电渣教案专题知识省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

电渣重熔工艺和理论知识电渣重熔工艺和理论知识 ESRESR techniques and theoretical knowledge techniques and theoretical knowledge第1页n一、电渣重熔基础理论知识一、电渣重熔基础理论知识n1、概述、概述n电渣冶金起源于美国，一九四年霍普金斯取得了创造专利。一九五八年，苏联德聂泊尔特钢厂工业电渣炉建成，当代电渣冶金开始进入工业化进程。六十年代中期，因为航空、航天、电子、原子能等工业发展，电渣重熔在苏联、西欧、美国取得较快发展，生产品种包含：优质合金钢、高温合金、精密合金、耐蚀合金以及铝、铜、钛、银等有色金属合金。我国是世界上电渣冶金起步较早国家之一，一九六年，重庆特殊钢厂、大冶特殊钢厂，大连钢厂及上钢五厂电渣炉先后建成投产。紧随其后齐齐哈尔钢厂、抚顺钢厂等工业电渣炉相继建成投产。五十多年来，我国电渣冶金一直保持着旺盛发展趋势。伴随我国科学技术突飞猛进发展，航天航海、汽车制造、石油化工、电站建设、核设施、机械制造等很多行业，以及军工事业发展、列车提速等许多领域越来越发第2页n挥着电渣钢作用。当前最大一座是原上海重型机器厂电渣炉，重熔钢锭重达200t，现在又筹建450t大型电渣炉。，我国电渣重熔钢生产能力已超出170万t。50多年来国内外电渣冶金取得了突飞猛进发展，新工艺、新技术层出不穷，形成了一个跨专业、跨行业新学科。n2、当代炼钢方法n转炉，电弧炉，电渣重熔炉，真空感应炉，真空自耗炉（电弧重熔炉），电子束重熔炉（EBR）等。电渣重熔是一个炼钢方法，而不是炉外精炼。n炉外精炼方法有LF,VD,VOD,VAD,RH等。n3、电渣重熔炉类型n3.1按工艺特点分：普通电渣重熔炉，电渣熔铸炉，加压电渣炉,保护气氛（可控气氛）电渣炉，连铸式电渣炉，电渣离心浇注炉，电渣热封顶等。第3页n可控气氛电渣重熔技术。电渣重熔通常在大气下进行，重熔合金中氧含量，取决于主要脱氧元素浓度和该脱氧元素氧化物在渣中活度。另外，渣池上氧分压或多或少也会产生一定影响。过去通常采取往渣池中加入脱氧剂方法对熔渣连续脱氧，不过这会造成熔渣成份改变。伴随钢种发展和质量要求不停提升，出现了不一样气氛电渣重熔技术。当前，可控气氛电渣炉主要有几个形式：惰性气体保护，其主要目标是预防重熔过程钢中活泼金属被氧化，主要采取氩气保护或氮气保护；干燥空气保护电渣炉，适合于重熔对氢比较敏感钢种，尤其是大型钢锭。n 新型保护性气氛电渣炉使用是气密型惰性气体保护罩，从电极料杆到结晶器上口用一个完全致密不锈钢金属罩封闭，密封效果很好。惰性气体能够在气密罩内积蓄并形成一定压力，既预防重熔过程中电渣钢增氢，也预防大气对金属电极和渣池氧化。同时，电渣锭头尾化学成份均 匀 性，也 大 大 优 于 普 通 电 渣 炉 生 产 电 渣第4页n锭，包含重熔含铝、钛钢在内，电渣锭头尾铝、钛等化学成份偏差极小。n加压电渣炉，主要用于生产高氮钢，产品中氮含量可达1.0%以上。n高效节能电渣连铸设备。传统电渣重熔采取一次重熔一个钢锭间歇式生产方式，生产效率低，且钢锭在后步铸造或初轧开坯过程中钢锭头尾去除量较大，钢成材率低。另外，传统电渣重熔电极熔化速度受到很大限制，生产成本较高。为此，奥地利因泰克企业开发了快速电渣技术，铸坯表面质量和内部质量良好。自起，我国也进行了电渣连铸技术开发研究，采取双极串联、交换电极、液面检测与控制、连续拉坯及在线切割等技术。n电渣热封顶设备是普通电渣炉。将常规冶炼钢水浇入钢锭模后，在锭模上方安装特制冒口，加入渣料，插入电极即可开始电渣加热保温过程。冶金效果可归纳为三点：(1)节约金属，提升金属收得率。因使钢锭或铸件在凝固过程中收缩不停得到补充，消除了中心疏松第5页n和缩孔缺点，降低了废品率。同时因为确保了冒口最终凝固，能够减小冒口体积，降低了金属消耗。比如浇铸9t重涡轮机叶片，采取电渣热封顶技术能够使冒口金属消耗降低88。(2)提升钢锭中心化学成份均匀性和钢纯净度。因为钢锭顶部存在热源，防止了普通钢锭凝固过程出现“结晶雨”现象，消除了钢锭下部负偏析锥。当在电渣热封顶过程中采取金属自耗电极时，电极熔化金属不停进入钢锭中心液相区，使因为选分结晶造成中心溶质元素富集得到稀释，钢锭中心偏析减轻。富集到钢锭中心非金属夹杂物，随金属液流动与钢锭顶部高温渣池接触，进行反应进入渣池，从而又降低了钢锭中非金属夹杂物。