电渣重熔炉的关键结构及脱硫效率

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：电渣重熔炉的关键结构1）自耗电极。熔炼过程中，结晶器内盛有高温液渣，渣面温度高达1800℃左右，并且电渣重熔的大电流也有可能流经结晶器，因而结晶器工作的热工条件十分繁重。以上三种综合作用，大气下电渣重熔脱硫效率可达70%左右。

电渣重熔是20世纪50年代在电渣焊基础上发展起来的，作为一种新的冶炼方法，在20世纪60年代得到了飞速发展。电渣熔炼实质上是一种无电弧自耗熔炼法，它的热量来自于熔渣的电阻热。电渣重熔是将化学精炼和控制凝固结合起来生产高质量铸锭，与真空自耗电弧炉相比，它不需真空抽气系统，多采用交流电源，故设备简单，容易操作，而且铸锭内部组织均匀致密，表面质量良好。

1.电渣重熔炉结构及工作原理

电渣重熔炉类型很多，结构也多种多样。按电源可分为直流电渣炉和交流电渣炉两种，在工业生产中大量采用的是交流电源供电。按供电方式可分为单相电渣炉、三相三电极电渣炉、由三个单相（或多个单相）单电极组成的电渣炉以及双极串联电渣炉等。

与真空自耗电弧炉相比，电渣炉的设备较为简单，主要由以下几部分组成：电源变压器、短网、自耗电极、结晶器、底水箱、测量及控制系统、供水与除尘系统等，如图5-6所示。

（1）电渣重熔炉的工作原理

重熔过程中，电流经过自耗电极、熔渣、金属熔池、冷凝的金属锭以及底水箱，最后流经短网、变压器等，形成一个回路。由于熔渣的电阻较大，电流通过时将产生强大的电阻热，以此来熔化自耗电极。对于双极串联的电渣炉而言，电流从其中的一根自耗电极经过熔渣（小部分电流还流经金属熔池，然后再流回熔渣），再经另一根自耗电极最后回到变压器而构成回路。

图5-6 电渣重熔炉结构

1—自耗电极 2—渣池 3—金属熔滴 4—金属熔池 5—渣壳 6—金属锭 7—结晶器 8—底水箱 9—电源变压器 10—短网

当自耗电极插入渣层中时，熔渣的高温将自耗电极的插入部分加热，于是电极端头的表层开始熔化形成薄层金属液。金属液在重力、电磁力、渣池运动的冲刷下沿电极端部表面向下流动并汇集成熔滴。熔滴向下滴落，而熔渣与熔滴的界面张力将阻止熔滴下落，当重力、电磁力和渣池运动的冲击力这三者的合力超过界面张力时，熔滴从电极滴落下来。

重熔过程中，当自耗电极的熔化速度大于金属的凝固速度时，在渣池下形成金属熔池。熔池内的金属液由下向上，由边缘向中心方向逐步凝固成金属锭。随着凝固界面的推移，熔池与渣池不断上移，在水冷结晶器的内表面形成一层渣壳。这层渣壳不仅起径向绝热的作用，而且使金属锭的表面光滑。自耗电极从熔化、形成熔滴到滴落的过程都与液渣接触，并发生一系列的冶金反应，将金属净化。此外，结晶器优越的结晶条件使重熔后的金属锭获得纯净而趋于轴向的凝固组织。

