第一章 電渣冶金

1、1 現(xiàn)代冶金理論與新工藝現(xiàn)代冶金理論與新工藝 TelE-mail： QQ：27713154 常立忠常立忠 2 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 電渣冶金電渣冶金 真空冶金真空冶金 等離子冶金等離子冶金 感應(yīng)爐感應(yīng)爐 真空感應(yīng)爐真空感應(yīng)爐 真空自耗爐真空自耗爐 真空電子束真空電子束 現(xiàn)代電弧爐冶金新現(xiàn)代電弧爐冶金新 技術(shù)技術(shù) 典型鋼種冶煉典型鋼種冶煉 軸承鋼冶煉軸承鋼冶煉超低氧控制超低氧控制 彈簧鋼冶煉彈簧鋼冶煉夾雜物塑性化夾雜物塑性化 氧化物冶金氧化物冶金 鐵素體不銹鋼凝鐵素體不銹鋼凝 固組織均質(zhì)化固組織均質(zhì)化 大型鋼錠制造大型鋼錠制造 3 電渣冶金電渣冶金 電電 渣渣 冶冶 金金

2、第一章第一章 電渣冶金原理電渣冶金原理 1 基本原理基本原理 1.1基本過程基本過程 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）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(jìn)行再精煉的工藝。電渣重熔鋼的原料是自耗電極，自耗電極可以是鑄進(jìn)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。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)

3、裝有高溫高堿所示。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。錠、底水箱通過短網(wǎng)導(dǎo)線和變壓器形成回路。 圖圖1電渣重熔示意圖電渣重熔示意圖 1自耗電極；自耗電極；2水冷結(jié)晶器；水冷結(jié)晶器；3渣池；渣池；4 金屬熔池；金屬熔池；5渣殼；渣殼；6鑄錠；鑄錠；7底水箱；底水箱；8 金屬熔滴；金屬熔滴；9變壓器；變壓器；10短網(wǎng)導(dǎo)線短網(wǎng)導(dǎo)線 4 當(dāng)電流通過回路時(shí)，渣池靠本身的電阻加熱到高溫（在通電過程中，渣池當(dāng)電流通過回路時(shí)，渣池靠本身的電阻加熱到高

4、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(jìn)入金屬熔池。由于水冷結(jié)晶器的冷滴。然后金屬熔滴從電極頂部脫落，穿過渣池進(jìn)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。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(dòng)。上升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(dòng)。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的渣池在水冷

5、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(jìn)行。鑄錠的結(jié)晶自下而上地進(jìn)行。 電能是由變壓器供給的，通過電極送進(jìn)速度調(diào)整來保持電流的恒定。電能是由變壓器供給的，通過電極送進(jìn)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)晶器同，其最大的不同在于，電渣熔鑄在異型結(jié)晶器 內(nèi)進(jìn)行精煉，可直接鑄成異型鑄件。如圖內(nèi)進(jìn)行精煉，可直

6、接鑄成異型鑄件。如圖2所示，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，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(jìn)入金屬熔池，熔化的金屬匯聚成滴，穿過渣層進(jìn)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)晶器銅制異型水冷結(jié)晶器2內(nèi)，注入高溫的液態(tài)熔渣內(nèi)，注入高溫的液態(tài)熔渣3， 自耗電極自耗電極1的一端插入熔渣內(nèi)，來自短網(wǎng)的一端插入熔渣內(nèi)，來自短網(wǎng)8的電流的電流 通過自耗電極進(jìn)入渣中，產(chǎn)生電阻熱將渣加熱至通過自耗電極進(jìn)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

7、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，穿過渣池金屬熔滴，金屬熔滴從電極端頭脫落，穿過渣池 進(jìn)入金屬熔池進(jìn)入金屬熔池4，由于水冷結(jié)晶器的冷卻作用，液，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態(tài)金屬逐漸地形成異型鑄件5。 圖圖2電渣熔鑄原理圖電渣熔鑄原理圖 1自耗電極；自耗電極；2水冷異型結(jié)晶器；水冷異型結(jié)晶器；3渣池；渣池； 4金屬熔池；金屬熔池；5熔鑄件；熔鑄件；6底水箱；底水箱； 7絕緣；絕緣；8短網(wǎng)；短網(wǎng)；9變壓器。變壓器。 5 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與電渣重熔一樣，鑄件由下而上逐漸地凝固，使金屬熔

8、池和渣池不斷 向上移動(dòng)。上升的渣池首先在水冷結(jié)晶器內(nèi)壁上形成一層渣殼，這層渣殼不向上移動(dòng)。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(jìn)行。底部冷卻水，這將更有利于鑄件結(jié)晶過程自下而上地進(jìn)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、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(zhǎng)方形、寬窄面長(zhǎng)度比很大的截面形狀），還可以熔鑄各種不同形狀的鑄件長(zhǎng)方形、寬窄面長(zhǎng)度比很大

9、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(dòng)機(jī)連桿（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(dòng)機(jī)連桿 毛坯及其它制件的毛坯）。毛坯及其它制件的毛坯）。 1.2金屬電極的熔化金屬電極的熔化 RIQ 2 24. 0 電流通過渣池時(shí)，在渣池中析出為熔化自耗電極并使金屬熔池和渣池電流通過渣池時(shí)，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。保持熔融及過熱狀態(tài)所必須的熱量。 單位時(shí)間內(nèi)渣池中析出的熱量單位時(shí)間內(nèi)渣池中析出的熱量Q取決于已知的公式取決于已知的公式 電渣冶金的電極熔煉的特點(diǎn)與電極形狀、