(3)改进了钢锭中心凝固质量。因为钢锭顶部存在高温热源，同时熔化电极金属熔滴也从上到下向钢锭中液体传热，改变了钢锭凝固时热状态，使钢锭实现了从下到上定向凝固。另外热状态改变，也影响了金属结晶速度和凝固前沿温度梯度，使之与普通钢锭相比晶粒尺寸减小，凝固组织致密。经过改变电渣热封顶工艺参数，控制向钢锭输入功率，能够改变第6页n金属结晶形态，得到所需要凝固组织。n 3.23.2按生产方式分按生产方式分：双臂交替电渣炉，单臂单（熔）位电渣炉，单臂双工（熔）位电渣炉。n 3.33.3按调压方式分按调压方式分：有载有极调压电渣炉，有载无极调压电渣炉。n 3.43.4按控制方式分按控制方式分：恒功率控制电渣炉，恒熔速控制电渣炉，电压摆动控制电渣炉。n 3.53.5按结晶器形式分按结晶器形式分：结晶器固定式电渣炉，结晶器移动式电渣炉，钢锭下拉式电渣炉。n 尤其在高速钢冶炼上，为了使高速工具钢在电渣重熔时内部质量均匀，尤其是微细碳化物分布，电渣重熔钢锭断面必须小，所以普通采取结晶器固定式熔炼。但这种方式操作周期长，生产率很低。为了长时间连续熔炼，采取钢锭下拉方式，装备有两个交替使用重熔电极支臂、钢锭下拉装置、切断装置、运输台车、液面监控设备和预防结晶器熔损结晶器移动装置。第7页n 采取这种新电渣重熔技术，能够实现小断面钢锭长时间稳定熔炼，能够改进钢材质量，生产率可提升50左右，钢锭成品率提升了5以上。n 3.63.6按布置形式分按布置形式分：地坑式电渣炉，台架式电渣炉。n 3.73.7按供电方式分按供电方式分：单相电渣炉，两相电渣炉，三相电渣炉，双级串联电渣炉。n 双极串联供电，能够降低回路感应，提升电功率因数；采取三相电源，有利于外网电压平衡；用小截面电极重熔大钢锭，有利于控制电极成份偏析；采取抽锭操作，能用短结晶器重熔长钢锭。n n 4 4、电渣炉结构、电渣炉结构 n 分成以下几个部分：电源变压器；电极升降机构；电气控制及测量仪表；结晶器和底水箱；电极。n 4 4.1 1电源变压器电源变压器n 高压电器控制采取真空开关柜，含有齐全电压、电流、功率及电度检测计量及继电保护，设置氧化锌避雷第8页n器吸收操作过电压，并设有分合闸式整流电源。n 高压供电：10KV/6KVn 高压保护：n 一次接地；一次欠压；n 一次过流；二次过流；n 变压器重瓦斯；n 变压器轻瓦斯；n 变压器油温高；n 变压器冷却故障等。n 电渣炉变压器能够是单相变压器，也可是三相变压器。当前最小吨位电渣炉多采取单相变压器，大吨位电渣炉多采取三相变压器。不论单相或三相变压器电力曲线都应是硬特征，即在冶炼过程中变压器输出电压不随冶炼电流而改变。变压器容量大小，主要视重熔钢锭截面积（即结晶器横截面积）而定。n 从变压器冷却方式上，由原来强制油循环冷却，发展为干式风冷。伴随铁芯材料质量提升，变压器发烧第9页n现象显著减弱，自冷式变压器将成为电渣炉用变压器发展方向。西安变压器厂为山东一企业制造40t 电渣炉用6000 KVA大型变压器就是采取自行冷却方式冷却。其主要缺点是为了增大散热面积，变压器体积较大。n 对于变压器安装位置，在确保安全条件下应尽可能离电渣炉近一些，以缩短导线，降低网络感抗及电压降。n 4 4.2 2电极升降机构电极升降机构n 电渣炉电极升降机构通常有：丝杆传动；钢丝绳传动；液压式传动。n 当前发展，在传动机构方面：已由滚珠丝杠、精密球型丝杠及液压传动取代了钢丝绳及梯型丝杠，使支臂及托锭承重小车升降愈加灵活、平稳、准确。另外，立柱旋转取代了支臂旋转，不但处理了支臂旋转巨大齿轮制造及安装方面困难，而且降低了零部件重量，所占空间及造价，转动愈加灵活，设备外观给人以简练明快之感。第10页n 电极升降机构主要问题是电极给送速度，电极给送速度关系着供电制度和温度改变。为了适应熔化速度要求，电极给送速度应该能够大幅度调整和灵敏控制。为了缩短辅助时间和换电极停电时间，要求有较高非工作提升速度。从当前生产实践经验上看，上述两种速度大致范围以下：电极给送速度560mm/min；非工作提升速度24m/min。n 为了适应这种要求，在电极升降机构上采取以下几个传动方式：n a.手动传动：适合于100kg以下小型电渣炉。n b.单电动机传动：单电动机传动为了适应调整速度要求都采取直流电动机，这种电动机能够无级调整。只适合用于0.5t以下电渣炉。n c.双电动机传动：双电动机传动，即高速采取交流电动机，低速采取交（直）流电动机，以满足电极给送速度和非工作提升速度要求。