（2）电渣重熔炉的关键结构

1）自耗电极。它是决定熔炼效果的关键因素。电渣重熔所用的自耗电极一般为电弧炉或感应电炉（也有用平炉或转炉）冶炼的金属锭经轧制或锻造加工而成的金属棒。断面可以是圆形、方形或矩形，其材质应该与重熔后的成品相同。自耗电极的加工需要占用轧、锻设备，工序增加，生产周期延长，鉴于电渣重熔工艺对于自耗电极的力学性能和组织结构等没有特殊的要求，采用铸造方式生产的自耗电极也得到了广泛的应用。对那些加工性能比较差，又难以轧、锻的合金，可浇成圆棒或方棒，再经清理和除锈，便可以作为自耗电极。为了避免重熔过程中易氧化元素大量烧损，自耗电极的表面不能有氧化皮，尤其是对含有Al、Ti、B等元素的合金重熔更应如此。对于这些易氧化元素，应充分考虑重熔过程中的烧损量，在制备自耗电极时将它们的含量控制在合理的范围。应该认真清理掉铸造电极表面所带的耐火材料碎块，清理后的自耗电极禁止露天堆放。此外，自耗电极的表面不应有严重的结疤、重皮、裂纹和飞边等缺陷。可以由一些因低倍缺陷（如缩孔、疏松、气孔、夹渣和点状偏析等）、非金属夹杂物（如氧化物、硫化物以及球状不变形夹杂物等）评级过高、碳化物不均匀的材料制成。重熔时为了避免自耗电极偏心，电极应尽量平直，一般要求每米不超过6mm的弯曲度。

2）结晶器是电渣炉的另一重要结构。电渣重熔过程中，自耗电极在结晶器内熔化，液态金属也在结晶器内强制冷却、结晶，形成金属锭或铸件。它既是炉子的熔炼室又是金属凝固的锭模。熔炼过程中，结晶器内盛有高温液渣，渣面温度高达1800℃左右，并且电渣重熔的大电流也有可能流经结晶器，因而结晶器工作的热工条件十分繁重。所以结晶器要有一定的刚性、良好的导热性和防爆性能。结晶器的内外套均可用钢制成，钢制结晶器的内套导热性能比铜要差，容易产生粘锭现象。目前普遍采用的是铜制内套和不锈钢制外套组合型结晶器。冷却水从结晶器下部流入，从上部流出。为了让金属锭顺利脱出结晶器，熔炼时结晶器的内套与金属锭之间需形成一层薄渣壳。为此，要求结晶器的内套与渣壳接触的表面平整光滑，还应有±2%的锥度。为了避免水垢残存在于结晶器内，所用的冷却水质要好，结晶器应定期拆洗。

3）底水箱。它安装在结晶器的下面，在熔炼初期承受巨大的热负荷，部分（或全部）熔炼电流通过底水箱。它主要担负冷却、承重、导电的任务。因此，底水箱应当具有良好的冷却能力和导电性能，并且要有足够的刚度。底水箱的上盖板由光滑的纯铜板做成，箱体内通水冷却。底水箱可制成盘式、螺旋式、圆形、矩形、蛇形等不同形式，冷却水也可设计成不同的流向以保证底部中心温度最高部位的铜板获得良好的冷却效果。冷却水的出水管应尽量焊在底水箱的上表面处，以利于排除热水、消除底水箱中的水蒸气。

2.电渣重熔质量控制

（1）脱硫

电渣重熔工艺的脱硫效果好，脱硫方式主要有三种：第一种，熔渣脱硫。熔渣碱度越高，脱硫效果越好，因此，选择高碱度的炉渣有利于合金中硫的脱除。第二种，汽化脱硫。熔渣中O离子越少，气氛的氧化性越高，对脱硫越有利，工业生产中常用的CaF₂-Al₂O₃渣系具有较好的汽化脱硫效果。第三种，电化学反应脱硫。不同电流脱硫效果不同，直流正接电源（电极为正极）的脱硫效果最好，而直流反接电源没有脱硫效果，交流电源也有一定的脱硫效果。以上三种综合作用，大气下电渣重熔脱硫效率可达70%左右。

（2）去除气体和夹杂物

电渣熔炼时，合金中的氧化夹杂在电极末端金属熔滴形成阶段和熔滴通过渣层过渡阶段会被熔渣吸收而去除，铸锭中的O和氧化物夹杂含量明显降低。为了减少大气中O的作用，应降低熔渣表面的温度，或通保护气体熔炼，而且电极表面的氧化皮要预先清理干净。由于电渣重熔良好的结晶条件，再生夹杂物的尺寸细小、分布均匀，硫化物夹杂的形态与分布也能明显改善。电渣重熔没有除氢效果，所以要防止氢进入合金液中。而渣料是H的主要来源，所以必须选择合适的熔渣成分，使用前应充分烘烤渣料，特别是CaO渣料。

