转炉及电炉炼钢2 - 图文

9 电弧炉与炉外精炼设备

9．1概述

利用电能作为热源来熔炼金属的炉子即为电炉。电炉的型式有电弧炉、感应炉、电阻 炉、矿热炉、电子束炉、等离子炉等。本章主要介绍炼钢电弧炉设备。

按电弧加热方法，电弧炉有直接式、间接式和封闭式三种(图9—1a、b、c)。

图9--1 电弧炉简图

a一直接式；b一间接式；c一封闭式

在直接式电弧炉中，电弧燃于电极与金属料之间，用于冶炼黑色金属，熔炼时产生的 高温由垂直安放的电极遮挡，故电极有保护炉顶作用，此外便于电极升降。

间接式电弧炉，电弧燃于电极之间，与金属有一定距离，热量主要靠辐射传至金属料。 由于热量没有电极遮挡，故温度不能太高，否则会影响炉顶寿命。此法一般适用于冶炼低 熔点的轻金属。

封闭式电弧炉，电极埋在金属料中，由电弧和电流通过炉料而产生热量使金属熔化。此 法用于铁合金冶炼。

电弧炉可通过改变电流、电压大小来控制电弧。由于电炉具有温度高、易控制、热效 率高、能控制炉内气氛等优点，故较容易控制钢水成分和提高钢水质量，目前不但广泛应 用于冶炼合金钢和优质钢，而且在国外已用来冶炼普通钢种。

随着科学技术的日益发展，对钢的质量要求愈来愈高，因此，出现了炉外精炼技术。 钢的炉外精炼是将炼钢工艺分成两步进行，先在炼钢炉(平炉、转炉、电炉)中进行 熔化和初炼，使它仅保留脱碳、升温和部分脱磷任务，然后再将初炼钢水在“钢包，，或专 用的精炼容器中进行脱氧、除气、进一步脱碳、降低钢水中其它夹杂物以及调整钢水成分 和温度等操作，这种精炼容器称为炉外精炼炉。

例如，一座50t电炉所需变压器容量为20000~35000kV·A。加入炉内废钢约在一小 时之内熔化，经过熔化和氧化期，当进入还原期与精炼期时，大功率的变压器就不能得到 充分利用，若把钢水精炼期移到另一个功率较小的钢包精炼炉中进行，则可使生产率增加 50％左右，并可节约大量能源。此外，当冶炼含碳量小于0．03％的超低碳不锈钢时，在电 炉或转炉就很困难，高温精炼期过长对炉子寿命不利，若不采取特殊措施，合金收得率也 很低，而且需用价格昂贵的超微碳铬铁或金属铬。若采用炉外精炼方法，电炉只是用来熔 化炉料或用氧气转炉脱去一部分碳，这不仅使冶炼速度快、产品质量高，而且可使用廉价 的废不锈钢作为炉料，提高铬的收得率；使生产成本大为降低。

9．2炼钢电弧炉

图9—2a、b为75t全液压炉盖旋开式炉顶装料电炉总图。它主要由炉壳结构5、炉体 倾动机构10和回转机构7、电极夹持及升降机构2和13及电磁搅拌装置11和炉顶装料机

构12等组成。

9．2．1炉壳结构

炉壳是由钢板焊成，如图9—3所示。它由炉身1、炉底9、加固圈2所组成。

炉身多做成圆筒形。炉底则有平底、锥底和球面底三种，球形炉底刚度大，强度高，耐 火砖用量少，目前大型电炉都采用这种炉底。其不足之处是，制造比较困难、成本较高。平 底制造方便，但刚度差，现已很少采用。锥形炉底则介于二者之间，中小型电炉应用较多。 炉壳可做成整体的或沿渣线附近上下剖分两种型式(图9—3是剖分式，采用螺栓7联 接上下部分)。前者便于整体更换，后者，修炉时只需将上半部分同炉衬一起吊走，这样可 减少起重机能力。

为降低炉壳温度，减少炉壳变形，炉壳可进行通水冷却(图9—3中6为双层炉壳)。炉壳材料一般采用普通碳素钢，若炉底采用电磁搅拌装置时，则炉底应选用非磁性耐热不锈钢或弱磁性钢制造。

炉壳钢板厚度可根据炉壳内径确定，约为内径的1／200。炉底钢板可厚一些。 9．2．2炉门及启闭机械

炉门主要用于出渣、补炉衬及吹氧等操作，一般中小型电炉只设置一个炉门，有的大型电炉为方便操作也有开两个炉门的，其中一个对着出钢口，另一个与出钢口成90。。 炉门系统由炉门、炉门框架及炉门启闭机构三部分组成，如图9—1中6所示。

炉门系统应有良好的密封性，为防止炉门框架在高温下变形，可做成中空水箱，进行通水冷却。

炉门启闭机械应工作可靠，操作灵活。启闭机构有手动和机动两种，小炉子多用手动， 大炉子则可采用电动，或液压、气动等机动型式进行炉门启闭。

图9—2a 75t炉盖旋开式顶装料电炉

1一电极；2一电极装置；3一炉盖；4一除尘器；5一炉壳；6一炉门及其启闭机构； 7一炉体回转机构；8一摇架；9一支承装置；lO一倾动液压缸；11一电磁搅拌装置；

12一炉盖升降、旋转机构；13一“『”型旋转框架；14一水冷电缆

图9—2b 75t炉盖旋开式顶装料电炉

15一导轨；16一出钢槽；17一电极立柱升降导向轮；18一电极立柱定位装置 9．2．3炉盖圈

炉盖由炉盖圈上的耐火砖构成，故应具有足够的强度和刚度。炉盖圈一般由钢板或型钢焊接而成，为防止受热变形可制成中空，进行通水冷却。其截面形状有三角形、梯形或矩形，为省去拱脚砖，其斜边应与耐火砖相配，现多用梯形(见图9—3中4)。

炉盖圈直径的确定，应使炉盖圈的重量作用在炉壳上，并使炉盖与炉壳间密封。为此炉盖圈下面装有环状凸圈(图9—3中3)，当炉盖圈置于炉壳上时，此凸圈应处于炉壳加固圈的砂封槽内。

