电渣重熔ESR

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
电渣重熔炉(ESR)的工作原理及特点
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。

1、电渣重熔炉的工作原理
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示意从发热原理来说，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。

真空技术网(chvacuum/)认为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，因此其脱氧和脱硫效果好。

(3)不含有稳定的氧化物，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，通常比被熔金属的熔点低150-250 ℃，这使锭子成。

模具钢电渣重熔工艺电渣重熔是金属及其合金的一种特殊的冶炼方法，虽然电渣冶金可划分出多种技术方法和应用于不同的领域，但其基本和核心的技术是电渣重熔(Electroslag Remelting，简称ESR)。

电渣重熔的基本原理是：在铜制水冷结晶器中加入固态或液态的炉渣，将自耗电极的端部插入其中。

当自耗电极、炉渣和底水箱通过短网与变压器形成供电回路时，有电流从变压器输出通过液态熔渣。

由于在上述供电回路中熔渣的电阻相对较大，占据了变压器二次电压的大部分压降低，从而在渣池在产生大量的热，使其处于高温的熔融状态，由于渣池的温度远大于金属的熔点，从而使自耗电极的端部逐渐加热熔化，熔化的金属汇聚成液滴，在重力的作用下金属熔滴从电极的端头脱落，穿过渣池进入金属熔池，由于水冷结晶器的强制冷却，液态金属逐渐形成钢锭。

1．电渣重熔的特点电渣重熔属于二次精炼方法，自耗电极是其原料，自耗电极可由其他的冶炼方法获昨，如电弧炉、感应炉、真空感应炉和真空自耗炉等制备。

电渣重熔的目的是在初炼的基础上进一步提纯钢、合金和改善钢锭的结晶组织，从而获得高质量的金属产品，与其他的冶金方法相比，具有以下的特点：①金属的熔化、浇注和凝固在一个较纯净的环境中实现，减少了钢液的污染。

②具有良好的冶金反应的热力学和动力学条件，电渣重熔过程中渣池温度通常在1750℃以上，电极下端至金属熔池中心区域的熔渣温度可达1900℃左右，钢液的过热度可达450℃左右，高温熔池促进了冶金物理化学反应。

良好的动力学条件表面在电渣重熔过程中钢渣能进行充分接触，同时由于电磁力的搅拌作用，不断更新了钢渣打的接触面，强化了冶金反应，促进了有害杂质和非金属夹杂物的去除。

③自上而下的顺序凝固条件保证了重熔金属锭结晶组织均匀致密。

在电渣重熔过程中电极的熔化和熔融金属的结晶是同时进行的。

钢锭上端始终有液态金属溶池和发热的渣池，既保温又有足够的液态金属填充凝固过程中因收缩而产生的缩孔，可以有效的消除一般钢锭的疏松和缩孔，现时金属液中的气体和夹杂物也易于上浮，所以钢锭的组织致密、均匀。

耐蚀塑料模具：4Cr13、 4Cr13Mo、 4Cr13MoN = = = 能源领域（核电、火电、水电）：核电主管道、高压锅
= 炉管、叶片、护环、水轮机导叶和叶片
油气开采：超级13Cr、15Cr、双相不锈钢
= 石油化工：高温、耐蚀部件（管道、阀门） = 海洋工程（海水淡化）：超级双相不锈钢、超级奥氏体 = 不锈钢
特殊钢先进冶金工艺与装备教育部工程研究中心
Northeastern University
二、电渣重熔的不锈钢品种及 其应用
=
电渣重熔的起源-首个不锈钢电渣锭
的不锈钢主要钢种
马氏体不锈钢 沉淀硬化马氏体不锈钢 超级铁素体不锈钢 奥氏体不锈钢、超级奥氏体不锈钢、高 = 氮奥氏体不锈钢 双相不锈钢、超级双相不锈钢
钢渣接触条件的比较
O
采 充
= =
O L 充
问
O
问 L 充
M N
V V M
R
O
范N
目 -6 M R 活
V
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目 s R
M
电渣重熔冶金
渣池强烈搅 拌：电动力、 电磁力、自然 对流、气体逸 出和膨胀的推 力
=
= = = = =
非金属夹杂物的去除
电渣熔铸去除钢中非金属夹杂物主要发生在电极熔化末端熔滴 = 形成的过程中 电极熔化末端熔滴形成过程的钢渣接触面积最大，达3219 mm2/ = 克，它是熔滴过程的67 倍，是金属熔池的21000 倍 电极熔化末端熔滴形成的时间较熔滴滴落时间为长，约为1.41 倍 = 电极熔化末端熔滴形成过程是最先和熔渣接触并发生反应部 = 分，钢中原始夹杂物含量最高，无疑可大量去除夹杂 小尺寸的熔滴去除非金属夹杂物效果比大尺寸强。熔滴内大颗 = 粒的非金属夹杂物的减少较小颗粒的为强

