有衬电渣炉熔炼

有衬电渣炉熔炼包括冶炼准备、起弧造渣、熔炼和出钢浇注等几个阶段。冶炼前要准备自耗电极、散状金属料和渣料等原材料。与电渣重熔相比，有衬电渣炉对自耗电极的要求可明显放宽，多由条状废钢焊接而成，也可用其他冶炼设备如电炉、中频炉等冶炼的钢水浇注获得；电极尺寸要与炉膛尺寸和电源功率相匹配；当冶炼高碳钢、铸铁以及铜等有色合金时可用石墨电极。造渣料以石灰为主，并可添加少量萤石和粘土砖块调节炉渣的流动性。造渣料使用前应经高温烘烤去除水分。以CaF2为基的电渣重熔渣系不能在有衬电渣炉中使用，否则炉衬寿命很低。

造渣一般采用电弧法。以单电极为例，先将少量细车屑放于炉底导电电极上，再在车屑上洒盖少量粉状渣料，当电极缓慢下降与车屑相碰时通电短路，车屑熔化形成空隙而产生电弧。随着渣料的不断熔化要不断向电弧区加其余渣料，渣池逐渐形成，电弧熄灭转入电渣过程。渣池形成后电极开始熔化便进入正常熔炼阶段。熔炼电压、电流和渣量等工艺参数之间要合理匹配以保证电渣冶炼过程稳定。对于500kg以下单电极炉子，渣层厚度在40～90mm之间，电压为50～75V。电压高时对应渣量大，反之渣量小。电流大小根据炉子容量和熔池温度而定。为了提高生产率，一般选用变压器的最大二次电流作熔炼电流。熔炼过程用冷料调整熔池温度，用铁合金调整成分。当钢水量、成分和温度达到要求时经脱氧后出钢浇注。

有衬电渣炉熔炼技术是中国于20世纪60年代初在电渣重熔法基础上发明的。70～80年代在中国许多小企业得到了推广和应用。主要用于小型铸钢件的生产和废料的回收。炉子吨位大多在1t以下，以几百公斤的居多。到了70年代末和80年代初苏联和美国也相继采用了该项技术。

有衬电渣炉熔炼设备与电渣重熔设备基本相同。主要区别是前者以用耐火材料打结的炉体代替了电渣重熔用的结晶器。其中炉体包括炉壳、炉底电极、水冷底盘、移动台车和倾翻机构等。炉衬大多用镁砂打结。一般没有炉盖。有衬电渣炉的电源有单相交流、三相交流和直流三种方式；电极有自耗电极和非自686耗电极两种类型；按自耗电极数量则可分单极、双极和三极3种。而单极方式需要炉底导电。

有衬电渣炉熔炼设备投资小、操作简单，是比较经济的冶炼方法。但由于炉子小而且没有炉盖，因此电耗较高。对于500kg以下的炉子，吨钢电耗在750～1300kW·h/t之间。冶炼时间每炉为40～90min，炉衬寿命一般为几十炉，维护较好时可超过100炉。

有衬电渣炉可以熔炼普碳钢、合金结构钢、不锈钢、高速工具钢、铸铁以及有色金属等。钢水由于温度高，比较适用于精密铸造及小型砂型铸造，最近还用于电渣离心铸造。有衬电渣炉也非常适合于熔炼高合金钢废料，如高速工具钢车屑，可以回收大量的贵重金属。用石墨坩埚、石墨电极可熔炼铜及铜合金。用石墨电极、镁砂炉衬可以回收铸铁屑生产球墨球铁。

如图1《有衬电渣炉示意图》所示，有衬电渣炉上，由变压器一短网一自耗电极一渣池一金属熔池一底电极和底水箱构成的闭合导电回路中通以一定大小的电流时，由于液态炉渣具有一定的电阻，渣池内产生渣阻热即焦耳热。渣阻热将渣池自身加热到高温的同时，把埋入渣池中的自耗电极端部逐层熔化和加热；而层状熔化了的金属沿电极端部表面向下流动并形成金属熔滴；当熔滴长大到一定尺寸后就从电极端部脱落穿过渣池在炉底汇成金属熔池；由耐火材料打结的炉衬具有较好的保温性能，渣池温度又很高，使熔池有很高的过热度，这样在熔炼过程中可不断加入块状或粒状金属料来降温；在熔炼过程中期和末期加入铁合金以调整成分，出钢前可进行扒渣和脱氧操作。

a—单相单极炉底导电；b—单相双极；c—三相三极1—自耗电极；2—炉体；3—渣池；4—金属熔池；5—炉底电极；6—短网；7—炉用变压器；8—底水箱；9—散状金属料

