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铸钢件生产技术课程
感应电炉炼钢
制作人：陈小红
浙江机电职业技术学院
感应电炉炼钢
一、感应电炉炼钢原理与工艺
1.感应电炉炼钢原理
感应电炉炼钢是利用交流电感应的作用，使坩埚内金属炉料本身发出热量，将其熔化而进行熔炼的一种炼钢方法。
感应电炉按其构造分为无芯式和有芯式两种类型。
炼钢用的是无芯式感应电炉，其工作原理如图1所示。
在一个耐火材料筑成的坩埚外面，有螺旋形的感应器（感应线圈）。
在炼钢过程中，盛装在坩埚内的金属材料（或熔化的钢液）尤如插在线圈中的铁芯。
当往线圈中通以交流电时，由于感应作用，在炉料（或钢液）内部产生感应电动势，并因此产生感应电流（涡流）。
由于炉料（或钢液）本身有电阻，故在涡流通过时会发出热量。
感应电炉炼钢所需的热量就是利用这种原理产生的。
与电弧炉炼钢相比，感应电炉炼钢有以下特点。
图1 感应加热原理图
1）加热速度较快，炉子的热效率较高感应电炉炼钢所需的热量是在炉料和钢液内部产生的，这种直接的加热方式，加热速度快，热量散失少。
2）氧化烧损较轻，吸收气体较少。
由于感应电炉不用电弧加热，没有电弧的超高温，使得钢中元素的烧损较少；没有电弧作用，空气中的水蒸汽也不能被电离成氢和氧，使钢吸气量减少。
3）炉渣的作用较弱。
感应电炉炼钢过程中，炉渣是被钢液加热的，其上面又与大气接触，所以炉渣温度较低，使化学性质较不活泼，不能充分发挥其在冶炼过程中的作用。
4）炼钢工艺比较简单，生产比较灵活。
目前，感应电炉炼钢方法在我国得到了广泛的应用，特别是在一些生产铸钢件的中、小工厂和精密铸造厂应用更为广泛。
2.感应电炉炼钢工艺
按坩埚炉衬材料性质不同，感应电炉分为酸性和碱性两种。
酸性感应电炉的炉衬所用的耐火材料为硅砂，碱性感应电炉的炉衬所用的耐火材料为镁砂。
一般都用硼酸和水玻璃作粘结剂。
炼钢过程中用酸性炉造酸性渣，不能脱磷和脱硫；用碱性炉造碱性渣，能够脱磷和脱硫。
感应电炉炼钢有氧化法和不氧化法两种。
由于感应电炉炼钢过程中炉渣温度低，化学反应能力较弱，所以多采用不氧化法炼钢。
一般情况下，待炉料全部熔化后，即行脱氧、调整化学成分和出钢。
下面是具体的感应电炉不氧化法炼钢工艺。
（1）配料
酸性感应电炉由于不能脱磷和脱硫，因此所用的炉料必须是低磷和低硫的。
碱性感应电炉炼钢，通过造碱性渣，能起到一定的脱硫、脱磷作用，所以对炉料的适应性较强，炉料的平均含磷量和含硫量允许稍高一些。
但就脱磷和脱硫的能力而言，碱性感应炉远低于碱性电弧炉。
感应电炉炼钢一般不采用氧化法。
由于没有氧化脱碳沸腾精炼的手段，故应尽量减少气体和夹杂物的来源。
要求炉料表面无锈、油，炉料的化学成分应明确，并要求精确地进行配料。
炉料的平均含碳量按规格成分上限配入；炉料的平均含磷量和含硫量均应比规格成分的限量低0.005%～0.01%。
（2）装料
感应电炉坩埚内的温度分布情况如图2所示。
坩埚壁处温度高，而中心部分和炉底部分的炉温较低。
