电弧炉炼钢洁净化冶炼技术

北京科技大学朱荣2015年7月8日2015年特殊钢技术研讨会电弧炉炼钢洁净化冶炼技术报告内容1电弧炉炼钢现状2电弧炉炼钢的洁净化冶炼技术3洁净化生产单元技术4结论及展望电炉炼钢以特钢棒线（含碳素结构钢）生产为主（达到80%以上）；废钢价格高，大量采用铁水，电弧炉冶炼转炉化；电弧炉炼钢原材料（废钢）质量不稳定，难以生产高质量钢材；电弧炉炼钢流程总体装备水平不高，终点控制难度大；与转炉钢相比，电弧炉炼钢生产成本高，同品种钢吨高100-500元人民币，产品市场竞争力较弱，部分传统产品转向转炉；仅高碳及高合金特钢、小批量是电弧炉炼钢优势；资源循环，环保需要，今后电炉钢比例将保持相对稳定。电弧炉钢比例下降,2003-2013年，从17.6%下降到8%。2013年中国钢产量达到7.2亿吨，电弧炉钢产量7000万吨左右（世界第一）。1电弧炉炼钢现状电弧炉炼钢生产技术理念的变化核心工艺传统制程制程新理念原料结构变化废钢+生铁+DRI废钢+生铁+DRI+铁水+含铁资源能源结构变化电能为主+辅助化学能据原料构成调整能源结构提高钢水纯净度同一反应器内耦合进行按反应规律分工位进行，精炼采用LF、VD、RH不同组合方式控制钢中夹杂物出钢预脱氧+精炼处理降低钢水氧化性，采用真空前处理（+LF）及真空后处理提高生产效率扩大装入量，减少留钢稳定生产节奏，多留钢余热利用废钢预热余热蒸汽、发电及蓄能低成本生产技术使用劣质原辅料、简化工艺流程优化炉料结构及单元操作、完善工序组合电弧炉炼钢对比其它冶炼方法指标转炉电弧炉，60%铁水电弧炉，全废钢感应炉1钢铁料消耗kg/t10801120107010502冶炼周期，min30-4050-6060-7080-903电耗kwh/t-150-200400-500500-7004总能耗kgC/t938271655品种结构优钢、特钢、普钢优钢、特钢、普钢特钢、普钢普钢,合金熔化6原材料品质洁净较洁净残余元素高残余元素高7冶金化学操作脱碳脱磷脱碳脱磷脱磷少量脱磷8辅材用量,kg/t605040109烟气排放量，Nm3/t15090201010冶炼成本低较低较高较低注：数据仅供参考2.1钢质的洁净化S、P、O、N、H满足钢种质量要求；夹杂物：dS≤10（μm），无脆性夹杂物。成分控制精度：C（±0.01%）;Si、Mn（±0.02%）;△Ti,△V,△Nb（0.01%），Cu、Sn等符合标准；2电弧炉炼钢的洁净化冶炼金属料中残余元素含量的控制HBI/DRI/碳化铁生铁1号工业统料废钢1号商业统料废钢热铁水、钢轨扣件结构钢板铁轨、车轮废钢碎料1号重型废钢2号重型废钢统料废钢残余元素量（%）汽车板冷轧板优质棒线材商业棒线材切削废钢从源头控制2.2原材料8以直还铁为基础的电弧炉生产洁净钢平台发展气基、煤基直还铁，形成以直还铁----电炉炼钢的洁净低碳短流程。提供洁净原材料的高性能洁净钢生产平台。合金及辅助材料的质量要求废钢及合金中残余元素控制：帘线钢日本神户制钢标准：As＜0.004%、Sn＜0.002%、Sb＜0.005%、Pb＜0.005%；Ti＜0.0004%；Al＜0.003%；Co≤0.007%；Cu≤0.10%轴承钢SKF标准：Sn≤0.03%、As≤0.04%、Ti≤0.003%、Sb≤0.005%、Pb≤0.002%;、Cu≤0.25%石灰：不得有粉末，烧透率≥90%，粒度20~60mm，CaO＞85%;SiO2＜3%;MgO＜5%;P≤0.03%;S＜0.10%;FeO＜1%;H2O＜0.3%增碳剂：H2O≤0.5;C＞90%粒度1.5~3mm金属料及辅料的选择分钢种选择金属料及辅料同钢种分级别选择金属料及辅料如优质合金棒材：铁水+废钢、或优质废钢或优质废钢加直还铁辅助材料：低硫钢选择低硫石灰低碳钢选择低碳辅助材料合金及耐材的选择：考虑杂质对钢质的影响2.3电弧炉钢磷的控制电弧炉脱磷的难点：