第八章_电炉炼钢.

8.1概述8.2电弧炉炼钢设备8.3碱性电弧炉氧化法冶炼工艺8.4电弧炉炼钢的新技术及发展趋势第八章电炉炼钢西安意诚电炉科技有限公司8.1概述常用冶金电炉有：电弧炉、感应炉、电渣炉等，目前世界上95%以上的电炉钢是电弧炉尤其是碱性电弧炉冶炼的。电炉炼钢：主要指电弧炉炼钢(指碱性电弧炉炼钢)。电弧炉炼钢原理：主要是利用电极与炉料间放电产生电弧发出的热量来炼钢。分类：氧化法、不氧化法和返回吹氧法。⑴氧化法：冶炼过程中向钢液吹氧有氧化期，是常用的生产方法。⑵不氧化法：不氧化法是指用部分返回废钢作炉料，在冶炼过程中没有氧化期，主要过程是炉料熔清后经过还原、调整成分和温度后即可出钢。⑶返回吹氧法：返回吹氧法以返回废钢作原料。为了提高钢的质量，需吹氧降碳，强化沸腾，加速升温、去气和去夹杂。电弧炉炼钢的优点：⑴热效率比较高；⑵温度高；⑶炉内气氛可以控制；⑷钢中非金属夹杂物含量相对较低，合金元素收得率也相对较高，钢的成分容易控制，适于冶炼各种合金钢和优质钢；⑸可以100%熔化废钢，设备较简单，占地少，投资省，建厂快，容易控制污染。缺点：钢水中含有大量的氮和氢；炉内温度分布不均。8.2电弧炉炼钢设备8.2.1电弧炉的构造电弧炉的炉体由：金属构件(包括炉壳、炉门、偏心炉底出钢、炉顶圈和电极密封圈等组成)和耐火材料砌成的炉衬。⑴炉壳：包括圆形炉身、炉壳底和上部加固圈三部分。用钢板焊接而成。⑵炉门：包括炉门盖、炉门框、炉门坎和炉门升降机构等部分。⑶偏心炉底出钢。⑷炉顶圈：用钢板焊成，用来支承炉盖耐火材料。为了防止变形，顶装料的炉子都采用水冷炉顶圈。⑸电极密封圈：作用是以减少缝隙，防止炉气外逸，同时也可冷却炉顶，延长炉顶寿命。⑹电极夹持器：有两个作用，一是向电极导电，二是将电极固定，并在需要放松电极时能方便灵活的松开。⑺电极升降机构：电极通过电极夹持器连接在电极升降装置上，冶炼过程中电极的升降由电极自动调节装置控制。⑻炉体倾动机构：电弧炉要求炉体在出钢时向出钢口一侧倾动40～50度，而在扒渣时向炉门一侧倾动10～15度⑼炉顶开启移动机构：炉顶开启移动式、炉体开出式和炉盖开出式。8.2.2电弧炉的炉衬电弧炉炉衬主要由：炉顶、炉墙和炉底组成。耐火材料：镁砖、白云石砖、铬镁砖、镁碳砖等，有的用镁砂打结或整体成型。⑴炉顶⑵炉墙和炉底由三部分组成：绝热保温层、镁砖层和工作层。⑶镁碳砖的特点：是具有良好的耐火性。抗渣侵蚀性，耐剥落性，抗氧化，抗高温蠕变性等。⑷水冷炉壁及水冷炉盖大电炉和超高功率电弧炉上大都采用水冷炉壁及水冷炉盖。能最大限度地用水冷件取代耐火材料。8.2.3电弧炉的电器设备电器设备包括：主电路设备和控制设备主电路：由高压线直接供给电炉专用变压器，然后输送到电弧炉上。控制设备：由全厂的变电所供电给其它设备。⑴高压电源与隔离开关高压电源一般为10000～110000V。隔离开关主要用于断开高压电源，或用来进行切换操作。⑵高压断路器它的作用是使高压电路在负载下接通或断开；在电器设备发生故障时，自动切断高压电路⑶电抗器它串联在变压器的高压侧。其作用是使电路中感抗增加，以达到稳定电弧和限制短路电流的目的。⑷变压器它是电弧炉的主要电器设备。⑸短网是指从变压器低压侧的引出线至电极这一段线路。⑹电极是将变压器输入的电流引入熔炼室的导体。纯净钢（Cleansteel)：是指对钢中O、S、P、H、N等杂质元素的控制以及对非金属夹杂物数量和形态的要求。近年来，又增加了对残余元素的要求。随着连铸技术和炉外处理技术的发展，钢材纯净度显著提高，提高纯净度可大大改善钢的加工和使用性能。国内外许多钢厂已建立起大规模生产超纯净钢生产体系：就化学冶金纯净度而言，现在以能生产的最低含量分别为：C：10ppm、N：10ppm、H：1ppm、S：5ppm、P：5ppm、O：5ppm。电炉炼钢技术发展重点8.3碱性电弧炉氧化法冶炼工艺配料配料的主要任务：确定炉料的化学成分及其配比，以保证冶炼钢种的化学成分。