第一章 電渣冶金

現(xiàn)代冶金理論與新工藝Tel-mail：clz1997@163.comQQ：27713154常立忠1主要內(nèi)容電渣冶金真空冶金等離子冶金感應(yīng)爐真空感應(yīng)爐真空自耗爐真空電子束現(xiàn)代電弧爐冶金新技術(shù)典型鋼種冶煉軸承鋼冶煉超低氧控制彈簧鋼冶煉夾雜物塑性化氧化物冶金鐵素體不銹鋼凝固組織均質(zhì)化大型鋼錠制造2電渣冶金電渣冶金第一章電渣冶金原理1基本原理1.1基本過程

電渣重熔是把用一般冶煉方法制成的鋼（通常是電爐鋼、轉(zhuǎn)爐鋼）進行再精煉的工藝。電渣重熔鋼的原料是自耗電極，自耗電極可以是鑄造的、鍛造的或用切頭切尾焊成的，在重熔過程中電極被通過電流的渣池加熱并逐漸熔化掉，所以叫自耗電極。電渣重熔的基本過程如圖1所示。在銅制水冷結(jié)晶器內(nèi)裝有高溫高堿度的熔渣，自耗電極的一端插入熔渣。自耗電極、渣池、金屬熔池、鋼錠、底水箱通過短網(wǎng)導(dǎo)線和變壓器形成回路。

圖1電渣重熔示意圖1－自耗電極；2－水冷結(jié)晶器；3－渣池；4－金屬熔池；5－渣殼；6－鑄錠；7－底水箱；8－金屬熔滴；9－變壓器；10－短網(wǎng)導(dǎo)線3當(dāng)電流通過回路時，渣池靠本身的電阻加熱到高溫（在通電過程中，渣池不斷放出電阻熱又稱焦?fàn)枱幔?。自耗電極的頂部被渣池逐漸加熱熔化，形成金屬熔滴。然后金屬熔滴從電極頂部脫落，穿過渣池進入金屬熔池。由于水冷結(jié)晶器的冷卻作用，液態(tài)金屬逐漸凝固形成鑄錠。鑄錠由下而上逐漸凝固，使結(jié)晶器內(nèi)金屬熔池和渣池不斷向上移動。上升的渣池在水冷結(jié)晶器的內(nèi)壁上首先形成一層渣殼。這層渣殼不僅使鑄錠表面平滑光潔，也起保溫隔熱的作用，使更多的熱量從鑄錠傳導(dǎo)給底部冷卻水帶走，這有利于鑄錠的結(jié)晶自下而上地進行。電能是由變壓器供給的，通過電極送進速度調(diào)整來保持電流的恒定。電渣熔鑄與電渣重熔精煉鋼液的過程基本相同，其最大的不同在于，電渣熔鑄在異型結(jié)晶器內(nèi)進行精煉，可直接鑄成異型鑄件。如圖2所示，電流通過液態(tài)熔渣產(chǎn)生的電阻熱將金屬電極熔化，熔化的金屬匯聚成滴，穿過渣層進入金屬熔池，然后在異型水冷結(jié)晶器內(nèi)凝固成異型鑄件。即在銅制異型水冷結(jié)晶器2內(nèi)，注入高溫的液態(tài)熔渣3，自耗電極1的一端插入熔渣內(nèi)，來自短網(wǎng)8的電流通過自耗電極進入渣中，產(chǎn)生電阻熱將渣加熱至高溫，自耗電極的頂部被渣池逐漸加熱熔化形成金屬熔滴，金屬熔滴從電極端頭脫落，穿過渣池進入金屬熔池4，由于水冷結(jié)晶器的冷卻作用，液態(tài)金屬逐漸地形成異型鑄件5。圖2電渣熔鑄原理圖1－自耗電極；2－水冷異型結(jié)晶器；3－渣池；4－金屬熔池；5－熔鑄件；6－底水箱；7－絕緣；8－短網(wǎng)；9－變壓器。4與電渣重熔一樣，鑄件由下而上逐漸地凝固，使金屬熔池和渣池不斷向上移動。上升的渣池首先在水冷結(jié)晶器內(nèi)壁上形成一層渣殼，這層渣殼不僅使鑄件表面平滑光潔，也起到保溫隔熱作用，并使更多的熱量從鑄件傳給底部冷卻水，這將更有利于鑄件結(jié)晶過程自下而上地進行。這樣，通過電渣冶金可以重熔不同形狀截面的鋼錠（圓形、正方形、長方形、寬窄面長度比很大的截面形狀），還可以熔鑄各種不同形狀的鑄件（空心坯、軋輥毛坯、高壓容器、大型高壓閥門、曲拐軸和船用發(fā)動機連桿毛坯及其它制件的毛坯）。1.2金屬電極的熔化

電流通過渣池時，在渣池中析出為熔化自耗電極并使金屬熔池和渣池保持熔融及過熱狀態(tài)所必須的熱量。

單位時間內(nèi)渣池中析出的熱量Q取決于已知的公式電渣冶金的電極熔煉的特點與電極形狀、尺寸和冶煉電制度、渣池深度有關(guān)。具有以下三種情況：5圖3電極熔化特點α一電極下降速度過小；b一與穩(wěn)定的電渣過程相適應(yīng)；c一電極下降速度過大（1）如（圖3a）所示，電極下降速度過低，電極末端呈平的端面，在電極端面的邊緣有熔滴匯聚的凸起出現(xiàn)。電極熔化過程中，金屬熔滴在電極端面，當(dāng)熔滴下落的瞬間，有電弧放電產(chǎn)生，此時電流波動很大，至此電渣過程已破壞。（2）如（圖3b）所示，當(dāng)加大電極下降速度，即增加冶煉電流時，電極末端凸起。如果再逐漸增加電極下降速度，電極末端中心匯聚的凸起將越來越大，并逐漸呈錐形，直至最后形成正常錐體。此時電流電壓波動越來越小，趨向穩(wěn)定，這是穩(wěn)定的電渣過程，這時的電制度為冶煉最佳電力制度。（3）如（圖3c）所示，如果繼續(xù)加快電極下降速度，電極末端的錐面外凸，自耗電極未熔化部分深埋入渣池中。這時如果保持這個下降速度，可以觀察到電流逐漸地增大，如再繼續(xù)加快電極送進就有可能造成電極與金屬熔池的短路現(xiàn)象。6第1種情況是在電極與渣面之間可以直接觀察到電弧放電。第3種情況是電極與金屬熔池之間短路時，渣池因過熱而沸騰出現(xiàn)電弧放電。當(dāng)熔滴脫離電極端部的瞬間，電極端部和金屬熔池表面之間，周期地發(fā)生弧光放電。第一種和第三種情況下的弧光放電現(xiàn)象可以從電壓和電流示波照相圖上正弦波的畸變得以證實（圖4）。圖4電極端和金屬熔池之間產(chǎn)生電弧放電瞬間的電壓和電流正弦波的畸變當(dāng)電壓、爐渣化學(xué)成分及渣量，電極截面等條件相同時，隨著電極下降速度的增加，放電間隔的距離減小，相當(dāng)于渣池的電阻降低。從而增加了冶煉電流的強度。所以冶煉電流的大小同電極下降速度之間近似于直線關(guān)系（圖5）。

圖5電流和電極送進速度的關(guān)系1d電極＝180毫米；U=80伏；2d電極＝180毫米；U=51伏；3d電極＝100毫米；U=51伏；4d電極＝80毫米；U=51伏；7當(dāng)增加電極截面時，必須明顯地增加電流才能獲得穩(wěn)定的電渣過程，然而維持穩(wěn)定的電渣過程所要增加的電流比電極截面增加的倍率小。因此隨著電極截面的增加，穩(wěn)定過程需要的電流密度相對減少了，隨著電壓的提高，穩(wěn)定電渣過程需要通入較大的電流密度。（圖6）。圖2-6在電渣過程穩(wěn)定的范圍內(nèi)電壓和電極截面對電極中電流密度的影響在討論其它冶煉參數(shù)對電極熔化特點的影響之前，應(yīng)該先研究一下電渣重熔時電流在渣池中的分配。電渣重熔時，當(dāng)結(jié)晶器和底盤或鋼錠有電觸點的時候，與渣池相接觸的結(jié)晶器壁區(qū)能夠成為附加導(dǎo)體，電流可同時從自耗電極沿著兩個平行電路流動：渣池一金屬熔池和渣池一結(jié)晶器壁（圖7）。圖7渣池中電流分布圖1一自耗電極；2一結(jié)晶器壁；3一渣池；4一鋼錠；5一渣殼。81.3熔滴的形成和過渡如前所述，正在熔化的自耗電極金屬以熔滴的形式通過渣池轉(zhuǎn)移到金屬熔池，在渣池中受電流析出熱量的作用，使浸入渣中的電極表面熔化，形成薄層的液體金屬沉至頂端聚集。正在熔化的電極圓錐體的頂端出現(xiàn)液體金屬的精煉熔滴。在自耗電極末端匯集的金屬熔滴（圖8）受三個基本力的作用：重力和力圖使熔滴脫離電極末端的電動力以及相間張力（金屬－爐渣），這個相間張力是在電流通過鋼渣界面時的作用力和使熔滴脫離的反作用力，當(dāng)前兩個力的合力超過相間張力時，熔滴脫落。圖8作用在電極末端熔滴上的力（G－重力；R－電動力；P-表面張力的合力業(yè)已確定熔滴脫離頻率隨電極送進速度的增大而增加，因此也是隨電流的增加而增加，但是熔滴的尺寸（重量）卻減少（圖9）。隨著電流截面積的增加熔滴的重量增加。渣池深度的變化對金屬過渡特點的影響很?。▓D10)，而提高電壓使熔滴重量明顯減小。這些研究同樣表明，無論是電壓還是電流的增加，熔滴的脫離頻率均增加，不過電流的作用效果更大。9圖9金屬熔滴重量與電流大小的關(guān)系1－d電極＝60毫米；2－d電極＝40毫米；3－d電極＝30毫米圖10金屬熔滴重量與渣池深度的關(guān)系1－U=31伏；2－U=41伏；3－U=49伏；1.4熔池形狀