3）黏度 熔渣应有适当的黏度，并且在高温下黏度值随温度变化越 小越好。具有良好流动性的渣才能保证高温下渣池热对流，使铸 锭径向温度均匀，利于去气脱硫等物化反应的进行，利于形成薄 渣皮，提高铸锭表面质量。一般熔渣在1800℃时，黏度 η ≤0.5Pa•s。 4）碱度 为了保证重熔过程脱硫良好，熔渣应具有较高的碱度，一般 碱度B>1，B=CaO／(SiOz+1/2Al2O3)。
五、如何才能正确操作
1、操作前，要将下底板和电击棒清理干净，以利于导电。 2、按配比将渣混合均匀，要少加勤添。 3、化渣时，电流控制在1000到1500安培。 4、待渣系充分熔化后，形成渣池时，再运行。 5、每次准备多余的渣液，作为应急使用。
六、操作中注意事项 1、如何给电极做标记？ 2、如何卡电极棒？ 3、如何看渣池的温度？ 4、结晶器、底板冷却水安装方式？ 5、化渣后石墨引弧剂为什么要拿出来？ 6、渣层厚度多少最佳？ 7、电流如何确定？A=200D
1) 电极棒熔铸质量存在缺陷，缩孔、夹杂等。 2）两个电极焊接的；焊接方式不对或不牢； 3）渣池温度过高，熔化速度过快，运行中设备控制不精
确；
4）渣池深度不够，结晶器与底板打火； 5）渣系配比不对、渣系不均匀等导致渣池电导率发生变化。 6）底板或结晶器渗水；结晶器与底板打火； 7）设备控制出现问题； 8）加入铝粉的时间不对或不均匀。

电流从电极进入渣池后，要通过金属熔池和凝固钢锭再由底水 箱和短网返回变压器。
由于电极熔化、金属液滴形成、滴落过程中金属熔池内的金 属和炉渣之间要发生一系列的物理化学反应，从而可去除金属 中有害杂质元素和非金属夹杂物。 钢锭由上而下逐渐凝固，金属熔池和渣池就不断向上移动， 上升的渣池使结晶器内壁和钢锭之间形成一层渣壳，它不仅使

电渣重熔免费编辑添加义项名材料电渣重熔钢（electroslag remelting）是利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的方法。

中文名称电渣重熔外文名称electroslag remelting主要目的提纯金属热源主要目的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。

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型金属指标，甚至还避免了锻件的一些不足之处。

应用成果近些年来，电渣熔铸新工艺逐渐引起了国内外工程技术界的重视，许多工业部门在加紧研究和使用电渣熔铸产品。

在发展这项新工艺方面，原苏联、日本和美国的研究成果较多，其次是西德、捷克斯洛伐克、英国、瑞典和法国。

东北大学电冶金研究室在发展电渣熔铸新工艺以及研制使用它的异型件方面取得了以下成果:?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。

