感應爐煉鋼

感應爐煉鋼

感應爐煉鋼是利用感應電熱效應加熱、熔化金屬的煉鋼方法。它特別適於用優質原料(優質廢鋼、鐵合金等)冶煉少量優質鋼和合金。配有真空系統的真空感應爐更是冶煉優質合金的重要設備。

結構

感應爐有熔溝式及坩堝式兩類,其工作原理與變壓器相似。熔溝式感應爐的初級繞組(感應圈)內裝有鐵芯,以減少漏磁,提高功率因數,二級繞組是充滿金屬液的熔溝。當感應圈內通過交流電時,熔溝內液體金屬中產生感應電動勢,產生焦耳熱,加熱爐料。因此熔溝內總保持注滿金屬液,不能任意停爐,也不宜經常改變熔鍊金屬的品種。同時,在熔溝內能量轉化再傳輸至熔池,熔溝的熱負荷很高,所以儘管這種感應爐的功率因數及電效率較高,也不宜熔煉合金鋼及合金。坩堝式感應爐是將坩堝放置在感應圈之中,當感應圈內通過交流電時,在坩堝內的爐料中產生感應電動勢,繼而產生焦耳熱將爐料熔化。坩堝式感應爐的功率因數和熱效率較低,但能熔煉高熔點金屬,容易改變所煉品種,適用於非連續作業,它在冶煉少量優質鋼和合金方面占有重要地位。

冶金特點

(1)熱先達金屬熔池,再傳導給熔渣,所以熔渣溫度較低;

(2)為圓柱形的熔池,這決定了坩堝熔煉中有較小的鋼-渣比界面積;

(3)熔池受強烈的電磁攪拌。電源頻率愈低,功率愈高,攪拌愈強烈,是限制最大比功率的主要因素;

(4)與電弧加熱相比,感應加熱無熱點、無電弧、環境污染較輕且溫度均勻;

(5)不增碳,不會局部過熱,操作簡單且合金燒損較少;

(6)不能進行精煉反應,對爐襯要求較嚴,容量偏小,又不連續生產,所以成本高。

任務

熔煉的主要原料是廢鋼和一部分生鐵。外購進來的廢鋼銹多,夾有泥砂及其他髒物,鋼中硫磷的含量也較高。煉鋼的任務就是要把上述條件的原料冶煉成氣體和夾雜含量低、成分合格、溫度符合要求的優質鋼液。具體說來,煉鋼的基本任務是:

(1)熔化固體爐料(生鐵、廢鋼等);

(2)使鋼水中的矽、錳、碳等元素達到規格成分;

(3)去除有害元素硫和磷,將它們的含量降到規定的限量以下;

(4)清除鋼水中的氣體和非金屬夾雜,使鋼水純淨;

(5)加入合金元素(熔煉合金鋼),使其符合要求;

(6)將鋼水過熱至一定溫度,保證澆注的需要;

(7)為了提高產量和降低成本,必須快速煉鋼;

(8)澆注成良好的鑄件。

感應爐爐體

主要部件有爐架、水冷感應圈、磁軛、坩堝、爐蓋以及爐體環繞出鋼嘴下方的軸傾動機構。爐架及線圈固定裝置應有足夠強度以承受鋼水的重量。坩堝的製作中,選擇耐火材料時必須考慮一系列因素:材質的化學特性要與所熔煉的合金相匹配,並具有一定強度、穩定性和絕緣性,易於製作、安裝和修補,且成本低。坩堝一般分酸性(石英砂,含SiO2>98%)、中性(高鋁料,Al2O3>95%)和鹼性(鎂砂,MgO>85%) 3類。此外還有氧化鋯(ZrO265%、SiO2約30%)、鎂鋁、鉻鋁坩堝。酸性坩堝因易受熔渣侵蝕,耐火度低,不宜煉鋼。中性的高鋁和氧化鋯坩堝適於冶煉各鋼種和高鎳合金。鹼性的氧化鎂或含氧化鎂高的鋁鎂坩堝能承受鹼性渣侵蝕,適於熔煉各種鋼種和合金,價格也適中,但熱穩定性差,導熱性強,易出現裂紋。製作坩堝時,耐火材料的粒度配比必須合適,以達到最高緻密度。實驗室用感應爐可用預成型和預燒結的坩堝,大型感應爐都用整體搗打成型的坩堝。搗打成型有濕法、乾法兩種,都是先打成坩堝底,再在底部放置打坩堝壁的鋼模,逐層搗打側壁。根據材料和黏接劑的不同,採用不同燒結制度來烘乾、燒結打成的坩堝。冶煉第一爐時要緩慢加熱,以免出現裂紋。此法成本較低。

