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          濰坊市浩宇結晶器有限公司
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          電渣重熔原理
          電渣重熔原理

          2.1 渣池   

          電渣重熔工藝的核心部分是熔池。金屬從熔池上方進入渣池,然后被加熱、熔化、精煉和過熱,并且承受振動、攪拌和電化學作用。因此,形成渣池并使其保持在合適的條件下,顯然是很重要的。渣有如下幾方面的作用。   

          (1)發熱元件的作用   

          重熔過程中熱量通過焦耳效應產生,也就是通常的電阻發熱定律。因此,應該確保渣阻與供給功率的電壓、電流之間的正確平衡。所用的大多數渣的電阻率在熔煉溫度下為0.2.0.ssl-cm ,熔煉溫度通常比金屬熔化溫度高200 -- 3001C。顯然,在該溫度下,渣既要呈液態,又要穩定,所以重熔電流、電壓、渣池深度和渣電阻率之間的關系很復雜。好的電渣重熔操作必須把它們調到最佳值。  

          (2)熔渣對于非金屬材料來說是熔劑

          當金屬電極進入到渣池中時,電極端部達到其熔化溫度,就會形成金屬熔化膜。當熔化金屬與熔渣接觸時,熔化的金屬在匯聚成熔滴的同時,暴露的非金屬夾雜將溶解在渣里。因此,渣的成分必須能溶解雜質而又不影響其性質,為此,在重熔時必須采取連續調整渣成分的步驟。

          (3)渣是電渣重熔工藝的精煉劑   

          重熔過程中的化學反應主要部位是電極端部渣/金界面,這里金屬膜條件對于快速反應是最理想的。   

          (4)漣起保護金屬免受污染的作用   

          渣對于反應成分來說,起著傳遞介質的作用。由于金屬在渣下熔化和凝固,被熔化的金屬絕不會與大氣接觸而被直接氧化,而這種氧化在常規工藝中是不可避免的。另一方面,由于熔渣可以傳遞反應物質,如氧和水蒸氣,所以使用惰性氣體做保護氣氛非常必要。   

          (5)位形成結晶器襯   

          由于結晶器壁溫度維持在渣熔點以下,那么熔渣和結晶器壁之間必定有凝固渣殼。這層渣殼起著結晶器襯的作用,金屬錠在襯里形成并凝固,至少在穩定操作條件下,渣殼起著上述作用。在環形結晶器(短模)情況下,錠表面渣皮很少??赡艽嬖诓町?。

          為了實現上述作用,渣必須具有某些相當明確的性質。一般情況下,它的熔化溫度應在被熔化金屬的熔化溫度以下。操作溫度顯然高于金屬熔點,一般約高200 -- 300℃。渣的電阻率是其成分的函數,只要不是明確地影響化學要求,可在一定界限內調整。渣的成分應該既保證所希望的化學反應能快速發生,又保證反應物留在渣里;對于硫,其反應產物應能排到大氣中去。另外,渣應能抑制不希望反應的發生,因為這些反應會造成微量元素的損失,這一點也非常重要。渣的黏度(其值一般在毫帕秒范圍內)影響熔滴在渣中的停留時間、氣體排出速度、渣池攪拌程度、傳質動力學以及渣殼厚度等。渣與金屬的密度差也同樣影響熔滴停留時間和熔滴大小。渣與金屬間的表面張力應該比較小,這樣可增加傳質速度且易產生小熔滴。但這樣不利于渣與金屬的分離且增加夾渣危險。表面張力也影響雜質溶解機理。

           2.2 渣成分和渣組成   

          電渣重熔渣的成分通常以氟化鈣(Ca凡)、氧化鈣(CaO) ,氧化鎂(Mgo)、三氧化二鋁(A1203)、二氧化硅(Siq)為主,其他元素可少量存在,如二氧化鈦M OZ)或氟化鎂(MgF2 )。本書采用將Ca凡先列出來,在它的質量分數之后加上“F’’。余下的組成(即氧化物)按照CaO, Mgo, A1203, Siq且堿度降低的順序列出,并且只列出質量分數。通用公式是a F/b/c/d/e,即

          a=w (CaF2)    b=w (CaO)    c=w (Mgo)    d=w(Al2O3)   e=w (SiO2)

              如60F/10/10/10/10渣含60%的CaF2,余下的每種成分均為10%。又如50F/20/0/30渣含50 % CaF2, 20 % CaO, 30 % A1203,無Mgo。當完全按照這種方法敘述成分時,如果w(Siq)二0,就不必將之表示出來了。表2.1就是用這種方法列出的常用渣。[18]

          2.2.1CaF2-CaO-A12仇渣系   

          電渣重熔使用的許多渣都限定于CaF2-CaO-A1203渣系。這個渣系組成圖已被廣泛研究。圖2.1是最常用的。它的主要特點是共晶點上A1203和CaO的比例大致相同。從圖2.1可看出,這個范圍內的渣液相溫度在1350一1500`-,這適合于范圍廣泛的合金,包括鋼和超級合金,這些鋼和合金是電渣重熔工藝的主要產品。



