铸造合金及其熔炼.

模块一、铸钢合金的熔炼——电弧炉炼钢项目1、电弧炉炼钢的工作原理及基本结构教学重点：电弧炉炼钢的工作原理教学难点：电弧炉炼钢的工作原理铸钢合金的熔炼——电弧炉炼钢•铸钢合金的熔炼发展源远流长，并且广泛应用于各个领域，是由于铸钢件具有许多优点。铸钢件的优点之一是其具有设计的灵活性。设计人员可根具铸件的形状和尺寸有最大的选择设计的自由，对于形状复杂、特别是截面中空的零件，可采取组芯的方法来制造。从图样到成品转化速度快，有利于快速报价和缩短交货期。最小的应力集中系数、形状和质量的完善化设计以及整体结构性最强等，都体现铸钢件设计的工艺优势和灵活性。铸钢合金的熔炼——电弧炉炼钢•其二、铸钢件冶金制造适应性和可变性最强，可以选择不同的化学成分和组织控制，可适用于各种不同用途的工程要求。可以通过热处理工艺选择较大范围铸钢件的力学性能和使用性能，并且具有良好的焊接性和加工性。•其三，铸钢件的重量可在很大范围内变动。小者可以是重量仅几十斤的的容模精密铸件，而大型铸钢件可达到几吨、几十吨、几百吨的重量。•其四、铸钢材料的各向同性和铸钢件整体结构性强，提高了工程可靠性。再加上铸件重量减轻的设计与交货期短，在价格和经济性方面具有竞争优势。铸钢合金的熔炼——电弧炉炼钢•其二、铸钢件冶金制造适应性和可变性最强，可以选择不同的化学成分和组织控制，可适用于各种不同用途的工程要求。可以通过热处理工艺选择较大范围铸钢件的力学性能和使用性能，并且具有良好的焊接性和加工性。•其三，铸钢件的重量可在很大范围内变动。小者可以是重量仅几十斤的的容模精密铸件，而大型铸钢件可达到几吨、几十吨、几百吨的重量。•其四、铸钢材料的各向同性和铸钢件整体结构性强，提高了工程可靠性。再加上铸件重量减轻的设计与交货期短，在价格和经济性方面具有竞争优势。铸钢合金的熔炼——电弧炉炼钢•下面，我们进一步比较铸钢件与锻钢件、焊接件以及铸铁件等的优、缺点。•与锻钢件相比较•铸钢件在力学性能的各向异性方面优于锻钢件，研究资料表明：轧制钢材纵向力学性能常高于同牌号的铸钢件，但横向力学性能则低于铸钢件，其平均力学性能基本上与质量良好的铸钢件大致相同。有些高技术产品，在设计的过程中往往考虑材料在三个坐标方向上的性能，铸钢件的上述长处就值得重视了。•铸钢件无论其重量大小、批量多少，形状多复杂，均易按设计者的构思制造成合理的内、外部轮廓的零件。并且，零件的刚度高，应力集中不显著。单件或小批量生产时，可采用木质模样（模样及芯盒）或聚苯乙烯气化模样，生产准备周期短。大批量生产时，可采用塑料模或金属模样，加之适当的铸造工艺，能够得到符合要求的尺寸精度和表面质量。这些特点锻造钢很难做到。铸钢合金的熔炼——电弧炉炼钢•与焊接结构钢相比较•在形状和大小等方面，焊接结构钢的灵活性优越于铸钢件，但与焊接件相比，仍有以下不足之处：•①焊接件难以做出流线型的外形。•②焊接过程中产生的内应力较高。•③焊接过程易于产生变形。•④焊接缝影响零件的外观和可靠性下降。•当然，制造焊接结构件也有生产周期短的特点，而且，与铸钢件相比，还不需要制作模样和型芯。铸钢合金的熔炼——电弧炉炼钢•另外，由于工程用的结构铸钢件一般都具有良好的焊接性，常常制造成铸钢件与焊接件相结合的铸焊结构，兼用两者的长处。•与铸铁件及其他合金铸件相比较•铸钢件的吸振性、耐磨性、流动性和铸造性能低于铸铁件，成本也高于铸铁件。另外，刚度相同时，铸钢件的重量确是铝合金的2倍。•但是，尽管如此，铸钢件能用于不同工况条件，其综和性能优于其他任何铸造合金，而且，由多种高合金钢适用于特殊用途。•承受高拉伸应力或动负荷的零件及重要的压力容器铸件，在低温和高温下承受较大负荷的零件，原则上都应优先选择铸钢件。•由于铸钢件具有以上特点，几乎所有的工业部门都需要铸钢件，在交通运输、建筑、工程机械、电站设备、冶金设备、石油及化工设备等各领域应用尤为广泛。所以，我们今天要学习铸钢的冶炼，将来为祖国建设贡献出一份力量。