電渣冶金的過程中金屬熔池的形狀和大小直接影響熔鑄件的結(jié)晶，從而影響鋼錠的質(zhì)量。金屬熔池的形狀與電極熔化和工藝參數(shù)有著密切的關(guān)系。10隨著電流的增加，即隨著電極下降速度的增加，金屬熔池的特點如圖11所示。電極下降速度加快，金屬熔池深度增加，導(dǎo)致鑄錠結(jié)晶特點改變，使晶體的生長方向接近于徑向狀，這種鑄錠的組織接近普通鋼錠，因此要選用適當(dāng)?shù)囊睙掚娏鳎春线m的電極下降速度，以保證電渣鑄錠具有理想的軸向結(jié)晶。金屬熔池形狀與電壓的關(guān)系如圖12所示。

圖11隨著電極下降速度的增加，電極熔化和金屬熔池形狀變化的特點a一低速；b－中速；c－高速。圖12增加電壓時電極熔化和金屬熔池形狀變化特點a一低電壓；b－中等電壓；c－高電壓11隨著電壓的升高，金屬熔池底部向扁平方向發(fā)展，晶體的生長方向逐漸接近于軸向，熔池溫度趨向均勻，因而提高了鑄錠表面質(zhì)量。但過分地提高電壓可以導(dǎo)致渣池沸騰，破壞電渣過程，產(chǎn)生電弧過程。圖13所示為金屬熔池形狀與渣量的關(guān)系。圖13隨著渣池深度變化電極熔化和金屬熔池形狀變化特點a－淺渣池；b－中等渣池；c－深渣池。當(dāng)其它參數(shù)不變時，金屬熔池深度隨著渣量的增加而減少，這是由于渣量增加渣池變深，消耗于維持爐渣處于熔融及過熱狀態(tài)的熱量就增加，因而保持金屬熔池的熔融及過熱狀態(tài)的熱量就大大地減少。過分地加大渣量使得金屬熔池體積小、溫度低而影響鋼錠的質(zhì)量。金屬熔池的深度隨導(dǎo)熱性的增加而減少，見表1。表1金屬熔池形狀與金屬導(dǎo)熱性的關(guān)系導(dǎo)熱性（千卡／米.秒）金屬熔池深度（毫米）100℃300℃600℃銅0.9000.8800.82210阿姆老鐵0.1630.1320.09453ЭИ4347А合金0.0310.0390.05474121.5金屬的結(jié)晶在生鐵模中用普通方法澆注的鋼錠可以分成三個各具特征的結(jié)晶區(qū)：細等軸晶區(qū)，它是澆注金屬和模壁接觸時冷凝形成的；柱狀晶區(qū)，它是在新結(jié)晶核生長時結(jié)晶線上沒有足夠過冷度熱量向著錠模壁方向輸出的條件下形成的；大等軸晶區(qū)，它在鋼錠的中心部位，在對于多相結(jié)晶在分散的熱流作用下達到足夠小的溫度梯度并且達到足夠的過冷度的條件下形成。第一結(jié)晶區(qū)是最均勻致密的，但是由于這個區(qū)厚度很小可以忽略它對鋼錠質(zhì)量的影響。柱狀結(jié)晶區(qū)的金屬如果晶粒十分純凈，并且晶間沒有析出使晶界變壞的偏析物的話，那么它具有很高的性能。普通鋼錠的等軸晶區(qū)金屬性能最不好，在這個區(qū)里，存在著最大程度上的物理和化學(xué)不均勻性，存在著收縮缺陷疏松、裂紋、不致密性等。鋼錠上部的縮孔是一般鋼錠不可避免的缺陷之一，除此之外，普通法生產(chǎn)的鋼錠常常發(fā)現(xiàn)叫做軸外偏析引起的缺陷－斑點偏析，它是一個偏析帶。這些缺陷的形成與柱狀晶區(qū)向等軸晶區(qū)過渡時結(jié)晶特征的變化有關(guān)，同時也與鋼錠凝固時液態(tài)金屬的運動和在金屬中有氣體，首先是氫氣的存在有關(guān)。

電渣重熔的主要優(yōu)點在于任何結(jié)晶階段中處于液體狀態(tài)的金屬重量要比所得到的鋼錠重量少許多倍。在依靠電極金屬不斷進入熔池和依靠渣池的熱傳導(dǎo)將熱量不斷地從上面輸入到熔池同時熔池又向下部不斷地輸出熱量的條件下，使較小體積的液體金屬自下而上地逐漸結(jié)晶。鋼錠和結(jié)晶器壁之間渣殼的形成也促進了電渣鋼錠的定向結(jié)晶，因為渣殼減少了水平方向的熱量輸出。渣殼的存在使電渣鋼錠得到非常光滑的表面。

13從鋼錠部底輸出熱量、金屬熔滴不斷地向液體金屬熔池輸入熱量、渣池向金屬熔池傳遞熱量和側(cè)表面上渣殼的絕熱作用—所有這些因素決定了由柱狀晶組成的電渣鋼錠具有均勻致密的良好結(jié)構(gòu)。在互為銳角的鋼錠中心部位沒有形成脆弱區(qū)，沒有縮孔、疏松和其它缺陷。電渣重熔錠有害雜質(zhì)的含量低。如前所述，金屬熔池的形狀和隨后的鋼錠結(jié)晶的特點在很大程度上取決于熱析出的特征。從這個觀點出發(fā)，采用多電極電渣重熔可以使渣池中的析熱區(qū)分散同時使金屬熔滴帶進金屬熔池的熱量向四周傳送。圖14示出空心鋼錠結(jié)晶結(jié)構(gòu)的簡圖。內(nèi)部型腔冷卻水的存在產(chǎn)生了附加的內(nèi)散熱面。這種情況有助于得到淺的金屬熔池，對金屬結(jié)晶有好的影響。兩個散熱面（除底盤外）的存在決定著電渣重熔空心錠的壁的縱向或徑向柱狀晶的生長狀況。晶體相遇的垂直軸帶在壁厚里的位置根據(jù)結(jié)晶器壁和內(nèi)腔壁上金屬冷卻的單位表面積的比來決定的。一般情況下晶粒相遇的軸帶、即想象線是冶煉過程中金屬熔池最深點的移動線稍微向著空心鋼錠壁厚度的幾何對稱軸方向（軸心）偏移。圖14電渣鋼錠的結(jié)晶結(jié)構(gòu)

a－實心；b－空心14另外，電渣重熔時采取強制作用可以對金屬結(jié)晶產(chǎn)生重要的影響。向金屬熔池吹入惰性氣體是減少渣池深度的重要方法之一，特別是對生產(chǎn)超巨大型鋼錠更為重要。該方法的主要目的除了有效地使金屬去氫外，因可以使金屬熔池深度減小從而可以改善金屬的結(jié)晶條件。已有的資料認為，這個方法明顯地擴大了巨型鋼錠的柱狀晶區(qū)，而在某些情況下甚至可以完全消除等軸晶區(qū)。對結(jié)晶線而言采用電極移動的原理熔煉鋼錠的方法是有前途的方案之一，例如在生產(chǎn)矩形截面的鋼錠時，由于帶著結(jié)晶器的小車的往復(fù)（擺動）運動使一根電極或一組電極沿著鋼錠截面的長邊方向移動。在多電極爐冶煉時調(diào)節(jié)各支電極的功率也能獲得類似的效果。采用這種方法冶煉矩形截面鋼錠效果尤好，可使輸入爐渣的功率從一個電極向其它電極周期性地變化，同樣得到了移動電極的效果?？刂齐娫厝垆撳V結(jié)晶的方法與電磁場的運用有聯(lián)系。這些方法以外部特意建立的與冶煉電流有聯(lián)系的磁場作為基礎(chǔ)。無論是采用穩(wěn)定場或是交變場都一樣。其中在采用縱向交變電磁場時能夠破碎鋼錠的粗枝晶鑄態(tài)組織。2電渣冶金過程的熱傳遞15在電渣冶金過程中，主要由于金屬與熔渣的精煉作用和在水冷結(jié)晶器中的金屬定向結(jié)晶作用，提高了被重熔金屬的質(zhì)量。精煉反應(yīng)強度隨金屬與渣的溫度提高而加強，金屬的定向結(jié)晶只有在沿著由鑄錠表面向金屬熔池曲面的方向放熱時才能實現(xiàn)。電渣過程中渣池和金屬熔池中熱的放出和分配已證明對于被重熔金屬的組織和性能有決定性的影響。因此，電渣過程中熱的放出和分配是其它物理過程和化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)。近年來，各國電渣工作者對電渣熱傳遞的研究更加深入，已發(fā)表了一些關(guān)于各種形式結(jié)晶器中熱傳遞的實驗研究和對電渣冶金系統(tǒng)熱傳遞過程的數(shù)學(xué)模型方面的文章。2.1電渣冶金過程中渣池的熱源分布及渣池和鑄錠中的溫度分布