          該三元渣系的另一個特點是,在高氟化鈣低氧化鈣區域存在兩個液相區。雖然這個區域不能延伸到Ca凡-A12伍二元渣系.但認為實際結果是可能的。因為存在大量的氟化鈣水解產品—氧化鈣,而成為這個區域的成分。70F/0/0/30是一種流行渣,該渣應盡可能不使用氧化鈣,其目的是阻止吸氫。但是,似乎沒有因兩個液相區的存在而產生任何實際間題。為避免兩個液相區存在,采用高三氧化二鋁含量渣,在重熔原理上可能有可取之處。    CaO-AI2島二元渣系中有一個適合渣和熔煉特性的有限區,使用該區域渣其成功程度不一。在需要高脫硫情況下,已經成功地使用CaF2-CaO二元渣系。由于這個渣系電阻率低,以致大多數情況下需加入A12q,由于規定A12q 中不得含有金屬鋁,所以加入A120:并不改變工藝的化學作用。高氧化鈣含量容易招致吸潮,即增氫的危險,因此,必須避免可能遇到的氫的問題。

          2.2.2氧化鎂的作用   

          在Ca凡-A12仇渣系中,加入M四對渣的液相溫度影響不大,在富氟化鈣角,渣熔化溫度在1400一1600℃范圍內(見圖2.2),并且共晶點成分約等于MgO和A12O3 含量。同樣,在CaO- MgO-A1203渣系中,富氟化鈣角有相同溫度范圍,三元共晶成分相當于71F/19/10,液相溫度為1343`C。

          2.2.3氧化鐵的作用  

          除非采取嚴格措施,否則在渣中要避免氧化鐵存在是困難的。在精煉過程中,氧化鐵這種化合物起著關鍵作用。氧化鐵通常以"FeO”形式存在,不管它是否有嚴格的化學計量成分。這種氧化鐵在CaO-Ca凡渣中具有非常低的溶解度,而且有兩種液體生成區(見圖2.3)。這種氧化鐵的活度系數非常高,低氧濃度可導致高氧勢,但是,超過40%的A1203渣位于兩個液體區域范圍之外,此情況下,氧化鐵的活度不再增高。

          2.2.4二氧化硅的作用   

          最初,二氧化硅是被排除于許多重熔渣之外的,怕它破壞精煉效果,特別是脫硫,然而這種影響不像最初想像的那樣嚴重??赡苁怯捎谶@樣的事實,倘若w (Siq)<10%,在CaO-A1203和CaF2-CaO-A12幾渣里二氧化硅的作用是非常小的。

          2.3 電行為   

          如前所述,電渣重熔過程中所需要的熱是由渣池焦耳效應產生的,應避免電極與渣之間產生電弧,當電弧穿過電極與渣之間的間隙時,會導致金屬的氧化,這是所不希望的。然而可用電弧來增加熔速,但金屬質量的惡化令人沮喪。

          2.3.1電流通路   

          就渣的實際作用,可將其視為電阻元件,其橫斷面積介于電極和結晶器橫斷面積之間。如果根據一般的定律,可以采用如下公式敘述這種情況:

                                   L =VA/Iρ

          式中,L—電阻通路長度,大約等于渣池深度或渣面與金屬面之間的距離;

          V- 渣電壓降;

          A—電流通路有效橫斷面積。

          有人采用電極橫斷面積,有人采用結晶器橫斷面積,最好取兩者平均值;

          I—電流;

          ρ-渣的電阻率。

          而實際電路要復雜得多。首先是渣池內電路分布是不均勻的,這是因為受渣池溫度差、攪拌的影響,或渣池內金屬溶滴存在的影響,使電阻率比純渣低;在導電時,粗電極發莊集膚效應;其次是實際電流通路很少完全限制在電極一渣一熔池通路之間,結晶器也常流過一些電流。   

          電路可能性變化可用圖2.4表示。

          在渣池頂部渣面通常是上升的,除使用短結晶器操作,當抽錠或抬結晶器時,渣面才不上升。液體渣與結晶器壁接觸就可能有電流流過,至少是瞬間的。本書認為,倘若最初電流密度130A/cm2,那么電流就可以繼續流動。這就是說,在渣池表面有一導電圓窄帶。當然結晶器流過電流必須有回路存在。這樣的通路在活模操作時是存在的,因此結晶器與底水箱有電接觸。而在短模操作時某些操作者使用粗導線連接。如果無自然回路,電流可能在某一點返回到錠,這樣錠和結晶器壁之間的絕緣就被破壞。絕緣破壞可能由渣破損引起,也可能由輕微爆炸產生的金屬細珠的存在或渣里夾有金屬熔滴(盡管后一種現象很少見,但已觀察到)引起。   