任务1.1电弧炉炼钢的工作原理•电弧炉炼钢是铸钢生产中应用最广泛的炼钢方法。这种方法是利用电极与金属炉料之间放电产生的电弧所发出的热量来熔化固体炉料，使钢液过热，从而实现冶炼目标。任务1.2三相电弧炉的基本结构•1.2.1电弧炉的•构造概述•1—升降电极液压缸；2—提升炉盖支承臂；3—电缆；4—升降电极立柱；5—电极支承横臂；6—提升炉盖液压缸；7—电极夹持器；8—拉杆；9—滑轮；10—提升炉盖链条；11—炉盖；12—炉体；13—倾炉液压缸；14—出钢槽；15—月牙板；16—支承轨道；17—1号电极；18—2号电极；19—3号电极；20—转动炉盖机构1.2.2电弧炉的各个构件的具体结构•1.2.2.1炉体的金属构件•①炉壳•炉体的外壳称为炉壳，包括炉身壳、炉壳底和上部的加固圈三部分组成。炉壳结构如图1-2所示。大多数炉壳用钢板焊制而成。图1-2炉壳1—炉壳底；2—炉身壳；3—加固圈1.2.2.1炉体的金属构件①炉壳•炉壳在工作中，除了承受炉衬与炉料的重量外，还要承受装料时冲击。并且，还要承受炉衬被烘烤所产生的热应力等。在正常情况下，炉壳外表面温度一般为100～150℃，但当炉衬比较薄时，会产生局部过热，温度会升高，这都要求炉壳具有足够的强度和刚度。同时，还要准备备用炉壳，可在热状态下调换炉壳，以提高炉子的作业率。•炉壳钢板的厚度大约为炉壳直径的1/200。一般为12～30㎜。1.2.2.1炉体的金属构件①炉壳•炉壳底有平底、截头圆锥形和球形的三种，如图1-3所示。平底制造简单，但有死角，砌筑时耐火材料消耗大，很少被采用。球形底坚固，砌筑时耐火材料消耗少，但制造困难，也不易采用。截头圆锥形的炉壳底，制造和耐火材料的砌筑都较容易，目前各厂多采用焊接的截头圆锥形炉壳底。图1-3炉壳的3种形式1.2.2.1炉体的金属构件①炉壳•炉壳上沿的加固圈用钢板或型钢焊成。如图1-4所示，在加固圈上部有一个砂封槽，能使炉盖圈插入槽内，填入镁砂使之密封。图1-4水冷炉壳的结构1—炉壳底；2—撑板；3—炉身；4—水箱；5—砂封槽1.2.2.1炉体的金属构件②炉门•炉门由炉门框、炉门坎、炉门盖、炉门升降机构等几部分组成。炉门要保证牢固耐用、结构紧凑，升降灵活方便、便于拆装等。•炉门框用钢板焊成“Π”形水冷箱，如图1-5所示。炉门框上部嵌入墙内，用以支承炉门上部的炉墙。炉门框的前壁做成与炉壳倾斜8°～12°的斜面，以保证炉门盖与炉门框压紧，以保持炉内的氛围和减少热量损失。同时，炉门盖在升降时，斜坡也起到了导向的作用，防止炉门盖摆动。图1-5炉门框1—进水管；2—出水管②炉门炉门坎固定在炉壳上，作为出渣用。一般把炉门坎做成斜坡，炉衬厚度增加，强度增加，防止漏钢事故的发生。•炉门盖用钢板焊成，一般制成空心水冷式，以便改善炉前操作环境。•炉门升降机构有手动、气动、电动、及液压传动等几种方式。手动炉门升降机构如图1-6所示。炉门盖吊在专门的杠杆系统上，升降机构上装有平衡锤。图1-6手动炉门升降机构1—炉门盖；2—杠杆系统；3—支座；4—平衡锤；5—拉手②炉门气动炉门升降机构如图1-7所示。炉门盖悬挂在链轮上，压缩空气通入气缸带动链轮传动而打开炉门，在关闭时将压缩空气放出，炉门依自重下降。•电动和液压传动的炉门升降机构比气动炉门升降机构复杂，但不限于全打开与全关闭两个极限位置，而能保证炉门在中间的任一位置停止。图1-7气动炉门升降机构1—炉门盖；2—气缸；3—链轮；4—轴承座；5—轴1.2.2.1炉体的金属构件③出钢槽•出钢槽外皮由钢板焊成，固定在炉壳上。里面由大块耐火砖或预制整块的流钢槽砖，砌筑方便，使用寿命长。•出钢槽通常做成与水平成8°～12°倾斜角度。以防止出钢口打开后钢水自动流出以及钢液出钢时对出钢口的冲刷。•随着超高功率电弧炉和炉外精炼的推广，实现无知渣出钢，偏心炉底出钢电弧炉取代以出钢槽出钢的电弧炉已成为趋势。1.2.2.2炉盖圈•炉盖圈用钢板焊成，其外壳尺寸应比炉壳外径稍大些，以使炉盖的全部重量落在加固圈上，不要压在炉墙上。