冶金原理及工艺5.1典型合金的熔炼工艺-钢

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造白渣方法
稀薄渣形成后，按比例加入渣料： 石灰(8～12)kg/t钢水，氟石(1～2)kg/t钢水，炭粉(1.8～
2.0)kg/t钢水。关上炉门(10～15)min，即形成白渣。
白渣的成分为： (55 ％ ～ 65 ％ )CaO ， (15 ％ ～ 20 ％ )SiO2 ， ＜ 10 ％
MgO，(5％～10％)CaF2，(2％～3％)AI2O3，余 为FeO、CaS等。白色，冷却后粉化。
➢ 搅拌效应有利于化学成分和温度的均匀，有利于 排渣和提高冶炼质量，加速新加炉料的熔化，提 高熔化率。
➢ 驼峰的高低反应金属搅拌程度
三. 炉衬材料和烧结
➢ 炉衬材料具备的特性： 高耐火度 线膨胀和体膨胀系数小 减少裂纹 好的急冷急热性 能抵抗炉渣的侵蚀 绝缘性好 ➢ 主要有三种坩埚 碱性坩埚 MgO等 酸性坩埚 SiO2 中性坩埚 石墨等
矿石用量根据脱碳量来确定。一般加入矿石l.0kg/t钢液， 可脱碳0.01％左右。为了达到有效地去除钢液中的气体，应 使钢液激烈沸腾。为了使钢液温度不致于因加入铁矿石大幅 度降低，应采取分批加入矿石的方法，以保证维持钢液的激 烈沸腾状态，提高除气排渣的效果。
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吹氧法
用直径 (12 ～ 25)mm的普通钢管从炉门插入钢液 (100~200）mm内吹氧；并通过调节供氧压入控制熔 池的沸腾。吹入的氧与铁首先发生放热反应：
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白渣形成以后钢液在白渣覆盖下(20～30)min，促进 炭粉脱氧和石灰脱硫。
白渣的脱氧脱硫能力随时间延长而减弱，为恢复其 还原能力，在白渣覆盖期间，每隔(6～8)min，分 批加入，调整渣料，每批渣料包括：石灰4～ 6kg/t钢水，硅铁粉2～3kg/t钢水。
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造电石渣的方法
稀 薄 渣 形 成 后 ， 加 入 ： 石 灰 (8 ～ 12)kg/t 钢 水 ， 氟 石 (2~4)kg/t 钢 水 和 炭 粉 (4~5)kg/t 钢 水 ， (15~20)min 后 形 成电石渣。
常用沉淀脱氧剂分为五类：纯金属、镍基、铝基、 硅锰、硅钙。
炉衬打结
➢ 砂粒配比 粗砂粒提高炉衬耐急冷热性；中砂粒 改善烧结性能；细砂粒提高致密度。
➢ 助熔剂 改善耐火砂粒的烧结性 ➢ 炉衬结构 里层完全烧结层；中间半烧结层；外
侧松散层。 ➢ 打结
炉衬的烧结
➢酸性炉衬的烧结
➢ 碱性炉衬的烧结： • 第一阶段：850oC内水分蒸发 • 第二阶段：加入低碳钢炉料形成烧结层 • 第三阶段；（1500-1650）oC，炉衬烧结层增厚，
不氧化法熔炼的特点是： 在熔炼过程中无氧化期，不加入氧化剂；不发生剧烈
沸腾，熔炼时间短。合金元素烧损少。对纯洁的炉料，或含 有大量合金元素时，最好采用这种熔炼方法。
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* 氧化法炼钢工艺过程
氧化法炼钢的工艺过程包括：
➢补炉 ➢装料 ➢熔化期 ➢氧化期 ➢还原期 ➢出钢
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1．补炉
一般熔炼完一炉钢以后，装入下一炉的 炉料以前，照例要进行补炉。其目的是修 补被浸蚀和被碰坏的炉底和炉壁。补炉采 用与打底相同的材料。
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4．氧化期
氧化期的任务：
将钢液中的含磷量降低到规定的要求，去除钢 液中的气体和非金属夹杂物，并提高钢液的温度。
在氧化期的前一阶段，钢液温度较低，这时主 要是造渣脱磷。待钢液温度提高(1530℃以上)后， 进入第二阶段，这时主要进行氧化脱碳沸腾精炼， 以去除钢液中的夹杂物和气体。 常用的氧化脱碳方法：
外，料柱波动和功率变化对驼峰也有影响。
➢ 炉料预热 可增加熔化率，不可预热温度过高，否 则易氧化。
➢ 熔炼过程的元素变化 硫磷不变，碳硅锰有烧损
➢ 电炉铁水的性质 更大的过冷度和白口倾向；含氮 量高，强度高；更大的体收缩。
➢ 工频炉熔炼和造型线的配合问题 在炉子容量一定 的条件下增加出铁次数，减少出铁率；用多台小 炉子代替大炉子；用多台小炉子和生产线平衡。