配料原则：合理利用返回科，尽量采用便宜的合金，尽可能减少原材料的消耗。一般钢种主要是配好碳，对于高合金钢还要配好主要合金元素。①碳：为保证氧化期的氧化脱碳，要求炉料溶化后钢中的碳含量应高于成品规格下限的0.3％～0.4％，熔化期碳含量有0.2％～0.3％的损失，则一般要求配碳量高出钢种规格下限0.5％～0.7％。②硅：炉料带入，熔清后w[Si%]不大于0.15％：③锰：炉料带入，熔清后w[Mn%]不大于0.2％，④磷：炉料中P不大于0.06％⑤硫：碱性电弧炉氧化法冶炼各期均可脱硫，炉料中S不大于0.08％。⑥铬：从炉料中带入，在炉料熔清后钢液中w[Cr%]应不大于0.03％，Cr含量过高，经氧化生成的Cr2O3进入炉渣，使炉渣变黏，不利于脱磷脱碳反应，并增大氧气、矿石消耗，延长冶炼时间。⑦镍、铂、铜：由炉料带入。在钢液中不易氧化，冶炼含镍、铂、铜的钢种时，配入Ni的含量应控制在规格下限。对于一般钢种要求分别不大于0.01％。碱性电弧炉氧化法冶炼过程分为：补炉、装料、熔化期、氧化期、还原期和出钢六个阶段，其中最为主要且时间较长的是熔化、氧化和还原。⑴补炉任务：是在电炉出钢完毕后，迅速扒净残钢残渣，检查炉衬侵蚀情况，对损坏处立即进行修补。补炉材料：镁砂、白云石等，并常以焦油、沥青、卤水等作粘结剂。原则：本着快补、热补的原则。补炉操作一般在停电情况下进行，材料的烧结全靠出钢后护内余热，应抓紧时机，趁炉体还处于高温状态迅速投补。正常情况下，补炉后炉膛温度应高于1200℃，在特殊情况下，也不应低于1000℃。⑵装料装料对冶炼时间，特别是熔化时间、合金元素的烧损及炉衬的寿命都有很大影响。装料应做到：快速装料，炉料密实，布料合理，并尽可能一次装完。①快速装料目前大多数采用炉顶装料。炉盖移开后，炉膛温度从1500℃左右迅速降低到800℃左右，因此，必须快速加料并且尽可能一次加完，避免大量散热。③布料合理布料原则：下致密、上疏松；中间高、四周低、炉门口无大料，保证穿井快、不搭桥。现代电炉装料方式：有料斗(或称为料篮、料罐、料筐)顶装料和皮带装料两种方式。②炉料密实原则：大、中、小料块合理搭配。对于10~100t的电弧炉，通常把重量小于10kg的料块叫小料；10~50kg的叫中料；大于50kg而小于炉料总重的1/50的叫大料。搭配时大块料约占总装入量的40%，中料45%，小料15%。⑶熔化期目的：将固体炉料熔化成液体，以便在氧化期和还原期改变钢液成分，去除有害杂质(硫、磷、碳、氧、氮和氢)和非金属杂物。在熔化期还应减少钢液的吸气。去除部分硫、磷，去除炉料中的硅、锰、铝等元素。熔化期：指从通电开始到炉料全部熔清为止。熔化期占总冶炼时间的50％～70%左右，耗电量占全炉总电耗的60～80％左右。任务：在保证炉体寿命的前提下，将抉状的固体炉料快速熔化，并加热升温至氧化温度；造好熔化期炉渣，以便稳定电弧，早期去磷，减少钢液吸气与挥发。熔化过程分为：启弧、穿并、电极抬升、熔化未了四个阶段。①起弧概念：即装入冷料后开始通电，电极下降触及到炉料，形成电弧，同时发出强烈的光和热。特点：电压和电流不稳定，波动大，并发出很大的轰鸣声。起弧阶段时间较短5~10min。②穿井随着电极下面炉料的熔化，电极不断向下移动，逐渐在炉料中间三根电极下面形成三个“洞”，即穿了一个“井”，直到电极下面的固体炉料全部熔化完，熔化的炉料便在炉底形成了一个浅的熔池，熔池表面上同时形成一层渣，它有稳定电弧、保温和防止钢液吸气的作用。③电极抬升随着熔池和渣层的形成，电流趋于平稳。这一阶段的主要任务是熔化电极周围的炉料，随着炉料的熔化，熔池面逐渐上升，电极也相应上升。④熔化末了主要是熔化远离电弧的低温区的炉料。由于电弧是“点”热源，炉膛内温度分布不均，炉门附近、出钢口两侧、炉坡等处的炉料熔化较慢，因此，应及时将这些地方的冷料推入熔池，加速熔化。熔化期操作：主要是合理供电、适时吹氧和尽快造渣。