10、尺寸和冶煉電制度、渣池深度電渣冶金的電極熔煉的特點(diǎn)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：有關(guān)。具有以下三種情況： 6 圖圖3 3 電極熔化特點(diǎn)電極熔化特點(diǎn) 一電極下降速度過?。灰浑姌O下降速度過??；b b一與穩(wěn)定的電一與穩(wěn)定的電 渣過程相適應(yīng)；渣過程相適應(yīng)；c一電極下降速度過大一電極下降速度過大 （1）如（圖）如（圖3a）所示，電極）所示，電極 下降速度過低，電極末端呈平的下降速度過低，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)熔中，金屬熔滴在電極端面，當(dāng)

11、熔 滴下落的瞬間，有電弧放電產(chǎn)生，滴下落的瞬間，有電弧放電產(chǎn)生， 此時(shí)電流波動(dòng)很大，至此電渣過此時(shí)電流波動(dòng)很大，至此電渣過 程已破壞。程已破壞。 （2）如（圖）如（圖3b）所示，當(dāng)加大）所示，當(dāng)加大 電極下降速度，即增加冶煉電流電極下降速度，即增加冶煉電流 時(shí)，電極末端凸起。如果再逐漸時(shí)，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，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(shí)電流電壓波動(dòng)越來越小，趨向穩(wěn)定，這是穩(wěn)直至最后形成正常錐體。此時(shí)電流電壓波動(dòng)越來越小，趨向穩(wěn)定，這是穩(wěn) 定的電渣過程，這時(shí)的

12、電制度為冶煉最佳電力制度。定的電渣過程，這時(shí)的電制度為冶煉最佳電力制度。 （3）如（圖）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）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(shí)如果保持這個(gè)下降速度，可凸，自耗電極未熔化部分深埋入渣池中。這時(shí)如果保持這個(gè)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(jìn)就有可能造成電極與金以觀察到電流逐漸地增大，如再繼續(xù)加快電極送進(jìn)就有可能造成電極與金 屬熔池的短路現(xiàn)象。屬熔池的短路現(xiàn)象。 7 第第1種情況是在電極與渣面之間可以種情況是在電極與渣面之間可以 直接觀察到電弧放電。第直接觀察到電

13、弧放電。第3種情況是電種情況是電 極與金屬熔池之間短路時(shí)，渣池因過極與金屬熔池之間短路時(shí)，渣池因過 熱而沸騰出現(xiàn)電弧放電。當(dāng)熔滴脫離熱而沸騰出現(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。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)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(shí)（圖弦波的畸變得以證實(shí)（圖4）。）。 圖圖4 4電極端和金屬熔池之間產(chǎn)生電弧放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電瞬間的電壓

14、和電流正弦波的畸變 當(dāng)電壓、爐渣化學(xué)成分及渣量，當(dāng)電壓、爐渣化學(xué)成分及渣量， 電極截面等條件相同時(shí)，隨著電極下電極截面等條件相同時(shí)，隨著電極下 降速度的增加，放電間隔的距離減小，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。從而增加了相當(dāng)于渣池的電阻降低。從而增加了 冶煉電流的強(qiáng)度。所以冶煉電流的大冶煉電流的強(qiáng)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)小同電極下降速度之間近似于直線關(guān) 系系（圖（圖5）。）。 圖圖5 5電流和電極送進(jìn)速度的關(guān)系電流和電極送進(jìn)速度的關(guān)系 1d1d電極電極180180毫米；毫米；U=80U=80伏；伏； 2d2d電極電極180180毫米；毫米

15、； U=51伏伏； 3d3d電極電極100100毫米；毫米； U=51伏伏； 4d4d電極電極8080毫米；毫米； U=51伏伏； 8 當(dāng)增加電極截面時(shí)，必須明顯地當(dāng)增加電極截面時(shí)，必須明顯地 增加電流才能獲得穩(wěn)定的電渣過程，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。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(duì)減少了，隨程需要的電流密度相對(duì)減少了，隨 著電壓的提高，穩(wěn)定電渣過程需要著電壓的提高，穩(wěn)定電渣過程需要 通入較大的電流密度。（圖通入較

16、大的電流密度。（圖6）。）。 圖圖2-62-6在電渣過程穩(wěn)定的范圍內(nèi)電壓在電渣過程穩(wěn)定的范圍內(nèi)電壓 和電極截面對(duì)電極中電流密度的影響和電極截面對(duì)電極中電流密度的影響 在討論其它冶煉參數(shù)對(duì)電極在討論其它冶煉參數(shù)對(duì)電極 熔化特點(diǎn)的影響之前，應(yīng)該先研究熔化特點(diǎn)的影響之前，應(yīng)該先研究 一下電渣重熔時(shí)電流在渣池中的分一下電渣重熔時(shí)電流在渣池中的分 配。配。 電渣重熔時(shí)，當(dāng)結(jié)晶器和底電渣重熔時(shí)，當(dāng)結(jié)晶器和底 盤或鋼錠有電觸點(diǎn)的時(shí)候，與渣池盤或鋼錠有電觸點(diǎn)的時(shí)候，與渣池 相接觸的結(jié)晶器壁區(qū)能夠成為附加相接觸的結(jié)晶器壁區(qū)能夠成為附加 導(dǎo)體，電流可同時(shí)從自耗電極沿著導(dǎo)體，電流可同時(shí)從自耗電極沿著 兩個(gè)平行電路流