图9—3炉壳简图

1一炉身；2一加固圈；3一凸圈；4一炉盖圈；5一止挡块； 6一炉身冷却通道；7一联接嫘栓；8一炉体回转导轨；9一炉底

炉盖上的砌砖最易损坏，为提高其使用寿命，我国许多电炉采用水冷炉盖，如图9—4所示。它由两层钢板焊成，中间通水冷却。水冷炉盖下层钢板上可不砌耐火材料，靠炉渣飞溅结壳保护。为防止电极与炉盖钢板碰撞而将其击穿，在电极孔处砌耐火材料。这种结构使用寿命可高达2000～3000炉。若出钢温度控制得当，水冷炉盖对冶炼并无影响，耗电量增加也不多，但要求焊接可靠。

9．2．4电极密封圈

电极密封圈装于炉盖电极孔的耐火材料中，其作用是密封电极孔，防止炉气大量排出，以减少热损失，同时也可冷却电极以减少氧化并延长炉盖寿命。

电极密封圈可用普通或非磁性钢板焊成中空圆环型，内进行通水冷却。它可以通过环形钢板装于炉顶衬砖上(如图9—5所示)，也可嵌入炉顶衬砖里。采用普通钢板时，为避免电磁感应涡流而引起的电损耗，应在图9—5中嵌入非磁性钢板1。大容量或超高功率供电的电炉应选用非磁性钢板焊制。

密封圈内径应比电极直径大15～20mm，以使电极能自由升降，外径为电极直径的1．5～2倍，高度为电极直径的o．8～1倍。为加强密封效果，可在电极与密封圈内壁间隙处通惰性气体进行强制密封。 9．2．5出钢装置

现有电炉多用带有较长出钢槽的出钢口(图9～6)，这种出钢口，出钢时，炉子倾角大，则电极使用的水冷电缆较长，电损失较大。目前已研制出由炉底进行出钢的新型电炉，其结构如图9—6所示。出钢口用铰链式盖板8关闭。出钢口由外层出钢口砖1，内层出钢损耗砖2，尾砖4组成。内、外层间填以可浇灌的耐火材料3，尾砖4经防松法兰5、水冷底环6固定。水冷底环用楔固定在炉壳上。出钢前，盖板8上的石墨板7紧压着尾砖。出钢时，盖板摆开，浇灌的耐火材料在钢水的静压力作用下自动穿透，钢水由通道流入停在炉底下面 的盛钢桶内。

炉底出钢装置的优点是：炉子倾角小，倾动机构、炉子基础等均可简化；由于水冷电缆短，提高了电效率；钢流集中，流程短，出钢时间短，因而可降低出钢温度，减少钢水含氮量，缩短了冶炼周期。因此，在保证安全的情况下，是可推广的一种结构。

9．3炉体倾动装置

9．3．1倾动机构的工作特点

电炉倾动机构的工作特点是负荷重、速度低，一般倾动速度为O．7～1．2r／min。由于出钢、出渣时，其转动中心在不断变化，此外，为缩短水冷电缆线长度，一般电炉出钢时前倾角不大于45°，后倾时出渣角不大于15°。

倾动机构传动方式有电机传动、液压传动两种型式。由于液压传动能满足电炉工作特 点，故得到广泛应用。图9—7为国产75t电炉液压传动倾动机构。炉体(图中假想线)置 于摇架6的四个锥形支承辊9上，炉体与摇架中心由装在偏心轴的定位辊10来实现。摇架 通过下部的两个弧形板支承在导轨8上，由液压缸3推动摇架使炉体前后倾动。为防止摇 架倾动时打滑，在导轨上钻有许多销孔，同时在扇形板上也相应装上短销7。为防止炉渣等 损坏液压缸密封，将缸体与摇架铰接，柱塞与基础铰接。

当炉子处于水平位置装料时，摇架采用支承装置1来增加炉子的稳定性，炉子倾动时， 用液压缸使支承装置脱开。

9．3．2倾动机构的设计计算 9．3．2．1倾动力矩计算

电炉倾动力矩也是由三部分组成，即空炉力矩Mk；炉液力矩My；弧形板接触摩擦力矩Mm。其计算式为：

M?Mk?My?Mm (9—1)

a空炉力矩计算

空炉力矩计算方法与转炉相似，计算时，电极位置按提升至极限位置考虑。为降低负 荷也有将电极下端提升至不与钢水接触的高度来考虑。

图9--7液压传动式倾动机构

1一支承装置； 2、4、5一塔形立柱；3一液压缸；6一摇架；7一短销；8一导轨；9一支承辊；10一定

位辊

b炉液力矩计算

当电炉炉膛为圆柱一截锥形时，其炉液力矩可参照转炉的计算方法。电炉在倾动过程中，钢水的重量及其重心对瞬时中心的距离都是变化的，对炉底为球缺形的炉膛，计算时可先将

熔池中金属体积Vy，折算成容积的球冠，其球冠底直径与熔池直径相等，如图9--8所示，此时钢水重量可按下式计算：

式中 R——球半径，m； h——球冠高，m； y——钢水密度，N／m。

由图9—8所知，炉子倾至?角时，钢水深度为：

式中?——出钢口对中心的夹角，球冠中心角的半值，(°)。

将h值代入式(9—2)，则得倾炉时钢水重力与倾动角度的关系式：

3

图9—8倾动机构计算简图

当倾炉时，钢水重心总是处于球冠的对称轴上，所以无需求出钢水重心的确切位置，只要求出重心铅垂线与弧形板中心铅垂线之间的距离即可(即钢水力矩的力臂)。若电炉处于初始水平位置时，球冠中心O1，与弧形板中心的距离为e，则x??ensi(其中?为OO1???)，

