电炉炼钢设备技术工艺发展趋势分析

第一节 产品技术发展现状

对于黑色金属的熔炼而言， 行业 内已有较成熟的产品，其中工频铸铁熔化炉已形成1.5、3、5、7、10、15、20t的系列产品其基本技术性能和主要技术参数接近发达国家的同类产品。随着国内铸造 行业 规模经济的成和发展，我国电炉 行业 在30~50t容量工频无芯化铁炉领域的技术开发和解决关键配套件工作也应提到议事日程上来。但更重要的是，大容量工频无心炉受到熔池最大搅拌、驼峰高度、炉衬冲刷、噪声等各方面限制，比功率密度不可能太高，因而大力发展200Hz~600Hz大容量高比功率的变频无心炉已成为当今世界无心炉领域的一种发展趋势。

国外的感应炉大公司如AjAX公司、ABB公司、PILLAR公司、应达公司，单台电源功率2500kW~3000kW的中频无心炉技术已相当成熟。8000kW~10000kW的中频电源和配套的无心炉已投入现场运行，大有逐步将工频无心化铁炉挤出市场的动向。近几年，上海、南京、邯郸、四川从应达、彼乐、ABB等国外炉子公司引进了十几台4~15t级的变频铸铁熔炼炉。我国电炉 行业 已开发出容量为2~3t、更大的功率为1500kW左右的中频铸铁熔炼炉。有些企业已基本掌握2500kW~3000kW中频电源的关键技术，但仍不能完全满足铸造 行业 对大容量、高功率、200Hz~600Hz频段的中频炉的需求。所以通过自主开发，引进部件关键元器件以及中外合作等形式，迅速突破2000kW~10000kW大功率电源的关键技术，并实现产业化，对满足国内市场的需求有着重要的现实意义。

第二节 产品工艺特点或流程

1、电炉构造

电炉设备通常是成套的,包括电炉炉体,电力设备（电炉变压器、整流器、变频器等），开闭器，附属辅助电器（阻流器、补偿电容等），真空设备，检测控制仪表（电工仪表、热工仪表等），自动调节系统，炉用机械设备（进出料机械、炉体倾转装置等）。

1）电炉炉体一般有炉膛、炉盖、导磁体、感应线圈、熔沟等部分。立式炉炉盖的启闭一般由手动操作提升机构来实现。倾炉机构多采用液压装置，用两个液压柱塞缸倾动。

2）电气部分包括调压变压器，相平衡装置，补偿电容器组，控制柜等。工频有芯感应电炉一般作为前炉使用。由于它能提供成分恰当、温度适宜的定量铁液，已是近代大批量铸件生产和高速生产线上必不可少的熔炼设备。

2、电炉电路及原理

电炉电路一般由电源及电气控制系统、炉体、传动装置及水冷系统等部分组成。

工业用频率的交流电，事先通过整流器和平滑器转换成平滑的直流电，再在逆变换器变换成所需的频率。作为中频感应电炉，这样的频率变换方式有并联谐振和串联谐振两种方式。两者在功能上明显的不同点是输出功率的调整部位。前者是在整流器，而后者则是在逆变换器(变频器)。以前，铸铁熔炼用中频感应电炉大都采用并联谐振方式。而在最近则大都转变为用串联谐振方式。伴随通电时间频率与输出功率的负荷匹配特性。虚线为并联形，实线为串联形。并联谐振方式对炉内负荷变动的追随性不好，在熔炼初期的输出功率如虚线所示的那样弯曲过度，不可能按额定功率投入。而串联谐振方式则能与炉内负荷变动相适应，振荡频率如图中实线那样，可强制性变换，因此在熔炼作业开始时就可以投入连续的额定功率。应当说明的是，串联式的优点是指理想状态，在实际熔炼作业中必须有效控制才能接近这种状态。

串联谐振电路图

3、筑炉

1)耐火材料

电炉因炉型、熔炼金属种类、炉内部位的不同，应选择与其适应的耐火材料。熔炼铸铁时，铁液容易钻人耐火材料，因而不用耐火砖而使用干式施工的粉状耐火材料。对于无芯感应电炉，由于炉子结构限制了炉衬厚度，炉衬又受到急冷急热及铁液搅拌的影响，因而选用有一定热稳定性和耐火度高的硅质或熔凝硅石质。当有高温熔炼和高耐火度要求时，可使用高铝质或镁质耐火材料。对于工频有芯感应电炉，因经常存储铁液并必须长时间保证炉衬寿命，在熔化室的耐火材料以高铝质为主，而感应器部分因承受更高的温度则宜选用高纯度的高铝质、镁质—尖晶石质的耐火材料。