这种传动方式，两个单动机同时装入一套轮系驱动从动轴。第11页n 连接方式有：离合器传动、行星齿轮传动、差动齿轮传动三种。n 电极升降采取丝杆传动，传动平稳、精度高。为适应熔化速度要求，缩短辅助时间，变速箱采取双行星齿轮差动式变速器，双电机输入，能够满足电极快速提升，快速下降和慢速冶炼要求。为确保电极升降自锁、差动减速器，除采取双行星及双蜗轮蜗杆外，电机采取电制动型。立柱用无缝钢管及方钢焊制。横臂为铜钢复合式导电横臂，升降为台车式结构，经过六对导轮上下移动，灵活可靠。为减轻传动部分负荷在立柱心部配有平衡锤，以平衡自耗电极和横臂重量。丝杠装有保护套和自动调心装置预防灰尘进入，并自动调整丝杠间隙。n 4 4.3 3短网短网n 即大电流线路，对电渣炉来说，由变压器二次侧至电极夹头，和至底水箱之间，连接缆、铜排、电铜管和低压电流互感器等组成。n n 短网特点：因为大电流线路中经过强大电流，在电第12页n渣炉附近空间会形成一个强大交变磁场，磁场内钢铁构件，甚至混凝土中钢筋都要产生涡流发烧，即增加了网路电能损耗，又有损于结构件强度。n 为了降低电抗造成电能损失，消除散磁、降低电流搅拌作用，预防出现点状偏析，该电渣炉采取计算机化最正确设计低阻抗节能型短网。为减小大电流线路阻抗值，两相之间布置尽可能靠近，抵消磁作用，并采取同轴设计（同轴导电立柱、同轴电缆）及大截面水冷电缆供电。n 在电极升降臂前端为电极夹紧装置，通常是水冷铜夹头。n 电极夹头作用主要是：1）传导电流，把软电缆传来很大电流传到电极上；2）夹持作用，把很重电极夹住；电极夹头能够用手工夹紧，也能够用机械夹紧。n 电极夹头是在很恶劣条件下工作，它受高温炉气加热和电流流过时本身发出电阻热作用。所以对夹头材料要求是耐高温、抗氧化、电阻小，有足够强度。第13页n也就是说：电极夹头必须和电极保持良好接触，以降低电耗和本身产生电阻热，并有足够强度卡住电极确保在重熔时不掉下来。n 为了确保电极和夹头接触良好，能够采取辅助电极。辅助电极通惯用低碳素钢制成。辅助电极除确保夹头和电极接触良好外，还起确保重熔电极全部熔化作用。n 电极夹紧装置采取弹簧压紧，液压或气动松放，电极夹头采取水冷烙铜夹头。耐高温、抗氧化、电阻小、强度高、寿命长。电极夹头可旋转调整，以确保电极与立柱平行。4 4.4 4低压电器控制低压电器控制n 采取可编程控制器（PLC）进行电器控制，采取SIEMENSPLC，对FRN G-11S日本富士企业生产变频器实现交流电机无级调速。n 4 4.5 5电极升降系统电极升降系统 n a.快速和慢速升降；n 第14页 b.手动和自动操作升降；n 采取差动式变速器，快速用交流电机实现快升快降，慢速采取变频调速电机，自动升降，也可手动操作。n c.室内和炉前可两地操作。4 4.6 6结晶器结晶器n 能够是钢制，也能够是铜制。n 钢制结晶器比较廉价，但导热性差，常发生粘锭现象，寿命较低，维修费用大。n 铜制结晶器价格比较昂贵，但寿命高，采取铜制结晶器实际上比钢制结晶器合算。n 结晶器结构有焊接结构和装配结构。n 伴随结晶器尺寸增加，给结晶器焊接也带来困难。为节约铜板，采取内套铜制外套钢制。为了处理铜钢焊接困难，采取装配式结构。从使用效果来看内筒铜制外套钢制装配式结晶器很好，其使用寿命较高。这种结晶器因为采取螺栓连接防止在重熔过程中，因为内外套膨胀收缩不不一致，引发焊缝裂纹而产生漏水可能性。第15页n 4 4.7 7冷却水冷却水n 冷却水质要求应符合GB10067.7-88中第5.1.33条要求。n PH值 7-8.5n 悬浮性固体 10mg/Ln 碱度 60mg/Ln 氯离子 60mg/L(平均)n 220mg(最多)n 硫酸粒子 100mg/Ln 全铁 2mg/Ln 可溶性SiO2 6mg/Ln 溶解性固体 300mg/Ln 电导率 500s/Ln 总硬度CaO(mg当量)对带电体10 n 对不带电体60n 第16页 5 5、电渣重熔安全操作知识电渣重熔安全操作知识n 电渣重熔主要操作事故，与重熔过程中使用水冷件相关。假如水从熔渣或金属表面流过而不倒出它们情况下，也不会有多大危害，不过，少许水流人熔钢或熔渣层下面，就会发生破坏性爆炸危害。结晶器、底水箱、卡头和水冷电缆都是漏水源。结晶器和底水箱在使用中偶然可能破袭，这可能由机械、或电破坏、或密封失败而造成。即使如此，也极少发生爆炸，不过这种危险总是存在，所以，主张操作者穿劳保服，尤其是操作者向炉内观察时，要保护好面部和眼睛。