超临界汽轮机转子是现代舰船和大型发电站用汽轮机的重要部件。生产超临界汽轮机转子所用的大型高铬合金钢铸锻件对质量有严格的要求：杂质、气体和夹杂物含量低、化学成分均匀。然而钢锭直径越大,其质量控制越困难。电渣重熔以其优良的冶金反应条件及独特的凝固结晶方式,在冶炼大直径高质量钢锭时,具有其他冶炼方法无法比拟的优越性。采用多电极电渣炉重熔大直径高铬合金钢锭时,受设备条件限制,存在耗电量大、保护气消耗量大、容易产生缩孔、疏松、孔洞等缺陷以及钢中氢含量高等问题,不仅导致生产成本高,还严重影响钢锭的质量。因此,本文针对重熔120吨大直径高铬合金钢锭工艺开展了研究。本文以某厂的大型三相双极串联电渣炉为研究对象,研究了熔渣的电导率、13Cr钢的凝固特性以及电渣重熔过程氢的扩散行为,建立了大型电渣炉保护气数学模型并对电渣重熔工艺优化进行了研究,为降低能源和资源消耗、优化电渣重熔工艺提供了理论基础。在此基础上,优化设计了电渣炉保护罩,对控制钢中氢含量,降低保护气消耗量,提高钢锭质量具有重要的理论意义及实用价值。本文采用交流四探针法测定了CaF2-Al203-SiO2-CaO四元渣的电导率,结果表明：渣的电导率随着温度的升高而不断增大,并且温度变化规律符合Arrhenius关系曲线；在其它组分含量比例保持相同的条件下,熔渣的电导率随着Al2O3和SiO2含量的增加显著降低,而随着CaO量的增加,熔渣的电导率升高,而且Al2O3和SiO2含量的变化对熔渣电导率的影响远远高于CaO。实验测定了13Cr钢的流动性、体收缩、线收缩以及热膨胀性能等凝固特性。研究发现,13Cr钢的凝固温度区间较大,在凝固过程中发生了多种相变,易产生热应力和相变应力,流动性较差、延展性低,并具有较大的线收缩率和收缩孔洞率,凝固过程中会产生较大的线收缩量和较大应力,因此,容易产生裂纹、缩孔和疏松等质量缺陷。与传统模铸相比,电渣重熔的凝固方式是自下而上逐层凝固,采用电渣重熔工艺生产13Cr钢,铸锭的结晶组织更加均匀致密,可以有效防止裂纹和缩孔等缺陷的产生。通过高温实验,对不同气氛水分压下,氢在气氛-熔渣-钢液中的扩散行为进行了分析研究,得到实验条件下氢扩散的数学模型。实验研究发现：电渣重熔初期,钢种氢含量主要受渣中水分的影响,难以通过气氛控制,重熔3h后渣中水分对钢中氢含量的影响大大减弱,根据氢扩散的数学模型计算,当气氛的水分压低于110 Pa,钢中氢含量将低于2×10-6。为了控制电渣炉内气氛中的水分压,论文通过数值模拟研究了保护罩结构以及供气参数对炉内气氛的影响。以计算流体动力学为理论基础,建立了数学模型的基本控制方程,对控制方程进行了离散化处理,得到了三维稳态问题的离散方程,根据电渣炉内气体流动的特点,引入Realizable k-s两方程模型、DO辐射模型以及组分传输模型,建立了大型电渣炉内保护气流动与换热的数学模型。以Fluent软件为计算工具,采用建立的数学模型对不同保护罩结构下保护气在电渣炉内流场和温度场进行了耦合模拟,模拟结果表明：相同工艺条件下,随着排气口截面尺寸的增大,空气在电渣炉内气体中所占的比例增大；随着进气口截面积的增大,空气在电渣炉内气体中所占的比例减小。在此基础上,优化设计了保护罩结构：保护罩分为上下两部分,开有三个椭圆形电极孔；上部有一个截面尺寸为200×200 mm的矩形排烟口；下部分布三个直径为160 mm的进气管道。采用本文设计的保护罩结构,对不同出口压力以及保护气流量下电渣炉内保护气的流场进行了模拟,结果表明；随着出口压力的降低,空气在炉内气体中所占的比例增大,随着保护气流量的增加,空气在炉内气体中所占的比例降低。结合氢的扩散实验结果确定了本实验条件下合理的出口压力和保护气流量分别为-20 Pa和0.07 kg/s。采用本文设计的保护罩和合理的保护气供气流量,进行了保护气氛电渣重熔工业试验,有效地控制了电渣重熔过程中氢含量的增加,提高了钢锭的质量。