电渣重熔原理

1、2电渣重熔原理时间：2021.03.08创作：欧阳与2. 1渣地电渣重熔工艺的核心部分是熔地。金属从熔地上方进 入渣地，然后被加热、熔化、精炼和过热，并且承受 振动、搅拌和电化学作用。因此，形成渣地并使其保 持在合适的条件下，显然是很重要的。渣有如下几方 面的作用。发热元件的作用重熔过程中热量通过焦耳效应产生，也就是通常的电 阻发热定律。因此，应该确保渣阻与供给功率的电 压、电流之间的正确平衡。所用的大多数渣的电阻率 在熔炼温度下为0.2.0.ssl-cm，熔炼温度通常比金属熔 化温度高200 - 3001C。显然，在该温度下，渣既要 呈液态，又要稳定，所以重熔电流、电压、渣地深度 和渣电阻率

2、之间的关系很复杂。好的电渣重熔操作必 须把它们调到最佳值。熔渣对于非金属材料来说是熔剂当金属电极进入到渣地中时，电极端部达到其熔化温 度，就会形成金属熔化膜。当熔化金属与熔渣接触时，熔化的金属在汇聚成熔滴的同时，暴露的非金属 夹杂将溶解在渣里。因此，渣的成分必须能溶解杂质 而又不影响其性质，为此，在重熔时必须采取连续调 整渣成分的步骤。渣是电渣重熔工艺的精炼剂重熔过程中的化学反应主要部位是电极端部渣/金界 面，这里金属膜条件对于快速反应是最理想的。涟起保护金属免受污染的作 用渣对于反应成分来说，起着传递介质的T隹用。由于金 属在渣下熔化和凝固，被熔化的金属绝不会与大气接 触而被直接氧化，而这种

3、氧化在常规工艺中是不可避 免的。另一方面，由于熔渣可以传递反应物质，如氧 和水茶气，所以使用惰性气体做保护气氛非常必要。位形成结晶器衬由于结晶器壁温度维持在渣熔点以下，那么熔渣和结 晶器壁之间必定有凝固渣壳。这层渣壳起着结晶器衬 的T隹用，金属锭在衬里形成并凝固，至少在稳定操T隹 条件下，渣壳起着上述T隹用。在环形结晶器(短模) 情况下，锭表面渣皮很少。可能存在差异。为了实现上述T隹用，渣必须具有某些相当明确的性质。一般情况下，它的熔化温度应在被熔化金属的熔 化温度以下。操作温度显然高于金属熔点，一般约高 200 - 300C。渣的电阻率是其成分的函数，只要不是 明确地影响化学要求，可在一定界

4、限内调整。渣的成 分应该既保证所希望的化学反应能快速发生，又保证 反应物留在渣里；对于硫，其反应产物应能排到大气 中去。另外，渣应能抑制不希望反应的发生，因为这 些反应会造成微量元素的损失，这一点也非常重要。 渣的黏度(其值一般在毫帕秒范围内)影响熔滴在渣 中的停留时间、气体排出速度、渣地搅拌程度、传质 动力学以及渣壳厚度等。渣与金属的密度差也同样影 响熔滴停留时间和熔滴大小。渣与金属间的表面张力 应该比较小，这样可增加传质速度且易产生小熔滴。 但这样不利于渣与金属的分离且增加夹渣危险。表面 张力也影响杂质溶解机理。2.2渣成分和渣组成电渣重熔渣的成分通常以氟化钙(Ca凡)、氧化钙 (CaO)

5、,氧化镁(Mgo)v三M化二铝(A1203)、二氧化硅(Siq )为主，其他元素可少量存在，如二氧化钛 M OZ)或氟化镁(MgF2 )。本书采用将Ca凡先列出来， 在它的质量分数之后加上 “F。余下的组成(即 氧化物)按照CaO, Mgo, A1203, Siq且碱度降低的顺 序列出，并且只列出质量分数。通用公式是 a F/b/c/d/e，即a = w (CaF2) b = w (CaO) c = w (Mgo) d = w (A12O3) e = w (SiO2)如 60F/10/10/10/10 渣含 60%的 CaF2，余下的 每种成分均为10%。又如50F/20/0/30渣含50 %

6、 CaF2, 20 % CaO, 30 % A1203,无Mgo。当完全按照这种方法 叙述成分时，如果w(Siq)二0,就不必将之表示出来 了。表2.1就是用这种方法列出的常用渣。182.2.1 CaF2-CaO-A12 仇 渣系电渣重熔使用的许多渣都限定于 CaF2-CaO- A1203渣系。这个渣系组成图已被广泛研究。图 2.1 是最常用的。它的主要特点是共晶点上A1203和CaO 的比例大致相同。从图 2.1可看出，这个范围内的渣 液相温度在1350 1500、-，这适合于范围广泛的合 金，包括钢和超级合金，这些钢和合金是电渣重熔工 艺的主要产品。该三元渣系的另一个特点是，在高氟化钙低氧