钢铁冶金研究所&特殊钢冶金学术方向
电渣重熔的基本原理
由于电极熔化、金属液滴形成、滴落过程中金属熔池内 的金属和炉渣之间要发生一系列的物理化学反应，从而 可去除金属中有害杂质元素和非金属夹杂物。钢锭由上 而下逐渐凝固，金属熔池和渣池就不断向上移动，上升 的渣池使结晶器内壁和钢锭之间形成一层渣壳，它不仅 使钢锭表面平滑光洁，而且降低了径向导热，有利于自 下而上的顺序结晶，改善了钢锭内部的结晶组织。
钢铁冶金研究所&特殊钢冶金学术方向
具有良好的冶金反应的热力学和动力学条件
电渣重熔过程中渣池温度通常在1750℃以上，而电极 下端至金属熔池中心区域的渣温度可达1900℃左右。 因此重熔过程中渣的过热度可达600℃左右，钢液的 过热度可达450℃左右。高温的熔池促进了一系列的 物理化学反应的进行。
1)发热体作用； 2)成型作用，即钢水在渣皮的包覆中凝固成型； 3)净化作用，即去除钢中夹杂物，脱硫和控制元素成分 等。 通常情况下，电渣重熔渣系以CaF2-Al2O3系为主，根据 需 要 适 当 添 加 CaO 、 MgO 、 TiO2 等 组 元 ， 一 般 要 求 渣 系 中 SiO2含量要低，而渣中FeO和P、S杂质也要尽可能少。
钢铁冶金研究所&特殊钢冶金学术方向
在水冷结晶器与钢锭之间形薄而均匀的渣壳 保证了重熔钢锭的表面光洁。
在电渣重熔过程中，由于结晶器壁的强制冷却，使渣 池侧面形成凝固渣壳。在合理的电渣工艺制度下，金 属熔池具有圆柱部分。熔池在上升过程中由于金属液 体上升接触到凝固的渣皮时会使部分凝固的渣皮重新 熔化，使渣皮薄而均匀，金属在这层渣皮的包裹中凝 固，电渣锭会十分光洁。另外，渣皮的存在能减小径 向传热，有利于形成轴向结晶条件。
电渣重熔的基本原理

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《特钢技术》 2001 年第 4 期
λs —渣皮导热系数 / Kcal/ M. ℃. h ; εs —渣皮黑度 ; IESR —重熔电流 / A ; UESR —重熔电压 / V ; UH —变压器的空载电压 / V ; qESR —重熔单位电耗 / Kwh/ kg ; ηESR —电渣重熔热效率 ; qs. v. m —液态炉渣的蒸发潜热 / Kcal/ kg ; QSR —渣池释放出的渣阻热 / KVA/ h ; USR —有效工作电压 V ( 一般波动在 27 ～
联系人 :殷秀文 工程师 四川江油 (621701) 四川川投长城特殊钢股份有限公司一厂炼钢分厂 电话 : (0816) 3648321
2001 第 4 期 《特钢技术》
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3. 8 重熔电压 UESR
UESR = USR + 50Dk
(V)
3. 9 重熔电流 IESR
电渣重熔在正常熔炼期 ,渣池中释放的热 量 ,主要用于 :
(1) 自耗电极的加热与熔化及使过渡的金 属熔滴过热到一定程度 ;
(2) 使渣池和金属熔池维持熔融和具有一 定的过热状态 ;
(3) 结晶器和底水箱冷却水带走的热消 耗;
(4) 渣池表面的辐射和蒸发及废气带走的 热量 。
(其热量分配见图 2)
UH = UESR + △UHIESR/ 1000 3. 11 电渣重熔的总热量
QESR = 8. 6 ×10 - 4 IESRUESR 3. 12 电渣重熔的单位电耗
(V) ( Kcal/ h)
qESR = QESR/ (51. 6 GESR)
(kWh/ kg)
3. 13 电渣重熔的热效率
ηESR = (Q有效/ QESR) ×100 %

1. 镍基合金熔炼工艺国内外镍基高温合金、镍基耐蚀合金、精密合金的熔炼设备主要有真空感应炉、真空自耗炉、电渣炉、电子束炉和等离子电弧炉等。

1）真空感应炉（VIM）真空感应熔炼是一种成熟的真空熔炼方法，是镍基高温合金、耐蚀合金等的重要生产工艺，特别是对于含有铝、钛等活泼元素较多的合金，必须采用真空感应熔炼。

VIM可提供对化学成分最大程度的控制，防止了溶液与大气中氢、氧、氮的接触。

真空下反应的进行和完成比在大气下要快。

除了使溶液均匀外，感应搅拌能持续将反应物带到熔体和真空界面，从而使精炼反应顺利进行。

气体夹杂和痕量元素的蒸发能改善大多数高温合金的力学性能。

VIM缺点在于大多数最终产品都必须进行重熔，主要是为了减少偏析和控制凝固组织以及耐火材料的侵蚀，采用CaO耐火材料坩埚、电磁搅拌、陶瓷过滤等技术均可以有效提高合金的纯净度。

