（1）为炼好钢，不可忽视对铸钢熔炼炉的选用 铸钢车间所用炼钢设备主要有：电弧炉、感应电炉和平炉。近些年也采用盛钢桶（钢包）精炼炉，这将在本书本节第6点专门介绍

1）电弧炉。电弧炉在铸钢车间使用最广，通常采用三相电弧炉。炉子容量一般为两吨或两吨多，我国制造的三相电弧炉系列，额定容量从1.5～100t，这种炉子可以间歇工作，适于生产各种铸钢件，并能安全地提供比平炉和感应炉温度更高的钢液。这种高温钢液，对一炉钢液要分多包浇注大量薄壁铸件来说，是非常必要的。

碱性电弧炉可有效脱硫和脱磷，可以采用废钢和铸造返回料以任何比例组成的炉料，对原材料要求比感应炉低，钢液质量容易得到保证。对钢液质量要求高的碳钢和合金钢铸钢件应采用电弧炉熔炼，但其设备较感应电炉贵，对操作人员技术水平的要求比感应电炉高。

20世纪60年代以来，电弧炉方面的多种技术创新，对缩短冶炼时间、降低电耗和减少电极消耗起了重要的作用，如图3-95所示。吹氧技术、二次钢包法以及高功率/超高功率三项技术的推广应用，使电弧炉冶炼普通钢的成本低于平炉炼钢的水平，随着后来大量新技术的应用，逐步使电弧炉取代了平炉。

2）感应电炉。感应电炉是利用电磁场感应原理将电能转化为热能，使金属炉料熔化的设备。感应电炉按结构分为无芯感应电炉（又称坩埚式感应电炉）和有芯感应电炉（又称沟槽式感应电炉）两种。感应电炉现已成为中小型铸钢件，尤其是各类高合金钢铸件的主要熔炼设备，在几种主要炼钢炉中，感应电炉设备费用最低。铸钢业使用的感应电炉，容量一般在500～3000kg。精密铸钢件生产厂多采用感应电炉，容量多在100～300kg。

与三相电弧炉比较，感应电炉加热快，热效率高，没有电弧超高温作用，元素烧损少，有电磁搅拌作用，有利于钢液温度均匀和夹渣上浮，但炉渣参予冶金反应的能力较差，基本上是熔化作用，一般没有精炼过程，难以脱硫和去磷，因此，对原材料化学成分要求较严。

图3-95 1965年以来电弧炉工艺技术的进展

3）平炉。平炉是铸钢业用的一种老式炼钢炉，主要用来浇注大型铸件。近年来，大型电弧炉也常用来浇注大型铸件。铸钢厂的平炉容量，一般在40～75t范围。平炉是在氧化性条件下进行炼钢的，它适宜炼制碳素钢和其他易氧化元素少的合金钢。

（2）目前电弧炉的装料多采用炉盖旋转式顶装料型。不可忽视其炉子的炉体和炉盖应具有的结构 电弧炉按照装料方式的不同主要分为两种类型：炉体开出式顶装料型和炉盖旋转式顶装料型。另外还有人工炉门装料型和炉盖开出式顶装料型，但这两种类型现已不再采用。小型电弧炉一般采用炉体开出式，而大中型电弧炉常采用炉盖旋转式。炉盖旋转式电弧炉占用车间面积较小，是目前我国制造的三相电弧炉的主要形式，已经形成系列产品。

三相电弧炉炼钢的炉子主要由炉体、炉盖、装料机构、电极、电极升降与夹持机构、倾炉机构、炉盖旋转机构、电气装置和水冷装置等构成，如图3-96所示。其中炉体主要由炉壳、炉衬、出钢槽、炉门等几部分组成。炉壳是用钢板拼焊成的，其上部有的炉子做成双层，中间通水冷却。出钢槽连在炉壳上，内砌耐火材料。炉门下部有个开口，用来观察炉内情况、扒渣、加料等。炉门一般用水冷，小型炉的炉门用人工启闭，稍大的炉子则用气压或液压机构启闭。炉壳内面的炉衬是电弧炉的重要部分。为减少炉内热损失，紧靠炉体外壳铺垫厚8～15mm的石棉板，它既有良好的绝热作用，也可补偿耐火砖受热的膨胀。紧靠石棉板（见图3-97），对酸性电弧炉的炉体来说，是用硅砖砌筑，硅砖的内面用水玻璃硅砂打结炉衬；碱性电弧炉采用镁碳砖、镁砖砌筑，镁碳砖、镁砖的内面采用卤水镁砂或焦油镁砂打结炉衬。另外，国内已有较多厂家采用干式捣打料整体打结炉底，一般使用的是MgO-CaO-Fe₂O₃系捣打料，其优点是耐侵蚀，抗钢液渗透性强，炉体寿命长，维护简单方便，钢液纯净度明显提高。炉墙用镁碳砖砌筑，可大幅度提高炉墙寿命。

电弧炉的炉盖通常用耐火砖砌成，其外沿为一钢板制成的炉盖圈（空心的，内部通水冷却）。酸性电弧炉一般用硅砖砌筑炉盖；碱性电弧炉一般用高铝砖砌筑炉盖。图3-98所示是用高铝砖砌成的电弧炉炉盖。电弧炉炉盖也有用高温水泥和高铝钒土捣制的或用由高铝质耐火泥与镁质耐火泥组成的铝镁浇注料浇灌而成的整体炉盖。此外还有全部用钢板制成，用水冷却的水冷炉盖（炉盖直接受高温作用的内壁有耐火涂层）。大中型电弧炉的炉盖上一般还应有漏渣料孔，便于冶炼过程加渣料等，减轻工人的劳动强度。炉盖与炉体的连接普遍采用砂封方式（见图3-99），密封效果很好。