17、動(dòng)：渣池一金屬熔兩個(gè)平行電路流動(dòng)：渣池一金屬熔 池和渣池一結(jié)晶器壁（圖池和渣池一結(jié)晶器壁（圖7）。）。 圖圖7渣池中電流分布圖渣池中電流分布圖 1一自耗電極；一自耗電極；2一結(jié)晶器壁；一結(jié)晶器壁；3 一渣池；一渣池；4一鋼錠；一鋼錠；5一渣殼。一渣殼。 9 1.3 熔滴的形成和過渡熔滴的形成和過渡 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，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

18、錐體的頂端出現(xiàn)液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。體金屬的精煉熔滴。 在自耗電極末端匯集的金屬熔滴（圖在自耗電極末端匯集的金屬熔滴（圖 8）受三個(gè)基本力的作用：重力和力圖）受三個(gè)基本力的作用：重力和力圖 使熔滴脫離電極末端的電動(dòng)力以及相使熔滴脫離電極末端的電動(dòng)力以及相 間張力（金屬爐渣），這個(gè)相間張間張力（金屬爐渣），這個(gè)相間張 力是在電流通過鋼渣界面時(shí)的作用力力是在電流通過鋼渣界面時(shí)的作用力 和使熔滴脫離的反作用力，當(dāng)前兩個(gè)和使熔滴脫離的反作用力，當(dāng)前兩個(gè) 力的合力超過相間張力時(shí)，熔滴脫落。力的合力超過相間張力時(shí)，熔滴脫落。 圖圖8 作用在電

19、極末端熔滴上的力作用在電極末端熔滴上的力 （G重力；重力；R電動(dòng)力；電動(dòng)力；P-表面張力的合力表面張力的合力 業(yè)已確定熔滴脫離頻率隨電極送進(jìn)速度的增大而增加，因此也是隨電流的業(yè)已確定熔滴脫離頻率隨電極送進(jìn)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）。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(duì)金屬過渡特點(diǎn)的影響很?。▓D的增加熔滴的重量增加。渣池深度的變化對(duì)金屬過渡特點(diǎn)的影響很?。▓D 10) ，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，而提高電壓使熔滴重量明顯減小。這

20、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。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。 10 圖圖9 金屬熔滴重量與電流大小的關(guān)系金屬熔滴重量與電流大小的關(guān)系 1d電極電極60毫米；毫米；2d電極電極40毫米毫米 ； 3d電極電極30毫米毫米 圖圖10 金屬熔滴重量與渣池深度的關(guān)系金屬熔滴重量與渣池深度的關(guān)系 1U=31伏；伏；2U=41伏；伏；3U=49伏；伏； 1.4 熔池形狀熔池形狀 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，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

21、屬熔池的形狀與電極熔化和工藝參數(shù)有著密切從而影響鋼錠的質(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。的關(guān)系。 11 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(diǎn)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(diǎn) 如圖如圖11所示。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(diǎn)改變，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(diǎn)改變， 使晶體的生長(zhǎng)方向接近于徑向狀，這種鑄錠的組織接近普通鋼錠，因此要使晶體的生長(zhǎng)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?，即合適的電極下降速度，以保證電渣鑄錠具有理想選用適當(dāng)?shù)囊睙掚娏鳎?/p>

22、即合適的電極下降速度，以保證電渣鑄錠具有理想 的軸向結(jié)晶。的軸向結(jié)晶。 金屬熔池形狀與電壓的關(guān)系如圖金屬熔池形狀與電壓的關(guān)系如圖12所示。所示。 圖圖11 隨著電極下降速度的增加，電極熔化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(diǎn)和金屬熔池形狀變化的特點(diǎn) a一低速；一低速；b中速；中速；c高速。高速。 圖圖12增加電壓時(shí)電極熔化和金屬熔池形狀變化增加電壓時(shí)電極熔化和金屬熔池形狀變化 特點(diǎn)特點(diǎn) a一低電壓；一低電壓；b中等電壓；中等電壓；c高電壓高電壓 12 隨著電壓的升高，金屬熔池底部向扁平方向隨著電壓的升高，金屬熔池底部向扁平方向 發(fā)展，晶體的生長(zhǎng)方向逐漸接近于軸向，熔發(fā)展，

23、晶體的生長(zhǎng)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。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。電渣過程，產(chǎn)生電弧過程。 圖圖13所示為金屬熔池形狀與渣量的關(guān)系。所示為金屬熔池形狀與渣量的關(guān)系。 圖圖13 隨著渣池深度變化電極熔化隨著渣池深度變化電極熔化 和金屬熔池形狀變化特點(diǎn)和金屬熔池形狀變化特點(diǎn) a淺渣池；淺渣池；b中等渣池；中等渣池；c 深渣池。深渣池。 當(dāng)其它參數(shù)不變時(shí)，金屬熔池深度隨著渣量的增加而減少，這是由于渣當(dāng)其它參數(shù)不變時(shí)，金屬熔池深度隨著渣量的增加而減少，

