电弧炉炼钢

1第五章电弧炉炼钢5.1电弧炉炼钢概述电弧炉（简称EAF）炼钢是以电能作为热源的炼钢方法，它是靠电极和炉料间放电产生的电弧，使电能在弧光中转变为热能，并借助电弧辐射和电弧的直接作用加热并熔化金属炉料和炉渣，冶炼出各种成分合格的钢和合金的一种炼钢方法。图5.1是电弧炉炼钢过程示意图。电弧炉炼钢的特点为[1]：(1)电能为热源，避免燃烧燃料对钢液污染，热效率高，可达65%以上；(2)冶炼熔池温度高且容易控制，满足冶炼不同钢种的要求；(3)电热转换，输入熔池的功率容易调节，因而容易实现熔池加热制度自动化，操作方便；(4)电弧炉炼钢可以消纳废钢，是一种铁资源回收再利用过程，也是一种处理污染的环保技术。相当于是钢铁工业和社会废钢的回收工具。由于钢铁良好的可再生性及环境、资源和能源等方面日益苛刻的要求，使得尽可能多的利用废钢成为国际趋势。废钢如得不到有效的回收和利用，将成为巨大的潜在环境污染源，有些甚至可能对水质、土壤等构成严重威胁。大量锈蚀的钢铁废料，不但造成资源的浪费，也将造成严重的粉尘污染。废钢的堆积本身也给环境带来不利影响。图5.1是电弧炉炼钢过程示意图2(5)炼钢过程的烟气污染和噪声污染容易控制；(6)设备简单，炼钢流程短，占地少，投资省、建厂快，生产灵活。钢铁工业产生的大量固体钢制品若不认真对待，将是巨大的潜在环境污染源，有些甚至可能对水质、土壤等构成严重威胁。当今钢铁生产可分为“从矿石到钢材”和“从废钢到钢材”两大流程。相对于钢铁联合企业中以高炉—转炉炼钢为代表的常规流程而言，以废钢为主要原料的电弧炉炼钢生产线具有工序少、投资低和建设周期短的特点，因而被称为短流程。近年来，短流程更特指那些电弧炉炼钢与连铸—连轧相结合的紧凑式生产流程。由昀近的统计将两种流程作一比较(见表5.1)，可见在投资、效率和环保等方面,以电弧炉为代表的短流程炼钢具有明显的优越性。表5.1高炉—转炉炼钢和电弧炉炼钢两大流程的比较[1-3]类别高炉—转炉流程电弧炉流程投资，美元/吨钢1000—1500500—800从原料到钢水的能耗，标煤/吨钢703.17213.73从原料到成品材的运输力需求，吨/吨钢15.89.48二氧化碳排放公斤/吨钢2000—30008005.2电弧炉炼钢技术的发展钢铁冶金的本质是高温化学反应，因而冶金中传统的能源是基于碳－氧反应的化学能，电弧炉炼钢所使用的能源以电能为主。电能具有清洁、高效、方便、种种优越的特性，是工业化发展的优选能源。19世纪中叶以后，各种大规模实现电－热转换的冶炼装置陆续出现：1879年WilliamSiemens首先进行了使用电能熔化钢铁炉料的研究，1889年出现了普通感应炼钢炉，1900年法国人P.L.T.Heroult设计的第一台炼钢电弧炉投入生产。从此，电弧炉炼钢在近一百年中得到了长足的发展，已成为昀重要的炼钢方法之一[2-5]。20世纪以来世界总钢产量、电炉钢产量和电炉钢所占百分比的变化列于图5.2，可以看出：（1）五十年代前电炉钢占百分比很低，是一类特殊的炼钢方法。（2）五十年代以后，电炉钢得到迅速发展，1950～1990年间世界电炉钢总3产量增长近17倍。电炉钢所占百分比也由6.5％增至27.5％。（3）九十年代以来，世界电炉钢保持高速发展，1990～1998年间世界电炉钢年产量增加5123万吨，电炉钢占百分比增长至33.9％。电弧炉炼钢发展过程中，经历了普通功率电弧炉→高功率电弧炉→超高功率电弧炉。其冶金功能也发生了革命性的变化，其功能由传统的“三期操作”[1]发展为只提供初炼钢水的“二期操作”。5.2.1现代炼钢流程冶炼工序的功能演变随着炼钢技术的进步，传统转炉和电炉的功能在发生转变：现代转炉的功能逐步演变为快速高效脱碳器、快速升温器、能量转换器和优化脱磷器[1]；现代电炉的功能演变为[1]：（1）快速废钢熔化现代电弧炉冶炼的一个重要特征是冶炼周期大大缩短，已达到35~45min，与同容量转炉冶炼周期相当，可满足高效连铸多炉连浇的节奏要求，成为了一个废钢快速熔化装置。