感应炉炼钢

感应炉炼钢

中频无芯感应炉一般用于产能较小的炼钢车间炼钢。感应炉配备了一个转换器，用于从电源的 50 Hz 频率产生必要的中频。为此，在整流器中产生直流电压，并通过平滑扼流圈馈入逆变器，并借助补偿电容器和炉线圈的电感在逆变器中产生中频电压。转换器的调节由内置的控制电子设备执行。炉子的控制是使用操作柜中的设备进行的，如果需要，还可以借助处理器。

变压器用于能量供应。炉变压器连接到供电网络。变压器将电源电压转换为炉子运行所需的电压，中频感应炉一般为 770 V。变压器通常内置有温度计、油位监测、布氏继电器、空气除湿器等监测装置。

熔炼在通常由酸性（二氧化硅基）或中性（氧化铝基）不定形耐火材料制成的耐火坩埚中进行。坩埚由环绕坩埚的感应炉线圈加热。

在感应炉中加热由某些循环活动组成。这些活动被称为“热循环”或“生产循环”。热循环有两个组成部分，即 (i) 熔化循环和 (ii) 非生产循环。熔化周期是最大功率连续施加到熔炉并添加装料的时期。非生产周期是指不使用或降低功率时，例如添加初始装料时、除渣时、温度下降时或采集分析样品时、等待分析结果时以及出钢时炉空等。炉子利用率是熔化循环除以热循环，以百分比表示。如果熔化周期为 80 分钟，非生产周期为 40 分钟，则加热周期为 120 分钟。 80 分钟的熔化循环除以 120 分钟的加热循环时间 100 得到 66.67% 的利用率。如果在感应炉中，每炉需要出钢10吨钢水，而热循环只能达到66.67%的利用率，那么就需要有15吨钢水的电源。热。

熔炼海绵铁的感应炉要求具有较大的截面积与体积比，以使传热率高，并保持炉渣的热和流动性。

感应炉利用变压器的感应原理，即当将电导体置于波动的磁场中时，导体中会感应出电压。在坩埚炉中，该电压会产生强大的涡流，由于材料的电阻，会导致材料被加热并最终熔化。水用于冷却盘管。对冷却水管线的体积和温度进行监测。

在钢铁生产过程中，需要大量的电能。除了生产钢铁所需的理论能量外，还需要能量来补偿生产钢铁时发生的损失。能量损失增加了比能量消耗并降低了熔炉效率。钢铁生产过程中发生的损失是 (i) 热损失，(ii) 炉线圈损失，(iii) 电容器组损失，(iv) 转换器损失，和 (v) 主侧变压器损失。热损失是主要损失并且对能量损失贡献最大。感应炉中的主要热损失（图 1）是（i）炉顶的辐射损失，（ii）耐火衬里的传导损失，（iii）线圈冷却水中的热损失，（iv）热传导除去的炉渣，和 (v) 从炉顶排放的气体携带的热量。此外，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顶部暴露金属表面的辐射损失热量。需要消耗电能来替代这些热损失。因此，加热时间越长，能耗越大，炉膛效率越低。

图 1 感应炉的主要热损失

影响炉内电能消耗的因素（图 2）包括（i）带废料进入炉内的污垢，（ii）生锈的炉料，（iii）废料的低堆积密度，（iv）再碳化(v) 未使用全部功率进行熔化，(vi) 过度形成熔渣，(vii) 产生过多的烟雾和排放物，(viii) 由于溢出和飞溅导致金属过度损失，( viii) 加热时间，因为较长的生产周期意味着由于辐射和传导导致的热损失较高，以及 (ix) 将完成的热量保持在炉中。

图2影响感应炉能耗的因素

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。对能耗影响最大的一个因素是熔炉利用率的水平。更高的利用率意味着高效的生产周期。

充电材料

用于加热的炉料对于控制感应炉中制造的钢的质量很重要。这些材料保证了制成的钢水在铸造后具有目标的机械性能和化学成分，并且没有缺陷。除了钢的质量，炉料还会影响 (i) 产生的炉渣量、(ii) 耐火衬里的寿命以及 (iii) 工厂和工作人员的安全。此外，炉料和炉料对电耗和高炉生产率有很大影响。

在感应炉中，主要的炉料是由废铁和海绵铁组成的金属材料。废钢和废铁都被使用。废铁将碳带入炉浴。生铁有时也用于某些熔炉中，以将碳引入熔池。这些用于产生热量的材料的比例取决于它们在工厂所在地的经济成本下的相对可用性。如果感应炉使用高海绵铁废品比，还添加增碳剂（例如无烟煤或石油焦）以控制熔池的碳含量。金属材料以机械方式或人工方式装入炉内。

