感应炉炼钢

感应炉炼钢

无芯感应炉已在黑色金属行业使用了 50 多年，现在是熔化和保持黑色金属材料最流行的方法之一。感应熔炼在 1960 年代以工频技术为基础有了飞速发展，后来随着 1980 年代中频电源的大规模引入。在感应炉中制造低碳钢最早是在 1980 年代初期进行的，当利用回转窑的煤基工艺生产海绵铁开始流行时，它开始流行起来。

感应炉是一种利用电流熔化金属的电熔炉。感应熔化的原理是来自初级线圈的高压电源在金属（次级线圈）中感应出低电压、高电流。感应加热只是一种传递热能的方法。支配感应加热的两个定律是 (i) 电磁感应，和 (ii) 焦耳效应。

无芯感应炉包括一个相对较薄的耐火坩埚，周围环绕着由单个交流电源激发的水冷铜线圈。当线圈通电时，波动的轴向磁场导致电流在坩埚内的导电装料块中流动。电荷中感应的功率取决于材料的物理特性、连接材料的通量及其几何形状。取决于被熔化材料的电阻率，无芯感应炉以 50 % 至 85 % 的效率将电能转换为加热炉料，尽管来自熔体表面的辐射和传导的热损失进一步降低了炉效率炉衬。

通常用于炼钢的中频感应炉使用由高频交变场产生的涡流产生的热量。电感器通常由铜制成，以限制电损耗。电感器是水冷的。该炉由一个由合适的耐火材料制成的坩埚组成，坩埚周围环绕着水冷铜线圈。在这种炉型中，炉料被电弧产生的热量熔化。线圈承载高频电流。高频电流产生的交变磁场在电荷中感应出强大的涡流，从而导致非常快速的加热。

将一吨铁加热到 1500 摄氏度所需的电能为 396 千瓦时。在熔炉中会发生一些损失，这会增加单位能耗。损耗包括 (i) 热损耗、(ii) 炉线圈损耗、(iii) 电容器组损耗、(iv) 转换器损耗和 (v) 主侧变压器损耗。损耗越高，炉子效率越低。热损失对能量损失的贡献最大。主要的热损失是（i）炉顶的辐射损失，（ii）耐火衬里的传导损失，（iii）盘管冷却水中的热损失，以及（iv）被去除的炉渣携带的热量。

在产生热量的过程中，炉子不断地向冷却水以及来自外壳和暴露的金属表面的辐射损失热量。需要消耗电能来替代这种热损失。因此加热时间越长，炉子效率越低。

原材料

无芯感应炉通常被认为是“死熔”单元，在此过程中实际上只发生了很小的变化。因此，原材料在炼钢过程中起着重要的作用。

对炉内加热的原料进行选择和控制，以保证钢水在连铸机浇铸后具有预期的力学性能和化学成分，无缺陷。除了钢铁生产原材料的质量外，还影响 (i) 产生的炉渣量、(ii) 耐火衬里寿命以及 (iii) 工厂和工作人员的安全。此外，原材料及其装料方式对电能的单位消耗和高炉生产率有相当大的影响。

原材料中要控制的重要参数是 (i) 尺寸，(ii) 堆积密度，(iii) 化学成分，(iv) 清洁度、污染量以及无锈、水垢、沙子、污垢、油/油脂, 和 (v) 非金属涂层。体积密度大于 1 吨/立方米的原料装料比体积密度 0.5 吨/立方米左右的较低装料能耗低。

在用于加热的各种原材料中，金属材料在技术和经济方面都占有最大份额。感应炉炼钢的主要原料是（i）废钢，（ii）废铁或/和生铁，（iii）海绵铁，（iv）增碳剂，和（v）添加剂。其中前三个是金属色。

肮脏或受污染的废料往往会在熔炉耐火材料上沉积渣层。这发生在坩埚中的液位处或刚好低于液位，并限制了熔炉的功率量。炉膛内径的有效减小也可以使装料更加困难和旷日持久。这再次影响了熔炉的能源效率。

