电炉冶炼工艺

电炉炼钢工艺朱荣ElectricArcFurnaceSteelmakingProcess授课内容1电炉炼钢工艺的发展历程2电炉炼钢的能量来源及热平衡3电炉炼钢原料及物料平衡4电炉冶炼工艺5电炉冶炼的主辅设备6电炉除尘及炉渣处理7电炉技术进步1电炉炼钢工艺的发展历程1905年第一台5吨工业炼钢电炉建成（德国人R.Linberg）1936年德国制造了可炉盖旋转的炼钢电炉1936年美国建成了当时最大的100吨炼钢电炉1964年美国碳化物公司(W.E.Schwabe)和西北钢铁线材公司(C.G.Robinson)提出电炉超高功率概念(UltraHighPower简称UHP)，电炉工业开始走向辉煌。开始与转炉竞争。1990年后，电炉炼钢技术取得了重大进展。炼钢技术的进步主要进步集中在电炉炼钢领域。世界粗钢产量增长情况矿石经高炉/转炉流程而成粗钢的单位能耗高于700kgce/t，随氧气转炉炼钢能耗仅为“零”，但高炉和炼焦工序能耗高。同时也是污染环境的大户。相比之下，废钢经电炉熔炼所生产的粗钢吨钢能耗仅为270kgce/t，而污染的产生及其治理更远优于高炉/转炉流程。采用废钢作原料的电炉炼钢，流程短，生产率高，全员劳动生产率高达4000t/（人·a），几乎是高炉/转炉流程的3-4倍。社会大量废钢的积累，废品的再循环利用。电炉炼钢的优势2电炉炼钢的能量来源及热平衡电能。化学能。包括元素氧化及炉气燃烧带来的化学热、输入燃料带来的外来化学热。物理热。铁水或预热废钢带入的。2.1供电电流从电厂沿架空高压线输入变电所的配电系统；再沿高压电缆经配电装置输入电炉变压器。电炉变压器将高压电转化成低压电流通向石墨电极，在电极与炉料之间产生电弧。分常规功率供电(RP，rule)、高功率供电(HP)、超高功率供电，700KVA/t以上(UltraHighPower,简称UHP)。电污染、噪音。直流供电：一根顶电极和一根底电极。供电水平带来的技术进步60年代-400kVA/tRP-EAFMC30MVA/特殊钢,合金钢冶炼周期:180min吨钢电耗:630kwh/t电极消耗:6.5kg/t高电压大电流短弧80年代-700kVA/t90年代800kVA/t70年代-500kVA/tUHP1-EAFLFCC(S)BR50MVA/30万吨/棒线材UHP2-EAFLFCCR70MVA/50万吨/扁平材,管材UHP3-EAFLFCCCR100MVA/100万吨/纯净钢,热带冶炼周期:40min吨钢电耗:230kwh/t电极消耗:1.1kg/t低电压大电流更短弧高电压小电流长弧更高电压小电流更长弧烧嘴二次冶金水冷炉壁DRILF/EBT泡沫渣竖炉/用氧双炉壳连续加料年代功率级别-400kVA/t流程变迁变压器容量/产品技术指标进步相关/配套技术电气运行供电技术的发展直流电弧炉消除炉衬热点问题，减少电极消耗，搅拌熔池消除偏弧；减少对电网冲击高阻抗电弧炉利用泡沫渣埋弧操作、提高变压器水平，降低电极消耗提高功率因数，减轻对电网干扰无功功率静止式动态补偿消除或减弱电弧炉冶炼冶炼中电负荷造成的电压波动与谐波对电网的危害降低闪烁和谐波冶炼过程计算机自动化控制按冶金模型、热模型进行最佳配料、电热平衡、最佳控制功率等计算，实现控制、管理、决策合理电气工作点动态选择、保证合理供电制度执行智能电弧炉利用人工智能，具有三相意识，也可进行电弧炉综合控制解决电弧炉供电三相不平衡问题，减少对电网冲击普通功率与超高功率电弧炉工作点供电时间确定1.C吨钢电耗，kWh/t2.W钢水总重，t3.P电炉变压器容量，kV.A4.Ψ变压器利用率，5.T0非通电时间，min化学反应热在电炉能量输入中占了相当大的比例，达到30％；特别是电炉使用铁水后，化学热的比例达到40%以上，这是现代电弧炉炼钢工艺的一个特点；在变压器确定后，是电炉提高生产节奏及节能降耗的重要手段。