7、化 钙区域存在两个液相区。虽然这个区域不能延伸到Ca 凡-A12伍二元渣系.但认为实际结果是可能的。因 为存在大量的氟化钙水解产品一氧化钙，而成为这个区域的成分。70F/0/0/30是一种流行渣，该渣应尽可 能不使用氧化钙，其目的是阻止吸氢。但是，似乎没 有因两个液相区的存在而产生任何实际间题。为避免 两个液相区存在，采用高三氧化二铝含量渣，在重熔 原理上可能有可取之处。CaO-AI2岛二元渣系中有一个适合渣和熔炼特性的有限区，使用该区域渣其成 功程度不一。在需要高脱硫情况下，已经成功地使用 CaF2-CaO 二元渣系。由于这个渣系电阻率低，以致 大多数情况下需加入A12q，由于规定A12q中

8、不得含 有金属铝，所以加入 A120:并不改变工艺的化学作 用。高氧化钙含量容易招致吸潮，即增氢的危险，因 此，必须避免可能遇到的氢的问题。2.2.2氧化镁的作用在Ca凡-A12仇 渣系中，加入 M 四 对渣的液相 温度影响不大，在富氟化钙角，渣熔化温度在 1400 一 1600C范围内（见图2.2）,并且共晶点成分约等 于 MgO 和 A12O3 含量。同样，在 CaO- MgO-A1203 渣系中，富氟化钙角有相同温度范围，三元共晶成分 相当于71F/19/10，液相温度为1343、C。2.2.3氧化铁的作用除非采取严格措施，否则在渣中要避免氧化铁存 在是困难的。在精炼过程中，氧化铁这种化

9、合物起着 关键作用。氧化铁通常以FeO”形式存在，不管它是 否有严格的化学计量成分。这种氧化铁在CaO-Ca凡 渣中具有非常低的溶解度，而且有两种液体生成区(见图2.3)。这种氧化铁的活度系数非常高，低氧 浓度可导致高氧势，但是，超过40%的A1203渣位于 两个液体区域范围之外，此情况下，氧化铁的活度不 再增高。2.2.4二氧化 硅的作用最初，二氧化硅是被排除于许多重熔渣之外的， 怕它破坏精炼效果，特别是脱硫，然而这种影响不像 最初想像的那样严重。可能是由于这样的事实，倘若 w (Siq)10%, 在 CaO-A1203 和 CaF2-CaO-A12 几渣 里二氧化硅的作用是非常小的。2.3

10、电行为如前所述，电渣重熔过程中所需要的热是由渣地 焦耳效应产生的，应避免电极与渣之间产生电弧，当 电弧穿过电极与渣之间的间隙时，会导致金属的氧 化，这是所不希望的。然而可用电弧来增加熔速，但 金属质量的恶化令人沮丧。2.3.1电流通路就渣的实际作用，可将其视为电阻元件，其横断 面积介于电极和结晶器横断面积之间。如果根据一般 的定律，可以采用如下公式叙述这种情况:L = VA/I p式中，L 电阻通路长度，大约等于渣地深度或 渣面与金属面之间的距离；V-渣电压降；A电流通路有效横断面积。有人采用电极横断面积，有人采用结晶器横断面 积，最好取两者平均值；I电流；p -渣的电阻率。而实际电路要复杂得

11、多。首先是渣地内电路分布 是不均匀的，这是因为受渣地温度差、搅拌的影响， 或渣地内金属溶滴存在的影响，使电阻率比纯渣低； 在导电时，粗电极发庄集肤效应；其次 是实际电流通路很少完全限制在电极一渣一熔地通路之间，结晶器也常流过一ru11、 Tt TH一 一L *些电流。V |心Lg电路可能性变化可用图2.4表示。 L 电清成培电略示童图K i电橙；Fij -道池；必金隅轮i底水希界虬欧阳与创编ZOgL0308枇_：晶散壁、:尺日一遭池站皓溶壁；Rl皖，靖晶器壁；R旷-靖晶辟/底水箱连接电雹在渣地顶部渣面通常是上升的，除使用短结晶器 操作，当抽锭或拾结晶器时，渣面才不上升。液体渣 与结晶器壁接触就