图3-96 三相电弧炉结构

1—炉体 2—出钢槽 3—炉盖 4—电极夹持机构 5—电极 6—电极升降机构 7—变压器 8—倾炉机构

图3-97 碱性电弧炉炉体剖面

1—炉壳钢板 2—8～15mm厚石棉板（补偿耐火砖受热膨胀并绝热用） 3—115mm厚侧砌镁砖 4—115mm厚直砌镁砖 5—65mm厚平砌粘土砖（绝热用） 6—打结镁砂层

（3）采用电弧炉炼钢，不宜不问功率因数而用过大的电流操作 三相电弧炉的高压供电线路的电压一般为3300V或10000V，熔化期用变压器最大功率，氧化期用中等功率，还原期用较小功率。

对电弧炉来说，每一台电弧炉都可在测定线路各部分的阻抗后，就不同的电压作出该电弧炉炼钢的特性曲线。图3-100所示是其示意图，通常，可据此作为制定该电弧炉供电制度的依据。由图3-100可知，在一定的电压下，随着电流的增大，电弧炉自电网取得的有效功率增加，到达P₁曲线的峰值点以后，继续增大电流，有效功率P₁不但不再增大，反而急剧下降，这是因为整个电弧炉的功率因数显著下降，无功功率增大。因此，不问功率因数如何，而用过大的电流操作是无益的。还应注意的是，用于炼钢的有用功率P₂的峰值与P₁的峰值实际上并不在同一位置。一般情况下，P₂峰值对应的电流I₀小于P₁峰值所对应的电流。输入有效功率最大时，由于损失功率（电器本身发热）大，效率η明显降低，有用功率P₂并非最大。从炼钢角度，需要的是P₂，炉子所用的电流应该是I₀，无论如何不能超过I₀。

（4）碱性电弧炉氧化法炼钢工艺的禁忌

1）不可不知碱性电弧炉氧化法炼钢获得普遍采用的原因。在炼钢工艺上有两种基本方法，即氧化法和不氧化法。两种方法的区别在于炼钢过程中是否有氧化期。此外还有一种吹氧返回法。这种炼钢工艺方法也有氧化期，是从氧化法演变出来的。所以实际上也是氧化法，只不过是在工艺条件方面与一般的氧化法有一些不同而已。

图3-98 砖砌电弧炉炉盖

1—炉盖圈 2—电极孔砖

图3-99 炉体与炉盖的连接

1—炉顶 2—炉墙 3—水冷加固圈 4—砂封圈 5—垂直型炉盖圈 6—拱角砖 7—直角型水冷炉盖圈 8—斜型水冷炉盖圈

碱性电弧炉氧化法炼钢是我国当前普遍采用的炼钢方法。由于炼钢过程中造碱性炉渣，能有效地除去钢液中的磷和硫，又在炼钢的氧化期中通过加入矿石或吹氧使碳氧化而形成钢液沸腾，能有效地清除钢液中的气体和夹杂物。因此，碱性电弧炉氧化法炼钢，不仅对炉料的适应性强，而且炼得的钢液比较纯净。从炼钢学的角度来看，碱性电弧炉氧化法炼钢的冶金反应过程也是最完整的。其缺点是氧化法一般不能回收炉料（返回钢）中易氧化的合金元素，如锰、铬、钒等。用这种方法能冶炼碳素铸钢、低合金铸钢和高合金铸钢。

2）在碱性电弧炉中采用氧化法炼钢时，通常每炼完一炉钢，在装入下一炉炉料以前不可缺少补炉操作。而且补炉时，炉温切忌低，补速不可慢，每次补层不宜厚。用碱性电弧炉氧化法炼好一炉钢后，由于下述种种原因，炉衬会遭受不同程度的侵蚀和损坏：

①炉衬在炼钢过程中，长期处于高温状态，并受炉渣和钢液的冲刷和侵蚀，尤其当炉渣中含SiO₂和CaF₂高时，对镁砂炉坡冲刷更为严重。一般炉渣中常含有8%～10%的MgO，就是炉渣对炉衬侵蚀的结果。

图3-100 电弧炉炼钢的特性曲线

P₁—电网给予电炉的有效功率 P₂—实际上用于炼钢的有用功率 P₃—损失功率 η—电炉效率 cosϕ—电炉的功率因数

②熔炼熔池温度的剧变（出钢前在1600℃左右，出钢后降至1000～1200℃，不连续生产时降温更大）也会引起炉衬的损坏。

③不正确的熔炼操作也会使炉衬受到损坏，如装料时，废钢块太大，炉底没垫石灰和碎钢屑，则大块废钢冲击炉底造成凹坑。若炉顶装料时落料距炉底过高，同样会产生极大的冲击和振动，造成炉底损坏。熔化末期钩料和推料操作不小心时也会损坏炉壁。吹氧时，如果氧气流冲击炉壁和炉底时也会造成深坑。装料时炉料的分布不恰当，电极迅速到达炉底（当炉底还没有形成足够深度的钢液层时），于是在电极下的炉衬就会被强烈的弧光所加热，加热的温度将超过炉衬的耐火度，而在炉底形成深坑。在氧化期加入大量的矿石，当铁矿石到达炉底时，在炉底激烈沸腾，造成对炉底局部的冲刷作用。

因此，每炼一炉钢出钢后，在装入下一炉炉料以前必须打开炉门，升起电极，立即把炉坡上、炉底上及坑洼处残存的所有炉渣和钢液扒净，并立即修补炉底和炉壁被侵蚀和被破坏的部分，使之保持正常的形状。

