铸造合金及其熔炼

1、模块一、铸钢合金的熔炼 电弧炉炼钢 项目项目1 1、电弧炉炼钢的工作原、电弧炉炼钢的工作原 理及基本结构理及基本结构 教学重点：教学重点： 电弧炉炼钢的工作原 理 教学难点：教学难点：电弧炉炼钢的工作原理 铸钢合金的熔炼电弧炉炼钢 铸钢合金的熔炼发展源远流长，并且广泛应 用于各个领域，是由于铸钢件具有许多优点。 铸钢件的优点之一是其具有设计的灵活性。 设计人员可根具铸件的形状和尺寸有最大的 选择设计的自由，对于形状复杂、特别是截 面中空的零件，可采取组芯的方法来制造。 从图样到成品转化速度快，有利于快速报价 和缩短交货期。最小的应力集中系数、形状 和质量的完善化设计以及整体结构性最强等， 都体

2、现铸钢件设计的工艺优势和灵活性。 铸钢合金的熔炼电弧炉炼钢 其二、铸钢件冶金制造适应性和可变性最强，可以选 择不同的化学成分和组织控制，可适用于各种不同用 途的工程要求。可以通过热处理工艺选择较大范围铸 钢件的力学性能和使用性能，并且具有良好的焊接性 和加工性。 其三，铸钢件的重量可在很大范围内变动。小者可以 是重量仅几十斤的的容模精密铸件，而大型铸钢件可 达到几吨、几十吨、几百吨的重量。 其四、铸钢材料的各向同性和铸钢件整体结构性强， 提高了工程可靠性。再加上铸件重量减轻的设计与交 货期短，在价格和经济性方面具有竞争优势。 铸钢合金的熔炼电弧炉炼钢 其二、铸钢件冶金制造适应性和可变性最强，可

3、以选 择不同的化学成分和组织控制，可适用于各种不同用 途的工程要求。可以通过热处理工艺选择较大范围铸 钢件的力学性能和使用性能，并且具有良好的焊接性 和加工性。 其三，铸钢件的重量可在很大范围内变动。小者可以 是重量仅几十斤的的容模精密铸件，而大型铸钢件可 达到几吨、几十吨、几百吨的重量。 其四、铸钢材料的各向同性和铸钢件整体结构性强， 提高了工程可靠性。再加上铸件重量减轻的设计与交 货期短，在价格和经济性方面具有竞争优势。 铸钢合金的熔炼电弧炉炼钢 下面，我们进一步比较铸钢件与锻钢件、焊接件以及铸铁件等的 优、缺点。 与锻钢件相比较 铸钢件在力学性能的各向异性方面优于锻钢件，研究资料表明：

4、轧制钢材纵向力学性能常高于同牌号的铸钢件，但横向力学性能 则低于铸钢件，其平均力学性能基本上与质量良好的铸钢件大致 相同。有些高技术产品，在设计的过程中往往考虑材料在三个坐 标方向上的性能，铸钢件的上述长处就值得重视了。 铸钢件无论其重量大小、批量多少，形状多复杂，均易按设计者 的构思制造成合理的内、外部轮廓的零件。并且，零件的刚度高， 应力集中不显著。单件或小批量生产时，可采用木质模样（模样 及芯盒）或聚苯乙烯气化模样，生产准备周期短。大批量生产时， 可采用塑料模或金属模样，加之适当的铸造工艺，能够得到符合 要求的尺寸精度和表面质量。这些特点锻造钢很难做到。 铸钢合金的熔炼电弧炉炼钢 与焊接

5、结构钢相比较 在形状和大小等方面，焊接结构钢的灵活性优越于铸 钢件，但与焊接件相比，仍有以下不足之处： 焊接件难以做出流线型的外形。 焊接过程中产生的内应力较高。 焊接过程易于产生变形。 焊接缝影响零件的外观和可靠性下降。 当然，制造焊接结构件也有生产周期短的特点，而且， 与铸钢件相比，还不需要制作模样和型芯。 铸钢合金的熔炼电弧炉炼钢 另外，由于工程用的结构铸钢件一般都具有良好的焊接性，常常 制造成铸钢件与焊接件相结合的铸焊结构，兼用两者的长处。 与铸铁件及其他合金铸件相比较 铸钢件的吸振性、耐磨性、流动性和铸造性能低于铸铁件，成本 也高于铸铁件。另外，刚度相同时，铸钢件的重量确是铝合金的