24、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，見表性的增加而減少，見表1。 表表1 金屬熔池形狀與金屬導(dǎo)熱性的關(guān)系金屬熔池形狀與金屬導(dǎo)熱性的關(guān)系 導(dǎo)熱性（千卡米導(dǎo)熱性（千卡米. .秒）秒）金屬熔池深金屬熔池深 度（毫米）度（毫米

25、） 100100300300600600 銅銅0.9000.9000.8800.8800.8220.8221010 阿姆老鐵阿姆老鐵0.1630.1630.1320.1320.0940.0945353 4347 合金合金 0.0310.0310.0390.0390.0540.0547474 13 1.5 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶 在生鐵模中用普通方法澆注的鋼錠可以分成三個(gè)各具特征的結(jié)晶區(qū)：細(xì)在生鐵模中用普通方法澆注的鋼錠可以分成三個(gè)各具特征的結(jié)晶區(qū)：細(xì) 等軸晶區(qū)，它是澆注金屬和模壁接觸時(shí)冷凝形成的；柱狀晶區(qū)，它是在新結(jié)等軸晶區(qū)，它是澆注金屬和模壁接觸時(shí)冷凝形成的；柱狀晶區(qū)，它是在新結(jié) 晶核生長(zhǎng)時(shí)結(jié)

26、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晶核生長(zhǎng)時(shí)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(duì)于多相結(jié)晶在分散的熱流作用的；大等軸晶區(qū)，它在鋼錠的中心部位，在對(duì)于多相結(jié)晶在分散的熱流作用 下達(dá)到足夠小的溫度梯度并且達(dá)到足夠的過冷度的條件下形成。第一結(jié)晶區(qū)下達(dá)到足夠小的溫度梯度并且達(dá)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(gè)區(qū)厚度很小可以忽略它對(duì)鋼錠質(zhì)量的影響。是最均勻致密的，但是由于這個(gè)區(qū)厚度很小可以忽略它對(duì)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柱狀結(jié)晶區(qū)

27、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(gè)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、這個(gè)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(diǎn)偏析，它之外，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(diǎn)偏析，它 是一個(gè)

28、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(shí)結(jié)晶特征的變是一個(gè)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(shí)結(jié)晶特征的變 化有關(guān)，同時(shí)也與鋼錠凝固時(shí)液態(tài)金屬的運(yùn)動(dòng)和在金屬中有氣體，首先是氫化有關(guān)，同時(shí)也與鋼錠凝固時(shí)液態(tài)金屬的運(yùn)動(dòng)和在金屬中有氣體，首先是氫 氣的存在有關(guān)。氣的存在有關(guān)。 電渣重熔的主要優(yōu)點(diǎn)在于任何結(jié)晶階段中處于液體狀態(tài)的金屬重量要比電渣重熔的主要優(yōu)點(diǎn)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(jìn)入熔池和依靠渣池的熱所得到的鋼錠重量少許多倍。在依靠電極金屬不斷進(jìn)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(shí)熔池又向下部

29、不斷地輸出熱量的條傳導(dǎo)將熱量不斷地從上面輸入到熔池同時(shí)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(jìn)了電渣鋼錠的定向結(jié)晶，因?yàn)樵鼩p少了水平方向的熱量輸殼的形成也促進(jìn)了電渣鋼錠的定向結(jié)晶，因?yàn)樵鼩p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。出。渣殼的存在使電渣鋼錠得到非常光滑的表面。 14 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

30、上渣殼的絕熱作用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。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(diǎn)在很大程度上取如前所述，金屬熔池的形狀和隨后的鋼錠結(jié)晶的特點(diǎn)在很大程度上取 決于熱析出的特征。從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，采用多電極電渣重熔可以使渣池中決于熱析出的特征。從這個(gè)觀點(diǎn)

31、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(shí)使金屬熔滴帶進(jìn)金屬熔池的熱量向四周傳送。的析熱區(qū)分散同時(shí)使金屬熔滴帶進(jìn)金屬熔池的熱量向四周傳送。 圖圖14示出空心鋼錠結(jié)晶結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)圖。示出空心鋼錠結(jié)晶結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)圖。 內(nèi)部型腔冷卻水的存在產(chǎn)生了附加的內(nèi)散內(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，熱面。這種情況有助于得到淺的金屬熔池， 對(duì)金屬結(jié)晶有好的影響。兩個(gè)散熱面（除對(duì)金屬結(jié)晶有好的影響。兩個(gè)散熱面（除 底盤外）的存在決定著電渣重熔空心錠的底盤外）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(zhǎng)狀況。晶體壁的縱向或徑向柱狀晶的生長(zhǎng)狀況。晶體 相遇的垂

32、直軸帶在壁厚里的位置根據(jù)結(jié)晶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、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(diǎn)的即想象線是冶煉過程中金屬熔池最深點(diǎn)的 移動(dòng)線稍微向著空心鋼錠壁厚度的幾何對(duì)移動(dòng)線稍微向著空心鋼錠壁厚度的幾何對(duì) 稱軸方向（軸心）偏移。稱軸方向（軸心）偏移。 圖圖14 電渣鋼錠的結(jié)晶結(jié)構(gòu)電渣鋼錠的結(jié)晶結(jié)構(gòu) a實(shí)心；實(shí)心；b空心空心 15 另外，電渣重熔時(shí)采取強(qiáng)制作用可以對(duì)金屬結(jié)晶產(chǎn)生重要的影響。另外，電渣重熔時(shí)采取強(qiáng)制作用可以對(duì)金屬結(jié)晶產(chǎn)生重要