五.铸钢的感应电弧熔炼
➢ 熔炼铸钢多用碱性中频炉。 ➢ 铸钢感应电炉熔炼特点： • 感应电炉精炼方法比电弧炉少； • 冶炼过程不增碳； • 合金元素回收率高，化学成分控制方便； • 电磁搅拌钢液，温度和成分均匀； • 熔炼过程的温度、精炼时间、镇静时间； • 搅拌程度等环节的控制方便，能炼出质量优良的
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5．还原期
氧化期结束后扒去氧化渣，造稀薄渣覆盖钢液表面， 减少降温和吸气。
渣料组成比为，石灰：萤石：砖块＝4：1.5：0.2， 渣料加入量相当于钢液重量的2％~3％。
还原初期加锰铁预脱氧、锰铁加入量按规格成分下 限含锰量计算。 预脱氧后开始造还原渣，它有很好的脱氧脱硫能 力。
还原渣有两种，即白渣和电石渣。白渣适于冶炼含 碳量低于0.35％的钢种，电石渣适于冶炼含碳量 高于0.25％的钢种。
2Fe+02＝2FeO ＋Q (3) 形成的FeO与铁水中的碳发生吸热反应：
FeO+C＝Fe+CO -Q (4) 吹氧过程的耗氧量与脱碳量有关，为保证除气及去 除非金属夹杂物的效果，脱碳量应达到0.3～0.4％， 因而每吨钢液的耗氧量约为(4～5)m3。
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矿石一吹氧结合法
该方法是分批加入矿石，并在加每批矿石之间吹氧。
强度进一步提高。
四.铸铁的工频感应电炉熔炼
➢ 工频炉的炉料吸收功率远远小于高频和中频炉， 加热速度也相对缓慢，适合熔炼熔点不高的铸铁 合金。
➢ 工频感应电炉因电源频率低，具有许多不同于高 频和中频感应炉的冶金特点。
➢ 启熔 用大块料启熔或用热料启熔 ➢ 出铁率 铁水贮存量、工作电压影响输入功率。另
补炉需要掌握 “高温、补层薄、操作 快， 需要合理地布置炉料。同时炉料要装得紧密 利于导电和导热，加速熔炼过程。
装料以前先在炉底上铺一层重量约为炉 料重达1％的石灰。其作用是在熔化炉料过程 中，造渣脱磷，并减小装料对炉底的冲击。
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3．熔化期
熔化期的任务:
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6．出钢
钢液化学成分调整好后，即可用铝进行终脱氧。 ➢ 终脱氧的加铝量与钢炉和铸型状况有关： 一般为钢液重的0.10％～0.15％。用铝终脱氧的方法
有两种：插铝法和冲铝法。 • 插铝法是在临出钢前，用钢针将铝块插入钢液中进
行脱氧，操作时应切断电源。 • 冲铝法是将铝块放在出钢槽上。利用钢液将铝块冲
feocfeco吹氧过程的耗氧量与脱碳量有关为保证除气及去除非金属夹杂物的效果脱碳量应达到0304因而每吨钢液的耗氧量约为45m12矿石一吹氧结合法该方法是分批加入矿石并在加每批矿石之间吹氧
冶金原理及工艺5.1典型合金的熔炼 工艺-钢
§5.1 钢的熔炼工艺
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§5.1 钢的熔炼工艺
钢的熔炼方法：
电弧炉 感应炉 平炉 转炉
碱性电弧炉熔炼
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§5.1.1 电弧炉熔炼
碱性电弧炉 酸性电弧炉
通过炉衬材料划分： 氧化硅砖 氧化镁砖
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碱性电弧炉炼钢常用两种冶炼方法：
氧化法 不氧化法 氧化法熔炼的特点是： 炉料熔化后要加入矿石或吹入氧气。使钢液产生剧烈 的氧化沸腾，其目的是为了脱碳、脱磷、除气和去除非金属 夹杂物，这种方法对炉料要求不十分苛刻，料源很广。氧化 法适用于冶炼大多数碳素结构钢、合金结构钢及某些特殊钢 种，如不锈钢。
熔进行脱氧。
➢ 插铝法脱氧效果较好；冲铝法操作简单，但有时铝 块会被炉渣裹住，不能起到应有的脱氧作用。
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❖ 终脱氧后，升起电极，倾炉出钢。出钢时钢流要大， 且要钢、渣齐出。这样，炉渣可起到保护作用。减 小钢液的氧化、吸气和冷却。
❖此外，由于钢、渣同时注入包内，得到充分搅拌和 接触，可起到进一步脱硫作用。
F 交变磁场磁通量（Wb）； F交变电流的频率（Hz）； E感应电动势（V）。
金属炉料的电阻 I 电流
t 时间 I 电流 Q 发热量