与炉体中心线的夹角，负号用于前倾出钢，正号用于后倾出渣，由此得：

c 摩擦力矩计算

式中 Gk——空炉倾动部分的重力，N； k——滚动摩擦系数，取k?Cm。 4按赫兹理论，圆柱形扇形板与直轨的接触变形为：

式中 p——弧形板上的单位载荷，N／m，p?接触宽度)；

D——弧形板直径，m；

E——弧形板材料的弹性模量，N/m。 9．3．2．2液压缸推力和行程计算

a液压缸的瞬时推力可由下式求出：

2Gk?GyM，(其中，m为两个弧形板与导轨

式中 M——电炉在不同倾角时的力矩，N·m；

l——力臂，即瞬时倾动中心O2到液压缸轴线的距离，m。

现求力臂。设液压缸与基础铰链中心A为坐标原点，建立坐标系。B点为液压缸与摇 架平台铰链中心，其坐标为：

式中 a——电炉处于水平初始位置，弧形板中心。的水平距离，m； R——弧形板半径，m；

f——A点到导轨面距离，m；

b——B点到弧形板中心的距离，m；

a——电炉处于水平初始位置时，直线BO与垂直线的夹角。

过A、B二点的直线(液压缸轴线)方程为：

瞬时倾动中心O2点坐标为x0?a?R?,y?f。不同倾动中心点到AB直线的距离l，只要把各点坐标代入法线方程式(9—10)即可求出：

把不同倾角P分别代入式(9—8)、(9—9)、(9—10)及(9—7)，可计算出所需要的推 力。

b液压缸的行程L

液压缸的行程L可用下式计算：

式中AB′、AB″为电炉前，后倾至极限位置时(?1、?2为相应的前、后倾角)液压缸铰链点间的距离。

9．4 电极装置

9．4．1电极装置的工艺特点

电极装置的作用是夹紧、放松、升降电极，输送电流。

每座电极装有三套电极装置。每套电极装置由电极、电极夹持器及电极升降系统组成。它们都装在框架(如图9—2中的13)中。按电炉的装料方式，此框架可以是旋转的、移动的或固定的。

电极通过装于炉盖中央部位的三个电极密封圈而伸入炉膛内，电极的分布即要均匀地加热熔化炉料，又不致使炉衬产生过热，通常把它们布置在等边三角形的顶点上，三角形的外接圆称为电极分布圆，其直径一般为炉膛内径的O．25～0．35倍。目前已有使用直流电的单根电极的电炉。

电极装置是电炉上的重要部件，在冶炼中，要求电极上下位置能随时而又准确地调节，以适应炉况的变化。电极装置工作条件恶劣，它不但在高温区工作，而且其导电部件(导电铜管、水冷电缆)通过强大电流，使铁磁构件受到感应磁场的强烈影响，同时由于“短路”时电流冲击，使挠性水冷电缆以至整个电极装置经常产生强烈振动。因此电极装置的结构应具有足够的系统刚性；可靠绝缘，电磁感应小；安装、调节、维修方便等特点。

9．4．2炉顶装料电极系统

图9—9为75t炉盖旋开式电炉的电极装置简图。它由电极夹持器、立柱和横臂以及升降系统组成。

9．4．2．1电极夹持器

电极夹持器的作用是夹紧电极，更换电极时放松电极，此外，输送电流，电流经水冷导电铜管、夹头本体传给电极。

图9—10为抱紧式气动弹簧拉杆电极夹持器。夹紧电极是依靠弹簧11压缩后产生的张力，拉动杠杆13向右，通过杠杆系统2将卡箍4拉向夹头体3而夹紧电极，卡箍4将电极“抱紧”在夹头体上。松开电极时，则将压缩空气通入气缸10，使弹簧进一步压缩，而拉杆则向左运动、卡箍被推离夹头体、弹簧的初始长度可以通过拉杆中间的调节螺母加以调整，以调节卡箍对电极的夹紧力。夹头体通过法兰盘与导电铜管1相联，导电钢管末端通过联接架与水冷电缆连接，电流经导电铜管、夹头体传至电极。为防止漏电，在拉杆中间、拉杆销轴、横臂前后连接处、导电铜管支架等处均有绝缘材料。

此种结构的横臂能在空间任一方向进行调整，调整螺栓7可使横臂绕销轴9转动，以实现水平偏角调整；调整推动座8的螺杆可实现横臂长度调整。此外调节导向偏心轮(图9—9中7)可实现横臂与水平面的夹角、横臂绕其轴线偏转及两个方向的平移微调，再加上横臂升降，所以它具有三向移动和三向转动的调整，故能使电极准确地调整到要求的安装位置。

这种电极夹紧装置优点是：由于采用抱紧式，拉杆不易变形，夹紧力大，夹紧可靠；导电铜管1布置在操纵机构上方，并在封闭构杆(弹簧、气缸)的上面设置了屏蔽板12，因而减少了这些零件内的涡流损失；在卡箍下面设挡焰水套，改善了夹头的工作环境。 9．4．2．2电极夹紧力计算

电极夹头对电极必须有足够的夹紧力，以保证电极在升降时，电极在夹头内不出现任何相对滑动。电极上升时，夹头对电极的摩擦力应大于电极的下滑力，应满足下列表达式：

式中

?N——夹头作用于电极上正压力的绝对值之和，N；

U——电极与夹头之间滑动摩擦系数，一般取0.1~0.15； G——电极重力，N；

图9—9电极系统总图

1一电极夹头；2—挡焰水套；3一操纵杠杆系统；4一横臂；5一立柱； 6一铰链；

7一导向轮；8—升降液压缸；9一电极放松气缸；10一水冷导电铜管

amax——提升电极时最大加速度，m/s2；

K——考虑温度影响，弹簧刚度变化，夹头与电极间实际接触状态等因素的安全 系数，一般取K=1．6～2．6。

由式(9—12)可得到夹头对电极的正压力之和必须为：

作用在电极上的正压力与夹角的形状有关。如图(9—11)所示的卡箍结构，其作用在 电极上的正压力之和为：

假定N4、N1、N2按余弦规律分配，则N1?N4cos?1，N2?N4cos?2。对电极取力平衡，并令N3/N4??，则有：

N3???N4。将N1、N2、N3代入式(9—14)得：

再对卡箍取力平衡，则可解出：

由式(9—13)、(9—15)、(9—16)可求出所需夹紧力：

图9—11 电极受力图

设电极装置升降部分重力为G′，升降机构的最大上升力为Fmax；，若不计升降机构的摩擦影响，则可写成：

将式(9—18)代入式(9—17)又可得夹紧力为：

为保持良好接触，夹紧力应不小于下列数值： 对碳质电极P≥12000~15000，N 对石墨电极P≥8000～10000，N 9．4．2．3 立柱和电极升降机构

升降式立柱结构如图9—9中5所示，其上部与电极夹持器横臂相联，下部支承于电极升降液压缸的缸体上，它在旋转框架中可沿固定于旋转框架上的十六个偏心导轮作上下运动。由于立柱能够升降，所以称升降式立柱。在有些电炉中，也有采用固定立柱的，由台车沿立柱升降，从而带动横臂升降。