在電渣熔鑄過程中，主要由電流通過渣池所產(chǎn)生的電阻熱熔化電極并使液體金屬熔池保持一定的形狀。在單相熔煉時，渣池中電流主要從電極端部流向金屬熔池表面。這一區(qū)域稱為放電區(qū)，熱量主要在放電區(qū)放出。三相熔煉或雙極串聯(lián)熔煉時，電流不僅能從電極端部流向金屬熔池，而且也在各電極端部之間流過。如粗略地估計渣池的體積熱源密度，可以認為是均勻分布的，有些熱傳遞模型也是這樣處理的。然而，根據(jù)渣池中電流分布的數(shù)據(jù)，又不能認為在渣池容積內(nèi)均勻分布著焦耳熱源。放熱的不均勻性是由渣池各點不同的電流密度和不同的電導(dǎo)率值引起的。16Mitchell和Joshi用一個阻抗網(wǎng)格模型求得了渣池的電位分布，見圖15。圖15Mitchell和Joshi的渣阻模型圖16在180毫米直徑結(jié)晶器中采用AHΦ-6渣熔煉時的渣池電位和熱源分布圖17雙極熔煉500×1250毫米2截面扁錠時渣池功率熱源分布172.2電渣過程放出的總熱量及分配電渣過程一般可以分為升溫－正常冶煉－補縮三個階段。通電熔煉后，渣溫不斷升高，如果各種參數(shù)比較合適，可以達到一個較穩(wěn)定的狀態(tài)。對于單相交流重熔爐，電渣過程中單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量（或熱流）可按下式計算：對于三相交流重熔爐：電渣過程中渣池放出的熱量消耗主要在熔化電極、使渣池和金屬熔池維持熔融和過熱狀態(tài)、結(jié)晶器和底盤熱損、渣池輻射熱損以及廢氣帶走的熱量等方面。上述各項消耗的大小比例，即熱量分配的特征取決于熔煉制度、結(jié)晶器斷面和渣池高度、所用渣系的導(dǎo)電性等一系列因素。圖18表示過程的熱分配概況。下面按圖中符號來分析渣池放熱的各項消耗。18圖18電渣過程中渣池放熱的各項消耗（1）消耗于預(yù)熱和熔化自耗電極的熱量，其中也包括由熔渣傳給金屬熔滴的熱量。這一部分熱量屬于有用消耗，它的大部分由金屬熔滴帶入金屬熔池；（2）借助于熔渣與結(jié)晶器壁接觸面的熱傳導(dǎo)，由渣池傳給水冷結(jié)晶器壁并由結(jié)晶器的冷卻水帶走的熱量。這部分消耗是相當(dāng)大的，但不應(yīng)看作是無用損耗，因為它首先用來維持整個渣池處于熔融和過熱狀態(tài)；（3）渣池鏡面的輻射熱，可分為三部分：對大氣的輻射熱及被廢氣帶走的熱3A，輻射給結(jié)晶器的熱3B以及輻射給電極的熱3C。而其中只有3C因為它用于電極的預(yù)熱，所以是屬于有用的；（4）渣池通過與金屬熔池的交界面?zhèn)鞯浇饘偃鄢氐臒崃恳约坝山饘偃鄣螏氲臒崃?。這部分熱量又可分為三部分：鑄錠傳給底盤的熱量4A，鑄錠通過傳導(dǎo)（熔池中金屬通過渣一渣殼與結(jié)晶器壁接觸）、或輻射（在下部渣皮和結(jié)晶器壁之間形成間隙）傳給結(jié)晶器壁的熱4C和儲存于鑄錠中的熱量4B（如果鑄錠脫出后熱送至加熱爐，這部分熱量還可能有一部分是有用的）。192.3冶金反應(yīng)2.3.1電渣過程的冶金特點電渣過程的冶金特點是金屬熔化始終在液態(tài)渣層下進行，與大氣隔絕；液態(tài)金屬在銅制水冷結(jié)晶器中凝固而不與耐火材料接觸；反應(yīng)溫度高；鋼渣充分接觸；渣池強烈攪拌；鋼渣界面電毛細振蕩以及順序結(jié)晶。（1）反應(yīng)溫度高電渣過程渣池表面層溫度在1620～1850℃范圍內(nèi)，這些測量數(shù)據(jù)上的差異，是由于爐型、渣系、輸入電功率、熔鑄鋼種、測量方法及工具、測量部位的不同所致。一般渣池表面層的溫度在1750℃左右?？梢酝茢嚯娫^程的渣池最高溫度區(qū)的溫度可達1900℃左右。電渣冶金的常用渣系CaF270％+Al2O330%的熔點為1320～1340℃，一般鋼的熔點在1400～1500℃之間，因此在電渣過程，渣過熱600℃左右，鋼液過熱450℃左右，無疑渣池溫度是促進一系列物理化學(xué)反應(yīng)的前提條件。（2）鋼渣充分接觸電渣冶金過程液態(tài)金屬和熔渣充分接觸發(fā)生在三個階段：

1）電極熔化末端：自耗電極端頭在熔渣內(nèi)受熔渣的電阻熱，沿表面逐層熔化，熔化金屬沿錐頭形成薄膜，金屬細流沿錐面滑移，在端頭匯聚成滴。金屬流內(nèi)可能產(chǎn)生湍流，不斷更新表面。

2）金屬熔滴滴落：電極端頭金屬滴在重力和電磁引縮效應(yīng)作用下，脫離電極滴落，穿過液態(tài)渣池，過渡到金屬熔池。滴內(nèi)金屬可能產(chǎn)生環(huán)流。

3）金屬熔池：金屬熔池上表面始終在渣層下和熔渣長時間相接觸。20電渣過程在電極熔化末端鋼渣接觸面積達3218毫米2/克，在熔滴過渡階段，鋼渣接觸面積亦達47.9毫米2/克，這是其它冶金爐達不到的，如10～30噸的電弧爐，鋼渣接觸面積僅0.3～0.7毫米2/克。（3）渣池強烈攪拌

1）電磁引縮效應(yīng)力：電流通過渣池，按右手定則產(chǎn)生自感磁場，電流通過磁場，按左手定則產(chǎn)生向心方向的電磁力；

2）重力作用：金屬熔滴受重力作用，在渣池中滴落，由于熔滴和熔渣之間存在附著力、摩擦力，必然帶動渣池運動。

3）渣的對流：由于渣池的不同部位溫度不同，造成不同的比重，如CaF270％+Al2O330%渣，渣溫由1700℃升到1900℃，比重（△g）減輕2～3％。又由于有不同的比重，因此比重較小的渣浮升，比重較大的渣就下沉，從而促使渣池產(chǎn)生對流。

4）氣體逸出和膨脹的推力：在電渣熔鑄過程中，當(dāng)鋼中的氣體由金屬熔池進入渣池逸出時，通常認為有一沸騰過程。這一過程必然促使渣池膨脹而產(chǎn)生推力，加劇渣池的攪拌。（4）電毛細振蕩當(dāng)交流電通過液態(tài)金屬與液態(tài)爐渣分界面時，金屬－爐渣界面發(fā)生強烈振蕩，稱為電毛細效應(yīng)。這是由于交流電通過液體界面，引起極性交流，隨著兩個相界面上電位差的變化，相界面張力發(fā)生劇烈變化。用頻率為50赫芝交流電時，當(dāng)渣作為陽極時相間張力增加，這時金屬－爐渣界面呈凸起彎月形，經(jīng)過0.01秒，當(dāng)渣成為陰極時相界面變成下凹彎月形，見圖19。因此，相界張力不斷交替增加或減少，激起相界面劇烈振蕩。

21圖19液態(tài)金屬－液態(tài)爐渣的界面形狀隨極性的變化

О.А.Есин，Б.И.Медовар等人在論述電渣重熔冶金反應(yīng)時都引用以上觀點。他們認為電毛細振蕩強化鋼一渣反應(yīng)，促使?fàn)t渣吸收或溶解鋼中夾雜物，促使氣體向渣中轉(zhuǎn)移。但В.В.Панин用X光透視電渣重熔過程未發(fā)現(xiàn)交流電激起鋼一渣界面振蕩，因此交流電渣過程是否存在電毛細振蕩成為學(xué)術(shù)上爭論的問題。2.3.2非金屬夾雜物的去除

電渣冶金能充分去除鋼中非金屬夾雜物，但對去夾雜機理，不同的研究者持有不同的觀點。蘇聯(lián)巴頓焊接研究所Ю.В.Латаш及Б.И.Медвар提出電渣重熔去除非金屬夾雜物，主要原因是重熔過程夾雜物自金屬熔池的浮升，他們引用了Stokes關(guān)于盛鋼桶中非金屬夾雜物浮升速度的公式說明問題，認為熔池中非金屬夾雜物浮升速度V夾雜等于下式：