33、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(duì)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(duì) 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(rèn)為，這個(gè)方法明顯地?cái)U(kuò)大了巨型鋼錠的柱狀晶區(qū)，而在某些情況資料認(rèn)為，這個(gè)方法明顯地?cái)U(kuò)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)。下甚至可以完全消除等軸晶區(qū)。 對(duì)結(jié)晶線而言采用電極移動(dòng)的原理熔

34、煉鋼錠的方法是有前途的方對(duì)結(jié)晶線而言采用電極移動(dòng)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(shí)，由于帶著結(jié)晶器的小車的往復(fù)案之一，例如在生產(chǎn)矩形截面的鋼錠時(shí)，由于帶著結(jié)晶器的小車的往復(fù) （擺動(dòng)）運(yùn)動(dòng)使一根電極或一組電極沿著鋼錠截面的長(zhǎng)邊方向移動(dòng)。在（擺動(dòng)）運(yùn)動(dòng)使一根電極或一組電極沿著鋼錠截面的長(zhǎng)邊方向移動(dòng)。在 多電極爐冶煉時(shí)調(diào)節(jié)各支電極的功率也能獲得類似的效果。采用這種方多電極爐冶煉時(shí)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(gè)電極向其它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(gè)電極向其它 電極周期性地變

35、化，同樣得到了移動(dòng)電極的效果。電極周期性地變化，同樣得到了移動(dòng)電極的效果。 控制電渣重熔鋼錠結(jié)晶的方法與電磁場(chǎng)的運(yùn)用有聯(lián)系。這些方法控制電渣重熔鋼錠結(jié)晶的方法與電磁場(chǎng)的運(yùn)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(chǎng)作為基礎(chǔ)。無論是采用穩(wěn)定以外部特意建立的與冶煉電流有聯(lián)系的磁場(chǎng)作為基礎(chǔ)。無論是采用穩(wěn)定 場(chǎng)或是交變場(chǎng)都一樣。其中在采用縱向交變電磁場(chǎng)時(shí)能夠破碎鋼錠的粗場(chǎng)或是交變場(chǎng)都一樣。其中在采用縱向交變電磁場(chǎng)時(shí)能夠破碎鋼錠的粗 枝晶鑄態(tài)組織。枝晶鑄態(tài)組織。 2 電渣冶金過程的熱傳遞電渣冶金過程的熱傳遞 16 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)晶在電渣冶金過程中，

36、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(qiáng)度隨金器中的金屬定向結(jié)晶作用，提高了被重熔金屬的質(zhì)量。精煉反應(yīng)強(qiáng)度隨金 屬與渣的溫度提高而加強(qiáng)，金屬的定向結(jié)晶只有在沿著由鑄錠表面向金屬屬與渣的溫度提高而加強(qiáng)，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(shí)才能實(shí)現(xiàn)。電渣過程中渣池和金屬熔池中熱的放出熔池曲面的方向放熱時(shí)才能實(shí)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(duì)于被重熔金屬的組織和性能有決定性的影響。因此，電渣和分配已證明對(duì)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

37、學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)。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(guó)電渣工作者對(duì)電渣熱傳遞的研究更加深入，已發(fā)表了近年來，各國(guó)電渣工作者對(duì)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(shí)驗(yàn)研究和對(duì)電渣冶金系統(tǒng)熱傳遞過一些關(guān)于各種形式結(jié)晶器中熱傳遞的實(shí)驗(yàn)研究和對(duì)電渣冶金系統(tǒng)熱傳遞過 程的數(shù)學(xué)模型方面的文章。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

38、 使液體金屬熔池保持一定的形狀。在單相熔煉時(shí)，渣池中電流主要從電極使液體金屬熔池保持一定的形狀。在單相熔煉時(shí)，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。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(shí)，電流不僅能從電極端部流向金屬熔池，而且三相熔煉或雙極串聯(lián)熔煉時(shí)，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(jì)渣池的體積熱源密度，可以認(rèn)為也在各電極端部之間流過。如粗略地估計(jì)渣池的體積熱源密度，可以認(rèn)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)渣池中電流是均勻分布的，

39、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(rèn)為在渣池容積內(nèi)均勻分布著焦耳熱源。放熱的不均分布的數(shù)據(jù)，又不能認(rèn)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(diǎn)不同的電流密度和不同的電導(dǎo)率值引起的。勻性是由渣池各點(diǎn)不同的電流密度和不同的電導(dǎo)率值引起的。 17 Mitchell和和Joshi用一個(gè)阻抗網(wǎng)格模型求得了渣池的電位分布，見圖用一個(gè)阻抗網(wǎng)格模型求得了渣池的電位分布，見圖15。 圖圖15 Mitchell和和Joshi的渣阻模型的渣阻模型 圖圖16 在在180毫米直徑結(jié)晶器中采用毫米直徑結(jié)晶器中采用AH-6渣熔渣熔 煉時(shí)的渣池電位和熱源分布煉時(shí)的渣池電