生锈的废料不仅需要更多时间熔化，而且每次装料所含的金属更少。应检查废料以确保不包括镀锡板和镀锌等预涂层钢材，因为这些材料会产生过量的冶金烟尘和熔渣。在 1500 摄氏度时每形成 1% 的炉渣，每吨能量损失为 10 千瓦时。

与废钢、废铁和生铁不同，海绵铁的特点是（i）高孔隙率，（ii）低密度，（iii）低导热率，（iv）高比表面积，（v）高氧含量, 和 (vi) 中间碳含量。海绵铁具有均匀的化学和物理特性。杂质金属元素含量低（0.02%左右），硫含量低。

用于在感应炉中炼钢的添加剂通常是铁合金。应检查铁合金是否符合尺寸、等级和成分规范。特别是要检查它们是否有细粉，因为这是高损失的一个来源，因此在加热过程中制造的钢的预期化学成分会发生变化。

在感应炉炼钢过程中，增碳剂的作用是从海绵铁中去除以 FeO 形式存在的氧气，并使钢液中的碳吸收达到所需的水平。石油焦和无烟煤是感应炉炼钢过程中常用的两种增碳剂。然而，为了更好地回收碳，更希望通过生铁或铸铁废料将碳输入浴中。由于损失过多，应避免使用非常细粒度的增碳剂。其他可以使用的增碳剂是冶金焦炭、碳化铁和冶金碳化硅（63% 的硅和 31% 的碳）。碳化硅通常与废料一起使用，具有以下优点：(i) 吸收更快，(ii) 作为脱氧剂，(iii) 提高衬里寿命。

根据材料分析准确计算必要的炉料混合，以及精确地确定和计量炉料和添加剂（增碳剂和添加剂）的重量，是减少熔化时间和功率需求的基本先决条件，此外还要确保钢水的适当成分。为了获得更好的效果，必须使用清洁干燥的充电材料。

感应炉的有效操作主要取决于操作实践的实施。感应炉操作步骤如图1所示。

图 1 感应炉炼钢过程中的操作阶段

充电准备和充电

不正确的充电做法会显着增加能源消耗。最糟糕的做法是加入少量材料并等待熔化，然后再添加更多材料。最佳做法是将电荷添加到电源线圈顶部的水平，并在电荷沉降时进行补充。

在开始加热之前，需要将原材料称重并放置在靠近炉膛的操作地板上。待装料的原材料储存在合适的容器中，并准备好通过所选方法装料。增碳剂和添加剂要准确称重并妥善处理，以免在处理过程中造成浪费。

单件金属/废料的最大尺寸应小于炉坩埚直径的 0.4 倍。它避免了桥接问题。此外，每批金属/废料的装料量约为熔炉坩埚体积的 10%。此外，要确保几乎没有锋利的边缘，因为这会损坏耐火材料。

中频无芯炉在没有油底壳（跟）的情况下运行。这些熔炉的装料方法取决于几个因素，包括 (i) 熔炉尺寸、(ii) 熔炉产量和 (iii) 使用的装料材料。

可以使用机械或手动方法，但上面给出的三个因素通常决定方法。对于废钢、铸铁、生铁和回炉等磁性材料，采用装有电磁铁的桥式起重机直接装炉。海绵铁可以通过装有电磁铁的桥式起重机或/和手动方式充电。

手动装料方法仅适用于较小的熔炉。在产量高或操作条件困难的情况下，通过落底桶或振动装料机将炉料添加到熔炉中，这些装料机通常包含称重装置以确保正确装料。

炉子的装料永远不能超过线圈的高度，即将炉子装满它的容量。此外，应当理解，随着炉衬磨损，炉料的量将相应增加。应遵循正确的充电顺序。在底部装料较轻的废料，然后在顶部装上较重的废料，以保护底部衬里在装料过程中免受损坏。在熔体中带入潮湿或潮湿的材料会引起爆炸，应避免。

