熔池

電弧爐的大小以其額定容量（公稱容量）來(lái)表示，所以額定容量是指新設(shè)計(jì)的電爐熔池所能容納的鋼水量。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，隨著熔煉爐數(shù)的增多和熔池容積的逐漸增大，裝人量或者出鋼量也不斷增加。另外生產(chǎn)中還經(jīng)常用提高爐門(mén)檻即造假門(mén)檻的辦法來(lái)增加爐產(chǎn)量，這樣就出現(xiàn)了超裝的問(wèn)題。一般認(rèn)為以超裝20%～50%為宜，不宜超裝太多，大電弧爐基本上不超裝。

熔池是指容納鋼液和熔渣的那部分容積。熔池的容積應(yīng)能完全容納適宜熔煉的鋼液和熔渣，并留有余地。

熔池的形狀應(yīng)具有以下特點(diǎn)：利于冶煉反應(yīng)的順利進(jìn)行；砌筑容易；修補(bǔ)方便。使用的多為錐球形熔池，上部分為倒置的截錐，下部分為球缺。

球缺形電爐爐底使得熔化了的鋼液能積蓄在熔池底部，迅速形成金屬熔池，加快爐料的熔化并及早造渣去磷。截錐形電爐爐坡便于補(bǔ)爐，爐坡傾角45°，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）45°為自然錐角，砂子等松散材料成堆后的自然錐角正好是45°。當(dāng)用鎂砂補(bǔ)爐時(shí)利用鎂砂自然滾落的特性，可以很容易地使被侵蝕后的爐坡得到修補(bǔ)，恢復(fù)原狀。

（2）出鋼時(shí)爐子傾斜35°～45°能順利出凈鋼水。

確定電爐爐型的基本參數(shù)是D/H值，即熔池鋼液直徑D與鋼液深度H的比值，其經(jīng)驗(yàn)值為D/H=3～5。在熔池面積一定的條件下，D/H大，則熔池淺。熔池容積一定，熔池越淺，熔池表面積越大，即鋼、渣界面積越大，有利于鋼渣之間的冶金反應(yīng)，因此，希望D/H大一些。但是D/H太大，則熔池直徑和熔煉室直徑都增大，于是爐殼直徑D_k增大，導(dǎo)致D_k太大，爐殼散熱面積和電耗都增大，所以D/H又不能太大。如果D/H太小，熔池太深，鋼液加熱困難，溫度分度不均勻。在氧化期應(yīng)對(duì)金屬進(jìn)行良好的加熱，并對(duì)熔池中的金屬進(jìn)行強(qiáng)烈沸騰攪拌，以使金屬成分和溫度均勻。

當(dāng)選定爐坡傾角45°時(shí)，一般取D/H=5左右較合適。

對(duì)于70t/5500mm及以上的超高功率電爐取D/H=4～5，比值隨著爐容量增加而增大；而對(duì)于用返回料冶煉不銹鋼電爐，為改善熔池的溫度差、減少熔池深度、D/H可能要在5以上。

精煉鋁的熔池的保護(hù)襯層

在盛裝和精煉鋁的溶池的石墨側(cè)板和端板的切口部分內(nèi)設(shè)置有耐火板件而產(chǎn)生有效地阻擋液態(tài)鋁通過(guò)當(dāng)池被加熱到工作溫度時(shí)兩板分離所形成的通道的流動(dòng)。

用于盛裝精煉或不精煉液態(tài)鋁池的保護(hù)襯層，由適合于在其側(cè)面緊緊地裝配在一起的石墨板和端板組成；所述的板在其底端固定在一起，且其上部聯(lián)接到由外部加熱的鑄鐵槽的外壁上，當(dāng)精煉池加熱到工作溫度因槽膨脹導(dǎo)致任意兩板在其上端產(chǎn)生分離，因而形成了池內(nèi)的精煉室和板與鑄鐵槽間的縫隙間的鋁的流動(dòng)通道，其特征在于：（a）石墨側(cè)板和端板沿著上述板件聯(lián)接處的高度方向的相應(yīng)部分象上述板件帶有切口部分的一樣緊密地聯(lián)接在一起，所述的切口部分從板的頂部垂直地延伸到加熱時(shí)所述的板不會(huì)分離的地方；（b）一塊不易受液態(tài)鋁的沖擊影響的耐火板件，所述板件插放在側(cè)板和端板裝配在一起時(shí)形成的對(duì)應(yīng)切口內(nèi)，該板件在長(zhǎng)度方向上在切口中從高于預(yù)計(jì)的熔鋁的工作高度延伸垂直到所述板因加熱而分離的地方，所述板件的寬度和厚度，與所述切口部分的尺寸有關(guān)，當(dāng)板因把池加熱到工作溫度而在其上端分離時(shí)，耐火板件作為有效的擋板阻住液態(tài)鋁通過(guò)因側(cè)板和端板的分離所造成的裂縫的流動(dòng)。因此，允許側(cè)板和端板間的聯(lián)接在把池加熱到工作溫度時(shí)應(yīng)有的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而仍保持有效地阻擋住液態(tài)鋁在板間分離處的流動(dòng)。