产品要求不断提高([P]50ppm)金属原料成分复杂没有脱磷预处理条件脱磷的动力学差单元操作：高氧化铁、大渣量强化搅拌（吹氧、辅助气源搅拌、底吹等）喷粉处理（矿粉及石灰）金属原料前处理（铁水脱磷等）低温不脱氧出钢电炉流程典型低磷钢处理方法低温不脱氧出钢喷吹脱磷剂（或真空喷吹）扒除脱磷渣进入还原精炼（低磷合金及脱硫渣料）0.00.10.20.30.40.50.6050100150200(P2O5)/[P][(%CaO)/(%SiO2)]/(%Al2O3)k1-K62[P]+5[O]+4[CaO]=(4CaO.P2O5)钢种[S]，%典型钢种普通结构钢≤0.025WGQ345B,Q235-B用于压缩比1:8的普通中板≤0.015Q345C(B)低合金钢0.010~0.015Q345C-Hq,Q345D优质低合金钢≤0.01012MnNiVR,WL510普通低碳铝镇静钢0.015~0.020WST12,WRRST13优质低碳铝镇静钢0.010~0.015SAE1008,WST14超低碳(IF)钢≤0.010(内控≤0.008)WIF2(O5),WIF2中低牌号无取向硅钢≤0.008(内控≤0.006)W30GS,W20B高牌号无取向硅钢10~30ppm管线钢≤0.005X70酸性介质输送管线钢≤10ppm2.4超低硫钢生产工艺技术不同钢种对硫的要求电炉钢硫的控制电炉脱硫的难点：产品要求不断提高([S]50ppm)电炉钢原料中的硫不稳定固体金属料无法处理，只能分选金属料由于电炉加铁水的比例不能稳定，同时电炉配的高炉小（铁水包小），不易铁水脱硫处理。解决方法：主要方法在精炼后处理（LF精炼渣+RH喷粉），可达到脱硫要求。2.5电弧炉钢氧的控制电弧炉出钢控制活度氧是降低钢中夹杂物的关键，电弧炉大量加铁水，但钢水过氧化加重。偏心炉底电炉（EBT）：出钢前控制吹氧量、惰性气体强化搅拌；出钢前加铁碳镁球；控制出钢下渣量（比转炉有优势）；控制终点钢中[C][O]≤0.0025×PCO(T=1600℃)16真空“轻处理”减少夹杂物产生采用拉碳操作；双真空工艺操作，前预真空轻处理，LF精炼后再真空。加铝脱氧时钢液中的溶解氧已降低400ppm左右，合金回收率均显著改善；夹杂物要求：少Al2O3和易上浮的较大尺寸硅酸盐类夹杂物；夹杂物控制（尺寸、组成、形貌、无害化、改善切削性能等）；采用复合脱氧剂脱氧＋精炼扩散及真空脱氧。棒材轴承轴承钢Φ30~65mm转动疲劳特性T[O]10ppm,[Ti]15ppmD15μm渗碳钢SCM432、420疲劳特性、加工性T[O]15ppm，P0.005%线材轮胎钢丝SWRH72、82BΦ0.1~0.4mm冷拔断裂非塑性夹杂D20μm弹簧钢SWRSSi-Cr钢Φ1.6~10Φ0.1~0.15疲劳特性、残余应变性非塑性夹杂D20μm中厚板管线钢X52~70级低合金钢10~40mm氢引起的裂纹夹杂物形态控制低硫化，S10ppm低温用钢9%Ni10~40mm低温脆化P0.003%,S0.001%抗层状撕裂钢结构高强钢10~40mm层状撕裂低磷化、低硫化无缝管座圈材轴承钢Φ50~300mm转动疲劳寿命T[O]10ppm,[Ti]20ppm净化管不锈钢Φ10mm电解浸蚀时表面光洁度T[O]20ppm,[N]50ppmD5μm2.6氮与氢的控制难点：氮氢一般均高于转炉冶炼，电炉钢[N]60ppm；原料水分及接触空气等；电弧及粉剂输送气体等；脱碳强度低于转炉，炉压高于转炉。解决方法：电炉高强度脱碳沸腾、废钢预热、加DRI、铁水比例提高、保护精炼及浇注。