（2）熔池快速升温电炉原料中的废钢和生铁熔化后，为满足出钢温度要求，熔池快速升温，现代电炉成为了一个快速升温装置。（3）能量转换01000020000300004000050000600007000080000900001920193019401950196019701980199020002010年份钢产量万吨05101520253035404550电炉钢比例%世界总钢产量电炉钢产量电炉钢比例图5.2世界年总钢产量、电炉钢产量和电炉钢比例之变化4现代电弧炉的能源结构包括电能、化学能和物理热。为缩短冶炼周期，必须充分利用变压器功率，增加电能输入；增加化学能和物理热，在一定的冶炼周期条件下，三种能量可以互相转换。在电力紧缺，价格高的地区，可以增加化学热和物理热的比例。采用废气预热炉料技术，可以增加物理热，减少电能的输入。原料中高配碳，生铁成为主要原料之一，加铁水是昀好的生铁预热方式，可以增加化学热和物理热。现代电炉成为了一个很好的能量转换装置。（4）高效脱碳脱磷为了缩短冶炼周期，以满足高效连铸节奏的要求，强化供氧，脱碳速度快，在废钢融化和升温过程中，电弧炉冶炼具有良好的脱磷条件，现代电弧炉成为了一个高效脱碳脱磷装置。（5）废弃塑料、轮胎等回收现代转炉流程的焦炉、高炉工序可以回收部分废弃塑料；现代电炉流程也可能具有废弃塑料、轮胎等的回收功能且成本较低。如上所述，转炉和电炉的功能已演变为基本相近，只是由于炉型不同，原料成分（主要是C、P）不同，在脱碳量、脱碳速度和脱磷要求方面有所不同，从而工艺有所差别。5.2.2电弧炉炼钢工艺的进步传统的电弧炉炼钢操作集炉料熔化、钢液精炼和合金化于同一熔池内，包括熔化期、氧化期和还原期。在电弧炉内既要完成熔化、脱磷、脱碳、升温，又要进行脱氧、脱硫、去气、去除夹杂物、合金化以及温度、成分的调整，因而冶炼周期长。这既难以保证对钢材越来越严格的质量要求，又限制了电弧炉炼钢生产率的提高。现代电弧炉炼钢工艺只保留了熔化、升温和必要的精炼操作，如脱磷、脱碳，而把其余的精炼过程均移到二次精炼工序中进行。电弧炉炼钢工艺上的改变，提高了电弧炉设备能力，使其能够以尽可能大的功率进行熔化、升温操作，而把只需要较低功率的操作转移到钢包精炼炉内进行。越来越完善的二次精炼技术，完全能满足钢液清洁度和严格的成分、温度控制的要求。55.3现代电弧炉炼钢工艺过程5.3.1原料电弧炉炼钢使用的造渣材料、氧化剂等和转炉炼钢基本一样，但炼钢原料二者明显不同。转炉炼钢以铁水作为主要原料，电弧炉炼钢是以废钢作为主要原料。废钢来源一般有三个方面，即钢铁企业在生产过程中的自产废钢、工矿企业在生产过程中的加工废钢、社会生产、生活、国防等废弃钢铁材料的拆旧废钢，如报废汽车、舰船、钢结构桥梁与建筑钢等。由于连铸技术的发展，连铸比不断提高，切头、切尾越来越少，每吨钢自产废钢大幅减少，钢厂内部回收废钢相应减少。仅就电弧炉炼钢工序而言，废钢是基本原料，和其他冶炼工序一样，精料是首要的基础工作，废钢原料的鉴别、分类等管理工作和打包、剪切等预处理工作都是非常重要的。废钢铁是电炉的主要原料，电弧炉炼钢相当于钢铁工业的回收工具，它既回收从电弧炉流程返回的废钢，也回收从氧气转炉流程返回的废钢。这种现象，使得大型联合企业与小型钢厂形成一个闭环。为此，各个国家均把废钢铁视为宝贵资源。电弧炉炼钢使用废钢原料的昀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。目前在电弧炉炼钢过程中，这些有害元素尚无有效方法去除，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在废钢预加工过程中挑选或分离；③冶炼过程配加其他铁源，稀释残留元素的浓度。5.3.2补炉和装料5.3.2.1补炉炉衬寿命的长短是多炼钢、炼好钢、节约原材料、降低成本的关键问题。炉衬是指炉壁、炉底和炉盖。