电渣重熔工艺：第一部分

电渣重熔（ESR）是一种用于重熔和精炼钢材及特殊合金的工艺，这些材料用于航空、热能和核能发电厂、国防硬件等关键应用。

该工艺的主要特征是能够同时控制凝固结构和化学均匀性，这使其区别于其他多种二次精炼工艺。 ESR 技术不仅适用于生产小重量的工具钢和超级合金锭，还适用于生产重锻锭，原锭重量可达到 165 吨。

电渣重熔（ESR）工艺自 20 世纪 30 年代以来就已被知晓，但大约花费了 30 年时间才成为大规模生产高质量锭材的公认工艺。这是一种用于重熔和精炼钢材及特殊合金的工艺，这些材料用于航空、热能和核电厂、国防硬件等关键应用。

该过程的主要特点是能够同时控制凝固结构和化学均匀性，这使其与其他二次精炼工艺有所不同。电熔重熔技术不仅对生产小重量的工具钢和超级合金锭有兴趣，也适用于重锻锭，原锭重量可达 165 吨。

为了简要描述这个过程，待精炼的材料首先以电极的形式获得，该电极基本上是一个没有或最小锥度的锭。电极悬挂在一个可以以可控速度垂直移动的桅杆组件上。反应性渣浴被包含在一个水冷铜坩埚中。电极的尖端保持浸没在渣池中，渣池通过通过高安培、低电压电流加热并保持熔融。渣浴的温度比电极材料的熔点高约 200°C。

因此，电极尖端的薄膜熔化。液态金属液滴形成，穿过炉渣并在另一侧的液态金属池中沉积，该池逐渐固化。薄膜和液滴中的液态金属与反应性炉渣接触，从而得以精炼。液态金属的固化速率由熔化速率和水冷却控制。

以上是基本过程的一般描述，但发生了一些新发展。如今，短颈模具最常用来替代全长铜坩埚。电源可以是交流或直流。通过使用双线电极排列、同轴引线或低频电源，可以减少电力电路的电感。可以使用带电固体或预熔渣。

在电弧炉熔炼（ESR）过程中，由于存在一种活性渣，它本质上是 CaF₂、CaO 和 Al₂O₃的混合物，液态金属中的硫可以迅速去除。合金元素的化学成分通常没有变化，但在 ESR 熔炼过程中可以进行微小的成分调整。然而，在 ESR 熔炼过程中去除氢是困难的。氢的含量必须通过限制起始电极的氢含量来控制。这一直是 ESR 过程的重要限制之一。

如上所述，ESR 工艺用于特殊钢、超级合金和低合金钢的再熔化。发达国家 ESR 当前使用情况的估计见表 1。

熔化类型	使用率
工具和模具钢	37.5
不锈钢和镍基合金	25.0
高强度建筑材料	25.0
超级合金	12.5
总计	100

电渣重熔工艺的冶金学

由于超热的炉渣持续与电极尖端接触，金属在电极尖端形成液态膜。当形成的液滴通过炉渣时，金属中的非金属杂质被清除，这些杂质通过与炉渣的化学反应或物理浮选被移除到熔池的顶部。ESR 中剩余的夹杂物尺寸非常小，并均匀分布在重熔锭中。

ESR 的炉渣通常基于氟化钙（CaF₂）、石灰（CaO）和铝土矿（Al₂O₃）。根据需要再熔化的合金，镁氧化物（MgO）、钛氧化物（TiO₂）和二氧化硅（SiO₂）也可以添加。为了发挥其预期功能，炉渣必须具有一些明确的特性，例如：

• 它的熔点必须低于要重新熔化的金属的熔点；
• 它必须在电力上高效；
• 其成分应选择以确保所需的化学反应；
• 它在重熔温度下必须具有适当的粘度。

尽管存在定向树枝晶凝固，重熔锭中仍可能出现各种缺陷，如树环图案和雀斑的形成。需要注意的是，白点通常不会出现在电渣重熔锭中。电极的树枝晶骨架或小碎片必须通过过热的炉渣，并有足够的时间在到达凝固前变为熔融状态。这可以防止白点的出现。

锭的表面覆盖了一层薄渣皮，在锻造前无需处理。重熔用电极可以在铸造状态下使用。

电渣重熔炉

多年来，设备设计、同轴电流馈电，尤其是计算机控制和调节方面取得了显著进展，旨在实现完全自动化的重熔过程。这反过来又改善了产品的冶金性能。重熔对成分偏聚非常敏感合金而言，完全的同轴炉设计是必要的，以防止杂散磁场引起的熔融搅拌。

近年来，熔化空间的保护气氛屏蔽已成为最新趋势。通过增加压力进行再熔化以提高锭中的氮含量是电渣重熔（ESR）的另一种变体。电渣炉可设计用于再熔化圆形、方形和矩形锭。

最后，在德国公司 ALD，开发了计算机控制的过程自动化：ALD 的自动熔化控制系统（AMC）。ALD 的电极浸入炉渣的深度控制基于炉渣电阻或炉渣电阻波动。使用电阻参数自动解耦了浸入深度和重熔速率控制回路，这两个回路本来会相互影响。

AMC 的好处包括操作简便，以及生产具有优良特性的铸锭的准确性和重复性，包括：

• 均匀、坚固且定向凝固的结构；
• 高度清洁度；
• 无内部缺陷（例如氢片）；
• 无宏观分离；
• 光滑的锭面导致高锭产量。

ESR 炉基本上是一个可移动的铜模具，里面含有基础渣。渣的热量用于熔化铸锭。铸锭逐滴熔化，密集的钢水通过渣落下并在模具底部重新凝固。渣起到过滤的作用，吸收硫。此外，相对较快的重新凝固导致材料的偏析水平相对较低。结果是具有低夹杂物水平和均匀微观结构的钢（见图 1）。

铜模中的炉渣被加热并用于重新熔化铸造锭。随着铸造锭的消耗，模具向上移动，留下具有优越性能的 ESR 锭。右侧的照片是正在运行的实际 ESR 炉。

重型锻件锭的电渣重熔

在 1960 年代末，使用电渣重熔（ESR）炉制造大型锻件锭的概念得到了认可。对更大电力发电单元的需求增加，需要制造重达 100 吨或更多的锻件锭，以生产发电机和涡轮轴。ALD 在 1970 年代初投产的最大 ESR 炉，能够制造直径 2300 毫米、长度 5000 毫米、重达 165 吨的锭。该炉通过在大直径模具中同时重熔四根消耗电极来进行锭的提取，并用后续电极替换消耗的电极，必要时可以更换多根电极，以生产所需的锭重。

必须确保整个锭的横截面和长度上进行定向凝固，以避免内部缺陷，如宏观偏析、收缩孔和夹杂物的不均匀分布。通过保持正确的重熔速率和炉渣温度，可以实现直径高达 2300 毫米的锭的定向凝固（见图 2）。因此，尽管直径较大，ESR 锭仍然没有宏观偏析，另一方面，其洁净度和均匀性使其机械性能优于传统铸造钢锭。