22他們的結(jié)論是當(dāng)夾雜物浮升速度V夾雜大于鑄錠結(jié)晶速度V結(jié)晶，則夾雜物在熔池里能浮出。反之，當(dāng)夾雜物的V夾雜小于V結(jié)晶，則夾雜物將殘留在鋼中。以上研究方法是不夠嚴(yán)密和不夠精確的，它忽視了不同渣系對鋼渣界面物理化學(xué)反應(yīng)的影響，只考慮夾雜物浮升去除，而忽視了電極錐頭及金屬熔滴的鋼渣反應(yīng)。

我國曾樂、李正邦等提出電渣重熔去除非金屬夾雜物主要發(fā)生在電極熔化末端。所做的試驗是在氬氣氛下進行的，中斷電流將電極快速提升出渣面，然后用金相法統(tǒng)計電極端頭熔化區(qū)及未熔化區(qū)，以及鑄錠中夾雜物面積和單位面積內(nèi)夾雜物個數(shù)，數(shù)據(jù)列于表2。2324表2電渣重熔不同區(qū)域鋼中夾雜物變化重熔階段研究對象分析區(qū)域視場數(shù)單位面積中夾雜個數(shù)（個/毫米2）單位面積中夾雜物面積（微米2/毫米2）夾雜物去除率（％）電極電極未熔化區(qū)Ⅰ3003.7670.618-電極熔化區(qū)Ⅱ3002.1040.2214-電極端頭夾雜物去除率Ⅰ－Ⅱ/Ⅰ---64.4鑄錠提純后鑄錠Ⅲ300-0.32鑄錠對電極熔化區(qū)夾雜去除率Ⅱ－Ⅲ/Ⅱ----46.2電渣重熔總?cè)コ盛瘢?Ⅰ---48.225此后朱覺、付杰及Г.А.Вачугова等人又進一步證實了電渣重熔去除鋼中夾雜物主要發(fā)生在電極錐頭熔化區(qū)域內(nèi)。因為在高溫鋼液中，部分不穩(wěn)定夾雜物將分解，呈金屬[Me]及[O]溶入鋼中。急速提升電極，熔化薄膜層迅速冷卻，過飽和的[O]來不及重新呈氧化物夾物而析出，造成金相檢驗結(jié)果失真。為了改進這點，冶金工作者又對電極錐頭熔化區(qū)及未熔化區(qū)的[S]含量進行了對比。數(shù)據(jù)列于表3中。從表3可以看出電渣重熔去硫主要發(fā)生在電極熔化末端。表3電渣重熔不同區(qū)域鋼中[S]變化含硫量（％）總?cè)チ蚵剩ǎィ└麟A段占總脫硫率（％）原始電極端頭鑄錠電極端頭其它0.0320.0130.0168.886.413.60.0110.0060.00463.371.8528.150.0430.020.01760.588.511.5為了提高實驗的準(zhǔn)確性，國內(nèi)采用放射性同位素方法研究電渣過程去夾雜規(guī)律，GCr15鋼中以Zr95O2代表氧化物夾雜，以放射性為標(biāo)記示蹤它在重熔過程的去向。置取熔滴、熔池金屬及鑄錠，采用電解分離夾雜，再測量其放射性強度。結(jié)果見表4，電渣重熔總的去夾雜率為86%，而在電極熔化至熔滴形成階段去除率竟達53%，也就是近2/3的夾雜物在端頭去除，剩下1/3發(fā)生在以后階段。26表4用同位素研究重熔不同階段鋼中夾雜物變化重熔階段分析研究項目比放射性強度（脈沖/分.克）夾雜物去除率（％）電極熔化至熔滴形成原始電極Ⅰ2650－端頭熔滴Ⅱ1147－夾雜物階段去除率Ⅰ－Ⅱ/Ⅰ－53熔滴至金屬熔池熔池金屬Ⅲ405－夾雜物階段去除率Ⅱ－Ⅲ/Ⅰ－28金屬熔池至鑄錠凝固鑄錠金屬Ⅳ272－夾雜物階段Ⅲ－Ⅳ/Ⅰ－5總夾雜物去除率Ⅰ－Ⅳ/Ⅰ－8627綜上所述，可認為電渣重熔去除鋼中非金屬夾雜物主要發(fā)生在電極熔化末端熔滴形成的過程中。這一論斷其理由是：（1）自耗電極沿表面逐層熔化，沿錐面形成薄膜，厚度遠比熔滴半徑及金屬熔池深度小，其鋼渣接觸面積又較熔滴為大，而且在逐漸熔化的過程中，任何部分夾雜物都可能和熔渣接觸，和渣進行反應(yīng)。（2）自耗電極由于熔化端頭呈錐形，其尖端在熔滴形成的末端，由于電磁引縮效應(yīng)，在端頭形成縮頸，所以端頭電流密度最大，有尖端放電的特征，可以設(shè)想這個區(qū)域溫度最高；（3）電極熔化末端熔滴形成的時間較熔滴滴落時間為長，約為1.41倍。盡管不如金屬熔池存在時間長，但從動力學(xué)觀點出發(fā)，將接觸面積和作用時間綜合考慮，電極熔化端頭熔滴形成過程依然是夾雜物去除最有利過程；28

（4）電極熔化末端熔滴形成過程是最先和熔渣接觸并發(fā)生反應(yīng)部分，鋼中原始夾雜物含量最高，無疑可大量去除夾雜。關(guān)于電渣重熔去除非金屬夾雜物及硫的提純反應(yīng)主要發(fā)生在電極端頭熔滴形成階段，這種觀點在國際上已逐漸為電渣工作者所承認。2.3.3去硫反應(yīng)

硫是鋼和合金中有害的雜質(zhì)之一。當(dāng)硫含量較高時，它會使鋼和合金產(chǎn)生熱脆，顯著降低耐熱強度，并使可焊性變壞。因此，在煉鋼過程中必須根據(jù)需要將硫除至最低。一般要求鋼和合金中硫含量在0.005～0.010％范圍內(nèi)。然而，有時因為特殊需要，有意添加硫，其含量為0.15～0.20％，制成易切削鋼，在這種情況下，則要求電渣保持一定含量的硫。同一般熔煉方法相比較，電渣重熔最重要的優(yōu)點之一是能使重熔金屬進行極為強烈的脫硫。眾所周知，在煉鋼過程中為了有效地使金屬脫硫，必須具備以下三個重要條件：29（1）爐渣應(yīng)有高的堿度；（2）要求爐渣有足夠的流動性和過熱度；（3）重熔金屬和爐渣的接觸表面應(yīng)盡量大。鋼和合金經(jīng)電渣重熔去硫程度通常在50％～80％之間。去硫程度取決于原始電極的硫含量。采用高堿度渣，鋼中硫含量可以低達0.0014％。電渣重熔去硫反應(yīng)均發(fā)生在以下幾個階段：（1）電極熔化末端－熔滴形成階段；（2）金屬熔滴穿過渣層進入金屬熔池階段；（3）金屬熔池和渣池界面上的物理化學(xué)反應(yīng)；（4）硫自渣相向氣相中轉(zhuǎn)移。

30關(guān)于電渣重熔去硫，一般認為主要是發(fā)生在電極熔化末端－熔滴形成階段，這是因為電極熔化末端周圍的渣溫最高，鋼渣充分接觸，接觸的比面積最大達3218毫米2/克。為了有效地去硫，使用的渣系必須是高堿性的，這樣電極熔化末端－熔滴形成階段就完全具備了良好的去硫反應(yīng)條件。金屬熔滴穿過渣層進入金屬熔池的時間過于短暫，去硫作用不大。金屬熔池和渣池界面接觸比面積小，但由于反應(yīng)時間較長，所以對去硫也起一定作用。在電渣重熔時采用CaF2－Al2O3渣系，鋼中硫大量去除，但渣中硫含量變化不大，這是因為硫自渣相向氣相中轉(zhuǎn)移，爐渣中的硫在爐渣表面再氧化，變成二氧化硫氣體，即氣化脫硫。31

電渣氣氛對去硫的影響：交流電渣重熔時，氣氛的氧分壓決定著硫的反應(yīng)。無保護氣體下熔煉，采用高堿度渣，去硫效果特別顯著。在低氧分壓的氣氛下，無論何種堿度的渣系，均能仰制硫的去除。2.3.4去氣（氫、氮、氧）

