冶金行业电炉原料工艺

冶金学—炼钢篇电炉炼钢及炉外精炼阎立懿东北大学钢铁冶金研究所2008年10月29～11月24日沈阳（No4）2019/8/17东北大学/阎立懿2主要内容电炉炼钢及其发展电炉炼钢设备及其电热特性电炉炼钢原料及冶炼工艺电炉新技术、新工艺炉外处理中国钢铁与大型电炉现状2019/8/17东北大学/阎立懿3上次介绍第二章的后半部分内容如下：电炉主电路设备：组成、作用及特点；电炉的电控设备：高压控制、低压控制，以及电极自动调节器；电气特性：电炉的电气特性主要研究某一电压下，电炉的各个电气量值随电弧电流变化的规律性。——通过电炉的等值电路——给出阻抗三角形——得到电气量值表达式——用电气特性曲线形式来表现。用电规范的讨论2019/8/17东北大学/阎立懿4图2-15电炉理论电气特性曲线图2-15电炉理论电气特性曲线2019/8/17东北大学/阎立懿54）短路（I=Id）这相当石墨电极与金属料接触或插入钢水中，即发生短路，此时，Rarc=０，短路电流为：zUxrUId22讨论：①因为Parc=０，所以Pa=Pr=3I2r，即有功功率全部消耗在装置电阻上，炉内无热量输入；②Parc、η=０，但cosφ≠0；③Rarc=０，使短路电流很大，Id/In≥2～4，极易损坏电器，故要求短路电流要小、短路时间要短。短路分为送电起弧短路与过程操作短路：起弧短路短路的目的是要起弧，这要求时间短，即做瞬间短路；过程操作短路应加以限制，通过提高电路电抗可以限制短路电流，同时使电弧燃烧连续、稳定。2019/8/17东北大学/阎立懿65）耐火材料磨损指数最大（用“RE”表示）用以上类似的数学分析方法可求出，当电弧电阻为下面公式时，耐火材料磨损指数有最大值，此时电流及对应的最大耐火材料磨损指数分别为下左、右式，右式中d为电极侧部至炉壁衬最短距离。2222Re)895.05.1(xxrrUI222RedRIRarcE2/)89(22xrrRarc2019/8/17东北大学/阎立懿72.5.3供电制度的确定在一定设备条件下，供电制度合理与否，不但影响冶炼过程的顺利，还影响炉衬寿命、冶炼时间、电能消耗以及设备利用等。何谓供电制度？供电制度指某一特定的电弧炉，当能量供给制度确定之后，在确定的某一电压下工作电流的选择。供电制度如何确定？在传统的确定方法中，最重要的是遵守电气特性所表达的规律性，即以“经济电流”概念来确定工作电流。下面从“经济电流”概念出发，讨论工作电流确定。2019/8/17东北大学/阎立懿81）经济电流的确定观察特性曲线（图2-15）可以发现：在电流较小时电弧功率随电流增长较快，而电损功率随电流增长缓慢；当电流增加到较大区域内时，情况恰好相反。这说明在特性曲线上有一点（电流）能使电弧功率与电损功率随电流的变化率相等（dParc/dI=dPr/dI），该点对应的电流叫“经济电流”，用Ｉ经济表示。因电流小于Ｉ经济时，电弧功率小，熔化得慢；大于Ｉ经济时，电弧功率增加不多，电损失功率增加不少，故Ｉ经济得名“经济”电流。另外，在Ｉ经济附近的cosφ、η也较理想。2019/8/17东北大学/阎立懿9由电弧功率、电损功率及电弧电流表达式（表2-3），有关系：Parc=f[ψ(Rarc)]或Pr=f[ψ(Rarc)]Parc、Pr分别对Rarc求复合函数的导数，并联立求解得Rarc值及对应的电流——经济电流Ｉ经济：2222)42(xxrrUI经济)4(22xrrRarc2019/8/17东北大学/阎立懿10讨论：①比较有Ｉ经济＜I1，只有当x／r很大时，Ｉ经济才接近I1；②实际设计中，比值x／r＝3～5，对应cosφ=0.83～0.88，η＝0.82～0.86，而Ｉ经济/I1＝0.81～0.89，应该说比较理想，这比I1时还要好。2222)42(xxrrUI经济22221)(xxrrUI2019/8/17东北大学/阎立懿112）工作电流的确定I经济的求出似乎就给出工作电流，即I工作≤I经济。