有襯電渣爐熔煉

有襯電渣爐熔煉包括冶煉準(zhǔn)備、起弧造渣、熔煉和出鋼澆注等幾個(gè)階段。冶煉前要準(zhǔn)備自耗電極、散狀金屬料和渣料等原材料。與電渣重熔相比，有襯電渣爐對(duì)自耗電極的要求可明顯放寬，多由條狀廢鋼焊接而成，也可用其他冶煉設(shè)備如電爐、中頻爐等冶煉的鋼水澆注獲得；電極尺寸要與爐膛尺寸和電源功率相匹配；當(dāng)冶煉高碳鋼、鑄鐵以及銅等有色合金時(shí)可用石墨電極。造渣料以石灰為主，并可添加少量螢石和粘土磚塊調(diào)節(jié)爐渣的流動(dòng)性。造渣料使用前應(yīng)經(jīng)高溫烘烤去除水分。以CaF2為基的電渣重熔渣系不能在有襯電渣爐中使用，否則爐襯壽命很低。

造渣一般采用電弧法。以單電極為例，先將少量細(xì)車屑放于爐底導(dǎo)電電極上，再在車屑上灑蓋少量粉狀渣料，當(dāng)電極緩慢下降與車屑相碰時(shí)通電短路，車屑熔化形成空隙而產(chǎn)生電弧。隨著渣料的不斷熔化要不斷向電弧區(qū)加其余渣料，渣池逐漸形成，電弧熄滅轉(zhuǎn)入電渣過(guò)程。渣池形成后電極開始熔化便進(jìn)入正常熔煉階段。熔煉電壓、電流和渣量等工藝參數(shù)之間要合理匹配以保證電渣冶煉過(guò)程穩(wěn)定。對(duì)于500kg以下單電極爐子，渣層厚度在40～90mm之間，電壓為50～75V。電壓高時(shí)對(duì)應(yīng)渣量大，反之渣量小。電流大小根據(jù)爐子容量和熔池溫度而定。為了提高生產(chǎn)率，一般選用變壓器的最大二次電流作熔煉電流。熔煉過(guò)程用冷料調(diào)整熔池溫度，用鐵合金調(diào)整成分。當(dāng)鋼水量、成分和溫度達(dá)到要求時(shí)經(jīng)脫氧后出鋼澆注。

有襯電渣爐熔煉技術(shù)是中國(guó)于20世紀(jì)60年代初在電渣重熔法基礎(chǔ)上發(fā)明的。70～80年代在中國(guó)許多小企業(yè)得到了推廣和應(yīng)用。主要用于小型鑄鋼件的生產(chǎn)和廢料的回收。爐子噸位大多在1t以下，以幾百公斤的居多。到了70年代末和80年代初蘇聯(lián)和美國(guó)也相繼采用了該項(xiàng)技術(shù)。

有襯電渣爐熔煉設(shè)備與電渣重熔設(shè)備基本相同。主要區(qū)別是前者以用耐火材料打結(jié)的爐體代替了電渣重熔用的結(jié)晶器。其中爐體包括爐殼、爐底電極、水冷底盤、移動(dòng)臺(tái)車和傾翻機(jī)構(gòu)等。爐襯大多用鎂砂打結(jié)。一般沒(méi)有爐蓋。有襯電渣爐的電源有單相交流、三相交流和直流三種方式；電極有自耗電極和非自686耗電極兩種類型；按自耗電極數(shù)量則可分單極、雙極和三極3種。而單極方式需要爐底導(dǎo)電。

有襯電渣爐熔煉設(shè)備投資小、操作簡(jiǎn)單，是比較經(jīng)濟(jì)的冶煉方法。但由于爐子小而且沒(méi)有爐蓋，因此電耗較高。對(duì)于500kg以下的爐子，噸鋼電耗在750～1300kW·h/t之間。冶煉時(shí)間每爐為40～90min，爐襯壽命一般為幾十爐，維護(hù)較好時(shí)可超過(guò)100爐。