熔炉中熔化操作的控制和钢水的化学成分取决于金属混合物的优化程度。为了使炉子有效运行，需要了解金属的质量，以便进行适当的炉料混合。

为了提高生产钢材的质量，需要控制输入废钢的质量。废料装料中需要控制的重要参数是 (i) 尺寸，(ii) 体积密度，(iii) 化学成分，(iv) 废料的清洁度，这意味着它们不应受到污染，如锈、水垢、沙子、污垢、油/油脂，以及 (v) 非金属涂层，如锌、锡和铬等。

废钢中最麻烦的残留元素（如铜、钴、锡、砷、锑、镍、钼等）最终集中在钢中。它们在钢中的存在会导致不良的抗变形、热脆性和机械缺陷。

如果废料部分很长并且伸出炉顶，这些虽然最终会熔化但需要时间，因此会影响炉子的利用率。废料的大小对于确保装料不会桥接很重要。平均而言，每件的尺寸不得超过炉膛直径的 33%，且任何尺寸不得超过炉膛直径的 50%。该系统的进料速度应能在实际熔炼周期的 65% 至 70% 内将全部炉料送入熔炉。

要求将初始材料尽快装入炉中，并具有足够的密度以实现最大功率。为了获得最佳性能，装料的密度需要很高，并且不低于每立方米 1.3 吨。初始炉料的数量应占炉子额定容量的相当大的百分比。

在废钢熔化过程中，大部分废钢在炉内与空气一起悬浮。随着感应场提高废钢的温度，它现在必须一直达到钢的熔点，因为没有碳存在来降低熔点。因此，这需要更多的能量和时间来进行初始熔化。此外，一旦钢达到约 700 摄氏度的温度，氧化的增加会变得剧烈，在从 700 摄氏度加热到 1540 摄氏度左右的过程中，废钢表面继续以越来越高的速率氧化.一旦熔化，钢滴会继续氧化，因为它们从装料中落下，直到它们到达熔炉底部并加入熔池中，并希望含有更高的碳。浴中的碳阻止铁的氧化。最薄的废钢可以在一两分钟内从室温变为发光的樱桃红色，从而增加氧化作用。铁的氧化物增加了形成的熔渣量。所有这些氧化都会产生高活性的 FeO 渣。

废料的清洁度非常重要，因为脏污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。炉内径的有效减小也可以在那里使装料更加困难和延长。这再次影响了熔炉的能量效率。此外，生锈的废料需要更多时间才能融化。每次充电它还包含更少的金属。肮脏的金属装料会导致更多的渣量，这意味着更高的比功率消耗。在 1500 摄氏度时每形成 1% 的炉渣，每吨能量损失为 10 千瓦时。

炉中的海绵铁装料的特点是（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）中间碳内容。海绵铁具有均匀的化学和物理特性。它含有低百分比的杂质金属元素（约 0.02%）和低硫含量，但通常与高磷含量有关。优先选用含碳量较高的海绵铁，减少对炉内增碳剂的要求。

海绵铁的熔化过程很大程度上受海绵铁的物理、化学和热特性的影响。其中一些特征是形状、尺寸、密度、化学分析和金属化程度。其他参数，例如装料方法、熔炉类型、熔池温度、熔炉中液态金属的化学成分，以及熔炉内部和颗粒周围的流体流动，也非常重要。

海绵铁的脉石含量和未还原的氧化铁含量需要尽可能低。出于安全原因以及出于能源消耗原因，低氧化铁含量很重要。如果在高温下将大量未还原的氧化铁引入高碳浴中，则会出现剧烈的碳沸腾，这是非常危险的。

在感应炉中使用海绵铁的优点是（i）不需要额外的脱硫，同时可以实现钢中的低硫含量，（ii）最终产品含有少量的残留金属，如铬、铜、钼、锡等，(iii) 充电时间减少，这也减少了整体热损失，(iv) 提高了产品质量的一致性。

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。无烟煤和石油焦是感应炉炼钢过程中常用的两种增碳剂。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。可以预期在 85% 到 95% 的范围内。增碳剂中较高的灰分含量会降低添加到熔池中的碳，同时增加熔渣的产生。为了更好地回收碳，更希望通过生铁或铸铁废料在浴中输入碳。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填充，具有以下优点：(i) 吸收速度更快，(ii) 还可作为脱氧剂，(iii) 提高衬里寿命。