但若将耐材磨损指数的关系也表示在图2-15的电气特性曲线中，可以看出，I=I经济恰好在RE最大值附近（右侧）。对于小型普通功率电炉，RE较低＜400MW·V/m2(一般RE＜400～450为安全值)，此时炉衬热点损耗不剧烈。2222)42(xxrrUI经济2222Re)895.05.1(xxrrUI2019/8/17东北大学/阎立懿12但对于大型电炉功率水平大幅度提高，炉壁热点磨损极为严重，RE的峰值将超过800MW·V/m2以上，此时工作电流的选择必须避开RE峰值，所选的工作电流不再是在I1左面接近I经济的区域，而是接近I1或超过I1，即I工作≥I1。此种情况，Parc增加了，虽然Ｐr增加、cosφ降低，但由于低电压、大电流电弧的状态发生了变化，成为“粗短弧”使电炉传热效率提高，更主要是炉衬寿命得到保证，RE减小。2019/8/17东北大学/阎立懿13当采用泡沫渣时，可实现埋弧操作，以及主熔化期（电弧被废钢遮蔽），因此不用顾及RE的影响，而采用高电压、小电流的细长弧供电（操作），那么确定工作电流的原则不变，仍为I工作≤Ｉ经济＜I1。当然I工作≤Ｉ经济是有条件的，不能一味地追求，还必须考虑变压器额定电流In允许值。在电炉变压器选择正确时，应能保证In接近Ｉ经济。考虑诸因素，工作电流选择原则应该是：在考虑变压器额定电流的情况下，满足I工作≤Ｉ经济条件。典型的大型电炉供电曲线如图2-16。2019/8/17东北大学/阎立懿14图2-16电炉供电的P—t图2019/8/17东北大学/阎立懿15第三章电炉炼钢原材料炼钢原材料：分为金属材料和辅助材料两大类。3.1金属材料包括废钢铁料、废钢代用品以及铁合金等。3.1.1废钢铁料废钢是电炉炼钢的主要原料（～100%），吨钢消耗约～1150kg。2019/8/17东北大学/阎立懿161）废钢资源情况可以说世界范围可利用的废钢量是不缺乏，且随着积累钢产量的增加，废钢利用率的提高，可利用的废钢量将会继续增加。不过不同地区和国家是不均衡的，比如美、英、法、德及前苏联，每年出口废钢300～1000万吨不等。其中美国是最大的废钢净出口量国，平均每年出口约1000万吨，2004年净出口714万吨；就连资源缺乏的日本从1992年也开始出口废钢，其主要原因是汽车业的发展，2004年净出口654万吨。同时土耳其、西班牙、意大利、韩国、印度、印尼以及中国每年需要进口废钢100～1000万吨不等。2019/8/17东北大学/阎立懿17中国解放前的钢产量很少，历经半个世纪钢的蓄积量也不过几百万吨。1949年才15.8万吨，钢材产量仅14万吨。自1949年至2007年，积累钢产量约40亿吨，加之钢产品变为废钢的折旧期很长（大多30～40多年还在使用），废钢利用率也很低，造成我国废钢短缺。此现象将随着每年～5亿吨钢产量的增加，大量钢铁设备、流程改造更新，使得废钢循环进入动态平衡等，到2010年以后将会随着废钢再生流程的正常启动而得到明显好转。但目前，中国还是个废钢缺乏、质量低劣的国家，解决途径有二：进口废钢；使用直接还原铁等废钢代用品。2019/8/17东北大学/阎立懿182）废钢分类按来源可分为以下三种：自产废钢，即钢铁厂内返回废钢，质量好、成分易控制；加工厂废钢，即制造厂内边角余料等，质量较好，但回收后注意分类；循环废钢，即外购废钢，数量最大、成分复杂、质量最差。它是从废旧钢制品中回收的，包括机械与建筑结构、废旧车辆、仪器仪表、家电炊具以及军火兵器等。它们不可避免地存在其它金属和有害元素，其中有些越循环是越多，尤其有害残余元素Sn、Pb、As、Sb、Bi、Cu、Zn等的存在，使得生产优质钢的难度增加。国际范围解决废钢质量的措施：配一部分直接还原铁等稀释；去除废钢中有害残余元素。R-19-东北大学/阎立懿Filename.ppt2019/8/17东北大学/阎立懿203.1.2废钢代用品废钢代用品，美国最先提出的，原文SteelScrapSubstitude，简称3S。