Ix 从坩埚内壁到中心任何一点的电流密度 Io 坩埚内壁表面的电流密度
X 坩埚内比表面到中心任一点的距离 d 电流透入深度
f 频率 炉料电阻率
m 磁导率
二. 液态金属的搅拌和驼峰现象
❖对于少数含有易氧化元素的钢种，为了提高元素的 收得率和稳定钢液的化学成分，则采用先出钢后出 渣的出钢方法。
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§5.1.2 感应电炉熔炼
感应电炉根据电磁感应原理，利用炉料内感生 的电流加热和熔化炉料。
分类： • 有芯感应电炉 • 无芯感应电炉。
➢ 有芯感应电炉的优点是电效率和热效率高。
➢ 缺点：炉衬受到热应力、化学侵蚀和机械冲刷， 寿命短、不易维护，对炉沟材料要求很高。
将固体炉料熔化成钢液，并脱去钢中部分磷。
❖ 炉料在熔化过程中，铁、硅、锰、磷等元素被炉气中的 氧所氧化，生成FeO、SiO2、MnO及P2O5氧化物，这 些氧化物又与石灰(主要成分为CaO)化合成炉渣，覆盖 在钢液表面。
❖ 为了脱磷，在熔化末期分批加入小块铁矿石，其总量根 据炉料的含磷量决定，一般为装料量的1％一2％。炉料 熔化以后，熔化期就结束。此时，应扒去富磷炉渣，然 后加入石灰、萤石等造渣材料——另造新渣。
➢ 有芯感应炉按变压器原理工作，可直接用工频电 流变频设备。
➢ 按电源工作频率，无芯感应电炉分为：
• 高频感应电炉 多用于实验室和少量特种钢熔炼。 • 中频感应电炉 熔化速度快、使用方便、搅拌不激
烈、启动方便
• 工频感应电炉 分为立式和卧式，缺点：费用高， 缺乏生产灵活性，影响坩埚寿命。
一. 感应电炉电学基础
矿石脱碳法 吹氧脱碳法 矿石一氧气联合脱碳法。
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矿石脱碳法是在氧化期分批加入经过焙烧的铁矿石。
铁矿石中的氧化铁与钢液中的铁发生吸热反应： Fe203＋Fe→3FeO -Q (1)
反应生成的氧化亚铁溶解在钢液中，起脱碳作用： FeO＋C → Fe十CO -Q (2)
碳氧化生成大量的CO气泡，造成钢液沸腾，具有清除钢 液中的气体和非金属夹杂物的作用。
电石渣成分为：(55％～65％)CaO，(10％～15％)SiO2，(8
％～10％)MgO，(2％～3％)Al2O3，(8％～10％)CaF2，(2
％～5%)CaC2，余为FeO、CaS、MnO等。 其颜色为暗灰色或灰黄色，浸入水中有电石气味。
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❖为了使钢液充分脱氧、脱硫，钢液应在电石渣覆 盖下保持(15～25)min的还原时间。在此期间每 隔 (8 ～ 12)min 分 批 加 入 补 充 渣 料 ， 如 石 灰 (4 ～ 6)kg/t钢水及炭粉(1～2)kg/t钢水，以保持电石渣 的还原能力。
合金。
碱性坩埚熔炼要点
➢ 装料 先加底渣，防止氧化；底中部炉料紧密堆放 ➢ 熔化 碳的氧化
硅氧化
锰氧化
铬氧化
➢ 精炼 最大限度消除钢中的氧和非金属夹杂；还原 炉渣中的合金元素；调整成分到产品要求范围； 把温度升到出钢温度。
需进行扩散脱氧和沉淀脱氧
扩散脱氧原理为分配定律
➢ 扩散脱氧的同时可进行沉淀脱氧，相钢液中加入 对氧亲和力大于铁和镍的元素，以便形成不溶于 钢液的氧化物，靠浮力排出。
❖ 电石渣的还原能力优于白渣，缺点是钢液增碳 太快，每小时约增碳0.1％。所以这种方法不能 冶炼低碳钢。此外，电石渣与钢液的润湿性好， 与钢液不易分离，易引起铸件夹渣。
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出钢前要使电石渣变成白渣。
其方法是打开炉门，让空气大量进入炉内，渣中的 电石成分就会被氧化而成为石灰：
2CaC2＋3O2＝2CaO＋4CO (5) 钢液经过充分还原以后，含氧量和含硫量都已降到 合格的程度。这时可以测量钢液温度。 当钢液温度达到出钢温度要求时，可以调整钢液的 化学成分。冶炼碳钢时，加入适量的硅铁和锰铁来调 整含硅量和含锰量。冶炼合金钢时，除了调整含硅量 和含锰量以外，还要调整合金元素含量。
经过氧化脱碳后，钢液中含有大量的氧化亚铁， 同时残存未熔的矿石致使在停止供氧的条件下，钢 液仍继续沸腾一段时间，这一阶段的沸腾称为净沸 腾，钢液净沸腾时间(5~15)min。
为使脱碳效果更好。在氧化期内还要加入新鲜 石灰(CaO)造渣并加入萤石(CaF2)调整炉渣的粘度。
当钢液中含磷量和含碳量都已符合规定要求， 钢液温度足够高时，可以扒出氧化渣，进入还原期。