除金属材料和增碳剂外，脱氧剂还用于感应炉炼钢。脱氧剂是铁合金（硅锰、锰铁和硅铁）和铝。铁合金的产量取决于其规格（尺寸、等级和成分）。

有必要根据材料分析准确计算电荷混合。此外，除了确保钢水的适当成分外，对装料和添加剂（增碳剂和脱氧剂）进行精确的重量测定和计量是最小化熔化时间和功率需求的基本先决条件。为了获得更好的效果，必须使用清洁干燥的充电材料。

不管是人工装炉还是机械装炉，都需要对装料进行称重，装炉。可使用吊秤称量装料。

充电和熔化操作

用于炼钢的中频无芯感应炉在没有油底壳（尾端）的情况下运行。将物料装入空炉，直至炉盘上缘。

前一炉出钢后，需立即检查内衬材料的状况，然后开始装废料。随着废料装料的开始，热循环开始。装料质量、装料顺序对热循环有显着影响。

一旦第一批废钢装入熔炉，电源就会打开，电流开始以较高的速率和相对较低的电压流过熔炉的感应线圈，从而在熔炉的中心空间内产生感应磁场。坩埚所在的线圈。因此，在坩埚中的可用装料中产生感应磁通量。当磁通量通过废料产生并完成电路时，它们会在废料中产生并感应涡流。这种感应涡流在流经高电阻废料槽时会产生巨大的热量并开始熔化。因此很明显，熔化速率主要取决于两件事，即 (i) 磁通量的密度，和 (ii) 装料的致密性。炉料密度越大，炉内空间越大，熔化时间越短，能耗越低。

一旦炉内有足够的炉料以使能施加电力，废钢的加热就开始了。目标是尽可能快速有效地将能量投入充电。能够在整个加热循环中提供最大功率的电源始终能够实现最佳熔化速率。随着电荷通过熔化过程，施加到线圈的电压允许增加。这种增加有两个优点，即（i）它确保最大千瓦连续施加到线圈，以及（ii）高线圈电压意味着感应到电荷的电压更高，因此电荷中的接触加热更有效。通常，与充电通过熔化过程时功耗下降的电源相比，这会导致熔化速率提高 10%。

在中频炉中，热量主要在炉料中金属的外缘产生，但通过传导迅速传递到中心。很快在底部形成一池液态金属，导致电荷下沉。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，物料不是装入液浴中，而是装在静止的固体物料上。

此时，要逐步进行附加充电。充电中产生的涡流还有其他用途。它赋予钢水熔融效果，从而更均匀地搅拌、混合和加热。这种搅拌效果与炉子的频率成反比。熔化一直持续到大约一半的炉体积被钢水充满。此时取样进行分析，并通过倾斜将炉子在渣罐中除渣。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浮渣形式。清渣过程中，应关闭电源，以确保所有的渣浮到表面并可以被清渣。停电时间越长，对整个炉子利用率的影响就越大。

根据分析结果确定废钢、海绵铁和增碳剂的进一步装料要求，继续装料。如果浴槽出现凸面，则暂时降低功率输入以使凸面变平并降低循环率。

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，需要注意有足够的熔池。

当海绵铁装入炉内时，为了使熔炼操作顺利进行，需要不断地排渣。这是因为熔渣在液浴顶部凝固并阻碍海绵铁的进一步熔化。通过将炉渣舀出炉来进行炉渣的连续去除。通常使用装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而制造的。用勺子除渣是可能的，因为这个阶段的渣很厚，而且它的粘度很高。人工除渣是一项艰巨且不愉快的工作。

使用熔渣混凝剂可以加强手动去除熔渣。熔渣凝结剂剥落以将熔渣块连接在一起，以便将它们剥离。如果使用熔渣混凝剂辅助清渣，应严格控制其使用，防止对炉衬材料产生化学侵蚀。

通过选择清洁和适当的炉料以及使用占总铁较高百分比的海绵铁，可以减少渣量。熔化速度的提高也减少了熔渣的形成。

如果炉料中海绵铁的含量较高，则需要在熔池中添加碳（无烟煤或石油焦）以去除氧气。海绵铁中的氧以FeO的形式存在，它与液浴中的碳发生剧烈反应，改善了液浴的传热、渣-金属接触和均匀性。

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。

准备加热、出钢和排空炉子

当液体填充水平达到线圈的上边缘附近，即加热即将完成时，在浸入探头的帮助下测量浴分析样品和浴温度。对于这个活动，权力被控制住了。在温度骤降和分析样品被取出后，立即恢复加热炉的保持能力。出于准确性和速度的考虑，通常会进行光谱分析。