40、位和熱源分布 圖圖17 雙極熔煉雙極熔煉 5001250毫米毫米2截面扁錠截面扁錠 時(shí)渣池功率熱源分布時(shí)渣池功率熱源分布 18 2.2 電渣過程放出的總熱量及分配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(bǔ)縮三個(gè)階段。通電熔煉后，電渣過程一般可以分為升溫正常冶煉補(bǔ)縮三個(gè)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(dá)到一個(gè)較穩(wěn)定的狀態(tài)。渣溫不斷升高，如果各種參數(shù)比較合適，可以達(dá)到一個(gè)較穩(wěn)定的狀態(tài)。 對(duì)于單相交流重熔爐，電渣過程中單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量（或熱流）可對(duì)于單相交流重熔爐，電渣過程中單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量（或熱流）可 按下式計(jì)算：按下式計(jì)算： )/(cos8

41、6. 0 )/(cos86. 0 )/(cos86. 0 2 2 小時(shí)千卡 小時(shí)千卡 小時(shí)千卡 R U Q RIQ UIQ 對(duì)于三相交流重熔爐：對(duì)于三相交流重熔爐：cos386. 0UIQ 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(xiàng)消耗的大小比例，即熱量分配的特征取決于走的熱量等方面。上述各項(xiàng)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

42、的導(dǎo)電性等一系列因素。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。 圖圖18表示過程的熱分配概況。下面按圖中符號(hào)來分析渣池放熱的各項(xiàng)消表示過程的熱分配概況。下面按圖中符號(hào)來分析渣池放熱的各項(xiàng)消 耗。耗。 19 圖圖18電渣過程中渣池放熱的各項(xiàng)消耗電渣過程中渣池放熱的各項(xiàng)消耗 （1）消耗于預(yù)熱和熔化自耗電極的熱）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。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；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

43、）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)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?yàn)樗紫却蟮?，但不?yīng)看作是無用損耗，因?yàn)樗紫?用來維持整個(gè)渣池處于熔融和過熱狀態(tài)；用來維持整個(gè)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）渣池鏡面的輻射熱，可分為三部 分：對(duì)大氣的輻射熱及被廢氣帶走的熱分：對(duì)大氣的輻射熱及被廢氣帶走的熱 3A， 輻射給結(jié)晶器的熱輻射給結(jié)晶器的熱3B以及輻射給電極的熱以及輻射給電極的熱 3C。而其中只有。而其中只有3C因?yàn)樗糜?/p>

44、電極的預(yù)熱，因?yàn)樗糜陔姌O的預(yù)熱， 所以是屬于有用的；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危┰赝ㄟ^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?帶入的熱量。這部分熱量又可分為三部分：鑄錠傳給底盤的熱量帶入的熱量。這部分熱量又可分為三部分：鑄錠傳給底盤的熱量4A，鑄，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(chǔ)存于鑄錠中和儲(chǔ)存于鑄錠中 的熱量的熱量4B（

45、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（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）。是有用的）。 20 2.3 冶金反應(yīng)冶金反應(yīng) 2.3.1 電渣過程的冶金特點(diǎn)電渣過程的冶金特點(diǎn) 電渣過程的冶金特點(diǎn)是金屬熔化始終在液態(tài)渣層下進(jìn)行，與大氣隔絕；電渣過程的冶金特點(diǎn)是金屬熔化始終在液態(tài)渣層下進(jìn)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(qiáng)烈攪拌；鋼渣界面電毛細(xì)振蕩以及順序結(jié)晶。充分接觸；渣池強(qiáng)烈攪拌；鋼渣界面電毛細(xì)振蕩以及順序結(jié)晶。 （1）反應(yīng)

46、溫度高）反應(yīng)溫度高 電渣過程渣池表面層溫度在電渣過程渣池表面層溫度在16201850 范圍內(nèi)，這些測(cè)量數(shù)據(jù)上的范圍內(nèi)，這些測(cè)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(cè)量方法及工具、測(cè)量差異，是由于爐型、渣系、輸入電功率、熔鑄鋼種、測(cè)量方法及工具、測(cè)量 部位的不同所致。一般渣池表面層的溫度在部位的不同所致。一般渣池表面層的溫度在 1750左右。左右。 可以推斷電渣過程的渣池最高溫度區(qū)的溫度可達(dá)可以推斷電渣過程的渣池最高溫度區(qū)的溫度可達(dá) 1900左右。電渣冶金的左右。電渣冶金的 常用渣系常用渣系CaF270+ Al2O330%的熔點(diǎn)為的熔點(diǎn)為13201340，一般鋼的熔點(diǎn)在，一般

47、鋼的熔點(diǎn)在 14001500之間，因此在電渣過程，渣過熱之間，因此在電渣過程，渣過熱600左右，鋼液過熱左右，鋼液過熱450 左右，無疑渣池溫度是促進(jìn)一系列物理化學(xué)反應(yīng)的前提條件。左右，無疑渣池溫度是促進(jìn)一系列物理化學(xué)反應(yīng)的前提條件。 （2）鋼渣充分接觸）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(gè)階段：電渣冶金過程液態(tài)金屬和熔渣充分接觸發(fā)生在三個(gè)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）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(xì)流沿錐面滑移，在端頭匯聚成滴。層熔化，熔化金屬沿錐頭形成薄膜，金屬