新建3座12 tVIM，熔炼周期14 h/炉，平均每炉产量12 t，年产能18000 t，可满足规划生产真空感应炉锭17685.8 t/a的要求。

2）电渣重熔炉（ESR）电渣冶金是目前生产高品质材料的重要方法，具有纯度高、含硫量低、非金属夹杂物少、钢锭表面光滑、结晶均匀致密、金相组织和化学成分均匀的优点，广泛应用于航天航空、军工、能源、船舶、电子、石化、重型机械和交通等国民经济的重要领域。

电渣重熔的目的是通过将化学精炼和控制凝固结合起来生产高质量铸锭。

电渣重熔过程中，金属材料能够被熔渣有效地精炼，合金中的非金属夹杂物、气体和硫含量显著减少，合金的纯净度提高，因而合金的力学性能得到改善。

电渣熔炼过程中，始终有液态渣的保护，使金属不与空气接触，合金元素烧损低，成分容易控制；避免了熔炼过程中耐火材料的污染；铸锭组织致密，缩孔较小，没有疏松及皮下气泡等缺陷，提高了材料的塑性；设备简单，易于操作。

然而ESR也存在许多不足之处，如熔炼和凝固速率偏低、熔渣吸收气体、活泼元素不易控制以及电极重熔过程经受高温氧化等。

电渣重熔法去夹杂实验方案电渣重熔法(Electroslag Remelting)，简称ESR ，是利用水冷铜模和自耗电极在熔渣中熔化精炼，快速凝固得到高质量钢锭的方法。

该设备以熔渣的电阻做发热源，以炉渣和钢液物化反应清洗钢中夹杂物生产特殊钢和合金。

一、去除夹杂的理论研究渣洗过程中夹杂的去除，主要靠两方面的作用。

一方面是钢中原有的夹杂与乳化渣滴碰撞，被渣滴吸附、同化而随渣滴上浮而去除。

渣洗时，乳化了的渣滴与钢液强烈地搅拌，这样渣滴与钢中原有的夹杂，特别是大颗粒夹杂接触的机会就急剧增加。

由于渣和夹杂间的界面张力 бS-1远小于钢液与夹杂间的界而张力бm-1，（据资料介绍，渣与夹杂之间的润湿角бS-1=15-20º，而钢液与夹杂之间的润湿角бm-1=120-170º）所以钢中夹杂很容易被与它碰撞的渣滴所吸附,如图10 所示。

图10 润湿角示意图渣洗工艺所用的合成渣大都选用CaO 、Al 2O 3系，均是氧化物熔体，而夹杂大都也是氧化物，所以被渣吸附的夹杂比较容易溶解于渣滴中，这种溶化过程称为同化。

夹杂被渣滴所同化而使渣滴长大，加速了渣滴的上浮过程。

另一方面是促进了二次反应产物的排出，从而使成品钢中夹杂数量减少。

特别是当用C 12A 7渣系精炼时，由于其比重小、空心状、熔点低，，故易上浮。

假定在冶炼的出钢时用金属脱氧剂M 进行终脱氧，脱氧元素在钢液中残留含量为[M]。

若因出钢时钢液的二次氧化使[O]增加，以及钢液温度的下降，建立的[M]与[O]的平衡必然被破坏，而再次进行[M]与[O]的反应，也就是M 的二次脱氧（二次反应）。

倘若二次反应要依靠自发形核，那么新相形成所必须的自由能增加就要求有较大的过饱和度来提供。

也就是说当实际的氧含量略大于与[M]相平衡的[O]P 时，M 的脱氧反应不能进行，只有当温度进一步降低时，反应才能进行，此时所形成的反应产物其本上都作为夹杂留在钢中。