根据分析结果在浴中进行微调添加以调整浴分析。将修整添加材料熔化，并将浴温升至低于出钢温度80℃至100℃的温度。用于修整的增碳剂需要小晶粒以增加其表面积，这样可以确保其快速溶解。

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。出钢温度的确定要考虑到铁合金添加的激冷效应。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，然后出钢。在出钢过程中，炉子排空越快越好。排空炉子的时间会影响炉子的利用率。

所需的预防措施和安全问题

熔炼过程总是伴随着由于熔融材料而导致的危险，而这些危险不能总是事先准确估计。人们常说，已知的危险不是危险，或者至少是可以预见和抵消的危险。感应炉炼钢过程中与安全相关的重要问题是由于金属液以飞溅、大小液滴、熔池的热辐射和水蒸气爆炸的形式喷出。此处解释了这些情况。

当非常小的金属部件与熔池接触并从熔体中喷出时，会产生熔体体积相对较小的金属飞溅。如果这些部件也潮湿或受潮，则会导致喷射出大大小小的液滴。操作地板上的操作员暴露在大量热量中。如果操作人员没有使用适当的防护设备 (PPE)，可能会导致皮肤灼伤和眼睛损伤。

当液体进入浴槽表面时，总会发生水蒸气爆炸。在极端情况下，渗透到地表以下深处的 1 cc（立方厘米）水可以在瞬间膨胀到其原始体积的 1,600 倍。在熔化过程中，水会从所装材料或潮湿或潮湿的工具中进入熔池。

在操作感应炉时，可能会发生捣打混合物受到损坏的情况，并且熔体已经向前移动到线圈中。如果这种情况导致绕组堵塞和水的释放，水也会渗入熔体下方，导致熔体突然向上喷射。这会引起强烈的水蒸气爆炸，导致熔体被抛到炉台上。

所需的重要预防措施和安全问题如下所述。

• 工作场所的整洁，这意味着炉台要时刻保持整洁，必要的工具随时待在适当的地方。周围的任何其他材料或物体都必须立即清除。
• 工作场所照明充足，确保炉台上的异常或问题能够被及时发现和纠正。
• 应在日志中记录设备、操作开关、电气和液压管路的损坏情况，并向维护部门报告，以便进行维修。指示灯是安全装置，需要按计划的时间间隔进行测试。
• 每次排空或每次敲击后，都需要目视检查坩埚的状况。坩埚壁上可能出现的裂缝用深色痕迹表示，然后可以更仔细地检查。
• 在准备时要检查所要充装的材料。管道、管子或中空部件应手动分拣，并检查以确保它们不含水，因为它会导致水蒸气爆炸。
• 应让来自其他地区的访客或人员意识到危险，并告知他们保持安全距离。
• 熔炉操作层人员所需的最低 PPE 是安全帽、安全鞋、长裤、棉衣和带侧面保护的护目镜。
• 应急出口通道必须始终保持干燥清洁。
• 每周检查一次炉体，每月清理一次灰尘、小碎屑等杂质。
• 任何泄漏的油都要捡起来，并用沙子覆盖。泄漏点将被定位并修复。
• 如果发生事故，熔炉平台将提供两条紧急逃生通道。这些路线要时刻保持畅通，即使是短时间也不能阻塞。
• 在熔池中使用金属工具时，在打开熔炉的情况下，工具必须接地，或者操作员至少要戴上干燥的皮手套。此类工作只能在关闭炉子的情况下进行。工具在浸泡前要在浴缸上加热，以去除任何湿气或湿气。
• 应避免形成桥梁，以防止熔融材料意外突破到外部。如果已形成桥，则应关闭熔炉并倾斜，以便使用细针尖与熔体接触。在某些情况下，桥可以在低功率和倾斜位置用熔炉熔化，然后在基本位置通过这个开口向熔炉补充更多材料，然后完全熔化。
• 如果在熔炉中包含完整的熔体时发生电源故障，并且不知道需要多长时间才能解决问题，则必须建立进一步的程序。有两种选择——要么让熔体凝固，要么清空坩埚。
• 借助接地继电器测量带电组件对地的电气绝缘。如果接地电位的熔体接近线圈，电阻将下降，系统将关闭。
• 如果要在炉子倾斜的情况下进行工作，则需要固定炉子以防倾倒。推出坩埚时也要固定熔炉。

需要目视检查坩埚的状况，并借助测量装置确定剩余的壁厚。通过频率显示可以评估平均剩余壁厚。