48、細(xì)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。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）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。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(zhǎng)時(shí)間相接觸。）金屬熔池：金屬熔池上表面始終在渣層下和熔渣長(zhǎng)時(shí)間相接觸。 21 電渣過程在電極熔化末端鋼渣接觸面積達(dá)電渣過程在電極熔化末端鋼渣接觸面積達(dá)3218毫米毫米2/克，在熔滴過渡階段，

49、克，在熔滴過渡階段， 鋼渣接觸面積亦達(dá)鋼渣接觸面積亦達(dá)47.9毫米毫米2/克，這是其它冶金爐達(dá)不到的，如克，這是其它冶金爐達(dá)不到的，如1030噸的電噸的電 弧爐，鋼渣接觸面積僅弧爐，鋼渣接觸面積僅0.30.7毫米毫米2/克?？?。 （3） 渣池強(qiáng)烈攪拌渣池強(qiáng)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(chǎng)，電流通過）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(chǎng)，電流通過 磁場(chǎng)，按左手定則產(chǎn)生向心方向的電磁力磁場(chǎng)，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）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

50、 間存在附著力、摩擦力，必然帶動(dòng)渣池運(yùn)動(dòng)。間存在附著力、摩擦力，必然帶動(dòng)渣池運(yùn)動(dòng)。 3）渣的對(duì)流：由于渣池的不同部位溫度不同，造成不同的比重，如）渣的對(duì)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，渣溫由渣，渣溫由 1700 升到升到 1900，比重（，比重（g）減輕）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，。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(duì)流。從而促使渣池產(chǎn)生對(duì)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）氣體逸出和膨脹的推力：在電渣熔鑄過程中

51、，當(dāng)鋼中的氣體由金屬熔 池進(jìn)入渣池逸出時(shí)，通常認(rèn)為有一沸騰過程。這一過程必然促使渣池膨脹而產(chǎn)池進(jìn)入渣池逸出時(shí)，通常認(rèn)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。生推力，加劇渣池的攪拌。 （4） 電毛細(xì)振蕩電毛細(xì)振蕩 當(dāng)交流電通過液態(tài)金屬與液態(tài)爐渣分界面時(shí)，金屬爐渣界面發(fā)生強(qiáng)烈振當(dāng)交流電通過液態(tài)金屬與液態(tài)爐渣分界面時(shí)，金屬爐渣界面發(fā)生強(qiáng)烈振 蕩，稱為電毛細(xì)效應(yīng)。這是由于交流電通過液體界面，引起極性交流，隨著兩蕩，稱為電毛細(xì)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(gè)相界面上電位差的變化，相界面張力發(fā)生劇烈變化。用頻率為個(gè)相界面上電位差的變化，相界面張力發(fā)生

52、劇烈變化。用頻率為50赫芝交流電赫芝交流電 時(shí)，當(dāng)渣作為陽極時(shí)相間張力增加，這時(shí)金屬爐渣界面呈凸起彎月形，經(jīng)過時(shí)，當(dāng)渣作為陽極時(shí)相間張力增加，這時(shí)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(shí)相界面變成下凹彎月形，見圖秒，當(dāng)渣成為陰極時(shí)相界面變成下凹彎月形，見圖19。因此，相界張力。因此，相界張力 不斷交替增加或減少，激起相界面劇烈振蕩。不斷交替增加或減少，激起相界面劇烈振蕩。 22 圖圖19 液態(tài)金屬液態(tài)爐渣的界面形狀隨極性的變化液態(tài)金屬液態(tài)爐渣的界面形狀隨極性的變化 . ，. 等人在論述電渣重熔冶金反應(yīng)時(shí)都引用以上等人在論述電渣重熔冶金反應(yīng)時(shí)都引用以上 觀點(diǎn)。他們認(rèn)為電毛細(xì)振

53、蕩強(qiáng)化鋼一渣反應(yīng)，促使?fàn)t渣吸收或溶解鋼中夾雜觀點(diǎn)。他們認(rèn)為電毛細(xì)振蕩強(qiáng)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。但物，促使氣體向渣中轉(zhuǎn)移。但. 用用X光透視電渣重熔過程未發(fā)現(xiàn)交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(xì)振蕩成為學(xué)術(shù)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(xì)振蕩成為學(xué)術(shù) 上爭(zhēng)論的問題。上爭(zhēng)論的問題。 2.3.2 非金屬夾雜物的去除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(duì)去夾雜機(jī)理，不同的研究電渣冶金能充分去除鋼中非金屬夾雜物，但對(duì)去夾雜機(jī)理，不同的研究 者持有不同的觀點(diǎn)。者持有不同的觀

54、點(diǎn)。 蘇聯(lián)巴頓焊接研究所蘇聯(lián)巴頓焊接研究所.及及.提出電渣重熔去除非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(rèn)為熔池中關(guān)于盛鋼桶中非金屬夾雜物浮升速度的公式說明問題，認(rèn)為熔池中 非金屬夾雜物浮升速度非金屬夾雜物浮升速度V夾雜 夾雜等于下式： 等于下式： ）（ 夾雜金夾雜 ddr 1 g 9 2 2 V 23 他們的結(jié)論是當(dāng)夾雜物浮升速度他們的結(jié)論是當(dāng)夾雜物浮升速度V夾雜 夾雜大于鑄錠結(jié)晶速度 大于鑄錠結(jié)晶速度V 結(jié)晶結(jié)晶，則