升降式立柱优点是：导电铜管附近没有封闭构件，所以电磁损失小；电极系统高度较低，因而炉子总高度低；整个系统刚性较好。目前大型电炉多用此种型式。

电极升降机构有电动和液压驱动两种型式。如图9—9中件8，采用了液压传动。此结构特点是柱塞支承在旋转框架的下端．而缸体尾部与电极立柱铰接，由缸体带动立柱作升降运动。因而液压缸密封不易损坏和便于检修。液压驱动优点是升降系统惯性小，起动、制动快，运转灵活操作方便，因而在电炉上得到广泛应用。

为防止检修设备时，电极重量压在电极上，设置有立柱定位装置(图9—2中18)。在立柱上开有一些圆孔，定位装置上的销轴可插入圆孔中，使立柱固定不动。

电极升降的行程危可按下式确定：

式中 h1——炉子工作室高度(包括炉盖拱高、炉盖厚)，mm； h2——熔炼2～3炉钢水电极所需储备的长度，mm。‘

9．5炉顶装料系统

炉顶装料是将料装入料筐内，将料筐运至炉顶装入炉内。其优点是：缩短装料时间，提高炉子生产能力，降低电耗；减少废钢处理工作，使大块废钢及松散炉料均能加入炉内；能实现合理布料。

为实现炉顶装料，必须使炉盖与炉体能产生相对水平位移，将炉膛全部露出。为此有三种方法：炉盖旋开，炉体和炉盖开出。无论采用哪种型式，其结构上必须使炉盖既能与炉体同时倾动，又能与炉体产生相对位移。下面着重介绍基础分开的炉盖旋开式炉顶装料系统的结构和工作原理。

9．5．1基础分开的炉盖旋开式炉顶装料系统

炉盖旋开式装料就炉盖旋开机构与摆架的关系有基础分开式和整体基础式两种形式。图9—12为75t电炉炉盖旋开式炉顶装料系统。其炉盖升降旋转机构(图9—2中12)安装在独立的基础上，与电炉摇架基础没有直接关系。此系统由旋转框架，炉盖升降旋转机构组成，如图9—12所示。

图9—1 2 75t电炉炉盖升降旋转机构及旋转框架

l一升降液压缸体；2一底座；3一立轴；4一壳体：5一凹形托块；6一凸形托块；7一锥形钢套；8一“L”型旋转框架；9一吊梁；10—炉盖吊具；11一支承座；12一电极立柱支架；13一键；l4一推杆；15一旋

转液压缸

旋转框架8下部刚性联接着电极立柱支架12，三套电极升降立柱图(9—9)插入支架12中，并做上下运动，旋转框架吊梁9经吊具10吊着炉盖，框架通过三个不同水平面，垂直面的支承座1l，放置在框架的塔形立柱(图9—7中2、4、5)上。

炉盖升降旋开机构有两个液压缸：升降液压缸1和旋转液压缸15。升降液压缸固定在壳体4的下部，其柱塞即为立轴的下段，立轴的上段为顶头，并装有凹形托块5，顶头与凹形托块分别与旋转框架上的锥形钢套7及凸形托块6相配。立柱的中段上设有长键槽。壳体4通过底座固定在基础上，其上设有两个轴承，立轴在此两轴承内既能升降，又能旋转。液压缸水平地铰接在壳体中部，其活塞杆与推杆14铰接，推杆上固定着滑键13。

需旋开炉盖时，首先升降液压缸动作，立柱通过顶头、凹形托块将旋转框架顶起，从而带动炉盖、电极装置一起上升，上升至一定高度(20～75t电炉的上升高度为420～450mm)后，炉盖、整个电极装置与炉体脱离，旋转框架也脱离了摇架上的塔形立柱。然后旋转液压缸动作，活塞杆通过推杆、键使立轴带着旋转框架转动。当旋转角度达75°～78°时，炉膛全部露出。当炉体倾动时，先将旋转液压缸和升降液压缸均回复原位，这时旋转框架支承在摇架的三个塔形立柱上，并与立轴脱离，炉盖盖在炉体上。当倾动液压缸动作时，支承在摇架上的炉体、炉盖、旋转框架及整个电极装置随摇架一起倾动。

这种结构的优点是：炉盖旋开后，炉盖、电极装置与炉体无机械联系，所以装料时的冲击震动不会影响炉盖与电极，因而能使其寿命增长；炉盖旋开后，整个旋开部分有其自身基础，所以电炉的稳定性问题就显得比较简单，即旋开后所产生的较大偏心载荷与摇架无关。这种结构由于基础是独立的，又要求与旋转框架间有较准的距离，因此对电炉的设计、施工安装要求较高。由于炉盖旋开式电炉具有设备重量轻、造价低，制造较容易；厂房面积小；旋开炉盖时间短，装料时间短；振动小，炉盖、电极使用寿命较长等优点，故应用日益广泛。

炉盖旋开角度是炉盖旋开式电炉一个重要尺寸参数，旋开角度应能保证炉盖完全离开炉膛，并有一定间隙。炉盖旋开计算示意图如图9—13所示。炉盖旋开角度?为：

式中 D——炉盖圈外径，m；

C一一旋转中心0距炉膛中心距离，m；

△——炉盖旋开后间隙，m，一般取O．4～O．8m。

由式(9—21)可知，C愈小，设备尺寸愈小，旋开机构受载也小，因此在结构设计中应尽量减小C的值。C的大小与炉盖圈外径D有关，可用下式表示： C=K·D 式中 K——系数，一般在O．7～O．9之间。 将C=K·D代入(9—21)则得：

