9 电弧炉与炉外精炼设备
9．1概述
利用电能作为热源来熔炼金属的炉子即为电炉。电炉的型式有电弧炉、感应炉、电阻 炉、矿热炉、电子束炉、等离子炉等。本章主要介绍炼钢电弧炉设备。
按电弧加热方法，电弧炉有直接式、间接式和封闭式三种(图9—1a、b、c)。
图9--1 电弧炉简图
a一直接式；b一间接式；c一封闭式
在直接式电弧炉中，电弧燃于电极与金属料之间，用于冶炼黑色金属，熔炼时产生的 高温由垂直安放的电极遮挡，故电极有保护炉顶作用，此外便于电极升降。
间接式电弧炉，电弧燃于电极之间，与金属有一定距离，热量主要靠辐射传至金属料。 由于热量没有电极遮挡，故温度不能太高，否则会影响炉顶寿命。此法一般适用于冶炼低 熔点的轻金属。
封闭式电弧炉，电极埋在金属料中，由电弧和电流通过炉料而产生热量使金属熔化。此 法用于铁合金冶炼。
电弧炉可通过改变电流、电压大小来控制电弧。由于电炉具有温度高、易控制、热效 率高、能控制炉内气氛等优点，故较容易控制钢水成分和提高钢水质量，目前不但广泛应 用于冶炼合金钢和优质钢，而且在国外已用来冶炼普通钢种。
随着科学技术的日益发展，对钢的质量要求愈来愈高，因此，出现了炉外精炼技术。 钢的炉外精炼是将炼钢工艺分成两步进行，先在炼钢炉(平炉、转炉、电炉)中进行 熔化和初炼，使它仅保留脱碳、升温和部分脱磷任务，然后再将初炼钢水在“钢包，，或专 用的精炼容器中进行脱氧、除气、进一步脱碳、降低钢水中其它夹杂物以及调整钢水成分 和温度等操作，这种精炼容器称为炉外精炼炉。
例如，一座50t电炉所需变压器容量为20000~35000kV·A。加入炉内废钢约在一小 时之内熔化，经过熔化和氧化期，当进入还原期与精炼期时，大功率的变压器就不能得到 充分利用，若把钢水精炼期移到另一个功率较小的钢包精炼炉中进行，则可使生产率增加 50％左右，并可节约大量能源。此外，当冶炼含碳量小于0．03％的超低碳不锈钢时，在电 炉或转炉就很困难，高温精炼期过长对炉子寿命不利，若不采取特殊措施，合金收得率也 很低，而且需用价格昂贵的超微碳铬铁或金属铬。若采用炉外精炼方法，电炉只是用来熔 化炉料或用氧气转炉脱去一部分碳，这不仅使冶炼速度快、产品质量高，而且可使用廉价 的废不锈钢作为炉料，提高铬的收得率；使生产成本大为降低。
9．2炼钢电弧炉
图9—2a、b为75t全液压炉盖旋开式炉顶装料电炉总图。它主要由炉壳结构5、炉体 倾动机构10和回转机构7、电极夹持及升降机构2和13及电磁搅拌装置11和炉顶装料机
构12等组成。
9．2．1炉壳结构
炉壳是由钢板焊成，如图9—3所示。它由炉身1、炉底9、加固圈2所组成。
炉身多做成圆筒形。炉底则有平底、锥底和球面底三种，球形炉底刚度大，强度高，耐 火砖用量少，目前大型电炉都采用这种炉底。其不足之处是，制造比较困难、成本较高。平 底制造方便，但刚度差，现已很少采用。锥形炉底则介于二者之间，中小型电炉应用较多。 炉壳可做成整体的或沿渣线附近上下剖分两种型式(图9—3是剖分式，采用螺栓7联 接上下部分)。前者便于整体更换，后者，修炉时只需将上半部分同炉衬一起吊走，这样可 减少起重机能力。
为降低炉壳温度，减少炉壳变形，炉壳可进行通水冷却(图9—3中6为双层炉壳)。炉壳材料一般采用普通碳素钢，若炉底采用电磁搅拌装置时，则炉底应选用非磁性耐热不锈钢或弱磁性钢制造。
炉壳钢板厚度可根据炉壳内径确定，约为内径的1／200。炉底钢板可厚一些。 9．2．2炉门及启闭机械
炉门主要用于出渣、补炉衬及吹氧等操作，一般中小型电炉只设置一个炉门，有的大型电炉为方便操作也有开两个炉门的，其中一个对着出钢口，另一个与出钢口成90。。 炉门系统由炉门、炉门框架及炉门启闭机构三部分组成，如图9—1中6所示。
炉门系统应有良好的密封性，为防止炉门框架在高温下变形，可做成中空水箱，进行通水冷却。
炉门启闭机械应工作可靠，操作灵活。启闭机构有手动和机动两种，小炉子多用手动， 大炉子则可采用电动，或液压、气动等机动型式进行炉门启闭。
图9—2a 75t炉盖旋开式顶装料电炉
1一电极；2一电极装置；3一炉盖；4一除尘器；5一炉壳；6一炉门及其启闭机构； 7一炉体回转机构；8一摇架；9一支承装置；lO一倾动液压缸；11一电磁搅拌装置；
12一炉盖升降、旋转机构；13一“『”型旋转框架；14一水冷电缆
图9—2b 75t炉盖旋开式顶装料电炉
15一导轨；16一出钢槽；17一电极立柱升降导向轮；18一电极立柱定位装置 9．2．3炉盖圈
炉盖由炉盖圈上的耐火砖构成，故应具有足够的强度和刚度。炉盖圈一般由钢板或型钢焊接而成，为防止受热变形可制成中空，进行通水冷却。其截面形状有三角形、梯形或矩形，为省去拱脚砖，其斜边应与耐火砖相配，现多用梯形(见图9—3中4)。
炉盖圈直径的确定，应使炉盖圈的重量作用在炉壳上，并使炉盖与炉壳间密封。为此炉盖圈下面装有环状凸圈(图9—3中3)，当炉盖圈置于炉壳上时，此凸圈应处于炉壳加固圈的砂封槽内。
图9—3炉壳简图
1一炉身；2一加固圈；3一凸圈；4一炉盖圈；5一止挡块； 6一炉身冷却通道；7一联接嫘栓；8一炉体回转导轨；9一炉底
炉盖上的砌砖最易损坏，为提高其使用寿命，我国许多电炉采用水冷炉盖，如图9—4所示。它由两层钢板焊成，中间通水冷却。水冷炉盖下层钢板上可不砌耐火材料，靠炉渣飞溅结壳保护。为防止电极与炉盖钢板碰撞而将其击穿，在电极孔处砌耐火材料。这种结构使用寿命可高达2000～3000炉。若出钢温度控制得当，水冷炉盖对冶炼并无影响，耗电量增加也不多，但要求焊接可靠。
9．2．4电极密封圈
电极密封圈装于炉盖电极孔的耐火材料中，其作用是密封电极孔，防止炉气大量排出，以减少热损失，同时也可冷却电极以减少氧化并延长炉盖寿命。