熔池是指因焊弧熱而熔化成池狀的母材部分。包括某些非電弧冶煉的熔煉爐，通常將整個(gè)爐膛空間稱為熔池。但在有的礦熱爐中，熔池則僅指熔渣和金屬液積存的爐膛部分，或是電極周?chē)鸂t料不斷下降的工作區(qū)（坩堝），或是電弧高溫所能作用到的區(qū)域。

圖1為典型的有渣法埋弧電爐熔池結(jié)構(gòu)。有渣法電爐爐膛是由生料層、軟熔層、焦炭層、熔渣層、金屬熔池等幾個(gè)部分構(gòu)成。在靠近爐墻溫度比較低的部位存在由凝Ⅲ的熔渣和未反應(yīng)的爐料構(gòu)成的死料區(qū)。

電爐內(nèi)爐料下降過(guò)程先后經(jīng)歷的幾個(gè)主要區(qū)域是：爐料預(yù)熱區(qū)、爐料軟熔區(qū)、焦炭層、爐渣層和熔融金屬層。

生料層由術(shù)反應(yīng)的爐料，如焦炭、礦石和熔劑組成。靠近電極的部位溫度較高，爐料熔化速度快，生料層的厚度較薄，而遠(yuǎn)離電極的部位料層較厚，爐料下沉速度相對(duì)較慢。爐氣在通過(guò)松散的乍料層時(shí)與爐料進(jìn)行熱交換，電流通過(guò)導(dǎo)電的爐料產(chǎn)生熱量使料層溫度升高。礦石中的高價(jià)氧化物，如MnO₂、Fe₂O₃，會(huì)住這一部位發(fā)生熱分解或被CO還原成低價(jià)氧化物。在溫度更高的部位，出現(xiàn)FeO的同態(tài)還原，有金屬鐵生成。

在料層溫度低于1300℃的區(qū)域，鉻鐵尖晶石中的Fe₂O₃和FeO被CO和C還原；在料層更深處溫度高于1300℃區(qū)域Cr₂O₃，開(kāi)始出現(xiàn)還原。三價(jià)鐵、二價(jià)鐵和鉻先后從鉻鐵礦中分離出去，在礦石中形成分散的金屬珠；結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全改變的尖晶石仍維持著礦石顆粒形狀。尖品石的熔化溫度很高，只有在溫度更高的深度才會(huì)出現(xiàn)渣化。

當(dāng)料層溫度高于爐料的軟化溫度或還原反應(yīng)產(chǎn)物的熔點(diǎn)時(shí)，爐料出現(xiàn)軟熔現(xiàn)象。這一部位位于焦炭層卜部，稱為軟熔層。錳的高價(jià)氧化物Mn₂O₃和Mn₃O₄。在軟熔層全部還原生成低價(jià)氧化錳MnO并進(jìn)入熔渣。在1300～1500℃發(fā)生的鉻的固態(tài)還原也是這一區(qū)域的主導(dǎo)反應(yīng)，鉻的還原加劇了礦石解體進(jìn)程，大大加快了礦石的熔化。南于錳和鉻的還原遲于鐵的還原，在料層巾金屬顆粒中的錳鐵比或鉻鐵比由上到下逐漸增加。鐵和鉻的還原是強(qiáng)烈吸熱反應(yīng)。輸入爐內(nèi)的熱量有50%以上用于還原金屬氧化物。爐料層和軟熔層所產(chǎn)生的電阻熱量較少，軟熔層所需的熱量足由焦炭層向上傳遞的。軟熔層上下溫差較大，下部是還原反應(yīng)的主要部位。盡管初渣和含鐵較高的金屬珠有一定的流動(dòng)性，但熔點(diǎn)很高的術(shù)還原礦石摻雜在其中，軟熔層整體并沒(méi)有流動(dòng)性。當(dāng)爐料的熔化速度大于還原速度就會(huì)出現(xiàn)爐料過(guò)早熔化，爐膛導(dǎo)電結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致焦炭層上移。

熔池中爐料熔化特性：礦熱爐內(nèi)熱源和傳熱與火焰爐不同，在火焰爐內(nèi)的爐料受熱是在料堆表面開(kāi)始逐漸向內(nèi)發(fā)展，化學(xué)反應(yīng)也是這樣。而礦熱爐的熱量則是在爐料內(nèi)部發(fā)生，爐料受熱熔化和相應(yīng)作用是在爐料內(nèi)固體與液體界面上進(jìn)行，即高溫熔渣以較大的速度沖刷著爐料的表面并同時(shí)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。因此可以認(rèn)為，在礦熱爐內(nèi)的還原和造渣是同時(shí)進(jìn)行的。