例如，75t电炉D=6．7m，K取O．89，△取0．6m时计算炉盖旋开角度?为：

9．5．2料筐

电炉炉顶装料器具目前多用料筐装料，对特大电炉可用加料槽装料。当用料筐装料时，料可一次或分几次装入炉内，为保护炉衬，加速炉料熔化，装料时应把大块料，重的料装在炉子中间，而将轻的炉料装在炉子的底部及四周。

料筐有扇形活底式(图9—14)和柔性底式(图9—15)两种。扇形活底料筐由刚性筐体1和两个扇形活底2组成。装料时，用钢绳把两个活底拉开，料就倒入炉内。柔性底料筐由刚性筐体1和数个钢板制成的扇形链片2组成，用废钢绳或圆钢把扇形链片锁在一起，装料时将钢绳烧断或抽掉，或用脱锁装置3将链片脱开，料就倒入炉内。我国多用柔性底料筐。

9．6炉外精炼的工艺原理和方法

9．6．1炉外精炼的工艺原理 炉外精炼的基本原理有两个：一是利用真空下碳氧反应进行脱碳和脱气。当温度和含碳量较高的钢水经初炼炉移到精炼炉后在真空下吹氧时，氧主要和碳反应，生成cO，而钢水中的铬不易被氧化，使铬的收得率提高，并能炼出碳含量较低的不锈钢。在真空状态下且容易除去钢水中氢和氮，利用碳氧反应脱氧。

如目前使用的VOD法、ASEA—SKF法、LF法、VAD法和RHOB法等均利用此种原理。

二是在常压下向钢液中吹入Ar(或其它惰性气体)的混合物，其中氧参与脱气反应，而惰性气体不参与化学反应从熔池中逸出，它的上升气泡相当于一个小真空室，这就降低了CO的分压，促进了碳氧反应的进行，使钢水中的含碳量迅速降低而获得含碳量极低的不锈钢，并且还能保护钢水中的铬不被氧化烧损。这种方法通常称为稀释气体脱碳法。利用这种原理工作有AOI)法、CLU法、CAS、CAS—OB、IR—UT法等。 9．6．2炉外精炼设备

目前炉外精炼设备方法已多达几十种，但其工艺原理不外乎是搅拌、加热、真空或气体稀释三方面的不同组合。下面仅介绍几种设备较简单，精炼效果较好的精炼方法。 9．6．2．1 真空提升脱气法(DH法)

真空提升脱气法，如图9—16a所示。其真空室下部有一个吸入管，当把吸入管插入钢水后，真空室抽成真空，并与外界有压力差，钢水在此压力差的作用下，沿吸入管升入真空室而达到除气目的。当压力差一定时，盛钢桶与真空室之间的液面差保持不变，然后提升真空室(或下降盛钢桶)，便有一定量钢水返回到盛钢桶里。这样将钢水经过吸入管分批送入真空室内进行脱气处理。真空室多次升降，就可使钢水全部得到处理。目前世界上的真空提升脱气设备最大达360t，最小的只有10t。DH法真空脱气的特点是容量大，脱气过程中可以加热，能保持钢液温度，适合各种炼钢炉的钢液处理。因此，该法发展较快，据不完全统计，自1956年原西德赫施钢铁公司第一台DH真空脱气设备投产以来，目前世界上已有90多台，是应用较广的一种。

9．6．2．2真空循环除气法设备(RH法)

真空循环除气法是由原西德Ruhrstahl公司与Heraeus公司在1 957年首先使用的，故又称RH法，其工作原理如图9一16D所示。带有上升管与下降管的真空室插入盛钢桶内，在上升管一侧通入氩气，与钢液混合形成气泡，使上升和下降管之间产生压力差，从而带动钢液不断上升。钢液进入真空室内进行脱气，接着由下降管再回到盛钢桶内，这样盛钢桶内的钢水连续地通过真空室而进行循环，达到除气目的。 从实质来看，钢液的真空也是一种精炼，只是其功能限于把冶炼完毕的钢液进一步进行脱气。

RH法设备主要由真空室、加热设备、真空室旋转和升降设备、铁合金加料设备、抽空系统和电气、测量、控制仪表等组成，如图9—17所示。 A真空室

真空室是RH装置的关键设备之一，其室型参数的选定直接关系到精炼效果、精炼时间、设备作业率和精炼费用。真空室的参数应使钢水脱气效果好，在室内停留时间长，而热量损失小。

真空室(图9—17中2)外壳为焊接的钢制圆柱形容器，由上部、下部和插入管组成，各部分之间用法兰联接。真空室上部设有排气管、观察钢水处理过程的窥视孔、加合金料的漏斗以及与加热设备相连接的装置。插入管二根，一根是上升管，一根是下降管。为减小钢流循环阻力，一般上升管和下降管均是垂直设置。

真空室内部衬有耐火材料，其内形常见有圆柱形和倒锥形两种。倒锥形便于室内脱气，但目前一般采用修砌炉衬方便的圆柱形。而真空室底部一般采用平底。 真空室主要尺寸是它的内径和高度。其内径大小与钢水循环流量、插入管直径及钢水在真空室内停留时间等因素有关。真空室高度主要适应钢水处理时喷溅所需要的自由空间。表9—1列出了不同钢包容量的真空室有关参数。

B升降和旋转设备

精炼时．应先将真空室转至盛钢桶的上方，然后下降，将插入管插入钢水中，因而需设置真空室升降和旋转机构。如图9—18所示，真空室1通过金属悬挂在摆动臂2和3上，摆动臂可绕轴10转动，摆动臂尾部有平衡重¨。真空室升降机构6固定在旋转平台4上，电动机通过减速器传动两个相同的小齿轮，再转动两个固定在下摆动臂上的弧形齿轮5。因而可使摆动臂绕轴lO摆动，这样真空室可上下升降。