补炉操作的要点是“高温快补、薄补”，即“炉温高、操作快、补层薄”，以使补炉材料能够很好地自行烧结在炉衬表面上，避免发生剥落。补炉时，通常先补易冷却的炉门及出钢口两侧部位，其次补被侵蚀严重的电极下炉底部分，以后再补其他部位。补炉方法有人工和机械两种：人工补炉用大铲贴补或铁锨投补。机械补炉用压缩空气喷补或机械投补。为补好炉体，还应指出的是，必须彻底扒净每炉钢炉底凹坑内的残渣、残钢，否则补炉材料就不能和原有炉衬紧密地烧结。轻则造成“镁砂渣”，即大量的MgO进入炉渣，使炉渣变粘，影响熔炼过程的顺利进行（这时必须扒除“镁砂渣”，重新造渣）；严重时造成漏钢事故被迫停炉大修。

碱性电弧炉的补炉材料为镁砂（或烧结白云石），用卤水或沥青作粘结剂。卤水镁砂补炉材料及沥青镁砂补炉材料的成分见表3-101和表3-102，一般打结炉衬时用焦油沥青镁砂，修补炉衬时用卤水镁砂。

表3-101 卤水镁砂补炉材料

表3-102 沥青镁砂补炉材料

3）采用碱性电弧炉氧化法炼钢时，其加入的炉料的配比不可随意；炉料的平均碳含量切忌不考虑氧化期中脱碳的需求；磷、硫等的含量也忌不加控制。一般情况下，炉料的适当比例见表3-103，如果其碳的平均含量超过配料要求，可适当减少生铁的加入量；若平均碳含量低于配料的要求，可采用电极碎块（或焦炭粒、无烟煤碎块）作增碳材料进行增碳。

表3-103 炉料的比例

在初步制定炉料配比时，所配炉料的平均碳含量决不可只近似甚至低于钢种规格要求的碳含量，必须比钢液要求碳含量增加0.2%～0.5%，以满足氧化期中脱碳的要求。通常，碳钢的氧化脱碳量依照钢的用途和炉料的条件而有所不同，一般要求脱碳量≥0.30%，重要铸件的脱碳量一般要求≥0.40%。新修的炉衬易使钢液吸收气体，因此氧化脱碳量应适当增加：大修炉后第一炉的脱碳量应大于0.50%；中修炉后第一炉的脱碳量应大于0.40%。

为了不致因脱磷和脱硫过多而延长冶炼时间，应适当控制炉料的磷、硫含量，一般情况下炉料平均磷、硫含量应控制在0.06%以下。另外还要控制残留元素含量，例如生产碳素钢时，一般要求钢中常见的几种合金元素（Cr、Mo、Ni、Cu）残留量总和的质量分数≤0.75%；又如当钢中存在有Sn、Pb等成分时，会增大铸件的裂纹倾向，因此应予以严格限制。对钢中残余元素的控制，主要是通过对炉料的严格管理及配料时对各种炉料进行适当搭配和核算来达到的。

4）不可忽视电弧炉炼钢中装料必须合理；切忌装料无序。装料是电弧炉炼钢中一个重要环节。如果装料合理，可以加速熔化，节省电力，操作顺利。若装料不合理，则熔化时间延长，耗电量大，合金烧损也多，甚至会影响炉衬寿命和导致电极损坏。装料时应注意以下几个问题：

①为保护炉底，减轻加料时炉底受炉料的冲击，并提前造渣脱磷，可在炉底和炉坡处先铺上约占炉料质量分数2%的石灰，然后再装料。

②用开底式装料罐加料时（一般小容量电弧炉由人工进行装料，3t以上的电弧炉用料罐从炉顶装料），不同尺寸炉料的适当布置如图3-101所示。布料原则是：在料罐底部装一部分小料或钢屑垫炉底，其上装大块料和中块料，最上部装小块料及钢屑等薄料；在料罐中对应于炉子高温区的位置装大块料和难熔的炉料；增碳用的电极碎块应装在料罐的下部，以减少在熔化过程中熔炼损耗，保证配碳的准确性。料罐应力求装得紧密，以利于导电和传热。

图3-101 炉料在料罐中的布置示意图

③当使用了磷含量高的炉料或钢种磷含量规格要求值很低时，可随料配入炉料质量分数3%左右的氧化铁皮，铺底石灰用量增加到炉料质量分数5%左右，以利于熔化期脱磷。

④为避免开始送电时电弧不稳，电流冲击过大，可在装料后，在炉料上面电极下的部位放数块焦炭。

⑤装料量应与电弧炉变压器的功率相匹配。应避免经常性地大幅度超载装料，以免因延长炼钢时间而降低钢液质量和增加单位钢液的电耗（kW·h/t）。

5）采用碱性电弧炉氧化法炼钢，在熔化期为缩短熔炼时间，不可不遵守供电规范；有条件时不可不采取吹氧助熔。氧化法炼钢的工艺过程包括上面所述的补炉、装炉，以及熔化期、氧化期、还原期和出钢。其中熔化期的任务是将固体炉料熔化成钢液，并进行脱磷。其技术措施有：

①装料完毕，盖好炉盖，检查无误即可按合理供电规范（参见表3-104）通电熔化。而表3-104的合理供电规范的要点是，合理地规定熔炼各期的工作电压和电流。

表3-104 氧化法炼钢熔化期的合理供电

在拟定供电规范时，通常根据熔炼工艺和炉子热工两方面的要求及限制来匹配合理工作电压。工作电压是电弧压降和短网压降之和，通常大炉子在熔化期要求弧压较高。短网压降是其电阻压降和电感压降之和，电阻压降要小，并要和电感压降合理匹配，使之满足稳定电弧的要求。合理的短网压降的标志之一是电效率趋近0.95；合理的电感压降的标志是功率因数在0.8左右。

②钢液熔池形成后，分批加入石灰造渣，其总量相当于装料质量分数的1%～2%。炉料已熔化大部分时，将炉坡处离电极较远而尚未熔化的炉料推到电极下面，以加速熔化，这种操作称为“推料助熔”。加入的石灰与熔池中的氧化物化合形成炉渣，盖住钢液表面，避免钢液直接暴露在电弧下面吸气和氧化，并在熔化期就能脱去一部分磷，同时可稳定电弧。