6、2倍。 但是，尽管如此，铸钢件能用于不同工况条件，其综和性能优于 其他任何铸造合金，而且，由多种高合金钢适用于特殊用途。 承受高拉伸应力或动负荷的零件及重要的压力容器铸件，在低温 和高温下承受较大负荷的零件，原则上都应优先选择铸钢件。 由于铸钢件具有以上特点，几乎所有的工业部门都需要铸钢件， 在交通运输、建筑、工程机械、电站设备、冶金设备、石油及化 工设备等各领域应用尤为广泛。所以，我们今天要学习铸钢的冶 炼，将来为祖国建设贡献出一份力量。 任务1.1电弧炉炼钢的工作原 理 电弧炉炼钢是铸钢生产中应用最广 泛的炼钢方法。这种方法是利用电极与 金属炉料之间放电产生的电弧所发出的 热量来熔化固体炉

7、料，使钢液过热，从 而实现冶炼目标。 任务1.2 三相电弧炉的基本结构 1.2.1电弧炉的 构造概述 1升降电极液压缸；2 提升炉盖支承臂；3电 缆；4升降电极立柱； 5电极支承横臂；6提 升炉盖液压缸；7电极 夹持器；8拉杆；9滑 轮；10提升炉盖链条； 11炉盖；12炉体； 13倾炉液压缸；14 出钢槽；15月牙板； 16支承轨道；171号 电极；182号电极； 193号电极；20转动 炉盖机构 1.2.2 电弧炉的各个构件的具 体结构 1.2.2.1 1.2.2.1 炉体的炉体的 金属构件金属构件 炉壳 炉体的外壳称为 炉壳，包括炉身 壳、炉壳底和上 部的加固圈三部 分组成。炉壳结 构如

8、图1-2所示。 大多数炉壳用钢 板焊制而成。图1-2 炉壳 1炉壳底；2炉身壳；3加固圈 1.2.2.1 1.2.2.1 炉体的金属构件炉体的金属构件 炉壳 炉壳在工作中，除了承受炉衬与炉料的重量外， 还要承受装料时冲击。并且，还要承受炉衬被 烘烤所产生的热应力等。在正常情况下，炉壳 外表面温度一般为100150，但当炉衬比 较薄时，会产生局部过热，温度会升高，这都 要求炉壳具有足够的强度和刚度。同时，还要 准备备用炉壳，可在热状态下调换炉壳，以提 高炉子的作业率。 炉壳钢板的厚度大约为炉壳直径的1/200。一 般为1230。 1.2.2.1 1.2.2.1 炉体的金属构件炉体的金属构件 炉壳

9、 炉壳底有平底、截头圆 锥形和球形的三种，如 图1-3所示。平底制造简 单，但有死角，砌筑时 耐火材料消耗大，很少 被采用。球形底坚固， 砌筑时耐火材料消耗少， 但制造困难，也不易采 用。截头圆锥形的炉壳 底，制造和耐火材料的 砌筑都较容易，目前各 厂多采用焊接的截头圆 锥形炉壳底。 图1-3炉壳的3种形式 1.2.2.1 1.2.2.1 炉体的金属构件炉体的金属构件 炉壳 炉壳上沿的加固 圈用钢板或型钢 焊成。如图1-4 所示，在加固圈 上部有一个砂封 槽，能使炉盖圈 插入槽内，填入 镁砂使之密封。 图1-4 水冷炉壳的结构 1炉壳底；2撑板；3炉身；4水箱； 5砂封槽 1.2.2.1 1.

10、2.2.1 炉体的金属构件炉体的金属构件 炉门 炉门由炉门框、炉门坎、炉 门盖、炉门升降机构等几部 分组成。炉门要保证牢固耐 用、结构紧凑，升降灵活方 便、便于拆装等。 炉门框用钢板焊成“”形 水冷箱，如图1-5所示。炉 门框上部嵌入墙内，用以支 承炉门上部的炉墙。炉门框 的前壁做成与炉壳倾斜 812的斜面，以保证 炉门盖与炉门框压紧，以保 持炉内的氛围和减少热量损 失。同时，炉门盖在升降时， 斜坡也起到了导向的作用， 防止炉门盖摆动。 图1-5 炉门框 1进水管；2出水管 炉门 炉门坎固定在炉壳上，作为出渣用。一般把炉门 坎做成斜坡，炉衬厚度增加，强度增加，防止漏 钢事故的发生。 炉门盖用钢