真空室的旋转是由旋转机构9实现的，通过电动机、减速器、开式齿轮传动而使旋转平台4绕立柱8转动。

上述利用真空室下降使插入管插入钢水的方法称为上动法。上动法的优点是设备比较简单、重量轻，但随着盛钢桶容量的增大，真空室也增大，若再用真空室升降，连接管处密封问题不易解决。这时可用液压装置来升降盛钢桶，此法称为下动法。故上动法适用于小型设备。

C合金加料设备

合金加料设备见图9—17所示。合金料仓7通过下口处电磁振动给料器，使合金进入称量漏斗6内，称量后，预定重量的料送入真空室顶部的双料钟真空漏斗5内，再经电磁振动给料器，溜槽加入真空室内。双料钟漏斗5可以使加料在真空状态下进行。

对碳、铝加入剂，一般用量较少，故将其装在几个容积较小的小料斗4内，由小料斗下面的旋转给料器3向真空室内加料。旋转给料器可以精确地调整加入剂的容量。

D真空泵系统

RH法对真空度要求不高，一般真空度在1 3．33～1 33．32Pa就能满足生产工艺要求。由于真空处理时，被抽气体中含有大量的烟尘，而且温度较高，而蒸气喷射泵无运动件，故不受烟尘及高温影响，运转可靠，使用寿命长。在冶金工厂中得到广泛应用。

蒸气喷射泵的结构原理如图9—19所示。工作蒸气在拉瓦尔喷嘴渐扩部分得到膨胀，蒸气压力能转变成动能，减压增速，并获得超音速。当被抽气体由真空室引入时，在混合室3内与高速蒸气混合。然后通过扩压器4，混合气体压缩，压强增加，从出口喷出。

如果要得到大的压缩量，可以串联多级喷射泵，在采用多级泵工作时，为了冷凝来自前级的混合气体，在各级泵之间设置有冷凝器，这样可减少蒸气消耗量及泵体尺寸。

9．6．2．3 CAS—OB法和IR—UT法

CAS—OB法是在原来CAS法的基础上增加了在隔离罩(浸渍管)内的吹氧。实践证明，CAS—OB法是一种高效率、能高速升温的新型炉夕}精炼工艺。与RH法相比，设备投资和

操作费用都有明显降低，在国内外已逐步推广应用。

IR—UT法是继CAS—OB法后新开发的又一新型的炉外精炼方法。该技术设置了吹氧枪和供搅拌(或喷粉)用的浸入式两支枪。钢水加热后，可同时进行脱硫和夹杂物形态的调整操作。

A CAS—OB法的工艺原理

原CAS法是一种钢包内的成分微调法，系日本新日铁八幡技术研究所开发的新技术。这种精炼工艺除保留以往向钢包内喷吹惰性气体均匀钢水成分和温度的功能外，还能进行成分微调，并可提高合金元素的收得率和消除钢中大型夹杂，无需复杂的真空设备。

ＣAS法存在不足之处是钢水易降温，为补偿CAS法工序中的温降，在隔离罩上再增加一支氧枪进行吹氧，故称为CAS—OB法。其工作原理如图9—20所示。处理时，先将钢包运至处理站，对位后，由钢包底部的透气砖强吹氩气，吹开钢液表面渣层后，立即下罩，同时测温，取样，加入合金元素，进行搅拌。吹氩结束，将隔离罩提升，待钢水合格后即可进行浇铸。在处理过程中，为使钢水保持一定温度，上部氧枪还需吹氧，进行加热调温，其对钢水的加热属化学加热法，利用加入的铝或硅铁与氧反应所放出的热量，直接对钢水进行加热。故其操作方便，且成本低、效率高。

生产实践证明，采用CAS—OB法加铝时，钢水升温速度可达到5～10℃／min，对小钢包则可达20℃／min。由于实现钢水再加热，则有助于转炉降低出钢温度，提高炉龄和钢质量，并可协调转炉和连铸的生产，促进多炉连浇，提高劳动生产率。

在CAS—oB法操作中，应注意吹氩量和压力确保冲开包内渣面。此外，必须让吹氩后露出的钢液面正好与放下的隔离罩同等面积或略大些，确保罩内无渣，这样就能使加入合金元素不被烧损而直接进入钢液中。但吹氩量也不能过大，否则会导致钢液喷溅。如国内300t钢包，每包吹氩量约4m(300～400Ｌ／min)。

B IR—UT法工艺原理

IR—UT法主要由氩枪和提升装置、氧枪和提升装置、带隔离罩的包盖和提升装置、喷吹(石灰粉、Ca—Si粉)罐及软管、合金料仓、除尘系统等组成，如图9—21所示。

3

IR—UT法的主要特点是取消了钢包底部的多孔透气砖，氩或其它惰性气体由上部喷枪吹入，使钢水得到强烈搅拌，使钢液成分均匀。

IR—UT法配置有光谱显示仪、风动送样装置，可根据原始成分分析结果与目标成分范围，自动地加入所需合金原料。

同CAS—OB法一样，氧枪向钢包中吹入氧气后和铝反应放热，使钢水迅速加热。如对10t或25t小钢包，当吹氧量在41～48m／h时，钢水加热速度可达20℃／min。若钢水过热度较大时，还可通过磁盘吊车加入冷却废钢，使钢温得到调整。

由于这种设备配置有喷粉罐，能使钢水含硫量降至0．001％～O．010％的水平。此方法因取消了底部吹氩用的孔砖，所以不必在处理前连接透气砖管线，并解决了透气砖处的漏钢问题。表9—2和图9—22分别示出了不同钢包容量的加热速度和夹杂物的下降情况。

3

9．6．2．4 钢包精炼法(ASEA—SKF)

前述RH法由于增加了动力因素，使钢水中气体含量降低，但在真空脱气中钢水温度下降较大。为获得纯净度高的钢，必须对钢水升温。1965年瑞典滚珠轴承公司(SKF)与佛斯特罗电炉厂(ASEA)合作，建成了具有电极加热，电磁搅拌动能的新装置，称为ASEA—SKF法。