而渣洗过程中，乳化渣滴表面可作为进一步脱氧反应新相形成的晶核。

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第 １ ０卷 增刊
２１ ０ １年 ３月
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电 渣 重 熔 过 程 模 拟 软 件 Ｍｅ ｆ ｗ —Ｅ Ｒ ｌｏ ｔ ｌ Ｓ 理 论 基 础 简 介 及 其 应 用
Ｎ
结 晶器界 面 ： ０， － ￣ ｕ＝ ｆ ｆ … 凝 固钢锭 ： ． ｆ＜ ｉ ｕ＝／ Ｌ 。 ｆ …
渣 一金属 界面 ： ｓ （）＝ ｌ ｒ ａ ｇ
其中， … 为固态液体分数 ．
， Ｒ（ ， ） 制 方程及 边界 条件 ．
钢锭侧 表 面 ： ｒ Ｈ。（ ）
， ｎ
所用 的矩形 波进 行处 理． 因此 ， 先描 述用 于周期 首
性稳态 的正弦 波． 该方 法 经 拓 展 可用 于矩 形 波 电
流形 式 的电磁现 象分 析 ． （ ） 频正 弦 电流 １单 假设 条件 下 ， 由麦克 斯 韦 方 程式 的准 静 态 形 式 可得 到磁场 强度 的扩散 方程 ： 磁 扩散 ： ・［ Ｖ （ ｅ） 缸。 Ｈ。 ｉ Ｈｏｏ ］＝

3）自下而上的顺序凝固条件保证了重熔金属锭 结晶组织均匀致密
图3 显示了传统的浇铸法与电渣重熔所获得的钢锭的 组织的区别，铸模里大量的钢液同时凝固导致了偏 析，偏析的程度取决于多相组织凝固的结晶行为，局 部非金属夹杂的累积及显微缝隙和缩孔是不可避免的。
在电渣重熔过程中电极的熔化和熔融金属的结晶是同 时进行的。钢锭的上端始终有液态金属熔池和发热的 渣池，既保温又有足够的液态金属填充凝固过程中因 收缩产生的缩孔，可以有效的消除一般钢锭常见的疏 松和缩孔。同时金属液中的气体和夹杂也易于上浮， 所以钢锭的组织致密、均匀。
电渣重熔的特点
1）金属的熔化、浇铸和凝固均在一个较纯净 的环境中实现
整个过程始终在液态渣层下进行而与大气隔 绝，因而最大限度的减轻了大气对钢液的污 染，减少了钢液的氢、氮的增加量和钢的二次 氧化，而且现在有的电渣重熔在冶炼过程中实 行干燥空气的保护，进一步减少了增氢的可能 性。另外，由于熔化和凝固均在水冷铜质结晶 器中完成，因而没有普通冶炼方法由于耐火材 料造成对钢液的污染的缺点。
2）具有良好的冶金反应的热力学和动力学条件
电渣重熔过程中渣池温度通常在1750℃以上，而电极 下端至金属熔池中心区域的渣温度可达1900℃左右。 因此重熔过程中渣的过热度可达600℃左右，钢液的过 热度可达450℃左右。高温的熔池促进了一系列的物理 化学反应的进行。
良好的动力学条件还表现在电渣重熔过程中钢渣能充 分接触。在电极熔化末端、熔滴滴落过程及金属熔池 的三个阶段中钢渣接触面积可达3200mm2/g以上，反应 进行得十分充分。同时在电磁力的作用下渣池被强烈 搅拌，不断更新钢渣接触面，强化了冶金反应，促进 了有害杂质元素和非金属夹杂物的排除。
电渣重熔的基本原理

电渣重熔（ESR）早在20世纪30年代，ESR就已为人所知，但是它作为公认的大批量生产高质量钢锭的工艺，却经过了约30年的时间。

ESR技术的优势不仅在于生产较小重量的工具钢和高温合金的钢锭，而且在于生产重型锻锭，粗锭重量可达165吨。

大视图大视图大视图1. 16吨PESR炉，最大压力16 bar，2. 20吨ESR炉，能够在保护气氛中进行熔炼，3. 165吨ESR炉工艺技术和工艺特点VAR需要真空进行精炼，但在ESR中，熔化电极浸在水冷铸模的渣池中。