11、板焊成， 一般制成空心水冷 式，以便改善炉前 操作环境。 炉门升降机构有手 动、气动、电动、 及液压传动等几种 方式。手动炉门升 降机构如图1-6所 示。炉门盖吊在专 门的杠杆系统上， 升降机构上装有平 衡锤。 图1-6 手动炉门升降机构 1炉门盖；2杠杆系统；3支座；4平衡锤；5拉手 炉门 气动炉门升降机构如图1-7所示。炉门盖悬挂在 链轮上，压缩空气通入气缸带动链轮传动而打开 炉门，在关闭时将压缩空气放出，炉门依自重下 降。 电动和液压传 动的炉门升降 机构比气动炉 门升降机构复 杂，但不限于 全打开与全关 闭两个极限位 置，而能保证 炉门在中间的 任一位置停止。 图1-7 气动炉门升降机

12、构 1炉门盖；2气缸；3链轮；4轴承座；5轴 1.2.2.1 1.2.2.1 炉体的金属构件炉体的金属构件 出钢槽 出钢槽外皮由钢板焊成，固定在炉壳上。里面 由大块耐火砖或预制整块的流钢槽砖，砌筑方 便，使用寿命长。 出钢槽通常做成与水平成812倾斜角度。 以防止出钢口打开后钢水自动流出以及钢液出 钢时对出钢口的冲刷。 随着超高功率电弧炉和炉外精炼的推广，实现 无知渣出钢，偏心炉底出钢电弧炉取代以出钢 槽出钢的电弧炉已成为趋势。 1.2.2.2 1.2.2.2 炉盖圈炉盖圈 炉盖圈用钢板焊成，其 外壳尺寸应比炉壳外径 稍大些，以使炉盖的全 部重量落在加固圈上， 不要压在炉墙上。在炉 盖圈外沿下

13、部设有刀口， 使炉盖圈能很好地插入 到炉壳加固圈的砂槽内。 为了使炉盖在炉子倾动 时不致于滑动，应在炉 壳上安装阻挡螺钉或挡 板。 为了防止变形和增加炉 盖的使用寿命，常采用 水冷炉盖圈如图1-8所 示。这是通常采用的垂 直型和倾斜型水冷炉盖 圈 。倾斜型内壁的倾 角约22.5，砌筑不 用采用拱脚砖。 图1-8 炉盖圈截面形状 1炉盖；2拱脚砖；3炉盖圈；4砂 槽；5水冷加固圈；6炉墙图1-8 炉盖圈 截面形状 我们知道，炉盖圈上 留有均布的三个电极 孔，电极孔的直径比 电极直径大4050， 这么大的间隙需用电 极密封圈来密封。 电极密封圈的作用： 避免高温炉气的外 逸，减少了热损失。 避免了

14、电极密封圈 上部的电极剧烈被氧 化而易折断，降低了 原材料的消耗。 电极密封圈通水冷 却了电极孔周围的炉 盖，提高了炉盖的使 用寿命。 电极、电极密封圈与 炉盖圈常见组成形式 如图1-9所示。 图1-9 电极密封圈 1电极；2密封圈；3炉盖 现介绍电极密封圈的两种形式：环形水箱 式和蛇形管式，如图1-10所示。 环形水箱式电极密封圈是 用钢板焊制而成的，在圆 环板上应留有2040的 间隙，或在分开的间隙处 嵌入一块非磁性的钢板， 用来避免造成环绕电极的 闭合磁路。在大型电弧炉 上，电极密封圈是用非磁 性钢板制成的。 蛇形管式电极密封圈由无 缝钢管弯成，对电极的冷 却效果良好，但密封性差， 易被

15、烧损，现很少使用。 无论采用哪一种密封圈， 其冷却水管都应与炉盖圈 绝缘，以避免短路。 应当注意：若炉盖砖在高 温下电阻减小（尤其是中 心部分），或密封圈对地 绝缘过小，密封圈也会与 电极发生电弧被击穿而损 坏。 图110 （a）环形水箱式电极密封圈 和（b）蛇形 管式电极密封圈 1.2.2.3 1.2.2.3 电极夹持机构与电极升降装置电极夹持机构与电极升降装置 电弧炉在炼钢过程中要经常补偿电极的耗损和调整电弧的长度，因此，电弧炉在炼钢过程中要经常补偿电极的耗损和调整电弧的长度，因此， 要用电极夹持机构来夹持电极，并对电极的升降实现自动控制。要用电极夹持机构来夹持电极，并对电极的升降实现自动