2.2化学能在吹氧条件下，熔池中各元素氧化1kg时所产生的理论热值反应热元素产物kJ/kgkwh/kg相对成本*（参考值）AlSiMnFeCCAl2O3SiO2MnOFeOCOCO230.99532.1576.9924.7759.15932.7618.618.931.941.332.549.103.73.26.01.80.5～0.60.3～0.6化学反应中各发热元素的来源首先是炉料――废钢和生铁，还有是由碳枪喷入的碳粉或焦粉。对于普通铁水，每吹入1m3的氧气,所含各元素在1600℃时反应理论发热值约为4kwh。3.3物理热主要是电炉加铁水工艺的采用。根据国内电炉的现状，提升电炉与转炉的竞争力，节电及提高冶炼节奏。电炉钢质量的要求。废钢预热到600度以上。电炉总能量(热)平衡（全废钢）总能量630kWh/t=100%电能410kWh/t(65%)烧嘴40kWh/t(6%)化学反应180kWh/t(29%)废气140kWh/t(22%)钢380kWh/t(60%)损失10kWh/t(2%)冷却50kWh/t(8%)渣50kWh/t(8%)现代电炉总能量(热)平衡(装铁水30-40%)3电炉炼钢的原料及耐材传统的电弧炉炼钢是全废钢工艺以冷废钢为主，配加10－30％左右的生铁块；现代电弧炉炼钢使用的其它原料还有：除冷生铁外，直接还原铁（DRI，HBI）、热铁水、碳化铁等；电弧炉炼钢的原料构成对其工艺、装备、指标等有决定性影响；不同原料结构下的生产过程是不可比的。或者说只有原料结构相当的情况下才是可比较的。废钢scrap电炉炼钢废钢是基本原料，废钢原料需进行鉴别、分类管理和打包、剪切等处理。当前电炉炼钢使用废钢原料的最大问题是金属残留元素，主要是残留的Ni，Cr，Mo等合金元素和Cu，Sn，Bi，Sd，Pb等有害元素。它们在电炉炼钢过程中尚无有效方法去除，残留在钢材中造成种种危害，并在废钢循环再利用过程中不断积累。目前采用的对策主要有：①加强废钢管理；②废钢预加工；③冶炼过程配加其他铁源，稀释残留元素的浓度。设备及人员安全问题。其它金属料冷生铁：配碳、稀释残留元素、渣量增加直接还原铁：粒状直接还原铁（DRI）和块状热压块（HBI）铁水：配加10％的热铁水，带入的物理热约为25kwh/t-steel，化学热约40-50kwh/t-steel，铁水热装工艺。碳化铁(Fe3C)：技术问题，不能大量生产。原料中残余元素00.020.040.060.080.1CrNiCuPbSn废钢铁水直接还原铁⇾DRI：Cu、Sn平均在0.005%以下；⇾铁水：02%、Sn为0.005－0.01%；⇾废钢：Cu平均含量达0.35%以上，是钢中残余有害金属元素的最主要来源。石灰等材料的准备造渣材料质量的优劣直接影响炼钢节奏；带入电炉的无用东西越少越好；根据经验：石灰应自给，质量稳定，特别是南方的潮湿；石灰的要求：CaO90%，活性度380ml，生烧过烧率6%，块度20-70mm。白云石及碳粉等的要求。表4.23吨钢物料平衡收入支出项目质量kg％项目质量kg％废钢80063.87钢水100079.84生铁30023.95炉渣118.69.47石灰554.39炉气(尘)125.19.99白云石8.00.64铁损8.800.70电极0.30.024萤石0.50.040氧气54.74.37氮气32.12.564炉衬1.90.152总计1252.5100.00总计1252.5100.00吨钢物料平衡表（常规电炉）耐火材料对耐材的要求：高耐火度、高荷重软化温度、良好的热稳定性、抗渣性、高耐压强度、低导热性等。炉盖：高铝砖为主。炉壁：镁碳砖为主。炉底：镁沙打结。4电炉冶炼工艺传统冶炼工艺(三段工艺)熔化期、氧化期、还原期现代冶炼工艺(二段工艺)熔化期、氧化期、加炉外精炼；或称熔氧脱磷期、脱碳升温期操作步骤：补炉、装料（配料）、熔化期、氧化期、精炼(或还原期)、出钢4.1补炉电炉补炉工作量是很大的，补炉的重点是：渣线(渣的浸蚀)。距电极近的地方(最容易跑钢的地方)，电弧的辐射。炉门两侧。