③为加速炉料的熔化，有条件时，在炉料熔化60%～70%时应采取“吹氧助熔”。所采用的吹氧管直径一般为3/4in或1in，吹氧压力为0.5～0.8MPa。吹氧管从炉门插入钢液内吹氧，但不能深入到炉底或靠近炉壁，以防损坏炉衬。由于电弧炉炼钢中电弧的局部加热作用，熔池中不同位置处的钢液的温度有明显的差别：远离电极处的钢液温度较低，炉料不易熔化。吹氧助熔，能造成熔池的搅动，并在一定程度上使钢液中的元素氧化而产生热量，从而有助于消除熔池中的低温区，加速炉料的熔化。遇有大块炉料时，应先以切割炉料为主。

④在熔化末期，可分批加入小批小块矿石或氧化铁皮，以加速脱磷。加入矿石或氧化铁皮的总量应根据炉料中含磷量而定，一般为装料量的1%～2%。

⑤炉料化清后，要充分搅拌钢液熔池，取样分析C和P，如P含量过高时，可放渣或扒渣，然后加入石灰和氟石造新渣，如钢液C含量不足应进行增C，当采用生铁增C时应使用低磷生铁，使用碳质材料（电极碎块、焦炭碎块）时，要考虑其吸收率（见表3-105）。

表3-105 增碳材料吸收率

6）用碱性电弧炉氧化法炼钢时，在氧化期不可忽视如何对其过程进行控制以完成其脱磷、脱碳等主要任务。氧化期的任务是有效地脱磷，去除钢液中的气体和夹杂物，并将碳含量调整到要求的成分范围和提高钢液的温度。生产上对炼钢氧化期过程控制如下：

①脱磷：脱磷反应的热力学条件是：

a.钢液及炉渣温度较低：脱磷反应是强放热反应，因此低温有利于脱磷。

b.高碱度炉渣：碱度高，渣中反应的生成物浓度低，有利于脱磷。

c.炉渣中氧化铁（FeO）较高：渣中氧化铁较高，即（O²-）高，可以提高脱磷反应速度，促进生成稳定的磷酸钙。

d.炉渣中脱磷产物（4CaO-P₂O₅）含量低。

在氧化期的前一阶段，钢液温度低是造渣脱磷的有利条件，但若炉渣碱度过高（R超过3.5），由于炉渣变稠，反而会使脱磷效果降低。随着炉温提高，磷的分配比（P₂O₅）/[P]²，即炉渣中P₂O₅的质量分数与钢液中[P]的质量分数的平方之比降低，会发生“返磷”现象，因此应抓紧在熔化期和氧化初期炉温较低时造渣脱磷，并及时放掉高磷炉渣，以免后期发生“返磷”。总之，当控制钢液温度在1550～1580℃，炉渣碱度R=3左右，渣中w（FeO）=14%～18%，w（CaO）/w（FeO）=2.5～3.0，炉渣流动性良好时，磷的分配比高，脱磷效果显著。

为了保证成品钢液的磷含量不超过规格要求，应将氧化末期钢液的磷含量作为扒除氧化渣，开始还原的条件之一。一般规定钢液P含量需比规格磷含量低一半以上，才可扒除氧化渣进行还原，表3-106规定了不同要求钢液在氧化末期除渣前磷含量的控制数值。

表3-106 不同要求钢液在氧化末期除渣前磷含量的控制数值

②脱碳：当氧化期进入第二阶段时，主要是氧化脱碳沸腾精炼，以除去钢液中的夹杂物和气体，起净化钢液的作用。而且，沸腾所起的搅拌作用，可使熔池中钢液温度均匀。

脱碳有三种方法：吹氧脱碳法，矿石脱碳法和吹氧-矿石脱碳法。在电弧炉炼钢中，主要采取吹氧脱碳法和吹氧-矿石脱碳法。表3-107是三种脱碳法的比较。

氧化末期钢液碳含量（终点碳）的控制，由于炼钢还原期中加入铁合金（锰铁等）含有碳，会往钢液中带入一些碳分（其值约为0.02%～0.05%），还原期中，炉渣中的炭粉和电石也会使钢液增加一些碳量（其值约为0.02%～0.04%），因此氧化末期终点碳量要控制得比规格碳量低，表3-108可供参考。

表3-107 脱碳方法的比较

（续）

表3-108 冶炼碳钢氧化末期的终点碳含量

③氧化末期结束后要扒除全部氧化渣并重新造渣，因而消耗热量，导致钢液降温，为避免还原初期钢液温度过低，要求氧化末期钢液温度比出钢温度高20～30℃，至少不低于出炉温度。氧化末期，当钢液碳含量、磷含量和温度均已达到要求时，可以除渣，迅速扒净氧化渣。

7）采用碱性电弧炉氧化法炼钢，在还原期，为加速整个还原期的过程，为使钢液达到出钢的要求，通常不可不采取一些技术措施进行脱氧、脱硫，不可不调整钢液化学成分和温度。

还原期的任务是有效地脱氧、脱硫，并调整好钢液的化学成分和钢液温度，使之达到出钢的要求。生产上对炼钢还原过程的控制如下：

①预脱氧，造稀薄渣。扒除氧化渣后，首先往熔池中加入锰铁进行“预脱氧”，以快速除去钢液中部分氧化亚铁，为的是减轻后来通过炉渣进行的脱氧任务，加速整个还原期的过程。加入量一般按钢的规格成分锰量下限计算，加入的锰，一部分起脱氧作用，另一部分熔解在钢液中，起调整锰含量的作用。由于在进一步的还原过程中，炉渣中的氧化锰会有一部分被还原而使钢液增锰，故预脱氧加入的锰量不宜过高，以免还原期末钢液锰含量超出规格要求。加入锰铁后，立即造低粘度稀薄渣，造渣料由石灰、氟石和部分碎粘土砖块组成，其质量比例大致为石灰∶氟石∶碎粘土砖块=4∶1.5∶0.2，渣量为钢液重的2%～3%。