因此块炉料和难熔合金应装在坩埚壁处，小块料装在中间和炉底，小块料上加铁合金，上面加中块料。
并在大块料的缝隙中填塞小块料。
炉料应装得密实，以利于导磁和导电，减少耗电量。
图2 感应炉钳埚内温度分布
对于大容量的感应电炉，特别是在连续生产的条件下，适宜于料斗装料。
料斗用钢板焊制而成，其形状与尺寸应与坩埚内衬的轮廓一致。
预先装好炉料，料斗随炉料一同装入坩埚内，一起被熔化。
这样能提高电炉的利用率，并改善加料操作的劳动条件。
（3）熔化
炉料装好后开始通电熔化。
通电后前10min，用较小的功率（40%~60%），以防止电流波动太大。
之后电流趋于稳定，就可以使用大功率熔化，直至炉料全部熔清。
在熔化过程中应经常用炉钎捅料，避免炉料“搭桥”。
当大部分炉料熔化后，加入造渣材料。
酸性造渣材料用新砂65%、碎石灰15%和氟石粉20%。
碱性造渣材料用石灰80%和氟石20%。
（4）脱氧和出钢
采用不氧化法炼钢时，炉料熔清后即可进行脱氧。
酸性炉一般采用沉淀脱氧法，即将锰铁、硅铁等脱氧剂直接加到钢液中。
碱性炉可以采用扩散脱氧法。
脱氧剂可用碳粉和硅铁粉，或用硅钙粉和铝粉（炼低碳钢种时)。
脱氧以后，调整化学成分，然后插铝进行终脱氧。
终脱氧后停电，倾炉出钢。
需要注意，炼钢过程中，所有加入炉中的材料都必须是清洁干燥的，且造渣材料和铁合金应经过高温烘烤，以免材料中含有水分，加入钢液中产生气体和使钢液降温过多。
（5）合金钢冶炼
感应电炉不氧化法炼钢，由于不进行钢液氧化，故钢中合金元素的氧化烧损较少，适宜冶炼各种合金钢。
但酸性感应电炉不氧化法不适于冶炼高锰成分的钢种，因其含有大量的MnO,而MnO是碱性氧化物，会严重腐蚀酸性炉衬。
感应电炉不氧化法冶炼合金钢时，合金元素收得率见表1。
表1 感应电炉不氧化法炼钢中合金元素的加入时间和收得率
二、真空感应电炉炼钢
真空感应电炉炼钢是指在真空条件下用感应电炉进行炼钢操作和浇注的方法。
这种炼钢方法有以下优点。
1）能较彻底地清除钢液中的气体当真空度达到1.33Pa时，钢液中氢的含量可降到1ppm以下。
2）钢中元素氧化轻微由于炉料的熔化是在真空条件下进行的，故钢中元素氧化程度很轻微，极少生成夹杂物。
因此，只要炉料清洁，炼得的钢液就很纯净。
3）钢液中含氧量极低在真空条件下，碳具有很高的脱氧能力。
因碳与FeO 反应生成的一氧化碳被及时抽走，使得反应进行得很彻底。
故真空钢液电炉炼钢，无须加其他脱氧剂进行脱氧。
4）炼钢工艺简单实际上真空感应电炉炼钢的过程就是炉料重熔的过程。
由于上述优点，真空感应电炉适宜于冶炼高纯净钢种，以及要求严格控制化学成分的钢种。
这种炼钢方法也存在以下缺点。
1）金属元素蒸发具有这种现象的元素主要是锰。
在真空条件下熔炼时，锰会发生显著的蒸发现象，因而损耗非常显著。
铜也比较容易蒸发，但蒸发的速度比锰少得多。
其他元素的蒸发量很少，可以忽略不计。
2）钢液的沾污在真空条件下，炉衬中的二氧化硅被钢液中的碳所还原
2C+SiO2→Si+2CO↑
生成的CO气体被抽走，促使反应进行。
其结果是钢中含碳量减少，含硅量增加。
这种现象就称为钢液的沾污。