所以，如有可能话，在观察熔炼时，最好使用潜望镜(或一个小镜子)，或经过电视以确保绝对安全。在整个熔炼过程中，操作人员要戴上色镜来保护眼睛，因为色镜能抑制来自渣池闪烁，这种色镜要比常规炼钢色镜暗一些，因为渣温度大约在1800左右。n因为冷凝作用，结晶器表面有冷凝水产生危险，未处理渣材料中也含有水，所以，都不得忽略。确保供水第17页n需求，但有时可能出现某个供水件没有打开人为错误。假如熔炼中发生断水情况，操作者应及时打开备用水源，仍无法供水，这时操作者应马上停炉，并从自由水源用软管提供冷却，耽搁供水可引发严重问题。对于已过热件千万不要强制供水，因为当新供水流到一个已过热件上时，易引发严重爆炸事故。水集中在热渣表面，不可能引发严重问题。不过，假如在凝固产生渣帽收缩之后，水就有可能进入渣帽和结晶器壁之间间隙中，那么爆炸性蒸发就能发生。以上情况发生经常先于高水温报警动作，或先于蒸汽冒出，所以，要亲密注意那样报警信号，不理会报警信号，或忽略安全连锁，往往会发生不幸后果。n 在短结晶器操作中，座炉前要认真检验结晶器底法兰焊缝、内腔纵焊缝是否渗水，如有应进行修理或更换，不然会引发爆炸。刚起弧加渣料时要均匀加入不能停留，不然会因渣阻小产生大电流而熔漏底水箱爆炸。发觉结晶器内渣液面翻动，这是因为结晶器内焊缝漏水形成，要及时切断高压并将电极提起，通知人员远离炉前，预防爆炸第18页n烫伤人。n 电渣重熔采取低电压，不存在大危险，不过变压器室内电压高，所以，通常要求注意。电渣炉设备传动系统是液压传动，一定要注意液压介质泄漏问题，假如是易燃介质，在冶炼过程中泄漏极易造成火灾。所以，为了安全起见，可选取不易燃烧液压介质做为传动介质，这么就可防止火灾事故发生。n 电渣重熔可能出现主要危险是因为工艺看上去很好掌握，可能产生自满情绪。倘若采取预防办法，主动维护，就不会发生任何问题。n 6 6、电渣重熔现实状况及发展趋势电渣重熔现实状况及发展趋势n 从趋势上看，新建电渣炉向着钢锭大型化方向发展。八十年代，绝大多数厂家电渣炉都在3t以下，而近三十年来10t以上电渣炉已相当普遍。就连山东民营企业也建起了40t电渣炉。一九七九年，齐齐哈尔钢厂从西德莱保尔德海拉第19页n斯企业，引进第一台10t单相、单支臂、双熔位、保护性气氛电渣炉。之后近时间里，没有厂家再从国外引进电渣炉。九十年代末期以来，邢台轧辊厂、内蒙二机及上钢五厂先后从美国康萨克企业引进了四台20t电渣炉。后，引进电渣炉数量愈加增多。伴随引进电渣炉数量增加，国外电渣炉一些先进技术也逐步被移植。重力传感器使用为电子称重系统应用以及计算机控制熔化速率提供了必要条件。从我国电渣炉发展情况看，控制系统已由简单自耦，甚至手动控制，发展为可控硅或PLC控制，部分厂家采取了计算机控制。不过因为我国在冶炼工艺与计算机结合方面存在着微弱步骤，当前很多厂家计算机控制实质上还是停留在普通冶炼过程控制上。真正意义上计算机控制应该是在控制冶炼过程同时，控制熔化速率及熔池深度和形状。在传动机构方面，已由精密球型丝杠及液压传动取代了钢丝绳及梯型丝杠，使支臂及托锭承重小车升降愈加灵活、平稳、准确。另外，立柱旋转取代了支臂旋转，不第20页n仅处理了支臂旋转巨大齿轮制造及安装方面困难，而且降低了零部件重量，所占空间及造价，转动愈加灵活，设备外观给人以简练明快之感。变压器由过去冶炼过程中，必须断电换档无载有级调压，发展为不需断电即可调整冶炼电压有载有级和有载无级变压器，有载无级变压器能够在带有负载，即在冶炼过程中，不需断电就可把电压调整到任何所需位置。有载无级调压变压器出现，为实现真正意义上计算机控制提供了必要条件。从变压器冷却方式上，由原来强制油循环冷却，发展为干式风冷。伴随铁芯材料质量提升，变压器发烧现象显著减弱，自冷式变压器将成为电渣炉用变压器发展方向。西安变压器厂为山东一企业制造 40t 电渣炉，用 6000KVA 大型变压器就是采取自行冷却方式冷却。其主要缺点是为了增大散热面积，变压器体积较大。为了降低电抗造成电能损失，消除散磁、降低电流搅拌作用，预防出现点状偏析，同轴设计电路（同轴导电立柱、同轴电缆）将会成为电渣炉今后发展方向，到第21页n当前为止，国内引进近十台电渣炉全部采取同轴设计电路。另外，二次环路中经过强大电流，在电渣炉附近空间会形成一个强大交变磁场，磁场内钢铁构件，甚至混凝土中钢筋都要产生涡流发烧，即增加了网路电能损耗，又有损于结构件强度。