②造还原渣进行还原。在还原过程中进行脱氧、脱硫。在完成预脱氧且稀薄渣形成后，开始往渣面上加粉状脱氧剂造还原渣脱氧，即扩散脱氧。还原渣有三种：白渣、弱电石渣和电石渣。还原渣的应用见表3-109，造渣方法见表3-110。

表3-109 还原渣的应用

表3-110 造还原渣方法示例

（续）(www.daowen.com)

①也有直接加入电石代替炭粉造电石渣的。

a.白渣：稀薄渣形成后，加入石灰、氟石、炭粉造渣，10～15min后白渣形成，钢液在良好白渣下还原的时间应不少于20min，在此期间，分批加入石灰和硅铁粉，保持渣的还原能力。白渣具有较强的脱氧能力，该炉渣中炭粉少，且炉渣的粘度较小，炭粉浮于炉渣上面，基本上不与钢液接触，钢液不会明显增碳，适用于熔炼含碳较低（w（C）≤0.35%）的钢种。

b.弱电石渣：稀薄渣形成后，加入石灰、氟石、炭粉造渣，15～20min后电石渣形成，钢液在良好的电石渣下还原时间不少于15min，在此期间，分批加入石灰和炭粉调整炉渣，保持炉渣的还原能力，并在出钢前将电石渣变为白渣，以避免增碳及夹杂增多。

c.电石渣：电石渣脱氧能力比白渣更强，但是由于炉渣中炭粉较多，且炉渣的粘度大，碳粉易裹在炉渣中，与钢液接触的机会较多，故钢液在电石渣下每小时可增碳0.1%左右，对低碳含量钢种，增碳现象更显著。因此电石渣适于熔炼碳含量高（w（C）≥0.35%）的钢种。

还原期应具备脱硫的有利条件：炉温高，高碱性和还原性炉渣。生产上控制炉渣碱度R在3左右，白渣条件下，要求炉渣中氧化铁含量（FeO）≤0.8%；电石渣条件下，（FeO）≤0.06%。还原期渣量一般应保持钢液重的2.5%～3.0%，若还原期开始时，钢液S含量大于0.06%时，应适当增加渣量。

③调整钢液的化学成分：当钢液脱氧良好，磷含量、硫含量及碳含量均符合成品钢液要求时，即可加入硅铁和锰铁调整钢的Si含量、Mn含量。在熔炼合金钢时，还应调整合金元素含量。这一调整过程需在良好的白渣（如造电石渣还原时，需变为白渣）条件下进行。调整好化学成分后，应在7～10min内出钢。

④用铝进行终脱氧：当钢液的化学成分符合成品钢要求，并达到了出钢温度时，可加铝及其他脱氧合金进行终脱氧。由于钢液中氧含量与碳含量之间有一定的平衡关系，故低碳钢中的残留氧量比高碳钢高一些，因此对低碳钢液进行终脱氧时，其加入铝量也应比高碳钢量多一些。湿型铸造铸钢件时，钢液容易吸收来自铸型的气体，而钢液中所溶解的气体又促进C、O反应而生成CO气体，从而促使铸钢件中气孔的形成，故在湿砂型铸造条件下，须对钢液进行更严格的脱氧，加铝量应略多一些，见表3-111。

表3-111 钢液用途与铝量的关系

8）利用圆杯试样判断脱氧质量时，当试样表面凹陷不显著或不凹陷或表面凸起时，决不可进行终脱氧和出钢。检验钢液脱氧程度是根据圆杯试样的收缩程度来衡量的。圆杯试样的铸型如图3-102所示，如果试样表面显著凹陷，则试样的内部没有气孔，表明钢液脱氧良好。如果试样表面凹陷不显著或不凹陷，则试样内部有气孔，表明钢液脱氧不良。如果试样表面凸起，则试样的内部气孔很多，表明钢液脱氧极差。只有圆杯试样表面显著凹陷时，才可以进行终脱氧和出钢。

9）终脱氧，也即钢液的最后脱氧方法不可不究。终脱氧常指钢液最后用铝脱氧。通常有两种方法：插铝法和冲铝法。插铝法是在临出钢以前，用钢钎将铝块插到钢液中进行脱氧。冲铝法是在出钢时，将铝块放在出钢槽上，利用钢液将铝冲熔进行脱氧（参见表3-112）。在这两种方法中，以插铝法效果较好，推荐采用。

图3-102 圆杯试样的表面收缩状况

10）碳钢的出钢温度的高低忌不顾及钢的规格碳的质量分数及出钢量等因素。钢液的出钢温度是冶炼过程中控制钢液温度的基本依据。出钢温度可由下式求得

出钢温度=浇注温度+出钢过程降温+盛钢桶中停留降温

碳钢铸件的浇注温度主要由钢的碳含量及铸件质量、壁厚和结构复杂程度等因素所决定。一般碳钢铸件的适宜浇注温度可参考表3-113。

表3-112 终脱氧加铝方法

表3-113 碳钢的浇注温度

出钢过程降温包括出钢过程中由于钢液向周围环境散热，以及加热盛钢桶消耗热量而引起的降温。盛钢桶中停留降温包括出钢后钢液在盛钢桶中镇静（时间5～8min）及浇注过程中，钢液在盛钢桶中向周围环境散热而引起的降温。出钢过程降温和盛钢桶中停留降温都与钢液量有关。表3-114中列出了在不同钢液量条件下出钢过程降温和盛钢桶中停留时的降温速度的大致数值。