55、夾雜物在熔池里能浮出。反之，當(dāng)夾雜物的 ，則夾雜物在熔池里能浮出。反之，當(dāng)夾雜物的V夾雜 夾雜小于 小于 V結(jié)晶 結(jié)晶，則夾雜物將殘留在鋼中。 ，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(duì)鋼渣界面物理化學(xué)反應(yīng)的影響，只考慮夾雜物浮升去渣系對(duì)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)。除，而忽視了電極錐頭及金屬熔滴的鋼渣反應(yīng)。 我國(guó)曾樂、李正邦等提出電渣重熔去除非金屬夾雜物主要我國(guó)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(yàn)是在氬氣

56、氛下進(jìn)行的，中發(fā)生在電極熔化末端。所做的試驗(yàn)是在氬氣氛下進(jìn)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(jì)電極端頭斷電流將電極快速提升出渣面，然后用金相法統(tǒng)計(jì)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(gè)數(shù)，雜物個(gè)數(shù)，數(shù)據(jù)列于表數(shù)據(jù)列于表2。 24 25 表表2 電渣重熔不同區(qū)域鋼中夾雜物變化電渣重熔不同區(qū)域鋼中夾雜物變化 重重 熔熔 階階 段段 研究對(duì)研究對(duì) 象象 分析區(qū)域分析區(qū)域 視場(chǎng)視場(chǎng) 數(shù)數(shù) 單位面積中夾單位面積中夾 雜個(gè)數(shù)（個(gè)雜個(gè)數(shù)（個(gè)/ / 毫米毫米2） 單位面積中夾雜單位面積中夾雜 物面積（微米物面

57、積（微米2/ / 毫米毫米2） 夾雜物去除夾雜物去除 率（）率（） 電電 極極 電極未熔化區(qū)電極未熔化區(qū)3003003.7673.7670.6180.618- - 電極熔化區(qū)電極熔化區(qū)3003002.1042.1040.22140.2214- - 電極端頭夾雜物去電極端頭夾雜物去 除率除率/ - - - -64.464.4 鑄鑄 錠錠 提純后鑄錠提純后鑄錠300300- -0.320.32 鑄錠對(duì)電極熔化區(qū)鑄錠對(duì)電極熔化區(qū) 夾雜去除率夾雜去除率 / - - - -46.2-46.2 電渣重熔總?cè)コ孰娫厝劭側(cè)コ?/ - - - -48.248.2 26 此后朱覺、付杰及此后朱覺、付杰及.

58、等人又進(jìn)一步證實(shí)了電渣重熔去除鋼等人又進(jìn)一步證實(shí)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?yàn)樵诟邷劁撘褐?，部分不穩(wěn)定中夾雜物主要發(fā)生在電極錐頭熔化區(qū)域內(nèi)。因?yàn)樵诟邷劁撘褐?，部分不穩(wěn)定 夾雜物將分解，呈金屬夾雜物將分解，呈金屬M(fèi)e及及O溶入鋼中。急速提升電極，熔化薄膜層迅溶入鋼中。急速提升電極，熔化薄膜層迅 速冷卻，過飽和的速冷卻，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(yàn)結(jié)果來不及重新呈氧化物夾物而析出，造成金相檢驗(yàn)結(jié)果 失真。為了改進(jìn)這點(diǎn)，冶金工作者又對(duì)電極錐頭熔化區(qū)及未熔化區(qū)的失真。為了改進(jìn)這點(diǎn)，冶金工作者又對(duì)電極錐頭熔化區(qū)及未熔化區(qū)的S含含 量進(jìn)行了對(duì)比。數(shù)據(jù)列

59、于表量進(jìn)行了對(duì)比。數(shù)據(jù)列于表3中。從表中。從表3可以看出電渣重熔去硫主要發(fā)生在可以看出電渣重熔去硫主要發(fā)生在 電極熔化末端。電極熔化末端。 表表3 電渣重熔不同區(qū)域鋼中電渣重熔不同區(qū)域鋼中S變化變化 含硫量（）含硫量（）總?cè)チ蚵士側(cè)チ蚵?（）（） 各階段占總脫硫率（）各階段占總脫硫率（） 原始原始電極端頭電極端頭鑄錠鑄錠電極端頭電極端頭其它其它 0.0320.0320.0130.0130.010.0168.868.886.486.413.613.6 0.0110.0110.0060.0060.0040.00463.363.371.8571.8528.1528.15 0.0430.0430.02

60、0.020.0170.01760.560.588.588.511.511.5 為了提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，國(guó)內(nèi)采用放射性同位素方法研究電渣過程去夾為了提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，國(guó)內(nèi)采用放射性同位素方法研究電渣過程去夾 雜規(guī)律，雜規(guī)律， GCr15鋼中以鋼中以 Zr95O2代表氧化物夾雜，以放射性為標(biāo)記示蹤它在代表氧化物夾雜，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(cè)量重熔過程的去向。置取熔滴、熔池金屬及鑄錠，采用電解分離夾雜，再測(cè)量 其放射性強(qiáng)度。結(jié)果見表其放射性強(qiáng)度。結(jié)果見表4，電渣重熔總的去夾雜率為，電渣重熔總的去夾雜率為86% ，而在電極熔化，而在電極熔化