这一点应该成为新型电渣炉设计必须考虑问题。从国内电渣钢产量及生产能力方面，也展现出迅猛发展态势。仅东北特钢就成为拥有 30 台电渣炉，形成年产 8.5-9 万t电渣钢生产能力。当前，已形成年产3.5万t以上电渣钢生产能力厂家有抚顺特钢、北满特钢、大冶特钢和西宁特钢。我国是电渣冶金起步较早国家，属于电渣冶金技术先进国家。不过在采取电渣熔铸、电渣浇注、电渣热封顶、电渣离心浇注、电渣复合熔铸、快速电渣重熔等新技术方面普及面不宽，甚至在一些领域近乎处于空白状态。我国在电渣熔铸异形件方面工作开展较早，很多厂家第22页n及院所在六、七十年代就对曲轴、炮管、飞机发动机涡轮盘、轧辊、模块等异形件进行过研制，不过电渣熔铸异形件这项技术一直没有真正发展起来。当前，实现工业化生产含有代表性有西宁特钢电渣熔铸轧辊、模块；沈阳铸造研究所大型电站用水轮机叶片、挖掘机复合斗齿、气压机连杆；成都冶金硬面技术加工厂供无缝管生产用复合穿孔顶头等。第23页 二二、电渣重熔原理及工艺电渣重熔原理及工艺n n 1 1、电渣重熔基本原理电渣重熔基本原理n 1 1.1 1什么是电渣重熔什么是电渣重熔n 电渣重熔是利用电流经过熔渣时产生电阻热作为热源将电极熔化，溶化金属汇聚成滴，穿过渣层进入金属熔池，在水冷结晶器内凝固成铸件方法称为电渣重熔。n 1 1.2 2工艺特点工艺特点n 在铜制水冷结晶器内盛有熔融炉渣，自耗电极一端插入熔渣内。自耗电极、渣池、金属熔池、钢锭、底水箱经过短网导线和变压器形成回路。在通电过程中，渣池放出焦耳热，将自耗电极端头逐步熔化，熔融金属汇聚成液滴，穿过渣池，落入结晶器，形成金属熔池，受水冷作用，快速凝固形成钢锭。在电极端头液滴形成阶段，以及液滴穿过渣池滴落阶段，钢渣充分接触，钢中非金属夹杂物为炉渣所吸收。钢中有害元素（硫、铅、锑、铋、第24页n锡）经过钢-渣反应和高温气化比较有效地去除。液态金属在渣池覆盖下，基本上防止了再氧化。n 1 1.3 3电渣重熔冶金特点电渣重熔冶金特点n 1 1.3 3.1 1反应温度高反应温度高n 电渣重熔过程渣池温度对精炼提纯效果、电极溶化率、金属熔池形状、铸件成型和结晶有决定性影响。n 普通渣池表面层温度在1750左右，渣池最高温度区温度达1900左右。电渣重熔惯用渣系CaF270Al2O330熔点13201340，普通钢熔点在14001500之间，所以在重熔过程，渣过热600左右，钢液过热450左右，无疑渣池温度是促进一系列物理化学反应前提条件。n 1 1.3 3.2 2钢渣充分接触钢渣充分接触n 电渣过程液态金属和熔渣充分接触发生在三个阶段：n （1）电极溶化末端：自耗电极端头，在熔渣内受熔渣电阻热，电极表面逐层熔化，熔化金属沿锥头形成薄第25页n膜，金属细流沿锥面滑移，在端头汇聚成滴。金属流内可能产生湍流，不停更新表面。n （2）金属熔滴滴落：电极端头金属滴在重力和电磁引缩效应作用下，脱离电极滴落，穿过液态熔池，过渡到金属熔池。滴内金属可能产生环流。n （3）金属熔池：金属熔池上表面一直在渣层下，和熔渣长时间相接触。n 1 1.3 3.3 3渣池强烈搅拌渣池强烈搅拌n 在电渣重熔过程中渣池被强烈搅拌，引发搅拌原因是：n （1）电动力作用：电极端头呈锥状，因为导电截面改变，产生轴向导电力。如电弧焊接操作时电动力克服了熔滴重量，把熔滴吹响焊缝。n （2）电磁引缩效应力：电流经过渣池，按右手定则产生自感磁场，电流经过磁场，按左手定则产生向心方向电磁力。n （3）重力作用：金属熔滴受重力作用，在渣池中滴第26页n落，因为熔滴和熔渣之间存在附着力、摩擦力、必定带动渣池运动。n （4）渣对流：因为渣池不一样部位温度不一样，造成不一样比重，如CaF270Al2O330渣，渣温由1700升到1900，比重（g）减轻23。又因为有不一样比重，所以比重较小渣浮升，比重较大渣就下沉，从而促使渣池产生对流。n （5）气体逸出和膨胀产生推力：在电渣重熔过程中，当钢中气体由金属熔池进入渣池逸出时，通常认为有一沸腾过程。这一过程必定促使渣池膨胀产生推力，加剧渣池搅拌。n 1 1.3 3.4 4电毛细振荡电毛细振荡n 当交流电经过液态金属与液态炉渣分界面时，金属炉渣界面发生强烈振荡，称为电毛细效应。这是因为交流电经过液体界面，引发极性交流，伴随两个相界面上电位差改变，相界面张力发生猛烈改变。这种相界张力不停交替增加或降低激起相界面猛烈振荡。第27页n1 1.4 4非金属夹杂物去除非金属夹杂物去除n 电渣重熔去除钢中非金属夹杂物，主要发生在电极溶化末端熔滴形成过程中。