鑄造合金及其熔煉

1、模塊一、鑄鋼合金的熔煉電弧爐煉鋼項(xiàng)目項(xiàng)目1 1、電弧爐煉鋼的工作原、電弧爐煉鋼的工作原理及基本結(jié)構(gòu)理及基本結(jié)構(gòu)教學(xué)重點(diǎn)：教學(xué)重點(diǎn)： 電弧爐煉鋼的工作原理教學(xué)難點(diǎn)：教學(xué)難點(diǎn)：電弧爐煉鋼的工作原理 鑄鋼合金的熔煉電弧爐煉鋼 鑄鋼合金的熔煉發(fā)展源遠(yuǎn)流長，并且廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，是由于鑄鋼件具有許多優(yōu)點(diǎn)。鑄鋼件的優(yōu)點(diǎn)之一是其具有設(shè)計(jì)的靈活性。設(shè)計(jì)人員可根具鑄件的形狀和尺寸有最大的選擇設(shè)計(jì)的自由，對(duì)于形狀復(fù)雜、特別是截面中空的零件，可采取組芯的方法來制造。從圖樣到成品轉(zhuǎn)化速度快，有利于快速報(bào)價(jià)和縮短交貨期。最小的應(yīng)力集中系數(shù)、形狀和質(zhì)量的完善化設(shè)計(jì)以及整體結(jié)構(gòu)性最強(qiáng)等，都體現(xiàn)鑄鋼件設(shè)計(jì)的工藝優(yōu)勢(shì)和靈活性

2、。鑄鋼合金的熔煉電弧爐煉鋼 其二、鑄鋼件冶金制造適應(yīng)性和可變性最強(qiáng)，可以選擇不同的化學(xué)成分和組織控制，可適用于各種不同用途的工程要求。可以通過熱處理工藝選擇較大范圍鑄鋼件的力學(xué)性能和使用性能，并且具有良好的焊接性和加工性。 其三，鑄鋼件的重量可在很大范圍內(nèi)變動(dòng)。小者可以是重量僅幾十斤的的容模精密鑄件，而大型鑄鋼件可達(dá)到幾噸、幾十噸、幾百噸的重量。 其四、鑄鋼材料的各向同性和鑄鋼件整體結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，提高了工程可靠性。再加上鑄件重量減輕的設(shè)計(jì)與交貨期短，在價(jià)格和經(jīng)濟(jì)性方面具有競爭優(yōu)勢(shì)。鑄鋼合金的熔煉電弧爐煉鋼 其二、鑄鋼件冶金制造適應(yīng)性和可變性最強(qiáng)，可以選擇不同的化學(xué)成分和組織控制，可適用于各種不同用

3、途的工程要求?？梢酝ㄟ^熱處理工藝選擇較大范圍鑄鋼件的力學(xué)性能和使用性能，并且具有良好的焊接性和加工性。 其三，鑄鋼件的重量可在很大范圍內(nèi)變動(dòng)。小者可以是重量僅幾十斤的的容模精密鑄件，而大型鑄鋼件可達(dá)到幾噸、幾十噸、幾百噸的重量。 其四、鑄鋼材料的各向同性和鑄鋼件整體結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，提高了工程可靠性。再加上鑄件重量減輕的設(shè)計(jì)與交貨期短，在價(jià)格和經(jīng)濟(jì)性方面具有競爭優(yōu)勢(shì)。鑄鋼合金的熔煉電弧爐煉鋼下面，我們進(jìn)一步比較鑄鋼件與鍛鋼件、焊接件以及鑄鐵件等的優(yōu)、缺點(diǎn)。與鍛鋼件相比較鑄鋼件在力學(xué)性能的各向異性方面優(yōu)于鍛鋼件，研究資料表明：軋制鋼材縱向力學(xué)性能常高于同牌號(hào)的鑄鋼件，但橫向力學(xué)性能則低于鑄鋼件，其平均力