有襯電渣爐可以熔煉普碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、高速工具鋼、鑄鐵以及有色金屬等。鋼水由于溫度高，比較適用于精密鑄造及小型砂型鑄造，最近還用于電渣離心鑄造。有襯電渣爐也非常適合于熔煉高合金鋼廢料，如高速工具鋼車屑，可以回收大量的貴重金屬。用石墨坩堝、石墨電極可熔煉銅及銅合金。用石墨電極、鎂砂爐襯可以回收鑄鐵屑生產(chǎn)球墨球鐵。

如圖1《有襯電渣爐示意圖》所示，有襯電渣爐上，由變壓器一短網(wǎng)一自耗電極一渣池一金屬熔池一底電極和底水箱構(gòu)成的閉合導(dǎo)電回路中通以一定大小的電流時(shí)，由于液態(tài)爐渣具有一定的電阻，渣池內(nèi)產(chǎn)生渣阻熱即焦耳熱。渣阻熱將渣池自身加熱到高溫的同時(shí)，把埋入渣池中的自耗電極端部逐層熔化和加熱；而層狀熔化了的金屬沿電極端部表面向下流動(dòng)并形成金屬熔滴；當(dāng)熔滴長(zhǎng)大到一定尺寸后就從電極端部脫落穿過(guò)渣池在爐底匯成金屬熔池；由耐火材料打結(jié)的爐襯具有較好的保溫性能，渣池溫度又很高，使熔池有很高的過(guò)熱度，這樣在熔煉過(guò)程中可不斷加入塊狀或粒狀金屬料來(lái)降溫；在熔煉過(guò)程中期和末期加入鐵合金以調(diào)整成分，出鋼前可進(jìn)行扒渣和脫氧操作。

a—單相單極爐底導(dǎo)電；b—單相雙極；c—三相三極1—自耗電極；2—爐體；3—渣池；4—金屬熔池；5—爐底電極；6—短網(wǎng)；7—爐用變壓器；8—底水箱；9—散狀金屬料

有襯電渣爐熔煉的冶金特點(diǎn)是反應(yīng)溫度高，鋼一渣充分接觸，渣池強(qiáng)烈攪拌，金屬熔化過(guò)程在渣層下進(jìn)行，因而與大氣隔絕，因此，冶金反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件很好，對(duì)某些反應(yīng)的熱力學(xué)也有利。主要表現(xiàn)為脫硫效果顯著，鋼中非金屬夾雜物能充分去除。由于通常沒(méi)有氧化操作故不能脫碳和脫磷。

有襯電渣爐的冶金特點(diǎn)如下：

（1）熔煉溫度高，熔渣具有良好的精煉作用。本章第四節(jié)講到，感應(yīng)爐熔煉以金屬爐料本身的渦流作為熱源，爐渣靠金屬熔池的熱量來(lái)加熱，渣溫低，渣子流動(dòng)性不好，表面還經(jīng)常結(jié)殼。與此相反，有討電渣爐煉鋼時(shí)，熔渣溫度高于金屬液溫度，渣子流動(dòng)性好，能有效地去除非金屬夾雜物。此外，通過(guò)脫氧，可以保持熔渣中較低的氧化鐵活度，這可使得有襯電渣爐可以很方便地回收合金鋼和合金的廢舊零部件、廢材、鍛鋼或軋鋼切頭切尾、錠子冒口以及車屑等。實(shí)踐表明，盡管爐料較臟，帶氧化皮，但是獲得的金屬液純潔度仍很高。

（2）采用金屬自耗電極，不采用石墨電極熔化爐料，避免了金屬液增碳，有利于燃超低碳不銹鋼和回收低碳的高溫合金廢料。

（3）成分控制穩(wěn)定。用“新料法，，或“返回法”冶煉，只要爐料較干凈，合金元素回收率便便可常穩(wěn)定，可以不經(jīng)爐前化學(xué)成分分析而達(dá)到準(zhǔn)確的成分控制。

