一文了解宇航材料所需的高级冶炼设备：电渣重熔炉

3电渣重熔炉（ESR）

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。

3.1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图如图4所示。

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。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，所以其脱氧和脱硫效果好；（3）不含有不稳定的氧化物，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，一般比被熔金属的熔点低150~250℃，这使锭子成型良好；（6）具有较高的沸点，以便在高温下不致大量挥发掉。

3.2电渣重熔炉的电气设备

电渣重熔炉的电气设备除电炉变压器外，还有以下3部分：（1）高压侧设备主要有：隔离开关、高压断路器、高压电压互感器、高压电流互感器等；（2）低压侧设备主要有：短网母线、低压电流互感器等；（3）控制设备，包括调节器柜、操作台、传动电动机等。

图5示出双柱式电渣炉的主回路图。它与单柱式电渣炉相比，短网平行布置，使得电抗抵消，因而功率因数高。

与其他重熔设备相比，电渣重熔炉的主要优点是：（1）金属熔液与熔渣之间存在着强烈的冶金化学反应，所以除磷、除硫效果比较好，锭子纯度比较高；（2）设备简单、生产率高、投资省；（3）熔渣能将被熔融金属同外界空气隔离，不受外界污染；（4）熔渣和熔融金属产生冶金化学反应，能够熔炼出高级金属和合金；（5）熔融金属中的非金属夹杂物与熔渣起化学反应，则非金属夹杂物全部被熔渣清除掉；（6）由于锭子是在水冷铜坩锅中冷却，其冷却速度非常快，这就导致锭子内部结构均匀，不产生偏析。

电渣重熔炉的应用范围很广，不仅可用来生产航空轴承钢、高温合金、精密合金和某些有色金属等，还可用来生产上百吨重的大型优质合金钢锭、大型扁锭或板锭、中空钢锭、复合板，以及熔铸轧辊、齿轮坯、涡轮盘、压力容器、飞机起落架、炮管等异形铸件

4结束语

最适合熔炼宇航材料的设备是真空感应炉、真空自耗电弧炉、电渣重熔炉，它们的特点如下：

（1）真空感应熔炼法是真空冶金领域中应用最广的方法之一。如镍基、钴基、铁基等高温合金均采用真空感应熔炼法熔炼，其热加工性能和机械性能明显提高。不锈钢、耐热钢、超高强度钢、工具钢、轴承钢、弹性合金，以及膨胀合金，几乎均采用真空感应熔炼法熔炼，它能绝对保证材料性能和质量。

（2）真空自耗电极重熔法是目前作为二次熔炼较普遍方法之一，适合用于熔炼活性金属，如Zr、Ti和难熔金属，如W、Mo、Nb、Ta等。它的优点是可进一步提纯，对降低气体和非金属夹杂物很有效果。由于该工艺是在水冷铜坩埚中进行熔化和凝固，因而钢锭组织得到显著改善、宏观和微观偏析显著减少，经加工后，结晶组织均匀，改善和提高材料的热加工性能和机械性能。

（3）电渣重熔法是阶段重熔和精炼金属的新方法。它虽然不在真空中熔炼，但是，它的熔渣能将空气和被熔炼金属隔绝，具有最佳的提纯效果，所以，它对今后生产超高纯度的材料将会发挥更大的作用，很有可能成为生产活性金属的主要手段。电渣重熔法操作简单、易于控制，所炼出的钢锭组织致密、表面质量好。

本文首发于《真空》杂志2015年第5期（投稿邮箱：zkzk1964@126.com）

本文作者：王建民（西安桃园冶金设备工程有限公司），花皑（西安电炉研究所有限公司）