4、學(xué)性能基本上與質(zhì)量良好的鑄鋼件大致相同。有些高技術(shù)產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)的過程中往往考慮材料在三個(gè)坐標(biāo)方向上的性能，鑄鋼件的上述長處就值得重視了。鑄鋼件無論其重量大小、批量多少，形狀多復(fù)雜，均易按設(shè)計(jì)者的構(gòu)思制造成合理的內(nèi)、外部輪廓的零件。并且，零件的剛度高，應(yīng)力集中不顯著。單件或小批量生產(chǎn)時(shí)，可采用木質(zhì)模樣（模樣及芯盒）或聚苯乙烯氣化模樣，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短。大批量生產(chǎn)時(shí)，可采用塑料模或金屬模樣，加之適當(dāng)?shù)蔫T造工藝，能夠得到符合要求的尺寸精度和表面質(zhì)量。這些特點(diǎn)鍛造鋼很難做到。鑄鋼合金的熔煉電弧爐煉鋼 與焊接結(jié)構(gòu)鋼相比較 在形狀和大小等方面，焊接結(jié)構(gòu)鋼的靈活性優(yōu)越于鑄鋼件，但與焊接件相比，仍有以下不足之處

5、： 焊接件難以做出流線型的外形。 焊接過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力較高。 焊接過程易于產(chǎn)生變形。 焊接縫影響零件的外觀和可靠性下降。 當(dāng)然，制造焊接結(jié)構(gòu)件也有生產(chǎn)周期短的特點(diǎn)，而且，與鑄鋼件相比，還不需要制作模樣和型芯。鑄鋼合金的熔煉電弧爐煉鋼另外，由于工程用的結(jié)構(gòu)鑄鋼件一般都具有良好的焊接性，常常制造成鑄鋼件與焊接件相結(jié)合的鑄焊結(jié)構(gòu)，兼用兩者的長處。與鑄鐵件及其他合金鑄件相比較鑄鋼件的吸振性、耐磨性、流動(dòng)性和鑄造性能低于鑄鐵件，成本也高于鑄鐵件。另外，剛度相同時(shí)，鑄鋼件的重量確是鋁合金的2倍。但是，盡管如此，鑄鋼件能用于不同工況條件，其綜和性能優(yōu)于其他任何鑄造合金，而且，由多種高合金鋼適用于特殊用途。

6、承受高拉伸應(yīng)力或動(dòng)負(fù)荷的零件及重要的壓力容器鑄件，在低溫和高溫下承受較大負(fù)荷的零件，原則上都應(yīng)優(yōu)先選擇鑄鋼件。由于鑄鋼件具有以上特點(diǎn)，幾乎所有的工業(yè)部門都需要鑄鋼件，在交通運(yùn)輸、建筑、工程機(jī)械、電站設(shè)備、冶金設(shè)備、石油及化工設(shè)備等各領(lǐng)域應(yīng)用尤為廣泛。所以，我們今天要學(xué)習(xí)鑄鋼的冶煉，將來為祖國建設(shè)貢獻(xiàn)出一份力量。任務(wù)1.1電弧爐煉鋼的工作原理 電弧爐煉鋼是鑄鋼生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的煉鋼方法。這種方法是利用電極與金屬爐料之間放電產(chǎn)生的電弧所發(fā)出的熱量來熔化固體爐料，使鋼液過熱，從而實(shí)現(xiàn)冶煉目標(biāo)。 任務(wù)1.2 三相電弧爐的基本結(jié)構(gòu) 1.2.1電弧爐的 構(gòu)造概述1升降電極液壓缸；2提升爐蓋支承臂；3電纜；