这一论断其理由是：n （1）自耗电极沿表面逐层溶化，沿锥面形成薄膜厚度远比熔滴半径及金属熔池深度小，其钢渣接触面积又较熔滴为大，而且在逐步溶化过程中，任何部分夹杂物都可能和熔渣接触，和渣进行反应。在电极溶化末端熔滴形成过程钢渣接触面积最大，达3218mm2/g。n （2）自耗电极因为溶化端头呈锥形，其尖端在熔滴形成末端，因为电磁引缩效应，在端头形成缩颈，所以端头电流密度最大，有尖端放电特征，能够构想这个区域温度最高。n （3）电极溶化末端熔滴形成时间较熔滴滴落时间为长，约为1.41倍。尽管不如金属熔池存在时间长，但从动力学观点出发，将接触面积和作用时间综合考虑，电极溶化端头熔滴形成过程依然是夹杂物去除最有利过程。n （4）电极溶化末端熔滴形成过程是最先和熔渣接触并第28页n发生反应部分，钢中原始夹杂物含量最高，无疑可大量去除夹杂。n电极溶化锥头液态薄膜层内，金属沿锥头向下流动，钢液中非金属夹杂物，一方面由于紊流扩散由钢液内部向外层钢渣界面转移；其次受到浮力作用，夹杂物上浮，部分抵消了扩散作用。所以不是钢中全部非金属夹杂物都能与炉渣接触，这样就影响了去夹杂效果，构成过程中限制环节。研究发现，液态金属熔滴在渣池内下落过程中，钢中非金属夹杂物不停被渣所吸收，所经过路径越长，夹杂物被渣吸收越多。但夹杂物浓度不减小到零，而是按衰减定律递减，小尺寸熔滴去除非金属夹杂物效果比大尺寸熔滴强，这是由于熔滴内部涡流作用促使夹杂物运动到钢界面而被炉渣所吸收之。n乌克兰学者指出，电渣重熔钢中原始夹杂物去除是很彻底，重熔后钢中夹杂物主要是新生成夹杂物。这是由于，在金属熔池冷却及结晶过程中随着温度降低钢中氧溶解度减小，过饱和氧析出并与钢中合金元素作用形成新生夹杂物，一部分先生成大颗粒夹杂物经过浮升进入渣第29页n中，一些细小及后生成夹杂物往往残余于钢中。n 总而言之可得出以下结论：n （1）电渣重熔去除钢中非金属夹杂物主要发生在电极端头，而金属熔滴滴落过程渣洗以及夹杂物自金属熔池浮升，都含有去除夹杂作用，但不是主要路径。n （2）电渣重熔过程中炉渣吸收钢中夹杂物可视为自发过程，而夹杂物由钢液内部向钢渣界面转移组成限制性步骤。n （3）电渣重熔后钢中残余夹杂物相当一部分是金属熔池冷却及凝固过程二次氧化形成新生夹杂物，它析出和分布与结晶条件相关。n 1 1.5 5去硫反应去硫反应n 硫是钢和合金中有害夹杂之一。当硫含量较高时，它会使钢和合金产生热脆，显著降低耐热强度，并使可焊性变坏。普通要求钢和合金中硫含量在0.0050.010范围内。然而，有时因为特殊需要，有意添加硫，其含量为0.150.20，制成易切削钢，在这种情况下，则要求电第30页n渣保持一定含量硫。n 同普通炼钢方法比较，电渣重熔最主要优点之一是能使重熔金属进行极为强烈脱硫。但必须具备三个条件：n （1）炉渣应有高碱度；n （2）要求炉渣有足够流动性和过热度；n （3）重熔金属和炉渣接触表面应尽可能大。n 钢和合金经电渣重熔去硫程度通常在5080之间。去硫程度取决于原始电极硫含量。采取高碱度渣，钢中硫含量能够低达0.0014。n 电渣去硫或保持硫取决于化学和电解两大反应：n （1）硫从金属向渣中转移，即渣金属反应：n S（O）(S2)On （2）硫被炉气中氧氧化，即气体渣反应：n （S）3/2O2SO2(O2)n 此处，（），分别为金属相，渣相，气相。n 电渣气氛对去硫影响：n 第31页n 交流电渣重熔时气氛氧分压决定着硫反应。无保护气体下熔炼，采取高碱度渣，去硫效果尤其显著。在低氧分压气氛下，不论何种碱度渣系，均能抑制硫去除。研究还表明在氩气气氛下熔炼时，能够抑制硫转移，气氛不一样去硫效果不一样。n 在渣中增加Al2O3会降低炉渣脱硫能力，这是因为Al2O3含有两重性，降低了CaO和SiO2活度。n 1 1.6 6去磷反应去磷反应n 磷也是钢和合金中有害元素。当含磷高时会使钢和合金发生冷脆，降低钢塑性。尤其是钢中碳含量高时这种现象尤其显著。另外，磷在钢锭中偏析严重，又往往混入氧化物和硫化物夹杂使钢机械性能降低。所以，除了某种特殊钢把磷看成合金成份外，普通都把磷当做杂质除至最低。n 磷在钢和合金中是以磷化铁（Fe3PFe2P）、磷化镍（Ni3P）和其它元素磷化物形式存在。