本发明为一种电渣重熔技术，它提供一种降低电渣能耗、准确控制合金成分、改善合金和钢质量的电渣精炼方法。 现有电渣重熔冶金技术对改善钢与合金质量、提高成材率等方面起到了显著的推动作用。但是该工艺本身存在着以下三方面不足：
1.电能消耗高，电能有效利用率只达24～44%;
2.合金钢与合金重熔过程Al、Ti等活泼元素烧损，合金成分不易准确控制;〔O〕、〔N〕、〔H〕等含量低之母材重熔过程它们之含量会被大气污染而增高。
3.合金钢（如38CrMoALA）或高温合金（如GH37、GH49等）的大断面电渣锭易出现点状偏析等缺陷;提高结晶质量与提高生产率存在一定的矛盾。
多年来，冶金界对以上课题分别做了许多研究工作。〔1-13〕例如在降低电耗方面主要是靠合理布置短网、提高填充比、提高渣阻、提高重熔速率来提高电热利用率，但始终没有消除占总能耗30～45%渣池热散失。又如过去多在调整渣系成分、采用保护气氛、以及G.BohLer之专利设计的叠加直流电化学控制电渣钢成分、去气、去夹杂。但仍未能同时解决以上1、3两方面的课题。总之至今尚没有同时综合解决这些问题的报导。
本发明设计了渣池有衬交流电渣、叠加直流电化学精炼和轴向结晶抽锭三晶合的新型电渣装置，并提供了相应的工艺，以达到大幅度降低电渣钢能耗是本发明的第一个目的;准确控制活泼元素成分、降低钢中气体、夹杂含量及其分布是本发明的第二个目的;减少重熔电渣锭的显微偏析，改善大断面电渣锭结晶质量是本发明的第三个目的。
本发明之半有衬优质节能电渣重熔装置示于图1。金属自耗电极4下端插入导电熔渣渣池5中，由电源变压器10输出交流电使之熔化，形成金属熔滴经过渣池精炼过渡到金属熔池6，通过水冷底座8和水冷铜结晶器1逐渐凝固形成电渣锭7，其特征如下：
1.电渣重熔过程防大气污染及电化学精炼装置：在通常电渣炉交流电源主回路中附加一整流装置11，其正极通过非自耗环电极3始终保持渣池处于正电位，而自耗电极和金属熔池每周波交替处于负电位，使金属处于阴极保护状态，从而抑止活泼元素的烧损;同时金属液中之〔S〕、〔O〕、〔N〕、〔H〕等有害杂质得以电介精炼而进一步去除，这是本发明的优点之一。
2.促使钢或合金锭轴向结晶之抽锭节能装置：将通常之电渣炉结晶器缩短为主要对金属液结晶及锭身冷却，其高度为其内径的1～2倍;而渣池四周之主要部分用非自耗环电极外加绝热材料保温，使渣池径向温度分布均匀，相应金属溶池径向温差亦减小，熔池呈浅扁平状，从而促使合金液沿锭纵向结晶，进一步改善合金锭的热加工塑性，克服大断面电渣锭之偏析缺陷。这是本发明优点之二。由于渣池取消水冷，可显著减少渣池之散热损失，在保证原重熔速率条件下，在原有节能措施（如大填充比、合理短网等）基础上还可进一步减少输入功率20～35%是本发明的第三个优点。
本发明的非自耗环状电极可以是石墨质材料或石墨复合材料，为延长使用寿命，其表面可涂以MoSi2等抗高温涂层;其上部联结导电夹头处应水冷，其下部与结晶器上口应为子母口凸缘联结配合，并以高温绝缘涂层9相互绝缘，这样结构以利于顺利抽锭。
本发明的非自耗环状电极也可用BN材料做衬里，其外边放置Al2O3或ZrO2等绝热材料而获得大幅度节能效果。
本发明的水冷底座上端面在电渣重熔开始时应能伸入至结晶器中距后者上端面30～50mm，其四周涂以高温绝缘漆9与结晶器绝缘。此结构可使电渣重熔全过程，包括锭子底部金属全受到电化学保护和精炼处理。本发明之水冷底座上下升降之抽锭装置采用短周期间歇移动机构，它可以是电驱动或与电极熔化速率相匹配的机械传动;间歇移动总周期为10～15S，每周期停歇与移动时间比为1∶2～3，以利于锭身、渣皮冷却，改善抽锭质量。