經(jīng)分別用冰塊和渣塊模擬爐料的水模型和火模型的試驗(yàn)查明，沉人渣層內(nèi)料堆的熔化，不論是置于電極之間的還是電極側(cè)邊上的試樣，其熔化過(guò)程皆以熔池的電極插入層內(nèi)為最發(fā)達(dá)，并且是電極之間的試樣被“啃食”成啞鈴狀、電極側(cè)邊試樣成側(cè)凹形；同時(shí)，與渣面接觸的熔化較快、電極層下面的熔化微弱。對(duì)模擬裝料不均的情況，則發(fā)現(xiàn)冰塊或渣塊的下部在模型內(nèi)熔化得最激烈，并在熔池中打轉(zhuǎn)、翻滾，還引起噴濺。如果同時(shí)將兩塊冰（或火模型中裝兩塊渣）裝入模型內(nèi)，并用一塊切斷熾熱渣流向第二塊的通路，那第二塊的熔化過(guò)程便急劇減慢。因此，合理地裝料制度必須要考慮上述的熔化特點(diǎn)。

研究分布在熔池內(nèi)各部位上的爐料熔化指標(biāo)，曾有用熔點(diǎn)約70℃的鉛合金片在水模型上和紫銅片與渣片在火模型上模擬不同性質(zhì)的爐料所進(jìn)行的試驗(yàn)，將它們置于模型熔池內(nèi)不同的點(diǎn)上，測(cè)定各自完全熔化所需的時(shí)間?；鹉Ｐ蜕系脑囼?yàn)結(jié)果（水模型上所取得相應(yīng)結(jié)果與此大致相同）如圖2所示。

圖中實(shí)線表示單位生產(chǎn)率變化，虛線表示熔化時(shí)間的變化。由圖可見(jiàn)，位于爐墻附近的熔化區(qū)域的單位生產(chǎn)率幾乎比電極附近的小2/3，而位于距電極中心線1.5～2倍電極直徑內(nèi)則為具有最好熔化指標(biāo)的熔池區(qū)域。

為研究爐料性質(zhì)對(duì)熔化指標(biāo)的影響，將試樣置于模型中同一地點(diǎn)上的試驗(yàn)。圖表示各種試樣片的熔化時(shí)間與其熔化所需總熱量之間的關(guān)系，兩者呈直線關(guān)系變化。從圖可以看出，爐子單位生產(chǎn)率不是爐料熔化所需熱量的簡(jiǎn)單函數(shù)，即單位生產(chǎn)率是熔化所需熱量與熔化溫度兩者的函數(shù)；由此表現(xiàn)出，如果兩者的數(shù)值均小時(shí)（如試樣鉛），則單位生產(chǎn)率大，如果是熔化溫度相對(duì)不高，而熔化所需熱量相當(dāng)高時(shí)，則單位生產(chǎn)率可能有各種數(shù)值（鋁、銅），在兩個(gè)因素的數(shù)值都大時(shí)，則單位生產(chǎn)率小（爐渣）。

熔化焊接時(shí)，在熱源作用下，焊件上形成的具有一定形狀的液態(tài)金屬部分被稱的焊接溶池?；『高^(guò)程中，電弧下的熔池金屬在電弧力的作用下克服重力和表面張力被排向熔池尾部。隨著電弧前移，熔池尾部金屬冷卻并結(jié)晶形成焊縫。

焊縫的形狀決定于熔池的形狀,熔池的形狀又與接頭的形式和空間位置、坡口和間隙的形狀尺寸、母材邊緣、焊絲金屬的熔化情況、熔滴的過(guò)渡方式等有關(guān)。接頭的形式和空間位置不同，則重力對(duì)熔池的作用不同。焊接工藝方法和規(guī)范參數(shù)不同,則熔的體積和熔池的長(zhǎng)度等都不同。平焊位置時(shí)熔池處于最穩(wěn)定的位置,容易得到形良好的焊縫,在生產(chǎn)中常通過(guò)焊接變位機(jī)等裝置使接頭處于水平或船形位置進(jìn)行焊接。而在其他空間位置焊接(橫焊、立焊、仰焊、全位置焊)時(shí),由于重力的作有使熔池金屬下淌的趨勢(shì),因此要采取特殊措施(例如施加脈沖電流等)控制焊縫成形。當(dāng)坡口和間隙、焊接規(guī)范參數(shù)等不合適時(shí)，也有可能產(chǎn)生焊縫成形方面的缺欠。2100433B

熱源的校核采用的準(zhǔn)則是熔池邊界準(zhǔn)則，即在與實(shí)際輸入的熱量一致的情況下，所選熱源模型模擬出來(lái)的熔池區(qū)域邊界與實(shí)際焊縫熔合線相符，那么就認(rèn)為這個(gè)熱源模型是合理的，用該熱源模型模擬溫度場(chǎng)是符合焊接力學(xué)分析的要求。2100433B

對(duì)金屬熔池的鋼水進(jìn)行攪拌時(shí)，通過(guò)循環(huán)流動(dòng)使熔池成分和溫度達(dá)到均勻化所需最短時(shí)間。