目前用于生产中的废钢代用品有：生铁与铁水、直接还原铁与热压块铁等，见图3-1。它们具有共同的优点：杂质元素含量极低，其中微量元素Cu、Zn、Sn、Pb、Ni、Mo等均为痕量，可以对废钢中的残余元素进行稀释；去氮效果好，因其碳含量高，熔化过程产生大量的CO，去气效果好。废钢代用品的使用，不仅可以弥补废钢的不足，而且能够提高钢水的清洁度，生产高质量的钢材。2019/8/17东北大学/阎立懿21图3-12019/8/17东北大学/阎立懿221）生铁/铁水传统的作法是用生铁来提高炉料中的配碳量，同时解决废钢的不足。电炉还原期碳低时，常用优质生铁增碳。目前，中国铁/钢比大于1（不合理,世界平均0.7,巴西0.9），生铁较富裕，且价格与优质废钢相当，加之废钢质与量不佳，故可用生铁/铁水补充废钢的不足，生产高质量的钢材。宝钢、天管等电炉兑30%～40%铁水生产石油管，改善废钢质量的不足；国内还有部分电炉兑30%～50%铁水，提高生产率、降低电耗。但从长远观点看，新建高炉向电炉提供铁水炼钢，不但能耗和成本高于转炉流程，还将破坏生态环境。2019/8/17东北大学/阎立懿232）直接还原铁与热压块铁直接还原铁（DRI）与热压块铁（HBI）都是铁矿石粉在低于熔化温度下进行还原得到的直接还原品种，见图3-2、图3-3及实物。其中HBI可以由DRI热压成形，HBI堆比重大，不易氧化、破碎。DRI与HBI的生产方法有气基法与煤基法，以气基法为主。最初，DRI/HBI只是作为废钢的代用品，补充废钢的不足。现在成为生产优质钢材必需配入的精料，以降低钢中杂质元素，一般配入量在15%～60%。2019/8/17东北大学/阎立懿24图3-22019/8/17东北大学/阎立懿252019/8/17东北大学/阎立懿26炼钢用DRI/HBI具有以下特点：1）化学成分稳定，杂质含量极低扩大废钢资源，提高钢材质量，DRI的化学成分见表3-1。化学成分金属化率全铁脉石SPDRIHBI93.4093.0892.9093.663.603.390.0010.0020.0370.0322）DRI/HBI的价格较高吨价与优质废钢价格相当，但若单纯用DRI/HBI代替废钢，按含铁量折算的话，其价格高于优质废钢。2019/8/17东北大学/阎立懿273）渣量大、能耗高能耗高是DRI最大的缺点，因脉石含量高（SiO2+Al2O3），引起渣量增加，石灰用量大，使电耗、电极消耗增加，耐火材料消耗提高，冶炼周期延长等，增加操作成本。能耗比较如下：全废钢/440kWh/t，50%废钢+50%DRI/485kWh/t，20%废钢+80%DRI/593kWh/t。综上，目前生产一般钢种用DRI/HBI还不合算，但生产某些优质钢是必要的，如天津钢管公司150吨电炉配50%DRI生产高质量的石油套管，市场很好。2019/8/17东北大学/阎立懿283.1.3铁合金铁合金按用途分为脱氧剂与合金剂。脱氧剂：用来脱除钢中的（多余的）氧，常用的有：Fe-Mn、Fe-Si、Al、Fe-V、Mn-Si、Ca-Si等。合金剂：用来调整钢液的化学成分，种类取决于钢种的要求，有近40余种。常用的有：Fe-Mn、Fe-Si、Al、Fe-V、Fe-Cr、Mn、Cr、Ni、Co、Fe-Co、Fe-Ti、Fe-B等。由上可见，有些合金如，Fe-Mn、Fe-Si、Al等即可作脱氧剂，也可作合金剂。这主要取决于加入炉内的时间，其原则是：作为脱氧剂的合金要先加，作为合金剂调整成分要在钢液脱氧良好的情况下加入，以提高合金的收得率。2019/8/17东北大学/阎立懿293.2辅助材料1）氧化剂氧气为主要氧源，氧化铁皮脱磷效果好。2）造渣剂石灰（CaO）是主要的造渣剂，用来提高炉渣的碱度，石灰在造渣剂中的用量最大、效果最好；萤石（CaF2）用于化渣，降低氧化钙的熔点、改善炉渣的流动性；火砖块（Al2O3+