用以上装置重熔以下成份的高温合金：≤0.1%C，9～25%Cr，≤16%Co，≤7%W，≤7%Mo，≤4.8%Al，≤2.9%Ti，≤0.8%V，≤0.02%B，≤5%Nb+Ta，≤18%Fe，Ni余量;采用相应地渣系成分：20～28%Al2O3，4～14%MgO，≤10%CaO，≤0.6%TiO2，CaF2余量;叠加于自耗金属电极及金属熔池之直流电流密度分别为0.3～1.8安/厘米2和0.2～1.8安/厘米2，输入电渣炉总电功率为现有的70%，能保持现有电渣的重熔速率可获得合金成分控制准确、杂质含量低、纵向结晶组织致密良好的电渣锭。本发明对重熔合金钢和优质碳素钢同样也获得良好结果。
为了对本发明提供的设计装置和工艺技术有较好的理解，并对本发明的优越性有一个正确评价，特给出以下例证。
自耗电极母材为GH49、GH37高温合金和GCr15轴承钢棒，结晶器直径为85/88mm。渣料CaF2为用Fe-Al电渣提纯工业萤石，Al2O3、CaO为工业纯，MgO为80网目工业电熔镁砂粉、TiO2为工业纯;使用前在电阻炉中850℃焙烧3h以上，每炉渣量为850q，引熔剂为重10g的CaF2和Ni（或Fe）粉按2∶3混匀的压结块，引锭底垫与自耗电极同成分。渣料是用非自耗电极熔化，渣池温度达1700℃左右保持4min，然后交换自耗电极在大气下重熔，同时叠加直流;重熔交流电压为26伏，电压为700安培。GH49、GH37合金采用渣系分别为68.5%CaF2-5%MgO-26%Al2O3-0.5%TiO2和51.5%CaF2-14%MgO-26%Al2O3-8%CaO-0.5%TiO2。由调压器分别调整自耗电极、金属熔池的直接电流密度Ie、Ip。当熔池液面距非自耗环电极端部5至8mm处，结晶器开始随自耗电极下降而相应提升。在钢锭上部取样分析Al、Ti、Mg、S、O、C、N等。为考查重熔锭之铸态组织，纵剖钢锭做高低倍观测。电渣过程总电耗由电度表实测。实验结果如下：
1.电渣重熔电能消耗
实验室规模的本发明新型电渣与普通电渣电耗对比，如表1所示，其中重熔GCr15钢所用渣系与GH37合金相同。锭重均为8Kg，表中所示电耗均包含熔化渣料电耗。在相同锭型及填充比条件下，重熔速率基本相同时，新型电渣比通常电渣的比电耗降低近1/3。表中所示为填充比0.174和0.142之比电耗値。若增大填充比，增大锭型，则新型电渣之比电耗値还会进一步降低。
表1 新型电渣与普通电渣重熔合金电耗对比
2.电渣重熔合金中活泼元素及杂质含量的变化
随着叠加直流电流密度之增加，合金中〔Al〕、〔Mg〕、〔Ti〕含量相应增加，而〔S〕、〔O〕、〔N〕含量相应降低;GH49合金采用叠加直流分量Ie、Ip分别为1.17和1.8A/Cm2，电渣重熔过程〔Al〕〔Ti〕不烧损，〔Mg〕可控制在60ppm;〔O〕由50降至27ppm，比通常电渣（即Ie＝Ip＝O）脱氧率增加14%;〔S〕可由22ppm降至10ppm，比通常电渣脱S率增加50%;〔N〕可由15降至5ppm，比通常电渣脱N率增加60%;采用相应渣系重熔GH37合金，当叠加直流电流密度Ie、Ip分别为1.17和0.40A/Cm2，〔Al〕、〔Ti〕不烧损，〔Mg〕可达到86ppm;重熔过程〔O〕可由50降至13ppm，比通常电渣提高去氧率54%;〔S〕可由20ppm降至10ppm以下，提高脱硫率50%;〔N〕可由82降至40ppm，提高脱氮率41%。如调整渣系成分，相应合金中诸成分可获不同的结果。总之，钢渣诸反应不仅受化学热力学控制，而且还受Nerst方程式制约，通过调整渣系成分和叠加直流分量可较自由地控制合金成分和进一步降低杂质含量是本发明的优点。