鋼中的氫不僅會使鋼產(chǎn)生氫脆，還會使鋼產(chǎn)生白點缺陷，降低鋼的抗拉強度，塑性和斷面收縮率。實踐證明電渣重熔金屬含氫量與以下因素有關(guān)：（1）重熔金屬的牌號；（2）爐渣成份及渣料干燥狀況；（3）重熔氣氛。根據(jù)重熔各種牌號金屬統(tǒng)計，去氫量隨著合金成分的變化而不同，見表5。從表5可以看出，經(jīng)電渣重熔后金屬含氫量均有所降低。但由于合金成份不同，氫在鋼中的溶解度不同，因此去氫程度也不一樣，有的合金經(jīng)電渣重熔后氫含量降低較多，有的降低較少，個別的有所增加。32表5電渣重熔對不同鋼和合金去氫量的影響鋼號鋼中氫含量重熔去氫率（％）電極鑄錠電工純鐵0.000330.0002427.315Cr11MoVNb0.000360.0001363.915Cr16Ni2Mo0.00210.001338.31Cr12Ni2WMoV(ЭИ961)0.000540.00059-90Cr18Ni90.001130.00087231Cr16Ni2AlMo(ЭИ479)0.00230.001247.8ЭИ8670.001330.0004169.2ЖС－6КП合金0.000800.0005037.5爐渣成份及渣料干燥狀況是直接影響電渣重熔金屬氫含量的主要因素之一。在熔煉條件相同的情況下，渣系不同，其重熔后金屬中氫含量也不同。采用70％CaF2+15％Al203+15％CaO的渣較采用100％CaF2和70％CaF2+30％Al203的渣使金屬中氫含量高，見圖20。這是因為渣中含有CaO，會使?fàn)t渣透氣度增大，大大地提高了吸氫的危險性。33渣料未經(jīng)干燥處理，渣料中含有一定量的水分，其水分一部分是來自大氣中；另一部分是渣料中本身含有的結(jié)晶水。國外資料認為，渣中（H）含量為重熔金屬中（H）的四倍，沒有經(jīng)過干燥處理的爐渣，渣中氫含量可達0.005%。采用石墨電極坩鍋化渣，使熔融渣增碳，然后向渣池吹入氧氣，形成CO氣泡，渣中（H）可進入CO氣泡中而上浮，逸入氣相，這樣使渣中（H）可低于0.001%。從而控制鋼中含氫（H）＜0.00025%。342.3.5合金元素的氧化和還原氧化和還原是一個化學(xué)反應(yīng)的兩個方面。因為一個元素被氧化，必然伴隨另一元素的氧化物被還原。重熔過程中，鋼中活潑元素如Al、Ti、Ce、B等，往往因氧化而損失。如何防止活潑元素氧化，是電渣重熔的重要冶金問題之一。電渣重熔過程中氧通過下述途徑進入熔渣及鋼液：（1）原始電極鋼中溶解的氧及鋼中不穩(wěn)定氧化物在高溫分解放出氧；（2）電極表面氧化皮帶入渣中的氧；（3）渣中不穩(wěn)定氧化物FeO、MnO、SiO2、Cr2O3等所含的氧；（4）渣中變價氧化物傳遞供氧作用，如渣中Fe、Ti、Mn、Cr等低價氧化物，在渣池表面吸收大氣中的氧，形成高價氧化物。這些元素的高價氧化物，在渣池和金屬熔池界面，放出氧，變成低價氧化物，氧從而進入鋼中，這一反應(yīng)是一個循環(huán)過程。以鐵Fe的氧化物為例，其全部化學(xué)反應(yīng)如下：35通過以上途徑進入鋼液中的氧[O]將鋼中易氧化元素氧化，引起這些元素的燒損，其反應(yīng)式：2.4電渣過程的凝固和結(jié)晶

金屬的結(jié)晶組織與凝固條件有很密切的關(guān)系。結(jié)晶過程對產(chǎn)品的性能有重大的影響，隨著對電渣產(chǎn)品性能要求的不斷提高，電渣工作者對結(jié)晶問題的研究也越來越深入。把金屬的結(jié)晶原理運用于電渣生產(chǎn)，按最理想的凝固條件制定工藝制度才能保證產(chǎn)品的性能。2.4.1順序結(jié)晶特點在電渣過程中，電極的熔化和熔融金屬的結(jié)晶是同時進行。每一瞬時都存在著鋼錠凝固部分和被熔渣層所覆蓋的液體金屬熔池部分。由于電極熔化形成的金屬熔滴不斷地向結(jié)晶部分供給液體金屬，以及結(jié)晶器中的金屬受到底部和側(cè)面的強烈冷卻

36，而使鑄件的凝固只在形成鋼錠橫斷面的很小體積內(nèi)進行。另外在水冷結(jié)晶器壁上形成的渣皮能減小徑向傳熱，并使電渣錠表面光滑。這些造成了電渣重熔具有良好的結(jié)晶條件。由于結(jié)晶從下部開始，金屬的收縮可由金屬液面的降低得到補償，金屬液中的氣體和夾雜也易于上浮，所以鋼錠的組織致密、均勻。由于金屬熔池體積很小，電渣重熔過程的冷卻速度很大，使固相和液相中的充分?jǐn)U散受到抑制，減少了成分偏析，并有利于夾雜物的重新分配。電渣鑄錠金屬結(jié)晶條件的基本特點可以歸納為：（1）由于底板傳熱的條件，造成接近于軸向的熱流分配；（2）通過渣池傳導(dǎo)和電極金屬熔滴過渡，不斷由渣池向鑄錠上表面供熱；

37（3）由于鋼錠與結(jié)晶器壁不接觸，減弱了側(cè)壁的冷卻作用；（4）液體金屬上面的渣池，構(gòu)成了熱的保溫帽。由于（2）、（3）項因素，使電渣鑄件表層形成很細的均勻的結(jié)晶；而（1）、（2）項因素使之得到軸向結(jié)晶，由于傳熱的方向性強和溫度梯度高，柱狀晶發(fā)展比較明顯。但由于軸向或徑－軸向的結(jié)晶方向，不可能產(chǎn)生疏松和裂紋。因素（4）使鑄錠頭部沒有縮孔，但當(dāng)冶煉結(jié)束時如金屬熔池體積過大，有可能產(chǎn)生隱蔽的縮孔。電渣鑄錠不僅具有方向性結(jié)晶的特點，而且形成發(fā)達的柱狀晶組織。但后者通常不應(yīng)看作缺點，因為電渣重熔金屬按有害夾雜含量來說是相當(dāng)清潔的，不會因夾雜在結(jié)晶交界處析出而惡化清潔度。某些高溫合金的電渣鑄錠在具有徑－軸向柱狀晶時，可改善熱沉淀作用。38圖21表示出電渣鑄錠的結(jié)晶組織。由圖可見，可分為三個主要區(qū)域。鑄錠表面的第一區(qū)域為極細的結(jié)晶組織。底部亦系細晶組織。第二個區(qū)域是與鑄錠中心線成一定角度的柱狀組織。第三個區(qū)域是中心區(qū)，為較粗大的無定向晶體，這一區(qū)域的金屬質(zhì)量仍是一般鋼錠所不能比擬的，因為即使在電渣錠的等軸晶區(qū)，收縮、宏觀偏析和微觀偏析現(xiàn)象都是極少的。這是由于金屬成分比較清潔，同時在這一區(qū)域內(nèi)金屬的凝固也不是在封閉體積內(nèi)進行的。僅在熔煉結(jié)束前金屬熔池補縮期，在熔池內(nèi)會出現(xiàn)偏析。圖21電渣鑄錠的結(jié)晶組織39(b)熔池(a)熔池40

由于電渣重熔錠在水冷結(jié)晶器內(nèi)順序結(jié)晶，結(jié)晶過程是容易控制的。若能正確地配合金屬液送入結(jié)晶器的速度和鑄錠結(jié)晶速度，就能保證得到無低倍缺陷的鋼錠。在冶煉過程中，由于底板冷卻作用的不斷減弱和熔渣及鑄錠溫度的不斷上升，不論是控制電流、電壓或是功率恒定，都不能保證熔化速度一定。因此，為了保證電極的熔化速度和鑄錠的生長速度不變，對于較大斷面和較長的鋼錠，必須在冶煉過程中按一定的規(guī)律減小輸入功率。2.4.2凝固速度在電渣過程中，如能使電極熔化速度不變，則能夠獲得穩(wěn)定的凝固過程。因此，熔煉參數(shù)對電渣鑄錠的局部冷卻狀況及縱斷面的低倍組織有直接的關(guān)系。41電渣鑄錠的凝固同樣遵循平方根定律：按照這個規(guī)律，鑄錠凝固層的厚度S與時間t的平方根成正比。凝固速度系數(shù)C