感應爐電源

一般分高頻(>104Hz)、中頻(>50~104Hz)和工頻(50~60Hz)3種。現已用晶閘管變頻器作為中頻電源,取代了原用的馬達發電機組。由於高級合金鋼生產的規模較小,品種多,一般不連續生產,熔煉時套用中頻電源即可取得較高功率因數和較大的輸出功率,所以中頻電源是煉鋼感應爐的主要電源。根據爐容量、爐料尺寸,並考慮到可接受的攪拌強度來選擇頻率,頻率愈高,能達到的比功率也愈高(比功率一般為200~1000kW/t)。晶閘管中頻電源把三相工頻交流電轉變為單相中頻交流電,採用交一直一交變頻電路,把逆變電路輸出的中頻電能送入負載。由於感應爐是功率因數很低的感性負載(約為0.05~0.1),所以都採用電容器來提高功率因數。晶閘管中頻電源的優點是:成本低、電效率高,能自動調整頻率以保持高功率因數,易於自動控制,安裝使用方便等。

工藝要點

感應爐操作脫硫和脫氧同時進行,一般不進行脫碳、脫磷,所以必須選用好的原料,並儘快熔化,溫度合適即脫氧、出鋼。

加料

所用廢鋼和回爐料,除了化學成分要符合要求外,還應具有適當尺寸,使爐料能有效加熱,為此也可套用一些碎料充填空隙,以提高坩堝內爐料的緻密度。當坩堝底部形成熔池後,爐料尺寸對加熱效果就沒有影響了。由於熔煉時沒有氧化期,元素燒損很少,可精確配料。不易氧化的合金料,如鎳、鉬鐵等可與廢鋼同時加入。為了提高生產率,減少鋼中氫含量,並避免含有水分或油脂的廢鋼在爐內加熱時爆炸,廢鋼可預熱至550℃以下,預熱溫度過高會使爐料嚴重氧化,降低熱效率。非連續煉鋼時,濕料和含油脂料必須第一批加入,以便烘乾,形成熔池後只能加乾料。小爐子一般手工裝料,用箱子或溜槽將爐料裝入爐內。大爐子可用傳送帶或料籃裝料。

熔化

要密切注意爐料熔化,不斷加料並及時、不斷地鬆動爐料,使其平穩下降至熔池中,保持熔化順行,避免出現架橋。所謂“架橋”是處於半熔狀態的爐料在熔池上方粘結而使爐料不能接觸熔池。這會造成熔池溫度急劇升高,損害坩堝。一旦出現架橋,可傾動坩堝,在架起的爐料上熔化出缺口,以便繼續加料,把鋼水面升高至架橋處,化去粘結的爐料。

造渣

造渣應在爐料全部熔化前進行,以免鋼水嚴重氧化。渣料可預先加入坩堝底部。所用渣系主要是CaO-Al2O3-CaF2,根據不同的坩堝材質和脫氧劑,渣的成分有所不同。渣料應預先烘乾,以免鋼水增氫。

扒渣、脫氧、出鋼

爐料全熔後,測溫、取樣,熟練的操作人員能通過調整輸入功率、正確預計升溫至出鋼溫度的時間,從而協調爐前操作。根據爐前鋼樣分析結果,配入合金料,同時用矽鐵粉及各種複合脫氧劑進行脫氧。由於熔池攪拌強烈,合金料能快速熔化並分布均勻,脫氧產物也能上浮並被熔渣所吸附。待成分合格、溫度合適後,即可扒渣。若熔渣較稀,可傾動坩堝倒出或加入石灰,待渣稠化後扒出。出鋼時向鋼流加1~2kg/t鋁或其他強脫氧劑進行終脫氧。

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