16、控制。 电极夹持机构电极夹持机构 电极夹持机构有两个作用，其一是夹紧或放松电极，其二是将电 流传到电极上。 电极夹持机构通常由夹头、横臂与松放电极机构三部分组成。 夹头的材料使用钢或铜，铜的电阻小、导电性能好，但机械强度 较低，膨胀系数大，电极容易脱落，并且，铜夹头的价格较昂贵， 不易被采用。 钢制夹头制造、维修较容易，机械强度高，电极不易滑落。但其 电阻大，电能损耗大。为了减少电磁损失，采用无磁性钢或合金 钢制作效果更好。 夹头内部要通水冷却，以保证夹头的强度和减少热膨胀，同时又 可减少氧化和降低电阻。 值得注意的是，电极夹头与电极接触表面必须加工良好，若接触 不良或有凹坑可能引起打弧而使夹

17、头被烧坏。 电极夹头固定在横臂上。横臂一般由型钢或钢板焊成矩 形断面梁，梁上设有加强筋。横臂上安置与夹头相连的 导电铜管，铜管内通水冷却。横臂作为支持用的机械结 构部分，应与电极夹头、导电铜管之间有很好的绝缘。 导电铜管与支持的机械结构之间应有足够的距离。大型 电弧炉的横臂是用无磁性钢做成的，避免了横臂机械结 构产生涡流发热。同时，横臂的结构还应保证电极和夹 头的位置在水平方向能做一定的调整。 电极夹持机构种类很多，目前广泛使用是气动弹簧式 电极夹持器。它是利用弹簧的张力将电极夹紧，靠压 缩空气的推力来放松电极。这种夹持器又分为顶杆式 和拉杆式两种。气动弹簧顶杆式电极夹持器如图1-11 所示。

18、它是靠弹簧的张力通过顶杆将电极夹紧，在气 缸中通入压缩空气，通过杠杆的作用，弹簧被压紧， 电极被放松。气动弹簧拉杆式夹持器如图1-12所示。 它是依靠弹簧的张力带动拉杆，再通过机构将电极压 紧。通入压缩空气后，弹簧被压紧，电极被放松。一 般认为拉杆式较好，因顶杆式的顶杆受热易变形。 图1-11 气动弹簧顶针式夹持器示意图 1夹头；2电极；3压块；4顶杆；5气缸；6杠杆机构；7弹簧 图1-12 气动弹簧拉杆式电极夹持器示意图 1拉环；2杠杆机构；3拉杆；4弹簧；5气缸；6电极 电极升降装置 a 电极升降 装置的类型 电极升降装 置按其横臂 与立柱的连 接方式不同 可分为：固 定立柱式 （也称升降

19、 车式）和活 动立柱式两 种。如图1- 13所示。 图113 电极升降装置简图 固定立柱式电极升降装置的三根立柱的下端固定在炉体 或炉体摇架上，立柱之间用横梁连接，以增加强度。横 臂上安装四个或八个滚轮（相当于升降小车），电极升 降时，滚轮沿立柱滚动。这种升降装置虽然结构简单， 但因形成闭合回路，电磁感应损失比较大，所以一般只 适用于小型电炉。 活动立柱式电极升降装置，在电极升降行程相 同时，整个炉子的高度比固定立柱式小；而且 因三根立柱不相连，导线周围没有封闭的磁路， 电磁感应损失比较小。所以适用于较大型炉子。 但活动立柱式电极升降部分重量大，所需升降 功率也大，而立柱式升降机构结构简单轻便

20、， 在很大的炉子上反而采用固定立柱式。 b 电极升降机构 电极升降机构应具备下列条件： 系统惯性小，升降灵活，启动、制动快。 升降速度要能调节。上升时需要快，以避免在熔化期造 成短路而使高压断路器自动跳闸。下降时需用慢些，否 则，电极碰撞炉料容易折断或浸入钢液。 常用的电极升降机构有电动和液压传动两种。 电动传动电极升降机构如图1-14所示。常用电 动机输入动力，通过减速机带动齿轮、齿条， 驱动立柱上的横臂与电极等升降。利用电磁制 动器制动，用转差离合器调整升降速度。电动 传动升降机构即可用于固定立柱式，又可用于 活动立柱式。 图1-14 电动传动的电极升降机构 图1-15 液压传动的电极升降机构 1.2.2.4 1.2.2.4 炉体倾动机构炉体倾动机构 炉体倾动机构有侧倾和底倾两种类型。 侧倾机构如图1- 16所示。 图1-16 倾动机构示意图 1扇形齿轮；2水平齿座；3螺杆；4电动机； 5减速齿轮；6操纵轮；7螺母 底倾机构的炉体安