电流（通常为AC）通过电极和即将成型的钢锭之间的熔渣并加热熔渣，从而金属滴在电极上熔化。

熔化的金属滴穿过熔渣到达水冷铸模的底部，在这儿进行凝固。

当钢锭形成后，渣池向上移动。

新的精炼材料钢锭在铸模底部慢慢形成。

它均匀定向地凝固，避免了中心凝固不佳，这在传统的钢锭铸造中时有发生，因为它们从外向内凝固。

一般来说，ESR提供了非常高的、一致的和可预测的产品质量。

精确控制的凝固过程，使结构完整，无缺陷。

由于在钢锭和铸模壁之间形成了一层凝固的波薄渣皮，从而提高了钢锭表面的质量。

这就是ESR被认为是生产当今工业中的高性能高温合金的首选方法的原因，例如用于航空航天、核工和和重型锻造等。

所得到的都为高纯度的钢锭，这在若干年前还未听过。

其它工程领域也以“高技术”先驱为榜样，坚持利用最先进和最复杂的设备通过ESR 得到更新更高的纯度。

电渣重熔冶金由于过热熔渣与电极端部持续接触，将在电极端部形成一层金属液膜。

当正在形成的金属液穿过熔渣，利用与熔渣的化学反应或通过物理浮动至熔池顶部将清除金属内的非金属杂质使金属得到净化。

在ESR中的剩余夹杂物尺寸很小，并且均匀的分布在重熔钢锭上。

用于ESR的熔渣通常主要为氟化钙（CaF2）、氧化钙（CaO）和三氧化二铝（Al2O3）。

有时需加入氧化镁（MgO）、二氧化钛（TiO2）和二氧化硅（SiO2），这取决于将要重熔的合金。

为了具有所需要的功能，熔渣必须具有精确定义的属性，比如：• 它的熔点必须高于重熔的金属的熔点；• 必须有效节约电能；• 它的组成必须保证能够进行所需的化学反应；• 在重熔温度下必须有合适的粘度。

电渣重熔炉（ESR）的工作原理及特点
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
电渣重熔炉(ESR)的工作原理及特点
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。

1、电渣重熔炉的工作原理
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示意从发热原理来说，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。

真空技术网(chvacuum/)认为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，因此其脱氧和脱硫效果好。

(3)不含有稳定的氧化物，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，通常比被熔金属的熔点低150-250 ℃，这使锭子成。

1 电渣重熔概念电渣重熔（ESR）是利用电流通过电渣层产生电阻热来熔化自耗电极的合金母材，液体金属以熔滴形式经渣层下落至水冷结晶器中的金属熔池内，即渣洗清洁钢液，钢锭由下而上逐步结晶。

电渣重熔一般是在大气中进行，也可用氩气保护。

电渣重熔后并不能降低气体和夹杂物的含量，只是降低大颗粒夹杂物含量，并且使夹杂物弥散分布使夹杂物的有害作用降低至最低。

电渣重熔获得成份均匀、组织致密、质量高的钢锭。

重熔时合金得到进一步精炼，夹杂物去除是通过渣洗和在熔池中上浮。

合金的持久性能和塑性都得到提高，消除或减轻了各种宏观和显微缺陷。

如果需要进一步降低钢中气体需要进一步的真空自耗处理。

电渣设备简单，投资省。

最简单地说电渣重熔就是采用了电焊的原理。

电渣炉机械结构设计简单，但是传动机构采用滚珠丝杠比较流行。

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{BANNED}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。

2 电渣炉设备组成电渣炉通常有三部分组成：机械系统、供电系统、控制系统。

电渣炉的机械系统从机械结构上分为双支臂和单支臂两种；它主要由结晶器平台、支撑立柱、横臂(含升降旋转台车)、电极升降机构、电极夹持器、、假电极等组成；目前，电渣炉的升降机构大部分采用丝杠传动和钢丝绳传动两种；丝杠传动相对钢丝绳传动而言，较为平稳，对小型电渣炉尤其合适；但是，丝杠传动在电极升降调节时，其丝杠与丝母由于制造、安装的误差，使其在传动时有一定的间隙，限制了它的响应速度，影响了系统的调节精度；因此，少量新型电渣炉采用了液压驱动电极升降；液压驱动具有响应速度快、调节平稳、系统控制准确等优点，但由于增加了液压系统，造价相对较高。

从图9-11金相组织可以看出，普通42CrMo 钢样品在J9处的组织由贝氏体+马氏体组成，其中贝氏体的含量较多；当42CrMo 钢中添加微合金元素V 强化以后，相同J9位置处的组织也主要是贝氏体+马氏体组成，但样品中马氏体数量较普通样品明显有所增加，马氏体针细小，分布均匀；同样的随着淬透性的延续，J15处加钒42CrMo 比普通42CrMo 钢马氏体数量明显要多，J20处加钒42CrMo 马氏体量未见减少，普通42CrMo 钢马氏体数量已明显减少，从而无法保证曲轴进一步深层次的淬透。