7、4升降電極立柱；5電極支承橫臂；6提升爐蓋液壓缸；7電極夾持器；8拉桿；9滑輪；10提升爐蓋鏈條；11爐蓋；12爐體；13傾爐液壓缸；14出鋼槽；15月牙板；16支承軌道；171號(hào)電極；182號(hào)電極；193號(hào)電極；20轉(zhuǎn)動(dòng)爐蓋機(jī)構(gòu)1.2.2 電弧爐的各個(gè)構(gòu)件的具體結(jié)構(gòu) 1.2.2.1 1.2.2.1 爐體的爐體的金屬構(gòu)件金屬構(gòu)件 爐殼 爐體的外殼稱為爐殼，包括爐身殼、爐殼底和上部的加固圈三部分組成。爐殼結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。大多數(shù)爐殼用鋼板焊制而成。圖1-2 爐殼1爐殼底；2爐身殼；3加固圈1.2.2.1 1.2.2.1 爐體的金屬構(gòu)件爐體的金屬構(gòu)件 爐殼 爐殼在工作中，除了承受爐襯與爐料的重量

8、外，還要承受裝料時(shí)沖擊。并且，還要承受爐襯被烘烤所產(chǎn)生的熱應(yīng)力等。在正常情況下，爐殼外表面溫度一般為100150，但當(dāng)爐襯比較薄時(shí)，會(huì)產(chǎn)生局部過熱，溫度會(huì)升高，這都要求爐殼具有足夠的強(qiáng)度和剛度。同時(shí)，還要準(zhǔn)備備用爐殼，可在熱狀態(tài)下調(diào)換爐殼，以提高爐子的作業(yè)率。 爐殼鋼板的厚度大約為爐殼直徑的1/200。一般為1230。1.2.2.1 1.2.2.1 爐體的金屬構(gòu)件爐體的金屬構(gòu)件 爐殼 爐殼底有平底、截頭圓錐形和球形的三種，如圖1-3所示。平底制造簡單，但有死角，砌筑時(shí)耐火材料消耗大，很少被采用。球形底堅(jiān)固，砌筑時(shí)耐火材料消耗少，但制造困難，也不易采用。截頭圓錐形的爐殼底，制造和耐火材料的砌筑都

9、較容易，目前各廠多采用焊接的截頭圓錐形爐殼底。圖1-3爐殼的3種形式1.2.2.1 1.2.2.1 爐體的金屬構(gòu)件爐體的金屬構(gòu)件 爐殼 爐殼上沿的加固圈用鋼板或型鋼焊成。如圖1-4所示，在加固圈上部有一個(gè)砂封槽，能使?fàn)t蓋圈插入槽內(nèi)，填入鎂砂使之密封。圖1-4 水冷爐殼的結(jié)構(gòu)1爐殼底；2撐板；3爐身；4水箱；5砂封槽1.2.2.1 1.2.2.1 爐體的金屬構(gòu)件爐體的金屬構(gòu)件 爐門爐門由爐門框、爐門坎、爐門蓋、爐門升降機(jī)構(gòu)等幾部分組成。爐門要保證牢固耐用、結(jié)構(gòu)緊湊，升降靈活方便、便于拆裝等。爐門框用鋼板焊成“”形水冷箱，如圖1-5所示。爐門框上部嵌入墻內(nèi)，用以支承爐門上部的爐墻。爐門框的前壁做成

10、與爐殼傾斜812的斜面，以保證爐門蓋與爐門框壓緊，以保持爐內(nèi)的氛圍和減少熱量損失。同時(shí)，爐門蓋在升降時(shí)，斜坡也起到了導(dǎo)向的作用，防止?fàn)t門蓋擺動(dòng)。圖1-5 爐門框1進(jìn)水管；2出水管 爐門爐門坎固定在爐殼上，作為出渣用。一般把爐門坎做成斜坡，爐襯厚度增加，強(qiáng)度增加，防止漏鋼事故的發(fā)生。 爐門蓋用鋼板焊成，一般制成空心水冷式，以便改善爐前操作環(huán)境。 爐門升降機(jī)構(gòu)有手動(dòng)、氣動(dòng)、電動(dòng)、及液壓傳動(dòng)等幾種方式。手動(dòng)爐門升降機(jī)構(gòu)如圖1-6所示。爐門蓋吊在專門的杠桿系統(tǒng)上，升降機(jī)構(gòu)上裝有平衡錘。圖1-6 手動(dòng)爐門升降機(jī)構(gòu)1爐門蓋；2杠桿系統(tǒng)；3支座；4平衡錘；5拉手 爐門氣動(dòng)爐門升降機(jī)構(gòu)如圖1-7所示。爐門蓋懸