熔化除渣

将材料装入空炉，直至炉盘的上边缘。当电源接通时，带电材料中会感应出电压，从而产生强涡流。由于高电流和材料的电阻，材料被加热到熔化点。

熔化的材料一起沉降，炉子可以装满更多的材料。在中频炉中，材料不是装入液浴中，而是装在静止的固体材料上。

在炉料中使用海绵铁时，海绵铁中的氧以 FeO 的形式存在，与液浴中的碳发生剧烈反应，从而改善了热传递、熔渣金属接触和镀液的均匀性。

为了使熔化操作顺利进行，需要定期清除熔渣，因为它会在液浴顶部凝固并阻碍海绵铁的进一步熔化。当搅拌作用加速向液态金属传递热量并促进熔化时，可以将海绵铁直接添加到液态金属中。在添加海绵铁之前需要注意确保有足够的液池。

无论装料方式如何，海绵铁总是在废钢熔化形成熔池（即热跟）后进行装料。海绵铁的熔化受液浴中碳含量和海绵铁金属化程度等因素的影响很大。液浴中的碳含量与海绵铁中未还原的氧化铁含量发生反应，从而从液浴中释放出 CO 和 CO2 气体，即发生碳沸腾，从而随后去除氢气和氮气，最终生产出清洁钢。 3 FeO + 2C =3 Fe + CO + CO2 在渣金属界面发生碳沸腾。

液浴中的碳含量应保持在适当的水平，以便在熔化期间保持适当的碳沸腾。降低海绵铁中 FeO 含量所需的碳量（C，以 kg 为单位）由等式 C =1.67 [100 – % M–{(% Slag /100) x % Fe}] 给出。其中，M为金属化程度，Fe为渣中铁的含量。

通常在整个金属装料期间添加无烟煤或石油焦形式的碳，以改善混合并减少向完全熔融浴中添加的辅料量。随着工作频率的增加，中频炉的搅拌作用减弱。这反过来又使向完全熔浴中添加碳变得更加困难。

通常在中频无芯炉中产生的炉渣不是流动的，并且非常重和粘，并且经常干燥并且呈渣滓形式。因此，通常使用配有长钢筋的除渣勺来促进炉渣的去除。这些勺子是专门为此目的制作的。

如果使用熔渣混凝剂帮助清除熔渣，应严格控制其使用，以防止对炉衬材料的化学侵蚀。选用干净、适宜的炉料，选用占总铁比例较高的海绵铁，可减少渣量。

金属炉料的金属损失取决于部件的物理尺寸及其质量，但通常小于 5%，其中相当一部分损失是由于除渣和浇注操作期间的溢出和飞溅造成的。碳的回收率取决于增碳剂的大小和质量、添加方法和添加时间。预计在85%到95%的范围内。

准备好加热，出炉并清空炉子

当液体填充水平达到线圈上边缘附近时，取样并将用于最终分析的材料添加到炉中。这种材料现在被熔化，熔体的温度比出钢温度低 80 摄氏度到 100 摄氏度。

当出钢包准备好时，将炉子撇去并加热到出钢温度。对于中频炉，此活动需要 2 到 5 分钟。液体温度用浸入式热电偶测量。出钢前将少量铁合金装入炉内，以免出钢时产生沸腾作用。

在浇注钢包中，将所需数量的铁合金和增碳剂（如果需要）放入钢包底部并出钢。

过程控制和自动化

炼钢车间的现代概念涉及对发生的所有功能的控制，以便收集有关钢水质量和成本的详细信息。早些时候，只有较大的炼钢厂才有炉子控制形式。然而，计算机和可编程逻辑控制 (PLC) 设备的低成本现在允许将复杂程度不同的控制系统经济地安装在较小的装置中。这些系统执行多种功能，可分类为 (i) 过程自动化，(ii) 过程监控，(iii) 信息显示和记录，以及 (iv) 与其他熔炉和控制系统的接口。