（4）自耗電極制備容易，操作方便，與電渣重熔相比，’電極可以采用不規(guī)則斷面，甚至選用廢鋼件。

（5）生產(chǎn)率高，電耗低。某廠選用1000kVA變壓器作為電源的三相1t有襯電渣爐，冶煉返回料時(shí)，每半小時(shí)出一爐鋼，年產(chǎn)萬(wàn)t以上，僅用一臺(tái)爐子即可滿足全廠生產(chǎn)所需。這是因?yàn)榕c電渣重熔相比，由于沒(méi)有結(jié)晶器及底水箱冷卻水熱損，而使生產(chǎn)率提高，電耗降低。

（6）設(shè)備簡(jiǎn)單，占地面積小，投資少，成本低，建廠投產(chǎn)快，適用范圍廣，因此相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)受到中小企業(yè)的青睞。

這種設(shè)備的缺點(diǎn)是：與電弧爐相比，電耗略高，同時(shí)還必須準(zhǔn)備自耗電極。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，真空熔煉技術(shù)也取得很大進(jìn)展，新的真空熔煉的爐型也不斷涌現(xiàn)。例如，真空感應(yīng)熔煉通常脫硫效果并不好，近期出現(xiàn)了真空感應(yīng)有渣熔煉，即在真空感應(yīng)熔煉過(guò)程中，造堿性熔渣。由于一般合金中都有或多或少的碳存在，這時(shí)就可發(fā)生下列脫硫反應(yīng)：(CaO) [MeS] [C]======(CaS) [Me] {CO}。

在真空熔煉條件下，由于爐氣不斷被抽出，爐內(nèi)pCO值可達(dá)到很低的水平，這對(duì)于合金的脫硫是極為有利的。工作表明，用200kg真空感應(yīng)爐重熔高硫鈷豆，造石灰螢石渣，脫硫效果達(dá)44%。真空感應(yīng)有渣熔煉，還可以抑制元素的揮發(fā)過(guò)程，這對(duì)于減少貴重元素的損失和準(zhǔn)確控制合金成分也是有利的。為克服真空電弧熔煉不能澆注成型的缺點(diǎn)，發(fā)明了真空凝殼爐。它是利用真空電弧熔煉原理，采用可以傾動(dòng)的水冷坩堝控制冷卻過(guò)程，使被熔煉金屬液在坩堝內(nèi)壁形成一薄層“凝殼”，將被熔煉金屬液和坩堝隔離，并形成相當(dāng)大的熔池，熔煉結(jié)束時(shí)快速傾轉(zhuǎn)坩堝將金屬液注入鑄模或鑄型凝固成型。凝殼爐在熔煉鈦和鈦合金方面取得了很好的冶金效果。此外，特別適用于難熔金屬提純和單晶制取的無(wú)坩堝區(qū)域熔煉，生產(chǎn)定向渦輪葉片的真空定向凝固爐，以及制備金屬間化合物(例如Ni₃Al、Ti₃Al等)用的冷坩堝懸浮熔煉等均已達(dá)到生產(chǎn)規(guī)模，正在進(jìn)一步的完善和發(fā)展之中。2100433B

根據(jù)加熱熱源的不同，真空熔煉主要可分為真空感應(yīng)熔煉，真空電弧熔煉，電子束熔煉等3種。

真空熔煉真空感應(yīng)熔煉

將金屬爐料放入置于線圈中的坩堝內(nèi)，當(dāng)線圈接通交流電源時(shí)，在線圈中間產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，爐料中即產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。由于金屬爐料本身形成一閉合回路，所以在爐料中同時(shí)產(chǎn)生了感應(yīng)電流，即渦流，爐料靠渦流加熱和熔化。利用這個(gè)原理進(jìn)行熔煉的方法稱為感應(yīng)熔煉。而處于真空條件下的感應(yīng)熔煉則為真空感應(yīng)熔煉。真空感應(yīng)熔煉能夠嚴(yán)格控制合金中活潑元素如鋁、鈦等的含量，可以有效地去除合金中的氣體和非金屬夾雜物以及有色金屬雜質(zhì)，提高合金的純凈度。但真空感應(yīng)熔煉存在著坩堝耐火材料對(duì)金屬液的沾污問(wèn)題，且通常采用鋼錠模澆注，鋼錠結(jié)晶組織與普通熔煉的鑄錠組織比較并無(wú)改善。真空感應(yīng)熔煉主要用來(lái)熔煉高溫合金、精密合金及特殊鋼材料，其主要產(chǎn)品是鑄錠、精密鑄件和雙聯(lián)熔煉用的電極母材。

