有襯電渣爐熔煉特點

有襯電渣爐的冶金特點如下：

（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加熱，渣溫低，渣子流動性不好，表面還經(jīng)常結(jié)殼。與此相反，有討電渣爐煉鋼時，熔渣溫度高于金屬液溫度，渣子流動性好，能有效地去除非金屬夾雜物。此外，通過脫氧，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)成分分析而達到準確的成分控制。

（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，每半小時出一爐鋼，年產(chǎn)萬t以上，僅用一臺爐子即可滿足全廠生產(chǎn)所需。這是因為與電渣重熔相比，由于沒有結(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，因此相當一段時間內(nèi)受到中小企業(yè)的青睞。

這種設(shè)備的缺點是：與電弧爐相比，電耗略高，同時還必須準備自耗電極。

有襯電渣爐熔煉包括冶煉準備、起弧造渣、熔煉和出鋼澆注等幾個階段。冶煉前要準備自耗電極、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；當冶煉高碳鋼、鑄鐵以及銅等有色合金時可用石墨電極。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，當電極緩慢下降與車屑相碰時通電短路，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)入電渣過程。渣池形成后電極開始熔化便進入正常熔煉階段。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程穩(wěn)定。對于500kg以下單電極爐子，渣層厚度在40～90mm之間，電壓為50～75V。電壓高時對應(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。熔煉過程用冷料調(diào)整熔池溫度，用鐵合金調(diào)整成分。當鋼水量、成分和溫度達到要求時經(jīng)脫氧后出鋼澆注。

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、移動臺車和傾翻機構(gòu)等。爐襯大多用鎂砂打結(jié)。一般沒有爐蓋。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。

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，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，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并形成金屬熔滴；當熔滴長大到一定尺寸后就從電極端部脫落穿過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，使熔池有很高的過熱度，這樣在熔煉過程中可不斷加入塊狀或粒狀金屬料來降溫；在熔煉過程中期和末期加入鐵合金以調(diào)整成分，出鋼前可進行扒渣和脫氧操作。

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是反應(yīng)溫度高，鋼一渣充分接觸，渣池強烈攪拌，金屬熔化過程在渣層下進行，因而與大氣隔絕，因此，冶金反應(yīng)的動力學(xué)條件很好，對某些反應(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。由于通常沒有氧化操作故不能脫碳和脫磷。

有襯電渣爐熔煉技術(shù)是中國于20世紀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)和美國也相繼采用了該項技術(shù)。

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。

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

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，真空熔煉技術(shù)也取得很大進展，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值可達到很低的水平，這對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44%。真空感應(yīng)有渣熔煉，還可以抑制元素的揮發(fā)過程，這對于減少貴重元素的損失和準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，發(fā)明了真空凝殼爐。它是利用真空電弧熔煉原理，采用可以傾動的水冷坩堝控制冷卻過程，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，并形成相當大的熔池，熔煉結(jié)束時快速傾轉(zhuǎn)坩堝將金屬液注入鑄?；蜩T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到生產(chǎn)規(guī)模，正在進一步的完善和發(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)，當線圈接通交流電源時，在線圈中間產(chǎn)生交變磁場，爐料中即產(chǎn)生感應(yīng)電勢。由于金屬爐料本身形成一閉合回路，所以在爐料中同時產(chǎn)生了感應(yīng)電流，即渦流，爐料靠渦流加熱和熔化。利用這個原理進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金屬液的沾污問題，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改善。真空感應(yīng)熔煉主要用來熔煉高溫合金、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，在熔煉過程中它逐漸消耗;而非自耗電極系利用鎢等高熔點材料制成，在爐料熔煉過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，可以將自耗電極(被熔煉材料)接負極，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。熔煉過程中液態(tài)金屬熔滴通過高溫弧區(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，并在陽極的加速下，以高速射向陽極(做成電極的被熔物料相當于陽極)，當高速的電子束射到電極表面碰撞時，由動能轉(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加熱金屬液面，使熔池保持必要的溫度和時間，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：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。