A精炼方法

其工艺流程如图9—23所示，将初炼炉的钢水，在含碳量和温度合适后倒入专用钢包中，将钢包吊入搅拌器内进行脱气(9—23b)，并除掉初炼炉熔渣、造新渣。然后在电磁搅拌的钢包内进行电弧加热1．5h左右，盖上真空盖进行真空脱气15～20min，同时进行电磁搅拌。脱气后加入合金调整钢水成分，必要时还进行脱硫、真空吹氧脱碳，最后将钢水加热到要求温度进行浇铸。精炼时间一般在1．5～3h。

B设备组成

钢包精炼炉由钢包和钢包车、感应搅拌装置、电弧加热系统、真空密封炉盖及真空系统、铁合金加料装置等组成。此外，根据工艺要求还可配有吹氧、吹氩装置、扒渣机等辅助设备及仪表控制系统等。

钢包精炼炉型式有两种：一种是钢包固定式(或称炉盖旋开式)，钢包放在固定的感应搅拌器内，加热炉盖与真空炉盖分别旋转与钢包配合，如图9—24a所示。另一种是钢包移动式，将钢包与搅拌器放在钢包车上，当钢包车移动时，分别与固定在一定位置上的加热炉盖和真空炉盖相配合，而加热炉盖和真空炉盖对钢包只作上下运动，如图9—24b所示。台车移动式比较灵活，应用较多，而固定或只有较小吨位的炉子才使用。

钢包精炼炉的主要优点是：由于采用电磁搅拌，钢水成分均匀，偏析少，真空脱气效率高；生产品种多，如优质碳素钢和各种合金钢，设置吹氧装置还能精炼出含碳量极低的不锈钢。此法缺点是电磁搅拌装置较贵，钢包结构复杂，造价高；精炼时间每炉需1．5～3h，故生产率低。

自日本大森厂把钢包精炼法设备中造价昂贵的电磁搅拌装置改为氩气搅拌后，出现了

LF法。这种方法由于造价较低，钢液处理效果好，比较适合我国应用。

9． 6．２．５真空吹氧脱碳法（ＶＯＤ法）

ＶＯＤ法是原西德维顿特殊钢厂在梅索公司协助下研制成功的，并于1965年投入工业性生产。

A 设备组成

如图9—25所示，VOD精炼设备由钢包、吹氧装置、真空室及真空系统、合金加料装置、吹氩装置和取样测量装置等组成。为防止脱碳吹炼时的喷溅，在钢包上方设置衬有耐火材料的保护盖，并要求钢包上部有足够的空间。 B精炼工艺过程

精炼工艺过程是，钢水在初炼炉内进行吹氧降碳至O．4％～0．5％，并调整钢水成分和温度，待合格后，将钢水放到碱性钢包内，然后将钢包置于真空室内，从钢包顶部吹入氧气，底部经多孔塞吹入氩气搅拌钢水，待压力降到6666．1Pa后开始吹炼。吹炼过程应逐渐提高真空度，吹炼末期可低至几百帕的压力。根据排出气体和钢水成分来确定停吹时间，停吹时应控制碳的含量稍高于规定范围。在较高真空度下，利用碳氧反应进一步脱氧，可获得纯度高的钢。停吹后，可在真空或大气下脱气，加合金调整成分、取样测温等操作，最后取出钢包进行浇铸。

VOD法有较好的除去钢中H、N、O的能力。由于吹氧精炼，搅拌强烈，工作温度高．故可利用化学热确保合金调整及VOD工艺正常进行。其工艺灵活，特别适合于小型精炼炉生产低碳、超低碳和极低碳不锈钢。其次铬的收得率高，也可生产工业纯铁及crB系列不锈钢。 9．6．2．6 真空加热吹氧脱碳法(VHD—VOD法)

VHD—VOD法是原西德莱伯特一海拉斯公司在综合VOD和VAD两种精炼法的基础上研制成功的。它利用VOD法的真空吹氧脱碳和VAD法的真空加热脱气操作联合进行工作。共用一套真空系统(因此共用一个真空罐)，采用两个炉盖以适应它的工艺要求。进行真空加热脱气时，采用真空电弧加热系统的真空炉盖，当进行真空吹氧脱碳时便更换另一个真空炉盖，真空盖的更换由旋转小车来完成。

这种精炼方法由于能在真空下电弧加热、真空脱气、吹氩搅拌、真空下加合料、测温取样和吹氧脱碳等功能，因此有真空处理时间不受限制，能保证脱气效果，便于调整浇铸温度，加入合金量较大和脱碳效果好等优点。它适合于精炼各种钢种。

真空加热脱气部分(VHD法)如图9—26所示。它包括电弧加热装置、合金加料装置、炉盖及旋转小车、真空罐及真空系统、钢包和测温取样等装置。 25tVHD—VOD精炼设备主要技术参数如下：

钢包容量25t； 真空室容积V=57m；外形尺寸?4000×6325mm； 炉盖旋转小车 双驱动，液压马达，旋转速度v=3－5m／min； 炉盖升降小车液压缸升降，行程500mm，速度v升=8－12m／min， v降?2．4～3．5m／min；

电弧加热装置 电极直径?250mm，变压器型号HSSP一5000／10，钢水温升速度2℃／min，

电极升降行程1500mm。

9．6．2．7各种精炼方法的经济技术指标的比较 A设备费用

ASEA—SKF法、VOD法、VAD法和RH—OB法等几种精炼方法都需有足够的抽气能力

的真空系统，所用设备费用较高，其中最贵的是ASEA—SKF法，因为它还有电弧加热装置 和电磁搅拌装置。在相同容量下，VOD法为AOD法设备费用的三倍。

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B操作费用

ASEA—SKF法操作费用比AOD法低。这是因为AOD法的操作费用主要用在氩气和耐火材料上，但当AOD精炼不锈钢时，可采用一部分氮气来取代氩气，也可吹一部分过热水