真空熔煉真空電弧熔煉

在真空條件下利用電弧來(lái)加熱和熔煉金屬的熔煉方法。這種熔煉方法所使用的電極有自耗電極和非自耗電極兩種。自耗電極是由被熔煉材料(即爐料)制成，在熔煉過(guò)程中它逐漸消耗;而非自耗電極系利用鎢等高熔點(diǎn)材料制成，在爐料熔煉過(guò)程中它基本上不消耗。采用自耗電極的真空電弧爐稱自耗電極電弧爐，簡(jiǎn)稱自耗爐;采用非自耗電極的真空電弧爐稱非自耗電極電弧爐，簡(jiǎn)稱非自耗爐。非自耗電極熔煉已較少使用，而自耗電極熔煉大量應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中，成為二次重熔的主要手段之一。真空電弧熔煉的坩堝一般用銅制成，外面用水冷卻，稱為水冷銅結(jié)晶器。熔煉時(shí)，可以將自耗電極(被熔煉材料)接負(fù)極，水冷銅結(jié)晶器接正極，通電后兩極間產(chǎn)生弧光放電，將電能轉(zhuǎn)變成熱能，產(chǎn)生高溫使材料熔化。熔煉過(guò)程中液態(tài)金屬熔滴通過(guò)高溫弧區(qū)后落入金屬熔池，并在水冷銅結(jié)晶器內(nèi)凝固成錠。通過(guò)金屬液與氣相間以及熔池內(nèi)發(fā)生的一系列物理化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到提高金屬的純凈度，改善其結(jié)晶組織和性能的目的。真空電弧熔煉不受大氣、耐火材料和鑄模等的沾污;可以去除鋼及合金中的氣體和有害金屬雜質(zhì);熔煉中夾雜物也可上浮去除一部分，并可改善夾雜物在合金中的分布及形態(tài);水冷銅結(jié)晶器中的鋼錠鑄態(tài)組織比普通鑄錠為好。但真空電弧熔煉需預(yù)制電極，且鋼錠表面較差。真空電弧熔煉可用來(lái)熔煉鈦、鋯、鎢、鉬等活潑金屬、難熔金屬以及它們的合金，也可用來(lái)熔煉高溫合金及有特殊用途的鋼和合金。

真空熔煉電子束熔煉

在高真空環(huán)境中，將陰極材料(通常選用難熔金屬如鎢等)加熱至高溫后，在高壓直流電作用下發(fā)射電子，用磁透鏡聚集成電子束，并在陽(yáng)極的加速下，以高速射向陽(yáng)極(做成電極的被熔物料相當(dāng)于陽(yáng)極)，當(dāng)高速的電子束射到電極表面碰撞時(shí)，由動(dòng)能轉(zhuǎn)變成的熱能將被熔物料熔化。它不僅能熔化電極，而且有一部分能量可以用來(lái)加熱金屬液面，使熔池保持必要的溫度和時(shí)間，以利于金屬的精煉。最后金屬液在水冷結(jié)晶器中凝固成錠。電子束熔煉也稱電子轟擊爐熔煉。電子束熔煉具有突出的優(yōu)點(diǎn)：工作真空度高(約10-～10-Pa)，非常有利于去除氣體、非金屬夾雜物及金屬雜質(zhì);熔煉溫度高，冶金反應(yīng)充分，能熔煉任何難熔金屬;金屬熔滴匯聚在水冷結(jié)晶器內(nèi)，可以有效地控制熔池溫度和冷凝速度，有利于獲得良好的金屬錠組織。電子束熔煉的應(yīng)用范圍已從難熔金屬擴(kuò)展到高溫合金、精密合金、半導(dǎo)體材料和一些具有特殊用途鋼種的熔煉。只是由于其設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建設(shè)投資昂貴等原因限制了它的發(fā)展規(guī)模。