这些操作是相互配合的，以达到快速熔化，并保证钢液成分达到氧化期的要求。⑷氧化期主要任务：去P、氧化调整钢液含碳量和升温、去除钢中气体(N、H)和去除钢液中氧化物夹杂。氧化期脱碳的作用：①氧化产生的CO气泡使钢液沸腾并增大钢渣界面，可加速脱磷。②溶解在钢液中的H和N向CO气泡扩散并随之排出，有利于清除钢液中的气体。③非金属夹杂物在沸腾钢液中碰撞聚合成更大夹杂，并上浮到渣面被炉渣吸收；CO气泡上浮过程中期附氧化物夹杂，有利于夹杂物的去除④沸腾所起的搅拌作用，可使熔池中钢液的温度均匀。根据输入熔池氧的来源，碳的氧化分为：矿石氧化法、吹氧氧化法和综合氧化法。①矿石氧化法：间接氧化法原理：利用铁矿石中含有80％～90％的高价氧化铁，加入到熔池后转变成低价氧化铁(FeO)，作为氧化剂氧化钢中的碳。②吹氧氧化法直接氧化法，即直接向钢液熔池吹入氧气，氧化钢液中碳、磷等元素。吹氧脱碳是放热反应，能迅速提高熔池温度。③综合氧化法概念：向熔池加入矿石和吹入氧气，即吹氧—矿石脱碳法。这是目前生产中常用的一种方法。⑸还原期概念：也称精炼期，指氧化期末扒渣完毕到出钢这段时间。主要任务：脱氧、脱硫、调整钢液的化学成分和调整钢液的温度到出钢温度。①脱氧主要的操作：造还原渣，对钢液进行炉渣脱氧。常用的还原渣：白渣和电石渣两种。白渣脱氧扒除氧化渣后，加锰铁、硅铁、硅锰合金等预脱氧，同时加入稀薄渣料(石灰和萤石)造稀薄渣。稀薄渣形成后加入碳粉、硅铁粉造白渣，粉状脱氧剂脱氧分3~4批加入，随着渣中氧化物的还原减少渣子变白。同时根据渣况追加适量的石灰、萤石，以控制好炉渣的碱度和流动性。炉内的还原反应为：电石渣脱氧生产中得到电石渣的方法有两种：一是将碳粉加入炉中造电石渣；二是直接加入电石形成电石渣。操作：用碳粉造电石渣，是在稀薄渣形成后，向渣面上加入碳粉和少量石灰、萤石，然后紧闭炉门并封好电极孔，输入较大功率。此时炉内发生如下反应：电石渣比白渣具有更强的脱氧、脱硫能力，能将渣中的FeO、MnO等还原。反应如下：②脱硫还原期在脱氧的同时也进行脱硫。由于还原期炉内温度高，且脱氧的结果是渣中的FeO含量很低(小于10%)，炉渣碱度也高，脱硫的几个主要条件均已具备，所以，还原期是脱硫的最好时期，这也是碱性电弧炉炼钢的优点之一。③钢液合金化调整钢液成分的过程称为合金化，即根据钢种的化学成分规格，向钢液中加入计算数量的铁合金料或纯金属，使钢液凝固后钢的化学成分达到钢号规格要求。④温度控制还原期必须控制好钢水的温度，使脱氧、脱硫能顺利地进行，脱氧产物及其他的非金属夹杂物能从钢液中分离，出钢后能顺利浇注。一般出钢温度比钢的熔点100~140℃。⑤终脱氧和出钢当钢液脱氧良好，成分和温度合格，熔渣流动性良好时，即可进行终脱氧操作。常用的终脱氧剂为铝，在出钢前2~3min用铁棒插入钢液。电弧炉出钢方法有两种：先出钢后出渣或者钢渣混出。8.4电弧炉炼钢的新技术及发展趋势⑴废钢预热技术电炉钢产生的高温废气温度约1200～1400℃，烟气的热量可占到电弧炉热量总收入的20％左右，利用高温废气对废钢进行预热从而达到降低电耗的目的。目前主要方法：连续电弧炉、双壳电炉、竖式电炉。①炉料连续预热法代表是Consteel工艺：用封闭式振动型传送带将废钢连续送入电炉内，而高温废气则逆向流经废钢上面对其进行预热。Consteel电炉工作原理：在连续加料的同时，利用炉子产生的高温废气对炉料进行连续预热，可使废钢入炉前的温度达到600℃左右，而预热后的废气经燃烧室进入余热回收系统。Consteel电炉构造：炉料连续输送系统、废钢预热系统、电炉熔炼系统、燃烧室及余热回收系统等四部分组成。Consteel电炉特点：a废钢连续预热、连续加料、连续熔化，提高了生产效率；b降低能耗，减少渣中的氧化铁含量、提高了钢水的收得率；c减少了炼钢炉排放的烟气量，改善了环境，并使系统能够回收更多的能量；d冶炼过程熔池始终保持沸腾，降低了钢中气体含量，提高了钢的质