取決于鑄錠的材質(zhì)和不同的工藝條件。以生產(chǎn)直徑300毫米鋼錠為例，真空電弧重熔和電子束重熔凝固速度系數(shù)C為28毫米.分-1/2，而電渣重熔凝固速度系數(shù)卻要大很多，C為35毫米·分-1/2。對于尺寸較大的電渣鑄錠，凝固速度系數(shù)C等于40毫米·分-1/2，甚至更高。它們之間所以有如此大的差別，是由于真空電弧，電子束重熔和電渣重熔在熔化區(qū)熱流和溫度分布情況不同所致。真空電弧重熔和電子束重熔時，為了獲得良好的鑄錠表面，必須增大進入金屬熔池的熱流,使電弧和電42子束放出的熱量極快，過熱又導(dǎo)致了實際凝固速度下降。而電渣重熔時在自耗電極熔化末端形成的金屬熔滴溫度亦僅稍微超過金屬液相線溫度，而渣池向金屬熔池供熱要比電弧傳熱或電子束傳熱小得多，因此造成電渣重熔時凝固速度系數(shù)要比真空電弧重熔、電子束重熔大得多。圖23表示了電渣重熔、真空電弧重熔和一般澆鑄方法生產(chǎn)直徑1000毫米鑄錠時的凝固速度。由于不同部位上結(jié)晶速度有差異，取平均凝固速度作圖。由圖23可以看出，電渣重熔時，鋼錠中心和半徑中點上結(jié)晶速度大于真空電弧重熔和一般鑄錠。43圖23不同方法生產(chǎn)直徑1000毫米鑄錠的凝固速度1－電渣重熔錠，C＝38毫米·分-1/2；2－真空電弧重熔錠，C＝28毫米·分-1/2；3－一般鑄錠，C＝22毫米·分-1/2；4一理論曲線44電渣重熔時凝固前沿法線方向的凝固速度可以根據(jù)鑄錠生長速度和金屬熔池形狀確定。如圖24所示，電渣重熔穩(wěn)定狀態(tài)凝固是隨著凝固前沿的移動而向前推進的。雖然縱向的局部上升速度是相等的，但是凝固速度卻是不同的。凝固速度為垂直于界面的速度BC，它等于BBˊ·sinθ，θ角是局部界面的切線與界面運動方向BBˊ的交角。所以，鋼錠縱斷面的局部凝固速度可以用凝固前沿及電極熔化速度（或液面上升速度）來推算。按這種推算關(guān)系可知，鑄錠半徑中點處的結(jié)晶速度最低。452.4.3金屬結(jié)晶組織與凝固參數(shù)的關(guān)系二次樹枝晶的生成與樹枝晶主干生成的機理是一樣的。在二次樹枝晶上還會生長出三次樹枝晶。樹枝狀組織可以通過測量樹枝干間的距離定量地表示出。由于二次樹枝晶之間有溶質(zhì)的偏析，希望這種樹枝晶軸的晶隔盡可能小。凝固速度越大，樹枝狀晶的枝間距越小。不同的鑄錠方法，由于凝固速度不同，樹枝狀晶的枝間距是不同的。電渣鑄錠的二次樹枝晶軸間距比普通鑄錠小得多，因而顯微偏析也小得多。46圖25表示用電渣重熔法生產(chǎn)的Φ550毫米的模具鋼和普通鑄錠中心部分顯微偏析的差異。由于結(jié)晶速度增大，電渣鋼中心枝晶軸間距L小得多，從而鉻和鉬的偏析小得多。圖25模具鋼電渣錠和普通錠顯微偏析比較電渣重熔錠：Cr最大/Cr最小=1.31,Mo最大/Mo最小＝2.4,L＝490微米。普通鑄錠：Cr最大/Cr最小=1.5,Mo最大/Mo最?。?.2,L＝750微米。二次枝晶間距的計算1）凝固參數(shù)

47凝固過程參數(shù)包括：重熔速度，局部凝固速度，局部冷卻速度，局部兩相區(qū)寬度，局部凝固時間，局部溫度梯度。電渣重熔穩(wěn)定狀態(tài)凝固是隨著凝固前沿的移動而向前推進。雖然局部上升速度的縱向分量是相等的，但是局部凝固速度卻顯然不同。如右圖2。凝固速度是垂直于界面的速度（BC）,所以，鋼錠縱斷面的局部凝固速度可以用凝固前沿及電極的重熔速度（或液面上升速度）來推算。重熔速度（液面上升速度）為：AA’=BB’=EE’=V

局部凝固速度為：BC=BB’×sinθ＝Vr，θ是局部界面的切線與界面運動方向BB’的交角。48其它各參數(shù)之間的關(guān)系如下：式中Vr－局部凝固速度，mm/min；

X－兩相區(qū)距離，mm；

TL－液相線溫度，℃；

TS－固相線溫度，℃；

RC－局部冷卻速度，℃/min；

G－溫度梯度，℃/mm；

LST－局部凝固時間，min；492）二次枝晶間距的計算弗萊明斯指出：枝晶間距d和局部冷卻速度RC或凝固時間LST之間存在以下關(guān)系：式中d-晶軸間距，μm

；RC

－局部冷卻速度，℃/min；

b－常數(shù)，由合金成分確定；

n－系數(shù)，由合金成分確定，對一次晶軸間距約為0.5，

對二次晶軸間距為50k1－常數(shù)，由合金成分確定；k2－常數(shù)，由合金成分確定；LST－局部凝固時間，min。不同合金系數(shù)b、n

見表6.合金成分研究對象bnM2高速鋼dL萊氏體網(wǎng)距1000.29M2高速鋼dⅡ二次晶軸1000.28CrMo鋼Cr1.17%,Mo0.25%dⅡ7100.39不銹鋼Cr26.13%,Ni21.24%dⅡ6100.40碳鋼C0.88％dⅡ8400.44表6不同合金弗萊明斯公式系數(shù)b，n513）局部凝固時間LST

概念的應(yīng)用局部凝固時間

LST

標(biāo)志合金在固液相兩相區(qū)停留的時間，即合金完成凝固過程所消耗的時間，它是評定合金顯微結(jié)構(gòu)的重要判據(jù)，它決定合金一次晶軸間距dⅠ、二次晶軸間距dⅡ，萊氏體網(wǎng)距dL，碳化物顆粒度及析出物彌散程度。而二次晶軸晶距是顯微偏析的標(biāo)尺，dⅡ愈小，合金愈均勻，顯微偏析愈小。梅爾伯格證實，電渣重熔高速鋼萊氏體網(wǎng)距dL隨

LST

增大而增大，見表7。52表7電渣重熔M2鋼萊氏體網(wǎng)距與LST關(guān)系（錠直徑380mm）米切爾研究電渣重熔M2高速鋼提出控制LST≤2000S，以保證析出碳化物以M2C為主（M6C≤30%)，保證鋼材熱加工后轉(zhuǎn)化為更均勻、更細化的M6C及MC。尼米（Nimi）計算了電渣重熔220t（直徑2300mm)CrMoV轉(zhuǎn)子鋼局部凝固時間LST=3700S，以預(yù)測鑄錠顯微結(jié)構(gòu)。53第二章電渣冶金用渣系1渣的功能顧名思義，電渣冶金最重要的工藝因素就是渣成分及電參數(shù)。電渣冶金渣系、配比和渣量的選擇對電渣鋼的冶金質(zhì)量、煉技術(shù)經(jīng)濟的指標(biāo)以及環(huán)境保護具有重大影響。因此合理選擇渣系，確定渣成分配比和渣量極為重要。選擇渣系的依據(jù)是判斷所設(shè)定的渣系是否具有必要的功能。電渣冶金過程中，液態(tài)渣具有十分重要的作用，其功能主要為：1）渣池的熱源作用渣熔化形成渣池，在電渣爐二次回路中，渣池電阻最大，變壓器輸出電壓主要分配在渣池上，渣池相當(dāng)于一個“電阻元件”，電流通過渣池析出電阻熱，變電能為熱能，以使渣池溫度達到1725～1860℃的溫度，導(dǎo)致自耗電極熔化。542）渣池的貯熱保溫作用渣池存在于金屬熔池之上，使金屬避免直接與大氣接觸，起到了防止金屬氧化和向大氣散熱的作用。另外，渣池又是發(fā)熱冒口，下有金屬熔池，可以保證鑄錠順序結(jié)晶，避免縮孔、氣孔等缺陷。3）渣皮的絕緣作用熔渣在結(jié)晶器壁上凝固，使鑄錠表面與結(jié)晶器壁間形成一層渣皮，金屬不與結(jié)晶器直接接觸，起到了絕緣作用，從而可以防止電分流，提高電效率。4）渣具有調(diào)整金屬化學(xué)成分的功能通過鋼－渣反應(yīng)，渣吸收或去除鋼及合金中有害元素S、P、Pb、Sb、Bi、Sn等，保證易氧化元素Al、Ti成分以及渣中MgF2、MgO或CeO、LaO向合金過渡Mg和Ce-La。5）渣的提純凈化作用在電渣重熔或熔鑄過程中，熔渣對熔融金屬起渣洗作用，渣對金屬中夾雜物濕潤、吸附、溶解、吸收。556）渣皮的隔熱作用早年W.E.杜克沃斯在“電渣精煉”一書中強調(diào)渣皮的隔熱作用，認為渣皮的隔熱作用使熱流主要向底水箱方向傳導(dǎo)，有利于金屬結(jié)晶趨向縱軸方向，但鈴木章、G.霍利等研究表明，當(dāng)鑄錠高度大于錠直徑時，主散熱方向是徑向散熱。加強結(jié)晶器散熱、減小兩相區(qū)深度、提高凝固前沿溫度是減少枝晶間距、改善顯微偏析的關(guān)鍵。7）渣皮對鑄件的成型作用一個薄的均勻的固態(tài)渣皮可以防止金屬液體、熔渣溢出、影響成型，渣皮對鑄件起潤滑作用，使鑄件光潔。渣的物理化學(xué)性能2.1相平衡電渣冶金用渣的最重要的成份有氟化鈣、氧化鈣、氧化鎂和氧化鋁，其它重要的成份有氟化鎂、氟化鋇、氧化鋇、氧化鋯和氧化鈦。當(dāng)熔煉低熔點金屬或合金時，使用氯化物的渣系。

56上述渣子成份所構(gòu)成的渣系可分作如下三類：（1）純氟化物渣系（2）氟化物和氧化物渣系（3）純氧化物渣系目前電渣重熔中用得最普遍的是氟化物-氧化物渣系。這些渣系包括：氟化鈣-氧化鈣，氟化鈣-氧化鋁，氟化鈣-氧化鈣一氧化鋁，氟化鈣-氧化鎂-氧化鋁等渣系。2.1.1氟化物渣系氟化物不僅可與其他成份組成渣系，而且電渣精煉中也可使用純由氟化物組成的渣系。氟化物渣中是無氧的，具有低的熔點或低的液相線溫度。由于這種渣系的電阻比較低，因而在一般所用的輸入功率情況下，所能達到的熔煉溫度也就比較低，這些性能使得氟化物渣系適宜熔煉低熔點金屬或合金或熔煉那些要求氧化燒損最少的金屬和合金。