11、掛在鏈輪上，壓縮空氣通入氣缸帶動(dòng)鏈輪傳動(dòng)而打開爐門，在關(guān)閉時(shí)將壓縮空氣放出，爐門依自重下降。 電動(dòng)和液壓傳動(dòng)的爐門升降機(jī)構(gòu)比氣動(dòng)爐門升降機(jī)構(gòu)復(fù)雜，但不限于全打開與全關(guān)閉兩個(gè)極限位置，而能保證爐門在中間的任一位置停止。圖1-7 氣動(dòng)爐門升降機(jī)構(gòu)1爐門蓋；2氣缸；3鏈輪；4軸承座；5軸1.2.2.1 1.2.2.1 爐體的金屬構(gòu)件爐體的金屬構(gòu)件 出鋼槽 出鋼槽外皮由鋼板焊成，固定在爐殼上。里面由大塊耐火磚或預(yù)制整塊的流鋼槽磚，砌筑方便，使用壽命長。 出鋼槽通常做成與水平成812傾斜角度。以防止出鋼口打開后鋼水自動(dòng)流出以及鋼液出鋼時(shí)對(duì)出鋼口的沖刷。 隨著超高功率電弧爐和爐外精煉的推廣，實(shí)現(xiàn)無知渣出鋼

12、，偏心爐底出鋼電弧爐取代以出鋼槽出鋼的電弧爐已成為趨勢(shì)。1.2.2.2 1.2.2.2 爐蓋圈爐蓋圈 爐蓋圈用鋼板焊成，其外殼尺寸應(yīng)比爐殼外徑稍大些，以使?fàn)t蓋的全部重量落在加固圈上，不要壓在爐墻上。在爐蓋圈外沿下部設(shè)有刀口，使?fàn)t蓋圈能很好地插入到爐殼加固圈的砂槽內(nèi)。為了使?fàn)t蓋在爐子傾動(dòng)時(shí)不致于滑動(dòng)，應(yīng)在爐殼上安裝阻擋螺釘或擋板。 為了防止變形和增加爐蓋的使用壽命，常采用水冷爐蓋圈如圖1-8所示。這是通常采用的垂直型和傾斜型水冷爐蓋圈 。傾斜型內(nèi)壁的傾角約22.5，砌筑不用采用拱腳磚。圖1-8 爐蓋圈截面形狀1爐蓋；2拱腳磚；3爐蓋圈；4砂槽；5水冷加固圈；6爐墻圖1-8 爐蓋圈截面形狀我們知道

13、，爐蓋圈上留有均布的三個(gè)電極孔，電極孔的直徑比電極直徑大4050，這么大的間隙需用電極密封圈來密封。電極密封圈的作用： 避免高溫爐氣的外逸，減少了熱損失。 避免了電極密封圈上部的電極劇烈被氧化而易折斷，降低了原材料的消耗。 電極密封圈通水冷卻了電極孔周圍的爐蓋，提高了爐蓋的使用壽命。電極、電極密封圈與爐蓋圈常見組成形式如圖1-9所示。圖1-9 電極密封圈1電極；2密封圈；3爐蓋現(xiàn)介紹電極密封圈的兩種形式：環(huán)形水箱式和蛇形管式，如圖1-10所示。環(huán)形水箱式電極密封圈是用鋼板焊制而成的，在圓環(huán)板上應(yīng)留有2040的間隙，或在分開的間隙處嵌入一塊非磁性的鋼板，用來避免造成環(huán)繞電極的閉合磁路。在大型電弧