表3-114 出钢过程降温^①及盛钢桶中降温速度

①出钢过程降温系指在盛钢桶桶衬烘烤至暗红（约700℃）条件下，自钢液出钢时起至注满盛钢桶时为止的钢液温度的降低值。

在钢液质量为3～5t，出钢后钢液在盛钢桶中镇静5min后开始浇注的条件下，钢液出钢温度见表3-115。

11）出钢时，除应密切关注盛钢桶的干燥程度外，不可忽视对出钢方式的选择。出钢应遵循一些技术要求：

表3-115 碳钢钢液的出钢温度

①当钢液温度符合要求，圆杯试样收缩良好时，通过终脱氧后应及时停止供电，清理好电弧炉的出钢口和出钢槽，并吹扫炉顶积灰，以免倾炉出钢时落入钢液内造成钢中夹杂。

②盛钢桶的耐火材料衬层须经充分干燥清洁，并烘烤至暗红色或红色（700～1000℃）。如果干燥不够，不仅会增加钢液的吸气，而且会加大钢液降温，使铸件质量得不到保证。

③有两种出钢方式：钢渣分出和钢渣混出。两种方法的操作要点及优缺点见表3-116。在通常情况下，出钢都是采用大出钢口和钢液炉渣混出的出钢方法。这种出钢方法，由于钢液得到炉渣的保护，可以减轻钢液降温和二次氧化，炉渣还可以使钢液进一步脱氧、脱硫，悬浮于钢液中的非金属夹杂物也可再次得到炉渣的洗涤和进一步地排除。对于高级优质钢，推荐采用钢渣分出的方法。此法除表3-116所指先扒除炉渣，再出钢液的方法外，有采用在出钢前向出钢口处投上适量的石灰，使炉渣变稠，然后以最大倾炉角度出钢，使渣面升高至出钢口以上，让钢液先流出。

表3-116 两种出钢方法

12）钢液出炉后不宜立即浇注，一般应让其在盛钢桶内镇静一段时间。钢液出炉后，一般需要在盛钢桶内镇静一段时间后再进行浇注。这样有利于钢液中的气体和夹杂物上浮，并可以调整浇注温度。镇静时间不应少于5min。具体的镇静时间可根据出钢温度，出钢过程中降温，钢液在盛钢桶内的降温速度和要求开始的浇注温度来决定。

13）用碱性电弧炉氧化法熔炼低合金钢时，为减少合金元素烧损，保证配料准确，其合金元素的配入量及加入时间不可不究。在碱性电弧炉中用氧化法熔炼低合金钢时，为了减少合金元素的烧损，保证配料准确，在工艺上应注意掌控合金的适当加入时间和加入量，以及炉料的化学成分。配料时，炉料化学成分必须很清楚，在使用合金钢回炉料时，只能使用本钢种回炉料或同一组钢种的回炉料，应注意避免引入本钢种所不应含有的合金元素。

在进行合金加入量计算时，可以根据各元素在炼钢过程中的变化情况，分别按照铸造低合金钢规格成分的上限、中间值和下限配入，常见合金元素的配入量可参见表3-117。为了减少合金元素的熔炼损耗，保证配料准确，须掌握各种合金的适当加入时间和收得率，见表3-118，可供用氧化法冶炼合金钢（包括低合金钢和高合金钢）时参考。

表3-117 合金元素配入量

（续）

表3-118 合金元素的加入时间及收得率

注：稀土合金以加入量计算，一般是在出钢前2～4min加入。

14）用碱性电弧炉氧化法熔炼铸造不锈钢（ZG1Cr18Ni9Ti）时，为防止碳、磷超过钢的规格质量分数，不仅应控制配料的化学成分，而且不可忽视炉子的炉衬和补炉材料，以及原炉子冶炼的钢种等。在碱性电弧炉中采用氧化法熔炼不锈钢时，由于需要在还原期中加入数量较多的铬铁、钛铁等，会使钢液显著增碳和增磷，而且在还原期中又不能采取有效的脱磷和脱碳操作。因此，应通过选择合金成分以及采取有关措施来控制钢液中的磷和碳含量。

①化学成分及配料控制：铸造铬镍不锈钢的磷、碳含量及其他化学成分均应控制在规格成分上下限范围内，并且适当缩小，以作为冶炼过程的控制目标，见表3-119。

②炉子条件和装料要求：炉衬和修补炉衬用的耐火材料用镁砂，并用卤水作粘结剂较为适宜。冶炼不锈钢时，炉衬必须良好，为尽量减少钢液从炉衬中吸收气体，一般规定在大修炉衬后的前五炉不熔炼铸造铬镍不锈钢。冶炼铸造镍铬不锈钢的前一炉不宜冶炼高碳或高磷的钢种（如高锰钢Mn13），以免炉衬对钢液增碳增磷，电极状态应该良好，不得有电极松动和裂缝现象，以免在熔炼过程中脱落，造成钢液增碳。

表3-119 ZG1Cr18Ni9Ti钢的化学成分（质量分数，%）

③熔炼工艺要求：还原期应尽量避免钢液增碳，一般不用硅铁粉和炭粉作还原剂，而用硅钙粉和铝粉作还原剂。铬铁应预热到红热状态在还原期中加入；钛铁应在出钢前5～10min内加入。加钛铁前应严格控制钢液硅含量，以免加钛后钢液硅含量超出规格。

15）用碱性电弧炉氧化法冶炼铸造高锰钢（ZGMn13）时，不可忽视对钢液中碳含量和磷含量的控制。在碱性电弧炉中采用氧化法冶炼铸造高锰钢ZGMn13时，由于需要在还原期中加入数量较多的锰铁等，会使钢液显著地增碳和增磷，而且在还原期中又不能采取有效的脱碳和脱磷操作，因此不应忽视钢液中的碳含量和磷含量的控制。