蒸气。

C生产效率

VOD法和ASEA—SKF法要求精炼前的钢水质量较高(硅、碳、硫等含量不能太高)，故必须在电炉内进行部分精炼后再转入炉外精炼。而AOD炉对精炼前的钢水中的碳、硅和硫等含量多少的准确程度不高，故熔化后即可转入炉外精炼。对精炼前钢水成分要求的程度决定了熔化炉的生产率。

各种炉外精炼法对熔化炉生产效率的影响如表9—3所示。

D精炼质量

钢的质量以ASEA—S：KF法最好，而且适于精炼各种钢；VOD法适于精炼纯洁度高的超低碳不锈钢；RH—OB法与氧气转炉双联，由于铁水中低熔点有害杂质少，铁水又经过脱硫去磷处理，所以成品钢中有害杂质很少。

经上述几种精炼法精炼后，钢中气体与电炉相比降低的情况和实际含量见表9—4。

E生产成品费用

炼钢生产中使用的金属料占生产成本的70％左右，采用炉外精炼方法生产不锈钢，由于使用廉价的合金料，可使钢的生产成本降低。以生产18—8型不锈钢为例，与用电炉直接生产成品钢相比，VoD法可降低生产成本费13％～17％，AOD法降低19％～22％。

10桥式脱模机

脱模机用于将浇铸好的钢锭模脱去。由于冶炼的钢种不同，模铸钢锭的形状和大小均不一致。从外形，钢锭可分为上大下小和上小下大两大类。

镇静钢和优质钢多用上大下小带保温帽的封底式的钢锭模浇铸，沸腾钢都采用上小下大不带保温帽的开底式钢锭模生产。

当钢锭与锭模之间的粘结力不大时，对上小下大的钢锭，可夹起钢锭模；对上大下小的钢锭，可用夹钳将钢锭夹起，钢锭模留在原位，这称自由脱模。而当粘结力大于钢锭或钢锭模的自重时，钢锭或钢锭模在粘结力的作用下，随之被一起提升，这时自由脱模已不可能，必须通过强力的推顶或夹扯，强迫钢锭与锭模二者之间发生相对运动，才能使二者脱开，这就是强迫脱模。

对于上小下大和上大下小(带保温帽)两种型式的钢锭，脱模机可以完成下列四种工艺操作(图10—1)：

(1)自由及强迫脱上小下大的钢锭模(图中d)；

(2)自由及强迫脱上大下小钢锭的保温帽(图中ｂ)；

(3)自由及强迫脱上大下小的钢锭模(图中ａ)；

(4)自由及强迫取下底板上的上小下大的钢锭(图中e)；

现有的脱模机绝大多数都是按静力作用夹扯及推顶的原理进行工作的。有的能完成上列全部工艺操作，有的只能完成其中某几项。不论何种操作方案和设计方案，静力式脱模机都是利用夹扯与推顶的两类基本工具的配合运动来实现各种脱模操作的。

静力作用的方案，设备庞大。利用冲击原理进行脱锭也很有发展前途，但目前还用得不多。

根据驱动方式，脱模装置有电动式和液压式两种。目前使用的静力式脱模机主要有三种基本型式：

(1)脱模起重机(桥式、半龙门式和地上运行式)； (2)地上固定式脱模机(立式和水平式)； (3)附设在通用桥式起重机的脱模装置。 本章只介绍电动的桥式脱模机。

10．1桥式脱模机的基本结构和工作原理

10．1．1桥式脱模机的总体结构

桥式脱模机具有与通用桥式起重机类似的大车和小车结构。在脱模机构中它采用了三个基本部件(图10—1)：

(1)大钳6——用于夹取钢锭模(用中耳)及保温帽(用下耳)，并作为与小钳配合进行强迫脱模的推档件；

(2)小钳7——用于夹取钢锭；

(3)顶杆8——用于作为大钳配合工作时的推顶件。

为了完成自由脱模的四种操作，必须有大钳的张闭运动(夹钢锭模或保温帽)和小钳的张闭运动(夹钢锭)。为完成强迫脱模的四种操作，必须具有顶杆与大钳之间的相对直线运动(推顶)和小钳与大钳之间的相对直线运动(夹扯)。此外，还应有使钢锭及钢锭模等的升降和移开等的三向直线运动。为此，桥式脱模机采用五套传动机构： (1)大钳张闭机构； (2)起升机构；

(3)小钳张闭及顶杆推顶机构(以下简称小钳一顶杆机构)。由于小钳与顶杆不会同时工作，因而用一套机构来完成小钳与顶杆的运动是合适的。 (4)小车运行机构； (5)大车运行机构。

为了配置上述三个工作部件与五套机构，桥式脱模机的结构可分为三个系统(图10一2)。

10．1．1．1脱模机构主体系统

脱模机构主体系统由本体10及装在本体上的大钳系统和小钳系统及小钳一顶杆系统组成。大钳17和小钳36分别配置在正交的两个铅垂面内，顶杆配置在中轴线上。主体的中轴线与导向圆筒33的轴线重合，大钳的张闭及整个脱模系统的升降运动采用钢绳卷筒机构实现，以保证操作轻便灵活；小钳及顶杆的运动则采用螺旋机构，以平稳地传递大的脱模力。

10．1．1．2小车导架系统

图10一2c是小车的结构图。在小车车架下刚性地联接着钢板焊成的导向圆筒33，装有各种脱模工具的脱膜机构主体都是悬吊在圆筒内。主体的翅形导架32在圆筒内壁的导轨34内上下滑动。司机室19在圆筒外面与小车车架和圆筒固接，在圆筒外面还配置有提升机构的平衡重41及导向柱。

在小车车架平面上配置有四套传动机构：起升机构；小钳一顶杆机构；大钳张闭机构和

小车运行机构。除小车运行机构外，其余三套机构的动力都需传到脱模系统，起升机构和大钳张闭机构通过钢绳4及3传递；小钳一顶杆机构通过方轴20实现。 为使小车能准确地停在要脱的钢锭模上方，在小车运行机构中，除桥式起重机通常有的电磁制动器外，还设置了一套脚踏制动器。操纵踏板在司机室内，通过杠杆系统传至制动器上。

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