          前蘇聯研究者指出,如果電流流過固體渣,渣可能表現為半導體,并產生整流和電解作用,錠子的分流眼和結晶器損壞可歸于這種作用。渣池的實際電阻改變是由幾種因素引起的,就像上面敘述的那樣。熔滴存在將降低電阻,可以預料熔速越快,電阻將越低(其他條件不變),因為高熔速穿過渣的金屬體積將越大,這已由實驗所證實。電阻與電極浸入深度之間已被描述成如圖2.5所示的關系。電極浸入深度淺的情況下,電阻隨浸入深度迅速變化,這種情況被用做維持恒浸入深度的控制信號。

          使用交流電時已經認識到集膚效應對電流分布的影響。由于電磁作用以及電流方向的不斷改變,流過大直徑導體的主要電流是接近導體表面流過的。電流滲透深度可以通過下式計算:

          式中,d-電流滲透深度;

             D-電極直徑;

             μ-材料磁導率,H/m;

             F-電源頻率,Hz;

             σ-電導率,S/m。

          用小電極,如直徑小于200mm的鋼電極,電源頻率為50Hz時,其集膚效應可以忽略。使用磁鋼.當溫度上升到居里點以上時,滲透性將急劇下降.以致電極頂部電流滲透深度比電極冷的部分高得多,電流分布類似于圖2.6。此圖是通過將短粗棒連接到電極上而得到的。在高電流情況下短棒表面能被加熱到紅熱狀態,用同樣直徑的奧氏體棒就不會這樣,除非它們的電阻率很高。    當然,可通過使用多根小電極代替一根大電極來降低集膚效應。低頻熔煉也可以降低集膚效應,正是由于這一點,生產大錠時廣泛使用低頻電源。

          托馬斯(Thomas)研究了電極端部效應并且得出如下結論,浸入深度較淺時,電流完全均勻分布,較深的浸入會導致電流向中央集中。這分別與所觀察到的平的和尖的電極端部與淺的和深的浸入深度一致,并且也說明了電阻一浸入深度之間的變化關系。

          2.3.2渣池中電流、功率和沮度分布  

           (1)電流   

          熔渣中的電流分布由于渣運動、熱對流、溫度差、電極冷卻作用以及熔化熱使之復雜化。關于這個間題,已經通過幾種方式進行了詳細研究??ㄍ呖祝↘awakami )使用熱電偶和探測器系統測出直流電渣重熔渣池中局部溫度和不同點的電位,并繪制出其關系圖,如圖2.7所示。米契爾和焦希(Toshi )也得到了類似的結果。勞遜(Rawson )通過導電紙使用類似方式再一次測得等電位線圖。所有這些情況都是假定電流垂直流過這些導體的??梢杂^察到最高熱產生是直接在電極之下。蕭德哈瑞(Choudhary)和??死⊿zekly)指出,大錠子每單位體積渣產生的熱比小錠子要低。    在熔滴形成并懸掛于電極頂部,快脫離電極之前電的狀態發生輕微變化,在小錠子上特別明顯。這與康普比爾(Campbell)在透明模型中所觀察到的情況一樣。這是由于熔滴減小了電極與錠上部的距離,導致電流增加,并引起電極下的渣下降速度增加。即使在大錠子熔煉時,那樣的電流變化用示波器也能檢測出來,現已能用電流變化來檢測熔滴形成頻率,亦可用于浸入深度控制之目的。  

           (2)熱   

          許多研究者研究了電渣重熔熱平衡,如前所述,熱源是電流通過渣的焦耳熱。然而,總輸入熱中,只有少部分熱量用于熔化金屬,余下的熱量則通過結晶器冷卻水和渣表面輻射損失掉。蕭德哈瑞和??死嬎愕慕Y果是總輸入熱量的59%通過結晶器冷卻水損失掉,僅有17%的熱量傳遞到電極,1.2%用于熔滴過熱。實踐中測得的實際值隨設備設計、結晶器及熔化速度的不同而變化。簡而言之,熱平衡是由如下兩部分建立起來的:穩定部分代表渣和環境之間的平衡(取決于時間);可變部分用于熔化金屬的熱(正比于熔速)。由蕭德哈瑞和??死玫臄底炙坪醮硪粋€相對高的能源消耗。前蘇聯研究者已經給出幾種不同熔煉方式的資料(見圖2.8)。

          米契爾和焦希研究了渣和結晶器界面的情況。在渣池/渣皮/空氣間隙/結晶器壁之間的溫度梯度如圖2.9所示。渣殼的形成受類似于錠皮形成的原理所支配,在錠和結晶器之間無相對運動的情況下,渣池表面不斷被進入錠的新金屬所取代。如前所述。熔化金屬不斷與結晶器接觸,就有一定量電流流過并產生一定的熱量。但是,通常情況是隨著熱流通過結晶器壁,熔渣被快速冷凝。當渣殼變厚時,熱流降低。當渣/熔池界面逼近時,部分渣殼熔化用以增加熱流。在渣和結晶器壁之間的凝固間隙可以降低熱流。

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