3.电渣锭结晶组织与夹杂分布
图2、图3分别为本发明之半有衬优质节能电渣与通常电渣重熔之GH37合金锭纵剖低倍组织照片。图2显示近似平行锭轴的柱状晶铸态组织。
由于轴向结晶，结晶过程析出的氮化物夹杂和氧化物夹杂被柱状晶前沿推移至金属熔池中，而大多不致被夹持在枝晶间，因此锭身氮化物夹杂含量得以降低。在锭顶端及其以下10mm中心部位是锭子最后凝固处，此部位GH37锭中〔N〕、〔O〕含量分别高达80.35ppm，锭身其它部位〔N〕、〔O〕含量较低。分别为40、13ppm。GH49合金锭顶端部〔N〕、〔O〕含量分别高达35、37ppm，锭身其它部位分别为5、27ppm。
由于渣池径向温度分布比较均匀，又因交流电渣叠加直流因电磁作用可加强渣池、金属熔池的搅拌作用，使金属熔池形状呈扁平状，金属熔池固-液相界面间距减小，温度梯度加大，有利于合金锭铸态组织一次轴沿锭轴向发展和二次轴间距缩短。如图4、图5分别显示通常电渣和本发明之新型电渣重熔GH49合金锭枝晶组织;前者二次晶轴间距为70.7μm后者二次枝晶间距减小至49.9μm，大大地减弱了合金的显微偏析。
引用参改文献
[1] M.Elienne and A.Mitchell，Oxidation Losses of Low Levels of Ti-tanium Electroslag Remelting，Second International Symposium on Electroslag Remelting Technology Proceeding Part Ⅱ，Pittsburgh，Mellon Institute，1969，ed by G.K.Bhat.
[2] C.F.Knights and R.perkins，Electroslag Refining，London，1973.Iron and Steel Institute，P.35
[3] L.L.Gill and K.Harris，ibid.，P.89
[4] 陈崇禧，王湧，付杰，陈恩普，金属学报 Vol.17（1981）No.1，p.50
[5] 陈崇禧，高荣富，赵文祥，金属学报 VoL.20（1984）No.2，B137.
[6] J.Luchok and R.J.Roberts，Proc.4th Int.Symp.on ESR，P149-153（1973），G.K.Bhat.
[7] W.Holzgruber，Proc.5th Int.Symp.on ESR，part Ⅰ，P.33-37.
[8] C.P.Sullivan，A.F.Giamei and F.L.Versnyder，ibid，partⅡ，ed by G.K.Bhat and A.Simkovich，P.525-594.
[9]Ю.В.ΛаТаш，Б.И.Медовар，ЭΛекmрошаковьlnереnав，Москва《Метаургия》1970
[10]W.Holzgruber，P.Machner，E.ploeckinger and G.Boehler，Trans.Vacuum Metallurgy Conference，1969，American Vacuum Society，New York，P.415-429
[11]G.K.Bhat，AD.736785
[12]Geber Boehler 英国专利 1230183，1971。
[13]NiLs-Ake Hovgard 英国专利 1475730，1977.6.1