n 脱磷反应式为：第32页n 2P+5(FeO)=(P2O5)5Fen (P2O5)+3(FeO)=(FeOP2O5)H=-30600caln 2P+5(FeO)+4(CaO)=(4CaOP2O5)+5Fen H=-130000caln 分析上式能够得出去磷必须具备条件以下：n （1）渣中氧化铁，氧化钙含量要高，即高碱度高氧化性炉渣；n （2）因为去磷反应为放热反应，为了预防回磷现象故应低温操作。n 电渣重熔温度越来越高，脱磷效果愈来愈差，为了降低重熔金属中磷含量，必须采取低电压操作，在确保电渣过程稳定前提下，输入功率不宜过大。电渣过程普通去磷不会太多，有时甚至回磷。n 为了最大程度去磷，应采取含CaO铁质炉渣。采取含BaO渣系较含CaO渣系有更大脱磷能力。这是因为Ba2阳离子半径要比Ca2阳离子半径大，与氧离子结合能力强缘故。第33页n 1 1.7 7去气（氢、氧、氮）去气（氢、氧、氮）n 钢中有害气体不但降低钢机械性能，而且还会使钢产生白点、发纹、皮下气泡等缺点，因而造成钢材报废。所以在熔炼过程中，必须掌握控制气体规律，使钢中气体含量到达最低程度。在电渣熔铸过程中，因为气体（N2、O2、H2）在固态金属和液态金属含有不一样溶解度，在金属凝固过程中过饱和气体由固相排向液相，沿结晶前沿形成气泡，又因为渣池中气体溶解度比钢液中高，渣能够吸收上浮气体。n 电渣重熔时钢锭自下而上轴向结晶更有利于气体排除。n （1）氢以原子或离子形式溶于钢中，电渣重熔金属含氢量与以下原因相关：n a.重熔金属牌号；n b.炉渣成份与渣料干燥情况；n c.重熔气氛。n 依据重熔各种牌号金属统计，去氢量伴随合金成份第34页n改变而不一样。因为合金成份不一样，氢在钢中溶解度不一样，去氢也不一样。n 炉渣成份及渣料干燥情况是直接影响熔炼金属氢含量主要原因之一。在熔炼条件相同情况下，渣系不一样，其重熔后金属中氢含量也不一样。使用含CaO渣系比使用不含CaO渣系重熔，钢中氢含量要高，这是因为渣中含有CaO,会使炉渣透气度增大，大大地提升了吸氢危险性。n 渣料未经干燥处理，渣料中含有一定量水分，其一部分是来自大气中；另一部分是渣料中本身含有结晶水。国外资料认为，渣中（H）含量是金属中H含量四倍，没有经过干燥处理炉渣，渣中氢含量可达0.005，采取石墨电极化渣，使渣熔融增碳，然后向渣池吹入氧气，形成CO2气泡，渣中（H）可进入CO2气泡中而上浮，逸入气相，这么使渣中（H）可低于0.001。从而控制钢中含氢H0.00025。实践证实，关于氢含量在电渣过程中普通认为不会去除太多，重熔后钢中氢含量可达23.0106。n 第35页 （2）氮去除，往往是以氮化物夹杂去除。不一样氮化物去除路径是不一样。n 氮化铬分解温度较低，在电渣重熔过程中首先分解，气体经过扩散或呈气泡逸去。n 氮化铝夹杂物比重比钢液轻得多，能够经过浮升路径去除。n 氮化铌夹杂高温较稳定，不能分解，比重比钢重只能经过渣洗过程为炉渣所吸收。n 普通渣中氧化钙活度愈大，气氛中氧反应愈大，去除氮化物效果愈佳。n 关于氮气，通常认为重熔后钢中氮含量可降低2040。不过，也有不能去除或稍有增加情况。尤其是在钢中含有Ti、Nb、Zr等形成氮化物强烈元素时尤其是这么。n （3）在电渣重熔过程中，脱氧是经过物理和化学两种路径进行，伴随炉渣碱度增加，钢中氧含量降低。显然，这是不稳定氧化物SiO2活度降低所至。n 第36页n 当碱度一定时，伴随渣中Al2O3百分比增加，钢中氧含量也有显著降低。实践证实用不稳定氧化物含量很低渣系重熔时，能够脱除母材中氧含量达2050。n 1 1.8 8合金元素氧化和还原（烧损）合金元素氧化和还原（烧损）n 氧化还原是一个化学反应两个方面。因为一个元素被氧化，必定伴有另一元素氧化物被还原。n 重熔过程中，钢中活泼元素如Al、Ti、Ce、B等，往往因氧化而损失，怎样预防活泼元素氧化，是电渣重熔主要问题之一。n 渣碱度改变对重熔钢元素烧损影响是很大。假如把渣碱度控制在12左右，元素C、Si、Mn烧损都可控制在降低范围，而碱度超出2时Si烧损猛增。Mn在CaO/SiO22以下损失很大，而超出此值则显著降低。当含量一定时，Si和Mn烧损随熔渣中Al2O3含量增加而降低。显然，这是因为Al2O3增加使得CaO和SiO2活度降低结果。n 在使用较稳定渣系时，Ni、W、Mo几乎无烧损，Cr稍第37页n有降低。而易氧化元素Al、Ti回收率仅达4050。n 1 1.9 9钢液凝固和结晶钢液凝固和结晶n 在电渣重熔过程中，电极溶化和熔融金属结晶是n同时进行。n 因为结晶从下部开始，金属收缩可由金属液面降低得到赔偿，金属中气体和夹杂也易于上浮，所以钢锭组织均匀致密、均匀。