在炉盖圈外沿下部设有刀口，使炉盖圈能很好地插入到炉壳加固圈的砂槽内。为了使炉盖在炉子倾动时不致于滑动，应在炉壳上安装阻挡螺钉或挡板。•为了防止变形和增加炉盖的使用寿命，常采用水冷炉盖圈如图1-8所示。这是通常采用的垂直型和倾斜型水冷炉盖圈。倾斜型内壁的倾角约22.5°，砌筑不用采用拱脚砖。图1-8炉盖圈截面形状1—炉盖；2—拱脚砖；3—炉盖圈；4—砂槽；5—水冷加固圈；6—炉墙图1-8炉盖圈截面形状•我们知道，炉盖圈上留有均布的三个电极孔，电极孔的直径比电极直径大40～50㎜，这么大的间隙需用电极密封圈来密封。•电极密封圈的作用：•①避免高温炉气的外逸，减少了热损失。•②避免了电极密封圈上部的电极剧烈被氧化而易折断，降低了原材料的消耗。•③电极密封圈通水冷却了电极孔周围的炉盖，提高了炉盖的使用寿命。•电极、电极密封圈与炉盖圈常见组成形式如图1-9所示。图1-9电极密封圈1—电极；2—密封圈；3—炉盖现介绍电极密封圈的两种形式：环形水箱式和蛇形管式，如图1-10所示。•环形水箱式电极密封圈是用钢板焊制而成的，在圆环板上应留有20～40㎜的间隙，或在分开的间隙处嵌入一块非磁性的钢板，用来避免造成环绕电极的闭合磁路。在大型电弧炉上，电极密封圈是用非磁性钢板制成的。•蛇形管式电极密封圈由无缝钢管弯成，对电极的冷却效果良好，但密封性差，易被烧损，现很少使用。•无论采用哪一种密封圈，其冷却水管都应与炉盖圈绝缘，以避免短路。•应当注意：若炉盖砖在高温下电阻减小（尤其是中心部分），或密封圈对地绝缘过小，密封圈也会与电极发生电弧被击穿而损坏。图1—10（a）环形水箱式电极密封圈和（b）蛇形管式电极密封圈1.2.2.3电极夹持机构与电极升降装置电弧炉在炼钢过程中要经常补偿电极的耗损和调整电弧的长度，因此，要用电极夹持机构来夹持电极，并对电极的升降实现自动控制。①电极夹持机构•电极夹持机构有两个作用，其一是夹紧或放松电极，其二是将电流传到电极上。•电极夹持机构通常由夹头、横臂与松放电极机构三部分组成。•夹头的材料使用钢或铜，铜的电阻小、导电性能好，但机械强度较低，膨胀系数大，电极容易脱落，并且，铜夹头的价格较昂贵，不易被采用。•钢制夹头制造、维修较容易，机械强度高，电极不易滑落。但其电阻大，电能损耗大。为了减少电磁损失，采用无磁性钢或合金钢制作效果更好。•夹头内部要通水冷却，以保证夹头的强度和减少热膨胀，同时又可减少氧化和降低电阻。•值得注意的是，电极夹头与电极接触表面必须加工良好，若接触不良或有凹坑可能引起打弧而使夹头被烧坏。电极夹头固定在横臂上。横臂一般由型钢或钢板焊成矩形断面梁，梁上设有加强筋。横臂上安置与夹头相连的导电铜管，铜管内通水冷却。横臂作为支持用的机械结构部分，应与电极夹头、导电铜管之间有很好的绝缘。导电铜管与支持的机械结构之间应有足够的距离。大型电弧炉的横臂是用无磁性钢做成的，避免了横臂机械结构产生涡流发热。同时，横臂的结构还应保证电极和夹头的位置在水平方向能做一定的调整。•电极夹持机构种类很多，目前广泛使用是气动弹簧式电极夹持器。它是利用弹簧的张力将电极夹紧，靠压缩空气的推力来放松电极。这种夹持器又分为顶杆式和拉杆式两种。气动弹簧顶杆式电极夹持器如图1-11所示。它是靠弹簧的张力通过顶杆将电极夹紧，在气缸中通入压缩空气，通过杠杆的作用，弹簧被压紧，电极被放松。气动弹簧拉杆式夹持器如图1-12所示。它是依靠弹簧的张力带动拉杆，再通过机构将电极压紧。通入压缩空气后，弹簧被压紧，电极被放松。一般认为拉杆式较好，因顶杆式的顶杆受热易变形。图1-11气动弹簧顶针式夹持器示意图1—夹头；2—电极；3—压块；4—顶杆；5—气缸；6—杠杆机构；7—弹簧图1-12气动弹簧拉杆式电极夹持器示意图1—拉环；2—杠杆机构；3—拉杆；4—弹簧；5—气缸；6—电极②电极升降装置•a电极升降装置的类型•电极升降装置按其横臂与立柱的连接方式不同可分为：固定立柱式（也称升降车式）和活动立柱式两种。如图1-1