12、可能有电流流过，至 少是瞬间的。 本书认为，倘若最初电流密度130A/cm2,那么电流就 可以继续流动。这就是说，在渣地表面有一导电圆窄 带。当然结晶器流过电流必须有回路存在。这样的通 路在活模操作时是存在的，因此结晶器与底水箱有电 接触。而在短模操作时某些操作者使用粗导线连接。 如果无自然回路，电流可能在某一点返回到锭，这样 锭和结晶器壁之间的绝缘就被破坏。绝缘破坏可能由 渣破损引起，也可能由轻微爆炸产生的金属细珠的存 在或渣里夹有金属熔滴（尽管后一种现彖很少见，但 已观察到）引起。前苏联研究者指出，如果电流流过固体渣，渣可 能表现为半导体，并产生整流和电解作用，锭子的分 流眼和结晶器损坏可

13、归于这种作用。渣地的实际电阻 改变是由几种因素引起的，就像上面叙述的那样。熔 滴存在将降低电阻，可以预料熔速越快，电阻将越低 （其他条件不变），因为高熔速穿过渣的金属体积将 越大，这已由实验所证实。电阻与电极浸入深度之间 已被描述成如图2.5所示的关系。电极浸入深度浅的情况下，电阻随浸入深度迅速变化，这种情况被用做 维持恒浸入深度的控制信号。Rb）一电极Rb）一电极it悻高度为、时的植池电阻；尺从反一机n一电极惨件高度为入, 二。时的渣池电阻；作一电极半径E一靖晶器半磴（rTfg）* H- 渣池高度1 h没入跺度；p 渣的电阻率0 . incm(京 tgrtHsx使用交流电时已经认识到集肤效应

14、对电流分布的 影响。由于电磁作用以及电流方向的不断改变，流过 大直径导体的主要电流是接近导体表面流过的。电流渗透深度可以通过下式计算:用小电极，如直径小于 200mm 的钢电极，电源 频率为 50Hz时，其集肤效应可以忽略。使用磁 钢.当温度上升到居里点以上时，渗透性将急剧下 降.以致电极顶部电流渗透深度比电极冷的部分高得 多，电流分布类似于图2.6。此图是通过将短粗棒连 接到电极上而得到的。在高电流情况下短棒表面能被 加热到红热状态，用同样直径的奥氏体棒就不会这 样，除非它们的电阻率很高。当然，可通过使用多根小电极代替一根大电极来降低集肤效应。低频熔炼 也可以降低集肤效应，正是由于这一点，生

15、产大锭时 广泛使用低频电源。托马斯(Thomas)研究了电极端部效应并且得出 如下结论，浸入深度较浅时，电流完全均匀分布，较 深的浸入会导致电流向中央集中。这分别与所观察到 的平的和尖的电极端部与浅的和深的浸入深度一致， 并且也说明了电阻一浸入深度之间的变化关系。2.3.2渣池中电流、功率和沮度分布(1)电流熔渣中的电流分布由于渣运动、热对流、温度 差、电极冷却作用以及熔化热使之复杂化。关于这个 间题，已经通过几种方式进行了详细研究。卡瓦卡米(Kawakami )使用 热电偶和探测器系统 测出直流电渣重熔渣 地中局部温度和不同 点的电位，并绘制出 其关系图，如图2.7 所示。米契尔和焦希结辨

16、63036 结晶器距中心距离/cm图2,7在电j雄渍池中电压分布.谿产生及电流燧情况(Toshi )也得到了 类似的结果。劳逊 结辨 63036 结晶器距中心距离/cm图2,7在电j雄渍池中电压分布.谿产生及电流燧情况萧德哈瑞(Choudhary)和桑克利(Szekly) 指出，大锭子每单位体积渣产生的热比小锭子要低。在熔滴形成并悬挂于电极顶部，快脱离电极之前电的状态发生轻微变化，在小锭子上特别明显。这与康普比尔(Campbell)在透明模型中所观察到的情况一样。这 是由于熔滴减小了电极与锭上部的距离，导致电流增 加，并引起电极下的渣下降速度增加。即使在大锭子 熔炼时，那样的电流变化用示波器也

17、能检测出来，现 已能用电流变化来检测熔滴形成频率，亦可用于浸入 深度控制之目的。热许多研究者研究了电渣重熔热平衡，如前所述， 热源是电流通过渣的焦耳热。然而，总输入热中，只 有少部分热量用于熔化金属，余下的热量则通过结晶 器冷却水和渣表面辐射损失掉。萧德哈瑞和桑克利计 算的结果是总输入热量的59%通过结晶器冷却水损失 掉，仅有17 %的热量传递到电极，1.2 %用于熔滴过 热。实践中测得的实际值随设备设计、结晶器及熔化 速度的不同而变化。简而言之，热平衡是由如下两部 分建立起来的：稳定部分代表渣和环境之间的平衡（取决于时间）；可变部分用于熔化金属的热（正比 于熔速）。由萧德哈瑞和桑克利引用的数字似乎代表 一个相对高的能源消耗。前苏联研究者已经给出几种 不同