n 因为金属熔池体积很小，重熔过程中冷却速度很大，使固相和液相中充分扩散受到抑制，降低了成份偏析，并有利于夹杂物重新分配。n 其基本特点可归纳为以下四点：n （1）因为底板传热条件，造成靠近于轴向热流分配；n （2）经过渣池传导和电极熔滴过渡，不停由渣池向铸锭上表面供热；n （3）因为钢锭与结晶器壁不接触，减弱了侧壁冷却作用；n 第38页n （4）液态金属上面渣池，组成了热保温帽。n 因为电渣重熔锭在结晶器内方向性次序结晶，结晶过程是轻易控制。若能正确配合金属液送入结晶器速度和铸锭结晶速度，就能确保得到无低倍缺点钢锭。n 2 2、电渣重熔工艺、电渣重熔工艺n 电渣重熔工艺包含：熔铸过程中条件以及确保取得良好精炼效果、冶金质量、技术经济指标必要参数。n 2 2.1 1条件参数条件参数n 是依据电渣产品几何尺寸、重量要求定出参数，是其它各参数制订先决条件。属于条件参数有：结晶器直径，高度；电极直径，长度；充填系数及电极、结晶器直径比。n （1）结晶器直径，高度确实定n 因为钢锭收缩及渣皮生成，钢锭毛坯直径尺寸与结晶器直径相比总有一个收缩率，依据生产经验统计，其减缩率为2.53。考虑到产品熔铸后直径减缩，以及毛第39页n n坯加工余量，结晶器直径可按以下经验公式计算：n D结=(D产品A)/（1）n 式中 D结结晶器直径（mm）；n D产品产品要求尺寸（mm）；A毛坯加工余量，普通按20-40mm计算；熔炼毛坯减缩率，普通为30.5。n 结晶器高度与其它工艺参数有亲密关系。普通固定式结晶器高度H固，可按下式确定：H固（36）D结。当D结300mm者，按下限考虑。n 抽锭式结晶器高度H抽要考虑凝固金属高度，金属熔池深度，渣池厚度以及结晶器上部必要余量诸原因。n H抽（0.91.4）D结+（50100）mmn 有依据实际经验提出：n 当D结400mm时，H抽（1.52.0）D结；n 当D结400mm时，H抽（1.21.5）D结。n （2）电极尺寸确实定n 第40页n a.电极尺寸选择直接影响产品质量及经济技术指标，它与结晶器直径、供电情况、炉体结构及许多工艺参数有亲密关系。n 实践证实，电极直径主要是由结晶器直径决定，二者匹配成为确定其它电渣工艺参数主要条件。为了说n 明二者匹配情况，往往引入“充填系数”这么一个概念，即n二者直径比。n 在结晶器直径一定条件下，当d极/d结值增大时，钢锭表面质量、生产率和电耗等技术经济指标都有所改进。不过，并不是d极/d结值越大越好，实际上对某一直径结晶器而言，所采取电极直径有一个最正确值。当d极/d结值0.65时电耗反而有所增加，尽管熔化率提升但金属熔池深度超出了钢锭直径1/2，这对重熔钢锭质量是不利。n 公式d极=Kd结中K经验值可选（0.40.5）0.1。n b.对于单臂固定式电渣炉，电极长度必须符合以下关系：n L0=L极+L假极n 式中 L0电极夹持器有效行程（m）；n 第41页n n L极电极长度（m），普通不应太长，每增加1m，炉口工作电压就要降低12V左右；n L假极假电极长度，普通取0.30.5m。n 对于简单圆柱形产品电极长度L极按下式计算：n L极=G锭/（/4d极2金）+n 式中 G锭钢锭重量（t）n 金所炼金属比重，普通取7.85t/m3；电极致密度；n 余头长度，普通取0.050.1m。n 对于双臂交替式电渣炉，这种电渣炉对电极长度要求并不严格，只要电极长度小于夹持器有效行程即可。n 2 2.2 2控制参数控制参数n 控制参数主要包含：渣系组成、渣量（渣厚）、冶炼电流、工作电压、供电功率等。n (1)渣系选择n 渣系对冶金质量和冶炼效率影响：电渣重熔熔渣第42页n作用有两个方面，一是工艺作用，如作为热源电阻发烧体作用。形成渣壳对于铸锭成形性作用等。二是冶金作用，包含对钢质净化、元素氧化与还原等。n 渣系选择：要考虑含有足够比电阻，良好流动性（粘度），熔渣中变价不稳定氧化物含量尽可能控制低些n（如FeO、SiO2、MnO等），应考虑它碱度、表面张力以n及透气性，钢锭成形性（即注意渣系熔点，比重熔钢低100200为宜），还应考虑其经济性和安全性。n （2）渣量确定n 渣量大小实际上是作为炉渣电阻大小标志。假如炉渣厚度增加，则电极插入深度增加，降低了电极氧化，从而使得钢中氧化物夹杂降低。假如在结晶器、电极尺寸一定条件下随渣厚增加，生产率降低、电耗增加。渣量计算公式以下：n G渣=/4D结2H渣渣n 式中 G渣渣量（Kg）；n D