有衬电渣炉熔炼的冶金特点是反应温度高，钢一渣充分接触，渣池强烈搅拌，金属熔化过程在渣层下进行，因而与大气隔绝，因此，冶金反应的动力学条件很好，对某些反应的热力学也有利。主要表现为脱硫效果显著，钢中非金属夹杂物能充分去除。由于通常没有氧化操作故不能脱碳和脱磷。

有衬电渣炉的冶金特点如下：

（1）熔炼温度高，熔渣具有良好的精炼作用。本章第四节讲到，感应炉熔炼以金属炉料本身的涡流作为热源，炉渣靠金属熔池的热量来加热，渣温低，渣子流动性不好，表面还经常结壳。与此相反，有讨电渣炉炼钢时，熔渣温度高于金属液温度，渣子流动性好，能有效地去除非金属夹杂物。此外，通过脱氧，可以保持熔渣中较低的氧化铁活度，这可使得有衬电渣炉可以很方便地回收合金钢和合金的废旧零部件、废材、锻钢或轧钢切头切尾、锭子冒口以及车屑等。实践表明，尽管炉料较脏，带氧化皮，但是获得的金属液纯洁度仍很高。

（2）采用金属自耗电极，不采用石墨电极熔化炉料，避免了金属液增碳，有利于燃超低碳不锈钢和回收低碳的高温合金废料。

（3）成分控制稳定。用“新料法，，或“返回法”冶炼，只要炉料较干净，合金元素回收率便便可常稳定，可以不经炉前化学成分分析而达到准确的成分控制。

（4）自耗电极制备容易，操作方便，与电渣重熔相比，’电极可以采用不规则断面，甚至选用废钢件。

（5）生产率高，电耗低。某厂选用1000kVA变压器作为电源的三相1t有衬电渣炉，冶炼返回料时，每半小时出一炉钢，年产万t以上，仅用一台炉子即可满足全厂生产所需。这是因为与电渣重熔相比，由于没有结晶器及底水箱冷却水热损，而使生产率提高，电耗降低。

（6）设备简单，占地面积小，投资少，成本低，建厂投产快，适用范围广，因此相当一段时间内受到中小企业的青睐。

这种设备的缺点是：与电弧炉相比，电耗略高，同时还必须准备自耗电极。

随着科学技术的进步，真空熔炼技术也取得很大进展，新的真空熔炼的炉型也不断涌现。例如，真空感应熔炼通常脱硫效果并不好，近期出现了真空感应有渣熔炼，即在真空感应熔炼过程中，造碱性熔渣。由于一般合金中都有或多或少的碳存在，这时就可发生下列脱硫反应：(CaO) [MeS] [C]======(CaS) [Me] {CO}。

在真空熔炼条件下，由于炉气不断被抽出，炉内pCO值可达到很低的水平，这对于合金的脱硫是极为有利的。工作表明，用200kg真空感应炉重熔高硫钴豆，造石灰萤石渣，脱硫效果达44%。真空感应有渣熔炼，还可以抑制元素的挥发过程，这对于减少贵重元素的损失和准确控制合金成分也是有利的。为克服真空电弧熔炼不能浇注成型的缺点，发明了真空凝壳炉。它是利用真空电弧熔炼原理，采用可以倾动的水冷坩埚控制冷却过程，使被熔炼金属液在坩埚内壁形成一薄层“凝壳”，将被熔炼金属液和坩埚隔离，并形成相当大的熔池，熔炼结束时快速倾转坩埚将金属液注入铸模或铸型凝固成型。凝壳炉在熔炼钛和钛合金方面取得了很好的冶金效果。此外，特别适用于难熔金属提纯和单晶制取的无坩埚区域熔炼，生产定向涡轮叶片的真空定向凝固炉，以及制备金属间化合物(例如Ni₃Al、Ti₃Al等)用的冷坩埚悬浮熔炼等均已达到生产规模，正在进一步的完善和发展之中。2100433B