14、爐上，電極密封圈是用非磁性鋼板制成的。蛇形管式電極密封圈由無縫鋼管彎成，對(duì)電極的冷卻效果良好，但密封性差，易被燒損，現(xiàn)很少使用。無論采用哪一種密封圈，其冷卻水管都應(yīng)與爐蓋圈絕緣，以避免短路。應(yīng)當(dāng)注意：若爐蓋磚在高溫下電阻減?。ㄓ绕涫侵行牟糠郑?，或密封圈對(duì)地絕緣過小，密封圈也會(huì)與電極發(fā)生電弧被擊穿而損壞。圖110 （a）環(huán)形水箱式電極密封圈 和（b）蛇形管式電極密封圈1.2.2.3 1.2.2.3 電極夾持機(jī)構(gòu)與電極升降裝置電極夾持機(jī)構(gòu)與電極升降裝置電弧爐在煉鋼過程中要經(jīng)常補(bǔ)償電極的耗損和調(diào)整電弧的長度，因此，電弧爐在煉鋼過程中要經(jīng)常補(bǔ)償電極的耗損和調(diào)整電弧的長度，因此，要用電極夾持機(jī)構(gòu)來夾持電

15、極，并對(duì)電極的升降實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。要用電極夾持機(jī)構(gòu)來夾持電極，并對(duì)電極的升降實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。 電極夾持機(jī)構(gòu)電極夾持機(jī)構(gòu)電極夾持機(jī)構(gòu)有兩個(gè)作用，其一是夾緊或放松電極，其二是將電流傳到電極上。電極夾持機(jī)構(gòu)通常由夾頭、橫臂與松放電極機(jī)構(gòu)三部分組成。夾頭的材料使用鋼或銅，銅的電阻小、導(dǎo)電性能好，但機(jī)械強(qiáng)度較低，膨脹系數(shù)大，電極容易脫落，并且，銅夾頭的價(jià)格較昂貴，不易被采用。鋼制夾頭制造、維修較容易，機(jī)械強(qiáng)度高，電極不易滑落。但其電阻大，電能損耗大。為了減少電磁損失，采用無磁性鋼或合金鋼制作效果更好。夾頭內(nèi)部要通水冷卻，以保證夾頭的強(qiáng)度和減少熱膨脹，同時(shí)又可減少氧化和降低電阻。值得注意的是，電極夾頭與電極接

16、觸表面必須加工良好，若接觸不良或有凹坑可能引起打弧而使夾頭被燒壞。電極夾頭固定在橫臂上。橫臂一般由型鋼或鋼板焊成矩形斷面梁，梁上設(shè)有加強(qiáng)筋。橫臂上安置與夾頭相連的導(dǎo)電銅管，銅管內(nèi)通水冷卻。橫臂作為支持用的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，應(yīng)與電極夾頭、導(dǎo)電銅管之間有很好的絕緣。導(dǎo)電銅管與支持的機(jī)械結(jié)構(gòu)之間應(yīng)有足夠的距離。大型電弧爐的橫臂是用無磁性鋼做成的，避免了橫臂機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生渦流發(fā)熱。同時(shí)，橫臂的結(jié)構(gòu)還應(yīng)保證電極和夾頭的位置在水平方向能做一定的調(diào)整。 電極夾持機(jī)構(gòu)種類很多，目前廣泛使用是氣動(dòng)彈簧式電極夾持器。它是利用彈簧的張力將電極夾緊，靠壓縮空氣的推力來放松電極。這種夾持器又分為頂桿式和拉桿式兩種。氣動(dòng)彈簧頂