流程自动化 – 最先进的自动化系统可以控制从炉料选择到钢水出钢的炼钢周期，并与其他管理系统连接。更简单的系统只控制炼钢操作。为了发挥作用，这些系统需要有关装药重量、时间和功率输入的信息。电荷重量从称重传感器获得或从操作员输入，而时间从设备的内部时钟中得知，该时钟在每次加热开始时重置。功率来自炉线圈的电压和电流测量值。然后计算能量输入并与设定值进行比较，该设定值是根据制造商使用类似熔炉的经验确定的，操作员可以根据具体情况进行更改。当达到设定值时，炉子会自动关闭，炉料会在目标温度附近熔化。这些参数的测量是相当准确的，但是装料的变化以及它在炉子中的位置会导致感应能量的变化，因此获得的温度在加热之间会发生变化。下一阶段是将金属过热至设定的出钢温度，只有在已知起始温度的情况下才能达到此温度。这是通过确保对液态金属进行准确的浸入测量来提供的，结果要么直接输入控制系统，要么由操作员输入。

在熔化和过热之间，金属通常会被除渣、取样和改变成分以满足规范。如果需要，控制系统将温度保持在任何设定值，并计算出最佳功率水平。通过这种方式，可以准确控制所提供的能量，避免高昂的能源成本和过高的温度。

控制系统可用于其他自动操作，例如 (i) 冷启动炉和 (ii) 新炉衬的烧结。在这些情况下，温度数据由热电偶提供，系统通过改变功率输入来控制温度。

过程监控 – 在控制炼钢操作的同时，该系统还可以监控水、液压、电源和排烟系统等辅助设备。当出现问题时，警报显示会提醒操作员。可以长期记录线圈电流及其在特定电压下的趋势，因为任何增加都可能表明衬里磨损。因此，该系统可以在耐火材料需要更换时向操作人员提供指示。

信息显示与记录 – 控制系统提供信息，而更复杂的系统则在从操作员到管理的各个层面进行。视觉显示单元 (VDU) 在熔化、保温和过热期间提供有关炉内能耗、功率、温度和金属重量的信息。数据经常以图形形式显示，以帮助阅读信息。对于不同的功能，有不同的菜单屏幕，例如 (i) 指示警报，(ii) 适合衬里，或 (iii) 轻敲。从属监视器可以复制远离熔炉平台的显示。更简单的系统可以有一个液晶显示器 (LCD)，它可以提供相同的一般数据，但不能以图形方式显示。

操作员可以根据制造商的偏好和系统的复杂程度，使用键盘、光笔或触摸屏与系统通信以输入信息或更改设置。还可以提供一个热、一个班次或一个月的记录。

与其他熔炉和控制系统的接口 – 系统还设计用于控制多台熔炉的炼钢操作。然后，该系统控制所有熔炉并优化熔炼，以提供整个炼钢装置所需的金属产量。它考虑了与电力供应商签订的合同在一天中的某些时间段施加的功率限制，并优化炼钢以提供最佳熔化率。

还开发了向在更高级别运行的控制网络报告和接收信息的系统。它可以根据来自网络的信息，例如金属浇注温度的变化、合金成分的变化、原材料的可用性和装料重量，并相应地操作熔炉。

上述控制系统是一种提供熔化、保持和出钢的自动控制的方法。他们可以从冷启动炉子，控制炉衬烧结周期，并对电源、炉子组件、辅助系统和炉衬进行连续诊断检查。任何故障或故障都可以被识别并引起操作员的注意。可以保存所有监控数据的综合记录，以进行管理控制。这些系统可以控制多个熔炉，并成为控制熔炼车间所有功能的更大网络的一部分。对于小型炼钢厂来说，最复杂的系统并不具有成本效益。有些系统可以改装到现有设备上。