通常，应通过选择合金成分以及采用有关措施来控制钢液中的碳含量和磷含量：

①化学成分及其配料控制：铸造高锰钢ZGMn13系奥氏体耐磨钢，为保证钢的耐磨性和避免铸件产生裂纹，在冶炼时应严格控制钢的碳含量和磷含量。如韧性特别重要时，碳含量应控制在下限；如耐磨性特别重要时，碳含量宜较高。磷含量主要是锰铁带入的。由于硅降低碳在奥氏体中的溶解度，促使碳化物析出，因此应将硅含量控制在规格成分的下限。铬和镍在钢中属于杂质元素，是由炉料或炉衬带入的。

铸造高锰钢ZGMn13的炉料主要由碳素废钢组成，炉料熔清时，钢液碳含量应大于0.5%，以保证氧化脱碳量在0.3%以上。炉料的平均磷含量应不超过0.04%。锰铁应在还原期中加入，并可将高碳锰铁、中碳锰铁和低碳锰铁配合加入。

②炉子条件和装料要求：冶炼铸造高锰钢ZGMn13不能使用酸性炉衬，炉衬和修补炉衬用的耐火材料为镁砂，可用卤水或沥青作粘结剂。由于炼钢过程中，炉衬材料受到高温炉渣及钢液的侵蚀破坏，故在每炼一炉钢后，都要修补炉衬。新修的炉衬易使钢液吸收气体，因此氧化脱碳量应适当增加。

为保护炉底，减轻加料时炉底受炉料的冲击，并提前造渣脱磷，应在炉底和炉坡处先铺上约占炉料质量分数2%～3%的石灰和1%的氧化铁皮，以利炉料熔化时脱磷。

装料时，一般应在炉内的底部铺上中等块度的炉料，在中间部分放大块炉料，顶部放小块料、散碎料和钢屑。通常，炉料要装的紧密，以利于导电和导热。

③冶炼工艺要求：在炉料熔化过程中，应补加石灰和氧化铁形成高碱度和强氧化性炉渣，进行有效脱磷。炉料熔清后，如果钢液的磷含量仍较高，应在氧化期继续脱磷，并采取不断流渣操作。锰铁应预先烧红，在还原期加入钢液中，并且应分批地在稀薄渣条件下加入。

（5）碱性电弧炉返回法炼钢工艺的禁忌

1）碱性电弧炉返回法炼钢，在配料中，不可忽视对炉料中Cr、C、P含量的严格控制；另外，也不可缺少一定的硅含量。为了尽量减少炼钢过程中铬元素的熔炼损耗，获得合格成分的钢液，采用碱性电弧炉返回法炼钢时，其配料中的铬含量、碳含量及磷含量应予以严格控制。

①铬含量：由于钢液中的铬含量与碳含量之间有一定的平衡关系（见图3-103），即在一定的温度条件下，有一定的铬碳比的平衡值（见图3-104）。如果在吹氧前钢液的铬含量过高，则在吹氧脱碳过程中，超出平衡值的一部分铬将被氧化掉。为了减少铬的氧化熔炼损耗，应根据吹氧终点碳的高低来确定铬含量。例如当吹氧终了时，钢液温度约为1700℃，并将吹氧终点碳控制在w（C）=0.04%～0.06%，则熔毕铬含量应控制在w（Cr）≤13%。如果铬配得过高，则会在吹氧熔炼过程中显著损耗。配铬量一般为w（Cr）=8%～12%。

图3-103 在不同温度下钢液中铬含量与碳含量的关系

②碳含量：为保证钢液净化，须有0.20%～0.40%的氧化脱碳量，例如当吹氧终点碳的质量分数为0.04%～0.06%时，炉料熔化完毕碳的质量分数应为0.25%～0.45%（根据炉料条件决定取高值或低值）。配碳量一般高出钢种规格上限0.10%～0.20%。

随着吹氧能力和耐火材料质量的提高，以及采用吹氩搅拌钢液等技术，吹氧降碳速度大为提高并能成功地将炉料的配碳量提高到了高出钢种规格上限0.20%～0.40%。这种配碳方法有利于炉料快速熔化，钢液温度快速升高和提高铬的回收率。但配碳量不能过高，否则将延长氧化时间。

③磷含量；由于返回法炼钢过程中不除渣，不能有效地脱磷，故应在配料时控制磷含量，使之不超出规格要求。配料时，不仅应考虑炉料的磷含量，而且还应考虑还原期中补加的铁合金所带入的磷，此两者之和，应低于成品钢磷含量的允许值。

④配硅量：硅与氧的亲和力大于铬与氧的亲和力，炉料中配入一定量硅可以减少铬的熔炼损耗。另外，硅氧化放出大量热量，使钢液温度迅速升高，利于降碳保铬，也降低铬的熔炼损耗。但配硅量过高，将降低炉渣碱度，渣量增大，反而增加铬的熔炼损耗，并严重侵蚀炉衬。配硅量一般按炉料中w（Cr）/w（Si）=10左右配加，但w（Si）≯1.5%。

2）在碱性电弧炉中采用返回法炼钢，主要是能充分利用不锈钢返回料，不可忽视其在冶炼工艺上与氧化法的主要区别。返回法炼钢属于氧化法冶炼工艺的一种，这种方法又常称吹氧返回法或单渣法，它在炼钢时采取不换渣操作，即用单一炉渣来完成冶炼全过程。主要用于冶炼铬含量高（w（Cr）≥13%）的钢种，也可用于冶炼铬含量低的合金钢种，突出特点是能充分利用大量不锈钢种（或同类钢种）返回料（回炉废铸件、浇冒口等）作炉料，回收其中的铬，达到节约铬的目的。