57由于CaF2、MgF2和BaF2的蒸氣壓低，因而高溫穩(wěn)定性好，由此成為氟化物渣系中的基本成份。這三種成份中，以CaF2為最重要，因為這種材料的高純度商業(yè)品級來源豐富，而且價格又便宜，MgF2和BaF2就不易得到，而且價格又高。這三種渣子的水溶性以下列次序遞增：CaF2、MgF2、BaF2。由于氟化物的毒性與其水溶性有關(guān)，因而上述次序也是毒性遞增的次序。BaF2易吸潮，在熔化過程中由于高溫水解而產(chǎn)生一些BaO。一般說來，不使用NaF、AlF3和Na3AlF（冰晶石），因為在電渣溫度之下，它們會沸騰，放出大量的煙。58（一）單一氟化物渣系（1）CaF2。如前所述CaF2或螢石是氟化物渣中最重要成份。工業(yè)上通常用的CaF2是酸性低硫精選的螢石，其典型的化學(xué)成份如下：98％CaF21％SiO20.3％CaO0.2％Al2O30.1%S0.1%Pb

這種材料通?？稍谑珷t襯的感應(yīng)爐或電弧爐內(nèi)預(yù)熔提純。預(yù)熔能除去H、S、Pb和一些SiO2。脫H的同時，會使螢石中的CaO量提高到大約2％，有時高達5％。脫H是按下列反應(yīng)進行的：

59當(dāng)用預(yù)熔過的螢石對金屬或合金進行電渣精煉時，上述高溫水解反應(yīng)中所形成的CaO可以增加渣的脫S能力。純CaF2的熔點為1418℃。但工業(yè)品級的螢石的液相線溫度只有約1380℃。螢石中含有0.5％重量的CaO，就可以使其液相線溫度降低到1380℃。電渣重熔中光用CaF2是很困難的，因其電阻值較低，例如電渣重熔的溫度為1650℃時，它的電阻率僅約0.23歐姆／厘米。但在采用單一由氟化物組成的渣系時，最便于操作，在所有氟化物中，要數(shù)CaF2的電阻率最大。

（2）BaF2。BaF2的蒸氣壓較高，它的熔點要比CaF2低一些（1290℃），在電渣冶煉過程中，BaF2起著穩(wěn)定電弧的作用。BaF2的缺點在于其價格貴、在水中溶解度大，易水解且有毒性。60（3）MgF2。與CaF2相比，MgF2具有較高的蒸氣壓和較低的熔點（1260℃），因為它的熱穩(wěn)定性差，故不能單獨使用。通常，若使用MgF2，其含量不應(yīng)超過20～30％。MgF2中常含有結(jié)晶水（高達10%)，因而在用于電渣精煉之前，務(wù)必要把這些水份去掉。MgF2在高溫水解時會產(chǎn)生出MgO。MgO的脫S作用遠比CaO（螢石高溫水解的產(chǎn)物）低。因而在需要保S時，在以氟化物為基的渣系中，可采用MgF2-CaF2的渣系，不要用純CaF2。61（二）二元氟化物渣系

CaF2－MgF2（圖2-1）。這是一種簡單的二元渣系，其共晶成份中含51％的MgF2，共晶溫度945℃?？梢杂眠@種共晶成份的渣子熔煉銅和它的合金，但效果是不滿意的，其原因在于MgF2含量太高。因而一般配比中的MgF2含量不應(yīng)超過20～30％。圖2-1CaF2－MgF2渣系62（三）三元氟化物渣系

CaF2－BaF2－MgF2（圖2-2）。圖3-2上示出了（50％CaF2+50％MgF2）－BaF2的二元截面?？梢杂?0％BaF2+15％MgF2+15％CaF2的渣系（液相線溫度約為800℃）冶煉銅和它的合金錳銅。圖2-2（50％CaF2+50％MgF2）－BaF22.1.2氟化物－氧化物渣系（一）二元氟化物－氧化物渣系63（1）CaF2－CaO（圖2-3）。該渣系是用于電渣重熔重要的渣子，其主要的優(yōu)點是它們的成本低，含有自由CaO的渣的主要缺點是它們易于發(fā)生水合作用。因而為了避免錠子產(chǎn)生氣孔和氫裂，這類渣子務(wù)必要先經(jīng)適當(dāng)?shù)念A(yù)熔，即使渣子在1650℃～1750℃的溫度下，至少要保持10分鐘的熔融狀態(tài)。圖2-3CaF2－CaO渣系64在預(yù)熔過程中，如果螢石，特別是石灰中有水存在的話，那么總會有一些CaF2或螢石發(fā)生如前所述的高溫水解。因而即使渣中不加CaO，只要有螢石存在，預(yù)熔過的渣中通常至少總有2%（甚至多達5%）的CaO存在。

CaF2－CaO

渣子的電阻與CaF2的電阻很類似，因而在電渣精煉過程中，它們的行為是相當(dāng)接近的。由于它們的電阻較低，因而可以有較低的工作溫度，這就降低了熔速，提高了比電耗。另外，由于CaF2的電阻較低，會使熔煉狀態(tài)變得不穩(wěn)定。含有CaO的渣子具有十分優(yōu)異的脫S作用。當(dāng)需要有良好的脫S作用時，均可使用這種渣子。但是用這種渣會使象Al、Ti那樣的易氧化元素受到某種程度的燒損。65

CaF2－CaO渣特別適宜用來電渣重熔滾珠軸承鋼。這種合金用70％CaF2,30%CaO經(jīng)過電渣重熔后，可達低于12ppm的氧含量（表2-1）。如能在熔煉過程中，對渣子連續(xù)進行脫氧，那么可以進一步改善這種渣子的脫氧性能（見表2-2)。表2-1電渣精煉（用70F/30渣）滾珠軸承鋼電極和錠子化學(xué)分析66表2-2電渣重熔前后滾珠軸承鋼的化學(xué)分析其它用CaF2－CaO渣子進行電渣重熔的鋼種有純鐵、低碳鋼和18/8不銹鋼。67（2）CaF2－Al2O3（圖2-4）。這是一種普通的二元渣系。根據(jù)Kuo和Yen資料認為，這種渣系的共晶成份中Al2O3的重量占9％，共晶溫度為1290℃。而Latash和Pascal則認為共晶成份中Al2O3重量占27％、共晶溫度為1270℃。68用Al2O3代替CaF2會顯著提高渣子的電阻。渣中的10％的螢石，用氧化鋁代替，比起用石灰代替40％的螢石來，其提高電阻的程度還要高。含氧化鋁的渣，由于它們的電阻很高（如90F/0/0/10在1650℃時的電阻率為0.26歐姆/厘米，65F/5/0/30為0.57歐姆/厘米），因而會使熔煉在很高溫度下進行，可以增快熔速，降低比電耗。但是，如果渣溫太高，即過程溫度太高，會加深金屬熔池的深度，凝固方式就會趨向于徑向，而不是縱向。

CaF2－Al2O3渣子的一個優(yōu)點是它們不易發(fā)生水合作用，但其去除氧化物和球狀硅酸鹽夾雜的能力不及CaF2－CaO－Al2O3和CaF2－CaO渣子，使用含CaO渣子時，熔速比較低。該渣系最常用的成份配比是（70F/0/0/30），在CaF2－Al2O3渣系中它的液相線溫度最低（1250℃）。螢石一氧化鋁渣子中的Al2O3含量一般不超過40%（重量），因為如果高于這個重量百分?jǐn)?shù)，會使渣子的液相線溫度變得太高。

69（三）三元氟化物一氧化物渣系（1）CaF2－CaO－Al2O3。電渣精煉中最重要、用得最多的渣子成份就是由該種渣系（即由CaF2－CaO－Al2O3構(gòu)成的渣系）構(gòu)成的。圖2-5CaF2－CaO－Al2O3渣系70渣子成份可分成三類（A1）

