电渣重熔工艺生产模具钢
电渣重熔是金属及其合金的一种特殊的冶炼方法，虽然电渣冶金可划分出多种技术方法和应用于不同的领域，但其基本和核心的技术是电渣重熔(Electroslag Remelting，简称ESR)。电渣重熔的基本原理是：在铜制水冷结晶器中加入固态或液态的炉渣，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，有电流从变压器输出通过液态熔渣。由于在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低，从而在渣池在产生大量的热，使其处于高温的熔融状态，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，熔化的金属汇聚成液滴，在重力的作用下金属熔滴从电极的端头脱落，穿过渣池进入金属熔池，由于水冷结晶器的强制冷却，液态金属逐渐形成钢锭。
1．电渣重熔的特点
电渣重熔属于二次精炼方法，自耗电极是其原料，自耗电极可由其他的冶炼方法获昨，如电弧炉、感应炉、真空感应炉和真空自耗炉等制备。电渣重熔的目的是在初炼的基础上进一步提纯钢、合金和改善钢锭的结晶组织，从而获得高质量的金属产品，与其他的冶金方法相比，具有以下的特点：
①金属的熔化、浇注和凝固在一个较纯净的环境中实现，减少了钢液的污染。
②具有良好的冶金反应的热力学和动力学条件，电渣重熔过程中渣池温度通常在1750℃以上，电极下端至金属熔池中心区域的熔渣温度可达1900℃左右，钢液的过热度可达450℃左右，高温熔池促进了冶金物理化学反应。良好的动力学条件表面在电渣重熔过程中钢渣能进行充分接触，同时由于电磁力的搅拌作用，不断更新了钢渣打的接触面，强化了冶金反应，促进了有害杂质和非金属夹杂物的去除。
③自上而下的顺序凝固条件保证了重熔金属锭结晶组织均匀致密。
在电渣重熔过程中电极的熔化和熔融金属的结晶是同时进行的。钢锭上端始终有液态金属溶池和发热的渣池，既保温又有足够的液态金属填充凝固过程中因收缩而产生的缩孔，可以有效的消除一般钢锭的疏松和缩孔，现时金属液中的气体和夹杂物也易于上浮，所以钢锭的组织致密、均匀。
④在水冷结晶器与钢锭之间形成的薄而均匀的渣壳，保证了重熔钢锭的表面光洁。
2．电渣重熔的工艺要素：
由于电渣重熔的独特的优势，近些年来，在合金模具钢的生产中大量被应用。但在其生产工艺方面，应注意以下几个方面：
①电力制度   重熔时的电流大小的变化将影响熔化速度和电力消耗，也直接影响钢锭的结晶状态。这三个因素是相互关联的，如增大充填比后，为避免熔速过快，使熔池过深而影响冶金质量，就应降低输入功率。但为保证稳定的熔炼过程，一般均采用较低的工作电压。正确地选用电力制度十分重要。
②渣系及渣量   炉渣在电渣冶金中十分重要，炉渣不但能起到发热剂的作用和精炼作用，而且是在电极熔化末端，熔滴形成和下落，在渣池与金属熔池界面上，熔渣与金属液之间要发生一系列的物理化学反应，如脱硫、去气和吸收非金属夹杂物，钢中的活泼元素的氧化或某些氧化物的还原等反应，从而对钢的纯净度和化学成分的控制产生重要的影响。在模具钢的冶炼中大部分的品种采用二元系，即CaF2-Al2O3系，这也是电渣重熔常用的渣系，一般比例为70%/30%。也有用CaF2-Al2O3-CaO三元渣系和CaF2-Al2O3-CaO-MgO四元渣系的。渣的用量一般视锭重而定。
③充填比   所谓的充填比是指电极截面积的大小和结晶器截面积之比。充填比与电渣熔炼时的熔池的大小，深度和形状等有很大的关系，从而影响电渣钢的质量。加大充寺紫会降低电耗，加深熔池的深度，但过大会带事操作的不便。小的充填比有利于夹杂物的去除，并且有利于钢锭良好的结晶组织。
电渣重熔后，模具钢的组织和性能有显著提高，主要表现在以下几个方面：
Ⅰ 改善钢的低倍组织。在电渣重熔时，由于钢液的快速凝固，其结晶的方向发生了变化，比普通的模铸钢锭相比有明显的改善。重熔时树枝状晶的晶间距离缩小了，如H13(4Cr5MoSiV1)钢材的中心部分检查发现，模铸钢锭为750μm，而电渣锭生产时为490μm，细化的枝晶有利于组织和成分的均匀化。
经电渣重熔后，钢的低倍组织有很大改善，比现样锻造比的模铸模具钢的中心疏松和偏析均能改善0.5级以上，电渣的低倍组织中心致密，一般均小于1级（按ASTM标准评定）。尤其是对于钢锭易出现疏松和缩孔的钢，例如A2(Cr5Mo1V)钢，效果更加明显，见表2-10。
表2-10 A2钢电渣冶炼与电炉模铸钢锭的低倍组织
冶炼方法 锭型 成品尺寸/mm 低倍组织/级别
   一般疏松 中心疏松 锭型偏析
电炉+VHD 5t 300 1 2.0 0.5
电炉+ESR Φ600 300 0.5 0.5 0.5
另外，塑料模具钢生产中，由于改善了钢的组织均匀性和致密度，从而可以显著提高钢的抛光性和耐蚀性能。
Ⅱ 降低钢中的非金属夹杂物的含量。经电渣重熔后，钢中的非金属夹杂物的含量显著降低，尤其是硫化物夹杂在形态和数量上都有明显的变化和减少，硅酸盐夹杂也大量被去除，氧化物多为Al2O3，但数量也明显减少。日本JIS标准的SKD61（相当于GB的4Cr5MoSiV1），有不同的冶炼方法生产的钢材的病例杂物水平见表2-11，从表中可以得知，通过电渣重熔后钢的纯洁度明显提高。
表2-11 炼钢方法与非金属夹杂物级别（SKD61）
铸锭方法 锻造比 JIS法d(60*400)min ASTM E45
  A B A+B+C A B C D
     细系 粗系 细系 粗系 细系 粗系 细系 粗系
大气 4 0.004 0.035 0.039 1 0.5 1.5 0.5 0 0 1 0
 6 0.008 0.032 0.040 0.5 0.5 1.5 0.5 0 0 0.5 0
 8 0.004 0.025 0.029 0.5 0.5 1 0.5 0 0 0.5 0
ESR 4 0.004 0.013 0.017 0.5 0 1.0 0 0 0 0.5 0
 6 0 0.017 0.017 0.5 0 1.5 0.5 0 0 0.5 0
 8 0 0.017 0.017 0.5 0 1 0 0 0 0.5 0