寿命昀低的是炉壁，它的工作条件昀差，距电弧近，温度高，又受炉渣的严重浸蚀。炉衬严重损坏或补炉镁砂未烧结而在往渣中上浮时，渣中MgO颗粒大量增加，渣的流动性变坏，延缓渣钢间的化学反应，钢中夹杂物增加，钢质严重降低。6炉衬一般由碱性材料组成，渣中的碱性氧化物（如CaO、MgO、MnO），对炉衬浸蚀作用小，渣中的酸性氧化物如SiO2、TiO2、ZrO2、P2O5等，对炉衬浸蚀作用大。炉衬寿命主要与渣中SiO2含量有直接关系，一般在10～20%之间。从补炉材料来分，有干补和湿补，干补时用镁砂MgO含量78%或白云石（焙烧过的）和焦油（碳氢化合物）作粘结剂；湿补用的粘结剂为卤水（MgCI2·xH2O）或水玻璃（Na2SiO4·yH2O），常用于损坏严重或坡度大不易补的地方。沥青和镁砂的配比约为1：10，卤水或水以玻璃或镁砂的用量以捏成团不松散为宜。补炉时间因浸蚀的情况和炉子容量而定，一般为3～5分钟。5.3.2.2装料装料质量对电弧炉炼钢熔化时间、合金元素烧损和炉衬寿命都有很大影响。装料应做到快和密实，以缩短冶炼时间和减少热损失。为了保证炉料熔化的顺利进行，必须装得密实。炉料分为大料、中料、小料、轻薄料，装料时按一定比例以便一次加入。图5.3是电弧炉炉顶装料图。图5.3电弧炉炉顶装料图5.3.3炉料的熔化和钢液的氧化精炼电弧炉炼钢首先需要快速熔化炉料，以便在氧化期和精炼期控制钢液的成份，去除有害的杂质磷、氢、氧和氮，并且去除钢中的非金属夹杂物。同时尽可能减少钢液吸收气体。炉料熔化在整个电弧炉炼钢生产工艺中是很重要的时期。熔化时间占总冶炼时7间的50%左右，电能消耗占总耗电的2/3左右，所以加速炉料熔化是缩短熔化时间、提高产量、降低电耗和成本的关键。炉料熔化操作：熔化操作主要是合理供电，适时吹氧和尽快造渣，以实现快速熔化炉料的目的。合理供电：开始时供电电流小些，防止电弧向炉膛辐射大量的热，使炉顶局部损坏，当供电5～10分钟以后，电弧已埋入炉料，这时用大昀大功率供电。适时吹氧：吹氧是利用氧化反应的热加速熔化炉料，但吹氧过早，氧气和冷炉料起作用小，浪费了氧气。一般吹固体料时温度在950℃以上时为宜，这时氧和钢铁料的作用快，容易熔化。一般全固体炉料时，在熔化50%左右时吹氧为宜。尽快造渣：覆盖在钢液面上的炉渣能稳定电弧的燃烧，减少钢液散失热量，减缓吸收氢和氮，去除钢液中的磷和硫，吸收上浮到钢液面上的夹杂，减少铁及元素的蒸发等。5.3.3.1炉料的熔化快速熔化和升温是当今电弧炉炼钢昀重要的功能。电能是电弧炉熔化和升温的基本能源。熔化炉料时间的长短决定于熔化原材料需要的电能同每小时供给的电能这比，可用下式表示：()12211PCPQWQW−⋅⋅+==η每小时供给的电能熔化原材料需要的电能小时熔化时间式中W1：钢铁料质量，t；W2：渣料质量，t；Q1：熔化一吨钢铁料的电能消耗，约为340kWh，折合成热量为1.256×106kJ/吨废钢（3×105大卡/吨废钢）；Q2:熔化一吨渣料所需热量，约540kwh；P:变压器功率，即炉料熔化时向炉内输入的平均功率，一般不大于变压器的额定功率；C·η：功率因数cosψ和电效率η之积，称为实际输出系数，约为0.765～0.81。电效率是电能转化为真正用于熔化炉料的热量的分数；P1：单位时间的热损失，即熔化期内的平均电能损失。8从上式可以看出：炉料熔化时间决定于变压器每小时供给炉内电能。为缩短熔化期，应设法采用尽可能大的功率供电。减少热损失。5.3.3.2钢液的氧化精炼（1）钢液氧化精炼的目的①去除钢液中的磷到规定的限度：在氧化精炼结束扒除氧化渣时，钢液中的磷含量低于钢种成份规定的含量。为了防止钢液在后续的还原精炼发生回磷、导致磷出格，要求氧化精炼控制的钢液磷含量低些。②去除钢液中的气体（氢气和氮气）：在氧化结束时把溶解在钢液中的氢降到0.0001～0.0002%范围，氮降低到0.004～0.006%范围。③去除钢液中氧化物夹杂：利用氧化精炼过程中的钢液沸腾，去除大部分夹杂物，在钢液的氧化精