对于氮，有溶解反应式对于氢，有溶解反应式1600℃的炼钢温度下，KN2=0.04575，取f[N]≈1，常压PN2=0.71(atm)[%N]平=0.0386%=386×10-6真空PN2=1.0(Torr)[%N]平=0.0017%=17×10-61600℃的炼钢温度下，KH2=0.002466，f[H]≈1，PH2=1.0(Torr)[%H]平=0.00009%=0.9×10-6]N[N21)g(2222N]N[2/1N]N[NP]N[%fPaK063.1T518Klg2N]H[H21)g(2222H]H[2/1H]H[HP]H[%fPaK591.1T1905Klg2H3.1电弧炉炼钢复合吹炼技术电弧炉炼钢的突出弱点是熔池搅拌弱，电弧产生的热量主要加热熔池上部的钢液，而底部和电弧区以外的钢液升温主要依靠对流及传质。采用Fluent软件模拟电弧炉采用炉壁供氧的三相流流场，发现熔池底部的钢液，即使喷吹3000Nm3/h的氧气量时，熔池底部的部分钢液只循环1mm/s左右。多元炉料结构条件下，如何提高钢水质量、降低金属及辅助材料消耗。电弧炉炼钢复合吹炼工艺是供电（或不供电）条件下，采用炉壁（可结合炉门或炉顶）吹氧加底吹强化搅拌的工艺方式。203洁净化生产单元技术电弧炉吹氧条件下的熔池搅拌情况数值模拟结果：冶炼周期内，中下部钢液流动距离不超过3.6m1450m3/h2000m3/h3000m3/h500m3/h21与转炉熔池搅拌强度的差异22ε按公式1计算(w/t)喷吹模式底吹顶吹复吹有复吹/无复吹转炉27.008×104162.756×104189.765×1041.166电炉3.245×104141.925×104145.171×1041.023按公式2计算(w/t)喷吹模式底吹顶吹复吹有复吹/无复吹转炉1292.150×104167.124×1041459.275×1048.732电炉193.964×104144.120×104338.085×1042.346实验室进行了转炉及水模拟和数值模拟实验公式1来源：NaKanishi,k.StirringintensityandmetallurgicalReactionincombinedblowing.Japansocietyforthepromotionofscience,19thcommitteeforsteelmaking.Spt.26,1980,19-10303.公式2来源：文光华,唐萍,颜广庭.顶、底吹氧及天然气复吹转炉熔池搅拌能的分析[J].重庆大学学报(自然科学版),1991,06:32-37.数值模拟转炉电炉湍动能(kw/t)1.8620.447熔池速度(m/s)0.09060.026某厂渣成分及氧、氮、磷含量变化项目CaOSiO2MgOAl2O3P2O5FeO碱度常规冶炼38.0912.767.652.790.7725.232.99复合冶炼38.8211.824.952.441.0920.243.28230.0240.0290.0340.0390.0440.0490.0540.0590.0640.0690.0550.0650.0750.0850.0950.1050.1150.125钢水中碳和氧的关系无复吹有复吹[%C][%O]冶炼模式无复吹有复吹[%C]*[%O]0.00380.003055575961636567697173012345678910111213141516氮含量对比无复吹有复吹样品号65%70%75%80%85%90%012345678910111213141516脱磷率对比无复吹有复吹样品号某厂采用复吹后精炼初始合金成分变化钢种[Si]%前/[Si]%后[Mn]%前/[Mn]%后[Al]%前/[Al]%后14Mn5V0.16/0.170.86/0.860.012/0.04226CrMo4s/20.18/0.230.97/0.990.003/0.00530Mn50.16/0.201.12/1.180.016/0.03130MnCr60.15/0.191.23/1.260.016/0.03933Mn2V/10.26/0.281.44/1.520.026/0.03124统计统计炉数冶炼时间初炼电耗氧气消耗石灰消耗氮气氩气钢铁料铁水比