通过对比发现，添加微合金元素V 强化后，端淬后组织整体良好，达到了设计要求，从而保证了发动机曲轴良好的淬透性。

5结论通过添加微合金钒进行强化，材料淬透性得到提升，通过端淬试验结果可以发现，J1.5、J3点两个样品的硬度值相差很小，约为56.2HRC 和56HRC。

由试验方法可知，该两点距离冷却喷水端最近，水直接喷淋冷却速度较快，比较容易得到马氏体组织，此处的硬度值主要决定因素为基体中的C 含量。

加V 强化对距离水冷端较近位置影响较小。

从J9点开始，两个样品在同一距离处的硬度值差别逐渐变大，J9点其硬度值分别为53.6HRC 和54.7HRC，J11点其硬度值分别为52.6HRC 和54.4HRC，J15点其硬度值分别为48.5HRC 和51.1HRC，通过曲线可以看出，不加V 强化的样品随距离的增加，硬度数值下降明显，而加V 强化后样品在同一距离，硬度值大于普通样品。

通过对比同距离不同工艺的样品硬度值，可以发现：通过加V 强化，可减缓样品的硬度下降的趋势。

从J20点开始，淬透性曲线逐渐趋于平稳，曲线形状两样品基本一致，但是加V 强化样品硬度值一般要高于普通样品3.5-5.5HRC，由此可见，通过加V 强化，提高了样品的淬透性，达到了发动机曲轴的要求。

参考文献［1］王文静,许立伟.42CrMoA 钢曲轴的形变调质［J ］.金属热处理.2015(03)第40卷第3期［2］刘光华，张永秀，李瑞．发动机曲轴的强度、材料与工艺［J ］．汽车工艺与材料，2001（9）：1-8.（2）J20点金相组织图11距离淬火端20mm 处金相组织Fig.11The Micro-structures of the sectionof 20mm from theEnda 普通42CrMo 样品J20组织b 加钒42CrMo 样品J20组织由于真空电弧重熔（VAR ）工艺与电渣重熔（ESR ）工艺相比容易控制合金锭的结晶，所以能够生产大锭型的偏析敏感合金。

esr工艺流程ESR工艺流程呀，这可有点意思呢。

ESR呢，全称为电渣重熔（Electroslag Remelting）。

这个工艺啊，就像是给金属来一场超级变身之旅。

一、基础准备阶段。

在最开始的时候呀，我们得有原料。

这个原料呢，一般就是那些已经初步炼制过的金属，比如说钢锭之类的。

然后呢，要有一个特制的结晶器，这个结晶器就像是一个神奇的模具，它的形状和大小可是会决定最后重熔出来的金属块的模样哦。

还有电渣，电渣可是这个工艺里的小魔法粉末。

它是由一些特定的化合物组成的，在通电之后呢，就会发挥大作用啦。

二、开始重熔的过程。

当把原料放到结晶器里，然后周围布满电渣之后，就开始通电啦。

这一通电呀，电渣就开始发热。

这个热可不是一般的热，它能把原料慢慢熔化呢。

你可以想象成电渣是一个超级热情的小火炉，一点点把原料包围，然后让它融化在自己的怀抱里。

随着原料的熔化，那些杂质呀，就会和电渣发生一些反应，然后被去除掉。

这个过程就像是给金属洗个澡，把脏东西都洗走啦。

而且在熔化的过程中，因为结晶器的特殊构造，熔化的金属会按照一定的形状重新凝固。

就像我们把水倒进一个有形状的容器里，水会变成那个容器的形状一样。

三、过程中的控制要点。

在ESR工艺流程里呀，温度的控制可重要啦。

要是温度太高，可能会让金属熔化得太快，这样就会影响它的质量，可能会出现一些小气泡之类的问题。

要是温度太低呢，原料又熔化不完全，那就更糟糕啦。

还有电渣的成分，得时刻关注着。

如果电渣的成分发生了变化，那它对杂质的去除能力就会下降，就不能很好地给金属来个大扫除啦。

另外，熔化的速度也得控制好。

这个速度就像是做菜时的火候，快了慢了都不行。

四、最终成果。

经过这么一系列的操作之后呢，我们就得到了重熔后的金属啦。

这个金属可不得了，它的质量比之前的原料要好很多呢。

它的纯度更高，内部的结构也更加均匀。

就像一个经过精心打磨的宝石，闪闪发光。

这种重熔后的金属在很多高端的制造业里都特别受欢迎，比如说航空航天领域呀，高端机械制造领域等等。