17、桿式電極夾持器如圖1-11所示。它是靠彈簧的張力通過頂桿將電極夾緊，在氣缸中通入壓縮空氣，通過杠桿的作用，彈簧被壓緊，電極被放松。氣動(dòng)彈簧拉桿式夾持器如圖1-12所示。它是依靠彈簧的張力帶動(dòng)拉桿，再通過機(jī)構(gòu)將電極壓緊。通入壓縮空氣后，彈簧被壓緊，電極被放松。一般認(rèn)為拉桿式較好，因頂桿式的頂桿受熱易變形。圖1-11 氣動(dòng)彈簧頂針式夾持器示意圖1夾頭；2電極；3壓塊；4頂桿；5氣缸；6杠桿機(jī)構(gòu)；7彈簧圖1-12 氣動(dòng)彈簧拉桿式電極夾持器示意圖1拉環(huán)；2杠桿機(jī)構(gòu)；3拉桿；4彈簧；5氣缸；6電極 電極升降裝置 a 電極升降裝置的類型 電極升降裝置按其橫臂與立柱的連接方式不同可分為：固定立柱式（也稱升降

18、車式）和活動(dòng)立柱式兩種。如圖1-13所示。圖113 電極升降裝置簡圖固定立柱式電極升降裝置的三根立柱的下端固定在爐體或爐體搖架上，立柱之間用橫梁連接，以增加強(qiáng)度。橫臂上安裝四個(gè)或八個(gè)滾輪（相當(dāng)于升降小車），電極升降時(shí)，滾輪沿立柱滾動(dòng)。這種升降裝置雖然結(jié)構(gòu)簡單，但因形成閉合回路，電磁感應(yīng)損失比較大，所以一般只適用于小型電爐。 活動(dòng)立柱式電極升降裝置，在電極升降行程相同時(shí)，整個(gè)爐子的高度比固定立柱式?。欢乙蛉⒅幌噙B，導(dǎo)線周圍沒有封閉的磁路，電磁感應(yīng)損失比較小。所以適用于較大型爐子。但活動(dòng)立柱式電極升降部分重量大，所需升降功率也大，而立柱式升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單輕便，在很大的爐子上反而采用固定立柱

19、式。b 電極升降機(jī)構(gòu)電極升降機(jī)構(gòu)應(yīng)具備下列條件：系統(tǒng)慣性小，升降靈活，啟動(dòng)、制動(dòng)快。升降速度要能調(diào)節(jié)。上升時(shí)需要快，以避免在熔化期造成短路而使高壓斷路器自動(dòng)跳閘。下降時(shí)需用慢些，否則，電極碰撞爐料容易折斷或浸入鋼液。常用的電極升降機(jī)構(gòu)有電動(dòng)和液壓傳動(dòng)兩種。 電動(dòng)傳動(dòng)電極升降機(jī)構(gòu)如圖1-14所示。常用電動(dòng)機(jī)輸入動(dòng)力，通過減速機(jī)帶動(dòng)齒輪、齒條，驅(qū)動(dòng)立柱上的橫臂與電極等升降。利用電磁制動(dòng)器制動(dòng)，用轉(zhuǎn)差離合器調(diào)整升降速度。電動(dòng)傳動(dòng)升降機(jī)構(gòu)即可用于固定立柱式，又可用于活動(dòng)立柱式。圖1-14 電動(dòng)傳動(dòng)的電極升降機(jī)構(gòu)圖1-15 液壓傳動(dòng)的電極升降機(jī)構(gòu) 1.2.2.4 1.2.2.4 爐體傾動(dòng)機(jī)構(gòu)爐體傾動(dòng)機(jī)構(gòu)爐體傾動(dòng)機(jī)構(gòu)有側(cè)傾和底傾兩種類型。 側(cè)傾機(jī)構(gòu)如圖1-16所示。 圖1-16 傾動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖1扇形齒輪；2水平齒座；3螺桿；4電動(dòng)機(jī)；5減速齒輪；6操縱輪；7