图3-104 温度与铬碳比的平衡关系

返回法炼钢工艺过程，也包括补炉、装料、熔化期、氧化期、还原期和出钢。但在冶炼工艺上与前述氧化法仍有区别，在采用返回法炼钢时，不锈钢返回料和铬铁是在装料时加入的，炉料熔化以后钢液中含有较多的铬（w（Cr）一般在13%以上），在氧化期中，为了清除钢液中的气体和非金属夹杂物，需要进行吹氧脱碳，但是在吹氧脱碳的同时，钢液中的铬也会被氧化，钢液中铬含量愈高时，铬的氧化烧损愈多，因此，不宜使用前述氧化法的低温低压吹氧慢速脱碳法，而应使用“高温下高压吹氧快速脱碳”法，以创造比前述氧化法更高的温度和更高的压力来达到快速脱碳并减少铬的氧化烧损的目的。通常，用返回法冶炼铬含量高的合金钢，其吹氧脱碳时间应控制在10～20min。制定的开始吹氧脱碳的钢液温度与铬碳质量比（w（Cr）/w（C））有关：w（Cr）/w（C）值高时，开始吹氧温度应较高（见表3-120），才能减少吹氧过程中铬的熔炼损耗。吹氧脱碳所采用的氧气压力一般为0.8～1.5MPa（一般氧化法炼钢中所采用的氧气压力为0.5～1.0MPa）。由于采用了高压吹氧，增加了供氧速度（见图3-105），从而提高了脱碳速度，使钢液温度大幅度提高。

3）不可不知用碱性电弧炉返回法炼钢过程中，如何快速判明吹氧终点。吹氧脱碳初期应不停电吹氧，并使用最大功率供电。当熔池温度升高，见到激烈脱碳火焰后，再提升电极停止送电，继续吹氧脱碳。而吹氧操作中应及时掌握吹氧终点，有两种经验方法可作参考：

表3-120 返回法冶炼高铬合金钢开始吹氧脱碳的温度

图3-105 吹氧压力与供氧速度的关系（1/2in直径吹氧管）

①依火焰判断：当碳焰明显收缩、无力，呈棕褐色，表明C的质量分数已达到0.06%以下。这时，炉膛中烟气不大，可望见渣面。

②依耗氧量判断：可根据钢液量、吹氧时间、吹氧压力及耗氧量的综合指标来判断钢液的碳含量。例如在正常条件下，钢液量为3t，吹氧时间6min，吹氧压力0.8～1.2MPa，总耗氧量80m³时，吹氧终点碳w（C）≈0.06%。

（6）碱性电弧炉不氧化法炼钢工艺的禁忌

1）用碱性电弧炉不氧化法炼钢，不宜冶炼碳含量很低的钢种。不氧化法又称装入法，基本上是炉料的重熔过程，不存在氧化期，炉料熔化后即开始还原。

由于不进行钢液的氧化过程，也没有氧化脱碳过程，不能降低钢液的碳含量，而且还有一定程度的增碳，因此，这种方法不宜用来冶炼碳含量很低的钢种如ZG1Cr18Ni9Ti不锈钢等。但采用不氧化法，随同其他炉料一起在装料时装入的铁合金及合金钢返回料中的合金元素能较多地得到保留（见表3-121，为收得率），而且此法能缩短炼钢时间，节约电能，因此适用于冶炼某些铸造高合金钢，如铸造高锰钢、铸造高铬钢和铸造铁铝锰炉用耐热钢等。

表3-121 不氧化法炼钢炉料中合金元素收得率

2）碱性电弧炉不氧化法炼钢的关键是防止钢液增碳，不可不注意控制炉料配料的碳含量及防止电极增碳。不氧化法炼钢过程中，不存在氧化脱碳过程，其炼钢的关键是防止钢液增碳。在配料时，所配的碳可按下式计算

式中（0.02～0.04）%系还原期中钢液增碳的质量分数。对于w（C）＞0.35%的钢，采用电石渣还原时，其增碳量可取上限。

炉料中碳含量也可按照成品钢规格碳含量下限配入。

为防止不氧化法炼钢时电极增碳，装料前炉底应铺垫适量的石灰，以便在熔化期尽早形成流动性良好的炉渣覆盖钢液，防止电极增碳。

3）碱性电弧炉不氧化法炼钢的配料中，其所配磷含量不可等同于成品钢的规格成分限量值，更不可高于成品钢的规格成分限量值。用不氧化法冶炼合金钢时，为了尽量保留钢液中的合金元素，采取在炼钢过程中不换炉渣（单渣法），或只在炉料熔毕时换一次炉渣（双渣法）。单渣法几乎不能脱磷，双渣法脱磷的效果也不显著。因此在配料时，须控制炉料的平均磷含量，考虑到还原期中加入的铁合金中含磷，故应使炉料的平均磷的质量分数比成品钢的规格成分限量值低0.015%。还原期中加入的铁合金应选用磷含量较低的等级。一般要求（质量分数）为：

炉料配磷量（%）≤[钢规格要求（%）]-0.005%-[所加铁合金带入量（%）]

4）由于不氧化法炼钢一般无氧化脱碳过程，净化钢液能力很差。当钢液中的气体和夹杂物含量多时，不可忽视采取辅助性净化钢液措施。不氧化法炼钢由于无氧化脱碳过程，净化钢液能力很差，因此对炉料的要求严格。炉料应干燥、无（少）锈、无油污、无泥沙，并且块度要合适，布料要合理，保证炉料堆密度高。在炉料条件差，使钢液中的气体和夹杂物含量多时，可采取下述辅助性的净化钢液措施：

①石灰石沸腾：在装料以前和炉料熔毕以后，往炉中加入一些石灰石。石灰石的主要成分是碳酸钙（CaCO₃），它在钢液的高温作用下发生分解：

CaCO₃→CaO+CO₂↑

产生的CO₂气泡造成钢液沸腾，可起到一定的净化钢液作用。但这种沸腾与氧化法炼钢中的氧化脱碳沸腾相比，沸腾强度较弱，沸腾时间较短，净化钢液的作用较差。

②低压吹氧：如果石灰石沸腾显得微弱时，还可以采用低压（氧气压力小于0.4MPa）吹氧。造成钢液少量脱碳沸腾。每吨钢液耗氧量一般控制在2～4m³。