酸性一無游離CaO，CaO：Al2O3≈1：1（A2）酸性一無游離CaO，Al2O3>CaO（B1）堿性一游離CaO，極少或無氧化鋁。關(guān)于（B1）類，已在CaF2－CaO渣系中介紹。（A1）類成份位于從100％CaF2到50％CaO+50％Al2O3的低溫區(qū)內(nèi)，當(dāng)渣子成份沿著這個低溫區(qū)從100％CaF2到50％CaO+50％Al2O3移動時，渣子的物理性質(zhì)最顯著的變化是電阻增加，這是由于氧化鋁濃度增加。（60F/20/0/20）的渣子在1650℃的電阻率約為0.5歐姆/厘米，而高品味的螢石（98％CaF2）在同樣溫度下，其電阻率僅為約0.2歐姆/厘米。71成份位于低溫區(qū)內(nèi)的渣子，其液相線溫度的變化不大。CaF2的液相線溫度是1400℃，（60F/20/0/20）成份的渣子約為1250℃，（0F/50/0/50）則為1400℃。在（A1）類中（無游離CaO，CaO：Al2O3≈1：1），用得最多的渣子的成份接近或處于三元共晶點，如（70F/15/0/15）和（60F/20/0/20），其液相線溫度約為1250℃。這些成份的渣子具有中等的電阻率（0.5歐姆/厘米）。操作時渣子有較高的流動性（即低粘度）。粘度既與成份有關(guān)，又與高出液相線的溫度有關(guān)。工作溫度（如1650℃）越是高于液相錢溫度（這里約400℃），那么粘度就越低。由此雖會適當(dāng)?shù)亟档腿鬯?，但可造成極佳的單向凝固和提高錠子純度，并可避免縮孔。72對于某給定的輸入功率，如果需要提高熔速和工作溫度，或為了更經(jīng)濟地利用所提供的能量，可增加渣中的Al2O3的含量，用提高電阻的辦法來解決。為了避免過份提高渣的液相線溫度，渣的成份配比應(yīng)從低溫區(qū)內(nèi)選擇。Al2O3提高渣子的電阻可以（50F/25/0/25）或（40F/30/0/30）為例。Al2O3的含量也可通過減少CaO的含量來提高，而渣的成份仍是處在低溫區(qū)，例如（50F/20/0/30）。但是，如果把渣子的電阻提得太高，如（20F/40/0/40）或（0F/50/0/50），那么雖可提高熔速，更經(jīng)濟地利用能量（即低比電耗），但會使金屬熔池加深，凝固方向更傾向于徑向，會造成中心疏松或縮孔，并使錠子純度變差。（A2）類的成份中，不含有游離CaO，Al2O3的含量高，CaO含量低。這一類以（70F/0/0/30）或（65F/5/0/30）為典型代表，后者渣子成份中的5％的CaO量，基本上來自于某些CaF2的高溫水解產(chǎn)物。因為這一類渣的熔速高，比電耗低（雖然不一定能使材料獲得最佳的化學(xué)成份和冶金質(zhì)量），所以這些渣在得到了廣泛的應(yīng)用。

73這類渣的高熔速和低電耗直接歸因于它們的高電阻，如（65F/5/0/30）那樣的渣子，在1650℃時其電阻率為0.57歐姆/厘米。一般使用的渣子中，其Al2O3的含量不超過40％，因為高于40％雖可提高渣子的電阻，但也會提高它的液相線溫度。如前所述，工作溫度必須要高于渣和金屬的液相線溫度，因而一般來說，把渣子的液相線溫度提到高于金屬的液相線溫度，那是不會有好處的。這類渣的主要缺點是，經(jīng)電渣重熔之后，錠子中的金屬Al和氧含量會提高。但在熔煉滾珠軸承鋼時一般來說、特別是氧的增加是不允許的。當(dāng)使用的渣中，Al2O3含量超過5％時，估計會發(fā)生增Al和O。使用富Al2O3渣的另一個不利之處是焙燒過的Al2O3成本太高。74

（2）CaF2－MgO－Al2O3

英國電渣精煉技術(shù)研究組的經(jīng)驗表明：當(dāng)該系統(tǒng)的渣子成份中Al2O3和MgO的含量分別超過50％和20％時，操作起來相當(dāng)困難。一般來說，最好能把渣子成份范圍限制在CaF2為50～100％，MgO為0～15％，Al2O3為0～50％。2.2電導(dǎo)率電渣精煉過程的本質(zhì)是熔化的金屬通過熔融狀態(tài)的以氟化物為基的渣池而得到精煉。渣池在電路中起著一只電阻器的作用，它是熔煉所需的熱源。在正常的電渣熔煉中，過程依靠電阻發(fā)熱來進行。電渣過程中的歐姆定律可寫成：這里：I－電流，V－通過渣池的電壓，A有效－渣池的有效截面積，x－導(dǎo)電度，l－渣池最小的深度。75熔渣在恒溫下的導(dǎo)電度，基本上取決于渣中所能提供的載送電荷的陽離子的濃度和這些離子的活動能力。陰、陽離子結(jié)合越牢固，它們的活動能力也就越低。

CaF2渣中加入CaO會降低渣子的導(dǎo)電度。氧離子和氟離子的半徑大致相等，但O2－所帶的電荷量要比F－多出一倍，因而Ca2+和O2－的結(jié)合遠比Ca2+和F－的結(jié)合來得強。因此以CaO方式加入O2－會降低Ca2+的活動能力，從而降低渣子的導(dǎo)電度。

CaF2中加入Al2O3之后，由于Ca2+濃度的降低和Al3+濃度的提高，會顯著地降低渣子的導(dǎo)電度。帶有二個電荷的Ca2+的活動能力要大于帶有三個電荷的Al3+。另外，有Al2O3存在時，會形成象Al3O75－和AlO33－那樣的陰離子，因而也就降低了載荷陽離子的總濃度。762.3粘度流體在層流狀態(tài)下抗切力的性能稱之為流體的粘度。熔渣的粘度從兩個方面對電渣精煉過程產(chǎn)生影響：它影響渣循環(huán)流動的速度，也影響金屬液滴的降落速度。由于電磁力的緣故，低粘度渣會激起強烈的攪拌作用，而這會加強渣／氣界面處從渣中的脫氣作用。

渣的粘度越高，金屬滴的尺寸越小，金屬與渣的密度之差越小，那么金屬滴的最終速度就越低，因而它在渣池中所停留的時間也就越長。在電極端頭、在金屬滴穿過渣池的過程中以及在金屬/渣池界面處，都有渣／金屬反應(yīng)發(fā)生。772.4密度在電渣精煉過程中，熔渣與被熔的熔融金屬之間的密度差具有十分重要的意義。密度差越小，金屬滴落的最終速度就越低，它在渣池中的停留時間就越長。渣/金屬反應(yīng)發(fā)生在電極端頭，發(fā)生在金屬滴穿過渣池的過程中，也發(fā)生在渣池/金屬池的界面上。但是，渣/金屬反應(yīng)主要發(fā)生在穿過渣池的過程中，因為在這里金屬和渣接觸的表面積最大，所以金屬滴在渣池中停留的時間越長，那么渣/金屬的反應(yīng)也就越充分。

大的密度差也會有利于渣與金屬的分離，可以防止在結(jié)晶的金屬中造成夾渣。2.5表面張力和界面張力（1）粘附功與重熔錠表面渣皮剝離狀況的關(guān)系渣金界面張力和粘附功的大小決定了渣金之間的潤濕和鋪展程度。通常界面張力越小粘附功越大，表明熔渣在金屬上的粘附能力越大，電渣重熔中渣皮凝固后不易從鋼錠表面剝離。

78（2）界面張力與熔滴大小的關(guān)系液體表面張力的存在促使液滴力圖收縮成表面積最小的球形，就像有一個向里的外力加于熔滴與電極的交界面處，并與促使熔滴脫離電極頂端的重力相反。（3）界面張力與精煉反應(yīng)的關(guān)系鋼液之間的界面張力大，渣對鋼的浸潤就差，渣中夾鋼或鋼中夾渣的現(xiàn)象就可能降低，金屬的損失也會減少。另外，在交流電渣重熔過程中存在電毛細振動現(xiàn)象，鋼渣界面張力越大，電毛細振動越強烈，有利于加快渣金反應(yīng)速度。

793

電渣重熔或熔鑄常用渣系3.1渣的選擇

電渣重熔渣系、配比和渣量的選擇對電渣鋼的冶金質(zhì)量、熔煉技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)以及環(huán)境保護具有重大的影響。為了滿足各項技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的要求，必須從熔點、電導(dǎo)、粘度、堿度、表面張力、比熱、蒸汽壓、透氣度等各項物理化學(xué)性質(zhì)進行綜合考慮，才能選出合理的渣型。

1）為了保證電渣過程穩(wěn)定，減少渣的揮發(fā)損失，渣的沸點應(yīng)高于電渣渣池的溫度，通常重熔合金鋼時應(yīng)≥2000℃。

2）為了保證鑄錠成型，要求渣的熔點低于重熔金屬熔點。熔渣成分力求選在低熔共晶點附近，這樣，可減少渣皮凝固時的液析現(xiàn)象，防止渣成分變化及渣皮過厚。通常渣的熔點應(yīng)低于重熔金屬熔點100～200℃。

3）熔渣應(yīng)具有較高的比電阻ρ，能產(chǎn)生足夠熱量，保證金屬熔化、過熱及精煉的進行，以提高電渣重熔電效率，降低比電耗，一般要求在2000℃時，電導(dǎo)率к≤3Ω-1.cm-1。

80

4）熔渣應(yīng)具有良好流動性，以保證高溫下渣池?zé)釋α?，使鑄錠或鑄件徑向溫度均勻，保證去氣脫硫等物化反應(yīng)進行。

5）熔渣不應(yīng)含有不穩(wěn)定氧化物（FeO、MnO等）及變價氧化物（MeXOY）,以防止金屬增氧，元素?zé)龘p。

6）為了保證重熔過程良好脫硫，熔渣應(yīng)具有較高的堿度，若重熔含硫易切削鋼，要求保證鋼中含硫量時，則用酸性渣，其堿度B<1。

7）在高溫下熔渣應(yīng)對非金屬夾雜物具有良好的濕潤、吸附及溶解能力。

8）渣在固態(tài)具有一定抗?jié)裥?，不易發(fā)生水合作用，高溫液態(tài)具有較小的透氣性，渣中自由氧離子O-2活度應(yīng)控制在一定限度內(nèi)。