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致谢 31
参考文献 32
1 前言
1.1 电渣重熔
1.1.1 概述
20世纪特种冶金的三大突破是真空冶金、等离子冶金及电渣冶金。而进入21世纪，国内外在电渣熔铸工艺的基础上发展起来的一项新技术——电渣重熔工艺，已经成功地解决了某些大型锻件和异型产品的制造及质量等问题。它可以有力地推动原子能、航空、造船、电力、石油化工以及重型机械工业的发展。
电渣重熔是利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源来重熔自耗电极的二次精炼法。其目的主要是提纯金属，并获得结晶组织均匀致密的钢锭。经电渣重熔钢具有纯度高、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等特点。另外，电渣钢的铸态机械性能可达到或超过同钢种锻件的指标。如GCr15电渣钢轴承的寿命是电炉钢轴承的3.35倍。
1.1.2 电渣重熔基本原理
所谓的电渣重熔（ESR）可以看作是利用电加热的熔渣精炼金属的一种方法，李正邦及Medovar[1-3]如下描述电渣原理。
图 1 电渣重熔原理示意图
如图 1所示，在铜制水冷结晶器中加入固态或液态炉渣，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，便有电流从变压器输出，通过液态熔渣。由于上述供电回路中，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，从而在渣池中产生了大量的焦耳热，使其处于高温熔融状态。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，熔化的金属聚集成液滴，在重力的作用下金属熔滴从电极端头脱落，穿过渣池进入金属熔池，由于水冷结晶器的强制冷却，液态金属逐渐凝固成钢锭，在正常重熔期，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。
1.1.3 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。
（2）具有良好的冶金反应的热力学和动力学条件。
（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。
（4）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。
1.2 电渣冶金用渣系
电渣冶金的渣系大致有如下几种张波、黄华南[4]。
1.2.1 氟化物渣系
氟化物不仅可与其他成分组成渣系，而且在电渣精炼中也可以使用纯氟化物组成的渣系。氟化物渣中是无氧的，具有低的熔点或低的液相线温度。由于这种渣系的电阻比较低，因而在一般所用输入功率情况下，所能达到的熔炼温度也就比较低，这些性能使得氟化物渣系适宜熔炼低熔点金属或合金和熔炼那些要求氧化烧损较少的金属和合金。
1.2.2 氟化物—氧化物渣系
氟化物—氧化物渣系可分为(1)二元氟化物—氧化物渣系和(2)三元氟化物—氧化物渣系，其中，二元氟化物—氧化物渣系中有(1)a CaF2—CaO渣系和(2)b CaF2—Al2O3二元渣系，三元氟化物—氧化渣系则分为(2)a CaF2—CaO—Al2O3 和(2)b CaF2-MgO-Al2O3。