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1、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
2、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
3、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
4、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： 焊接件难以做出流线型的外形。 焊接
5、过程中产生的内应力较高。 焊接过程易于产生变形。 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
6、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
7、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；171号电极；182号电极；193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 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 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
8、情况下，炉壳外表面温度一般为100150，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1230。,1.2.2.1 炉体的金属构件 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
9、件 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 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“”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812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。,
10、图1-5 炉门框 1进水管；2出水管, 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, 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
11、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 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812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
12、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4050，这么大的间隙需用电极密封圈来密封。 电极密封圈的作用： 避免高温炉气的外逸，减少了热损失。 避免了电极
13、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。 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2040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
14、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110 （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。 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
15、，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。
16、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
17、。,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, 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1-13所示。,图113 电极升降装置简图,固定立柱式电极升降装置的三根立柱的下端固定在炉体或炉体摇架上，立柱之间用横梁连接，以增加强度。横臂上安装四个或八个滚轮（相当于升降小车），电极升降时，滚轮沿立柱滚动。这种升降装置虽然结构简单，但因形成闭合回路，电磁感应损
18、失比较大，所以一般只适用于小型电炉。,活动立柱式电极升降装置，在电极升降行程相同时，整个炉子的高度比固定立柱式小；而且因三根立柱不相连，导线周围没有封闭的磁路，电磁感应损失比较小。所以适用于较大型炉子。但活动立柱式电极升降部分重量大，所需升降功率也大，而立柱式升降机构结构简单轻便，在很大的炉子上反而采用固定立柱式。,b 电极升降机构 电极升降机构应具备下列条件： 系统惯性小，升降灵活，启动、制动快。 升降速度要能调节。上升时需要快，以避免在熔化期造成短路而使高压断路器自动跳闸。下降时需用慢些，否则，电极碰撞炉料容易折断或浸入钢液。 常用的电极升降机构有电动和液压传动两种。,电动传动电极升降机构
19、如图1-14所示。常用电动机输入动力，通过减速机带动齿轮、齿条，驱动立柱上的横臂与电极等升降。利用电磁制动器制动，用转差离合器调整升降速度。电动传动升降机构即可用于固定立柱式，又可用于活动立柱式。,图1-14 电动传动的电极升降机构,图1-15 液压传动的电极升降机构,1.2.2.4 炉体倾动机构 炉体倾动机构有侧倾和底倾两种类型。, 侧倾机构如图1-16所示。,图1-16 倾动机构示意图,1扇形齿轮；2水平齿座；3螺杆；4电动机；5减速齿轮；6操纵轮；7螺母, 底倾机构的炉体安装在专门的摇架上，摇架两侧的扇形板支承在底座上或两对大拖轮（或称辊轮）上。,图1-17 底倾机构简图,扇形板支承在水
20、平底座上，出钢时摇架的扇形底板沿底座滚动，出钢槽的末端轨迹是摆线形。如图1-18所示。,图118 液压倾动机构示意图,1.2.2.5炉体开出或炉盖旋转机构 根据炉盖和炉体相对移动的方式不同，炉顶装料可分为炉体开出式、炉盖开出式和炉盖旋转式3种类型。, 炉体开出式 如图1-19所示。 这种机构的优点是龙门架和倾炉摇架连成一体，不需加长短网。缺点是开出部分质量大，机械功率消耗多。炉膛和进料处的地基易受机械冲击，炉前操作平台需移动，整个炉子结构庞大、质量大。,图1-19 炉体开出式电炉, 炉盖开出式,这种电弧炉的结构也是炉盖挂在龙门架上，电极升降系统与龙门架相连，龙门架上的车轮装在倾动摇架的轨道上。工作时，先将电极系统、炉盖升起，然后将龙门架、炉盖、电极等一同向出钢槽方向开出。 这种结构的优点是开出部分质量小，节省了机械功。缺点是炉盖与电极在开出时受振动，容易损坏。另外，短网长，电损增加，目前很少被使用。, 炉盖旋转式 如图1-20所示。,这种结构的优点是炉子旋转部分质量小，整个炉子金属结构质量最小，动作迅速。缺点是炉子中心与变压器距离较大，增加了短网的长度，使电耗增加。但仍被普遍采用。,图1-20 炉盖旋转式电炉,1.2.2.6 电气装置 略,1.2.2.7 排烟除尘装置 略,