镍基合金中含有Ti、Nb、Zr等元素，它们与N的亲和力强，一旦形成氮化物就很难去除，熔炼中要特别注意。

（3）易氧化元素的控制

化学成分难以精确控制是镍基合金电渣重熔工艺中遇到的主要问题之一，特别是对Al、Ti及微量元素Mg、RE等元素的控制。当熔渣中含有不稳定氧化物如氧化铁、氧化硅等成分时，Al、Ti、Mg等元素就会有烧损，如何控制重熔后金属中的Al、Ti、Mg等的含量是电渣重熔生产中重点关注的问题。

1）SiO₂对合金元素含量的影响。若熔渣中的不稳定氧化物（如SiO₂）含量较高，在电渣重熔温度下会被Al、Ti等元素还原，这增加了易损元素烧损量的控制难度。例如，抚顺钢厂利用200kg的电渣炉重熔GH4037高温合金时发现两大问题。其一，若使用未经提纯的渣料（渣料配比为w_CaF2∶w_Al2O3=7∶3），则铸锭中Si、Al、Ti分布很不均匀。在重熔锭的底部，Si的质量分数比中上部高出0.25%，同时，Ti的分布也不均匀。由于成分控制不均，造成了合金组织性能的差异。这是由于电渣重熔初期，渣料中的SiO₂被还原，增加了铸锭底部的Si含量；而Al和Ti则被氧化，在合金中的含量偏低。重熔中期，渣料中不稳定氧化物已基本被还原，氧化反应与还原反应达到平衡，所以铸锭中上部的化学成分比较稳定。解决成分不均的措施是对渣料进行提纯，去除SiO₂和其他不稳定氧化物。目前比较可行的方法是对萤石提纯，在结晶器中用w_Al=5%的Fe-Al自耗电极来精炼渣料。用此方法可将萤石（CaF₂）中SiO₂的含量降至0.15%以下。重熔高温合金GH4037的另一问题就是铸锭的表面质量差，而且伴有夹渣。解决这一问题的措施是提高炉渣中Al₂O₃的比例（由17%提高到30%～40%），以提高渣料的电阻和合金液温度，从而降低合金液的粘度。

2）Al、Ti合金元素的控制。电渣重熔时，Al和Ti的氧化烧损是最突出的问题。重熔含Al、Ti的高温合金时，Al和Ti沿锭身高度方向分布不均，其特点是Ti含量在铸锭底部低，中上部高；而Al含量的分布与Ti相反，底部高，中上部低。总体来说，Ti和Al的质量分数头尾相差0.1%～0.3%。试验研究表明，这种不均匀性是Al、Ti与渣料中的氧化物相互作用的结果。对此，可向渣料中加入一定量的TiO₂粉。一些高Al低Ti的高温合金在电渣重熔过程中Al的烧损严重，必须补加适量的Al粉。

3）Mg含量的控制。为了有效控制电渣重熔过程中的Mg含量，人们针对不同的合金开展了一系列研究工作。主要的控制方法是调整渣系组分、调整气相压力和气氛等。例如用CaF₂-Al₂O₃-MgO-CaO四元渣料来重熔含Al、Ti和Mg的高温合金，可有效维持合金中的Mg含量，甚至发现Mg含量有所提高，这是因为电渣重熔中发生如下氧化还原反应：

而且，渣中Al₂O₃及CaO在高温下对MgO的活性有不同程度的影响。因此，采用适当配比的CaF₂-Al₂O₃-MgO-CaO渣系不但能维持而且还能控制合金中的Mg含量。此外，用惰性气体进行保护，也可有效防止电渣重熔时Mg元素的烧损。

电渣重熔炉的关键结构及脱硫效率

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