耐火材料的粒度分布虽然由提供材料的厂家独自选择，但粒度组成不适当的话，充填性差，也不能得到结实的烧结层。一般应控制60μm以下微细粒子的配比，以尽可能抑制玻璃化的速度。对于使用高硅质耐火材料的感应电炉，为了提高烧结性能、高温强度及抗侵蚀能力，可根据熔炼温度的要求在耐火材料中添加适量的无水硼酸。但是，在炉顶附近的耐火材料，由于熔炼时不与铁液接触，加上装人金属炉料时对其撞击而容易损坏。为了增加该处的强度，在耐火材料中可适当增加无水硼酸的加人量。

2）筑炉施工

筑炉是从炉体解体后开始的。通常根据炉村及绝缘材料的损坏程度解体至图7所示的石棉板或水冷线圈的内侧。若解体至水冷线圈内侧，必须检修线圈水泥。线圈变形和水泥自身的热变形，易使线圈水泥的一部分产生龟裂或脱落。线圈水泥大都使用湿状的铝钒土水泥。筑炉施工用的型模应是无锈和圆整的。另外在周围开适量的小孔。这样，烧结时耐火材料中的水分可以从此逸出。炉周围应打扫干净，以防砂土、草屑等异物混人耐火材料之中。筑炉工的口袋要掏净，连工作鞋都要用耐火粉擦去粘附的泥砂。筑炉工具都要经除锈处理。做好以上的准备工作后才能按如下的程序筑炉。

（1）筑炉底

筑炉底常用叉形捣固棒捣实。从炉顶测量深度后将过剩的耐火材料刮去，并用水平仪校水平，以使型模垂直放入。放入型模后，用专用量尺测定型模位置。使型模与线圈水泥之间的间隙均一。然后用塞块塞住。在型模底部，工频感应电炉装入起熔块，而中频感应电炉则装人如生铁那样的表面积少而易于通入感应电流的金属炉料，以防止型模位移。

（2）筑炉壁

炉壁筑炉施工最易产生分层之处是炉底部位的倾斜部。为此，该处的筑炉应特别小心并以手工捣固为好。捣实前应先将底层的捣结层划毛。筑炉壁可用手工捣实，也可用振动器捣实。在用人手捣实时，因捣实力因人而异，常以4-6人组成一组，绕着圈交替捣实。每层耐火材料称重后均匀加人，一般厚度为6070mm，捣实时间为10-15min。在采用振动器捣实时，一般先捣型模的一侧。当振动器碰着型模的时候，应由下而上作两次以上的移动，才进行下面的连续移动。

2）烧结

采用酸性耐火材料的工频感应电炉通常由冷料熔炼的方式烧结。电炉在使用中性而烧结较难的干式耐火材料时，在与金属炉料之间有可能产生电弧而使型模局部熔化、损坏，以至于在未烧结时就滑落。为此，如有几座炉时，最好利用别的炉子的铁液来进行烧结。酸性耐火材料烧结时，为了防止耐火材料的急剧膨胀，最好至573℃石英变态温度时，以100℃/h以下的慢速升温。在炉料熔化后可以100℃/h左右的速度升温。当使用熔凝硅石质耐火材料时，可用200℃/h的快速升温。烧结的保温温度，硅石质耐火材料最低1500℃，一般比通常的熔炼温度高20—30℃。但在使用熔凝硅石质耐火材料时，则以1580—1600℃的温度进行保温。升温至目标温度，保持1-3h烧结就完成。为了能使炉壁上部都得到烧结，烧结时的铁液量可比炉容量超出10%。此外，应当指出，烧结用的金属炉料应使用少锈的，镀锌钢板不能使用。烧结开始时，金属炉料加至线圈高度那样或再多些，在这些炉料熔化后再适时装人金属炉料，以避免仅仅是炉内下部的局部升温。

第三节 国内外技术未来发展趋势 分析

1、智能化

发展运用最新程序和热处理数据库，计算机模拟仿真技术和控制技术，采用高度柔性化、智能化的综合控制和管理系统于工业电炉及其生产线。未来的设备操作者仅需将待处理的工件数量、图样输入计算机，整套设备将自行处理出高质量的产品。

目前已实现了整个系统实时多项目操作控制。如控制装料量、运行速度、温度、碳势等，可实现多台群控系统，全屏幕监视及控制分批进料之动态。能完全工艺程序控制，可储存若干个工艺。能完全记录设备运行状况中所检测到的工艺参数（零件号、材料、温度、气氛等），送计算机进行处理并存储记录。可随时调阅和打印。可贮存十年的记录。

2、设备容量大型化

对提高生产效率有利，但应注意配套以提高效益。小型炉除铸造或生产特种钢外，一般因成本高将被淘汰，如中国规定新炉应在70t以上。

3、高效节能

电炉的生产效率、电耗和电极耗等指标尚有改善余地，但在降低电耗方面除考虑供电条件外，还应考虑电价和代用燃料的价格关系，以利于降低总成本而取得更大效益。
 

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