根据加热热源的不同，真空熔炼主要可分为真空感应熔炼，真空电弧熔炼，电子束熔炼等3种。

真空熔炼真空感应熔炼

将金属炉料放入置于线圈中的坩埚内，当线圈接通交流电源时，在线圈中间产生交变磁场，炉料中即产生感应电势。由于金属炉料本身形成一闭合回路，所以在炉料中同时产生了感应电流，即涡流，炉料靠涡流加热和熔化。利用这个原理进行熔炼的方法称为感应熔炼。而处于真空条件下的感应熔炼则为真空感应熔炼。真空感应熔炼能够严格控制合金中活泼元素如铝、钛等的含量，可以有效地去除合金中的气体和非金属夹杂物以及有色金属杂质，提高合金的纯净度。但真空感应熔炼存在着坩埚耐火材料对金属液的沾污问题，且通常采用钢锭模浇注，钢锭结晶组织与普通熔炼的铸锭组织比较并无改善。真空感应熔炼主要用来熔炼高温合金、精密合金及特殊钢材料，其主要产品是铸锭、精密铸件和双联熔炼用的电极母材。

真空熔炼真空电弧熔炼

在真空条件下利用电弧来加热和熔炼金属的熔炼方法。这种熔炼方法所使用的电极有自耗电极和非自耗电极两种。自耗电极是由被熔炼材料(即炉料)制成，在熔炼过程中它逐渐消耗;而非自耗电极系利用钨等高熔点材料制成，在炉料熔炼过程中它基本上不消耗。采用自耗电极的真空电弧炉称自耗电极电弧炉，简称自耗炉;采用非自耗电极的真空电弧炉称非自耗电极电弧炉，简称非自耗炉。非自耗电极熔炼已较少使用，而自耗电极熔炼大量应用于生产实践中，成为二次重熔的主要手段之一。真空电弧熔炼的坩埚一般用铜制成，外面用水冷却，称为水冷铜结晶器。熔炼时，可以将自耗电极(被熔炼材料)接负极，水冷铜结晶器接正极，通电后两极间产生弧光放电，将电能转变成热能，产生高温使材料熔化。熔炼过程中液态金属熔滴通过高温弧区后落入金属熔池，并在水冷铜结晶器内凝固成锭。通过金属液与气相间以及熔池内发生的一系列物理化学反应，达到提高金属的纯净度，改善其结晶组织和性能的目的。真空电弧熔炼不受大气、耐火材料和铸模等的沾污;可以去除钢及合金中的气体和有害金属杂质;熔炼中夹杂物也可上浮去除一部分，并可改善夹杂物在合金中的分布及形态;水冷铜结晶器中的钢锭铸态组织比普通铸锭为好。但真空电弧熔炼需预制电极，且钢锭表面较差。真空电弧熔炼可用来熔炼钛、锆、钨、钼等活泼金属、难熔金属以及它们的合金，也可用来熔炼高温合金及有特殊用途的钢和合金。

真空熔炼电子束熔炼

在高真空环境中，将阴极材料(通常选用难熔金属如钨等)加热至高温后，在高压直流电作用下发射电子，用磁透镜聚集成电子束，并在阳极的加速下，以高速射向阳极(做成电极的被熔物料相当于阳极)，当高速的电子束射到电极表面碰撞时，由动能转变成的热能将被熔物料熔化。它不仅能熔化电极，而且有一部分能量可以用来加热金属液面，使熔池保持必要的温度和时间，以利于金属的精炼。最后金属液在水冷结晶器中凝固成锭。电子束熔炼也称电子轰击炉熔炼。电子束熔炼具有突出的优点：工作真空度高(约10-～10-Pa)，非常有利于去除气体、非金属夹杂物及金属杂质;熔炼温度高，冶金反应充分，能熔炼任何难熔金属;金属熔滴汇聚在水冷结晶器内，可以有效地控制熔池温度和冷凝速度，有利于获得良好的金属锭组织。电子束熔炼的应用范围已从难熔金属扩展到高温合金、精密合金、半导体材料和一些具有特殊用途钢种的熔炼。只是由于其设备结构复杂，建设投资昂贵等原因限制了它的发展规模。