补炉方式：补炉用大铲或喷枪。电炉重点补炉区耐火材料喷吹镁质材料。喷枪的前部加高压水。2－3人操作。喷吹效果较好。维修不及时或操作不当易堵。4.2装料(配料)对废钢的要求（1）不允许有有色金属。（2）不允许有封闭器皿、易爆炸物。（3）入炉的钢铁料块度要合适，不能太大。装料量要求二次进料：第1次，60％；第2次，40％；三次进料：第1次，40％；第2、3次，30％；四次进料：第1、2次，30％；第3、4次，20％。配碳的重要性重要性：废钢铁氧化、氧化期去气(N、H)、去夹杂；最低配C计算：配C量%=0.50%(熔化期损失)+0.2-0.3%(氧化需要)+氧化终了碳含量。装料原则：大、中、小料配合；重料在下、轻料在上；大块在中、轻料在边。4.3废钢熔化阶段操作熔化期是电炉工艺中能源消耗的70－80％，冶炼时间的50-80%电炉的节能降耗主要在熔化期。废钢熔化过程：从中心向四周、从热区向冷区、从下向上。熔化期操作原则：合理供电、合适吹氧、提前造渣。吹氧方式：自耗式：可切割、可吹渣钢界面；水冷式：只能吹渣钢界面。配电操作冶炼阶段根据工艺要求输入的功率是不相同的，在各个阶段调节输入功率大小，电功率的调节称为配电操作。配电操作分：送电、停电、调换电压、调节电流及电气设备的监护。配电分手动及自动调节，好的配电制度对缩短冶炼时间及降低电耗是非常重要的。优化的供电曲线0510152025303540455004812162024288min4min3min5min2min5min2min5min2min19/618/621/615/518/621/615/518/615/5(精炼)(二次料)(加铁水)(一次料)供电时间min电压级别/电流级别V/A4.4电炉氧化期操作氧化期的任务：继续脱P、脱C去气(N、H)、去夹杂钢液升温电炉熔氧期操作：熔化废钢与氧化期脱碳结合，提前造渣脱磷。元素氧化方式铁矿石氧化：吸热、有利于脱磷、增加金属量FeO+C=Fe+CO吹氧气氧化：放热、对脱磷不利、但可部分脱硫，渣中氧化铁增加。加矿石已很少采用氧化期操作熔清、取样分析(全分析)、加石灰、吹氧化渣、流渣脱P、加石灰、测温,视钢中含碳量吹氧脱碳；看P：取样分析、看渣子的颜色（黑亮P高、灰黑P低）、看渣子的泡沫化；看C：取样分析、看火花、砂轮对比、副枪；看温度：蓝白亮、浅蓝、深蓝、浅红、深红；取样全分析、测温，静沸腾等待出钢；传统工艺：扒除氧化渣，为还原期造渣做准备。氧化期的造渣氧化期的造渣要根据脱磷及脱碳的要求、具有合适的炉渣成分及流动性渣中∑FeO含量一般控制在10－20％，碱度控制在2.5-3.0，总渣量在3－8％。磷的控制dephosphorization3个关键因素：炉渣氧化性、石灰含量、温度。Healy经验式：lg(%P)/[%P]=22350/T-16.0+0.08%(CaO)+2.5l%(TFeO)常规工艺[%P]0.030以下脱磷的主要工艺：强化吹氧提高初渣氧化性提前造高碱度渣流渣造新渣喷粉技术的应用氧化期喷粉脱磷碳的控制Decarbonization作用：减少金属烧损、降低熔池温度、促进钢渣反应、促进脱磷、促进泡沫渣形成、去气去夹杂。温度控制T出钢=t1+△t过程－△t加热＋△t浇铸t1液相线温度△t过程过程降温△t加热钢包温度补偿△t浇铸浇铸降温氧化终点特别情况处理（1）碳高磷低，温度低，吹氧；温度高，低功率操作；（2）碳高磷高，先脱P后脱C(可加部分矿石)；（3）碳低磷高，温度合适，造FeO渣；温度高(加矿石)，停电；(4)低磷低温，性碳低，加大电功率,造泡沫渣；碳高，吹氧，一般功率。4.5冶炼过程造泡沫渣FoamingSlag泡沫渣是指在不增大渣量的情况下，使炉渣呈很厚的泡沫状泡沫渣的作用1.采用长弧泡沫渣操作可以增加电炉输入功率，提高功率因数及热效率；2.降低电炉冶炼电耗，缩短了冶炼时间；3.减少了电弧热辐射对炉壁及炉盖的热损失；4.泡沫渣有利于炉内化学反应，特别有利于脱P、C及去气（N、H）泡