真空状态下，能够避免被熔炼金属及合金同非金属夹杂物产生化学反应。（2）在真空状态下，能够清除液态熔融金属中的有害的可溶解气体和污染物，以提高被熔金属的纯度。

就国内外工业水平来看，能够圆满完成冶炼上述材料的设备主要有以下 3 种，这就是：真空感应熔炼炉、真空自耗电弧炉和电渣重熔炉。即：欲快速发展航天航空工业，必须大力开发这 3 种高级冶炼设备及其新工艺。

在诸多真空冶金技术中，真空电渣冶金技术近年来有了新的发展。真空电渣重熔与真空电弧重熔和普通电渣重熔比较，具有许多优点，有着广阔的应用前景。许多行业开始重视了真空电渣重熔与其它种类冶炼技术的联合应用。出现了不少科技发明专利。例如，“一种低氧低夹杂物铜钻合金触头的生产方法”，属于电工材料领域，是真空感应熔炼与真空电渣重熔双联技术。“一种聚变堆用低活化马氏体钢的冶炼生产方法”，属于金属材料加工领域，也是采用经过真空感应熔炼熔铸母材电极再进行真空电渣重熔的方法。

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