电炉炼钢

电炉炼钢概述电炉是采用电能作为热源进行炼钢的炉子的统称。传统电弧炉是以废钢为主要原料，以三相交流电作电源，利用电流通过石墨电极与金属料之间产生电弧的高温来加热、熔化炉料，是用来产生特殊钢和高合金钢的主要方法。电炉钢除了将在传统的特殊钢和高合金钢领域继续保持其相对优势外，正在普钢领域表现出强劲的竞争态势电炉炼钢主要利用电弧热，在电弧作用区，温度高达4000℃。冶炼过程一般分为熔化期、氧化期和还原期，在炉内不仅能造成氧化气氛，还能造成还原气氛，因此脱磷、脱硫的效率很高。此类炼钢炉即电炉种类有电弧炉、感应电炉、电渣炉、电子束炉、自耗电弧炉等。通常说的电炉钢是用碱性电弧炉生产的钢。电炉类型电炉炉型电弧炉近于球形体，从减少散热表面积出发，以球形为最好。现代电弧炉炉体中部是圆桶形，炉底为弧形，炉顶为拱形。作为发热体，电极端部的三电弧位于炉内中心部位。三电极分布在等边三角形顶点上电炉钢多用来生产优质碳素结构钢、工具钢和合金钢。这类钢质量优良、性能均匀。在相同含碳量时，电炉钢的强度和塑性优于平炉钢。电炉钢用相近钢种废钢为主要原料，也有用海绵铁代替部分废钢。通过加入铁合金来调整化学成分、合金元素含量。以废钢为原料的电炉炼钢，比之高炉转炉法基建投资少，同时由于直接还原的发展，为电炉提供金属化球团代替大部分废钢，因此就大大地推动了电炉炼钢。世界上现有较大型的电炉约1400座，电炉正在向大型、超高功率以及电子计算机自动控制等方面发展，最大电炉容量为400吨。国外150吨以上的电炉几乎都用于冶炼普通钢，许多国家电炉钢产量的60~80%均为低碳钢。我国由于电力和废钢不足，主要用于冶炼优质钢和合金钢。与传统流程相比，电炉短流程具有以下特点:1)投资比高炉-转炉流程减少l/2以上。如美国、日本等国的薄板坯电炉短流程，实际费用约为传统流程的l/4。2)生产成本低，劳动生产率高。钢铁联合企业从铁-焦-烧开始到热轧板卷为止，吨钢能耗一般为23kJ/t，而以废钢为原料的电炉钢厂短流程工艺生产的产品能耗接近10kJ/t，能耗降低60%左右。3)在世界每年废钢产量为3亿多吨的情况下，电炉短流程的发展对于促进环保，消化废钢，净化冶金工厂的环境起到了良好的推动作用。因此，发达国家把发展紧凑式电炉短流程作为重点。近些年，我国电炉流程的发展虽然受到重视，但发展电炉短流程应慎重一些，可以适当发展，不可盲目。因为在当前条件下，我国不具备电能和废钢方面的优势，即不具备成本优势。在江阴兴澄钢铁有限公司，已建成我国第一条四位一体的特殊钢短流程生产线，工艺流程为:100t直流电弧炉冶炼-LF、VD精炼-R=12m大方坯连铸-热送全连轧，全套全新设备从德国引进，能够开发生产合金结构钢、弹簧钢、齿轮钢、易切削钢、轴承钢、高压锅炉管坯钢等品种，将成为全国优质钢、特殊钢装备水平领先、能力超百万吨的企业．电炉容量大型化由于大容量的炉子热效率高，可使每吨钢的电耗减少，同时，也使吨钢的平均设备投资也大大降低，钢的成本下降，劳动生产率提高。如一个容量为320t的炉子与一个l．5t的小炉子相比，生产率相差l00倍以上。在某些特殊情况下，要求大量优质钢水时，只有采用大容量电弧炉才能满足要求。所以世界上许多国家采用大容量电弧炉。目前l80t以上的电弧炉有30座以上，其中最大的为400t。我国宝钢的电弧炉容量最大，为150t。．超高功率电弧炉超高功率电弧炉是指单位时间输入到电炉中的能量比普通电弧炉大2～3倍。其主要优点是：大大缩短了熔化时间，提高了劳动生产率；改善了热效率，进一步降低了电耗；使用大电流短电弧，热量集中，电弧稳定，对电网的影响小等。配套设备和相关技术有：采用大容量变压器，可在有载情况下变换电压；在炉体上大面积使用水冷炉壁和水冷炉盖；采用油一氧喷枪助熔死角冷区；使用计算机控制等。电弧炉的电气设备电气设备的作用•高压电源与隔离开关：高压电源一般为10~110KV；隔离开关主要用于电炉设备检修时，断开高压电源，有时也用来进行切换操作。•高压断路器：它的作用是使高压电路在负载下接通或断开，并作为保护开关在电气设备发生故障时，自动切断高压电路。•电抗器：串联在变压器高压侧，其作用是增加电路中感抗，以达到稳定电弧和限制短路电流的目的。2020/1/30/13:11:44电气设备的作用•变压器：电弧炉的主要电气设备，其作用使降低输入电压（一般为200～527V），产生大的电流（几千到几万安培），供给电弧炉。•短网：从变压器低压侧的引出线至电极的一段线路，约有10～20m，截面积大，通过电流大。•电极：将变压器输入的电流引入熔炼室的导体。2020/1/30/13:11:44现代炼钢电弧炉的构造炉体炉体倾动装置水冷炉盖电极升降装置炉体电炉炉体主要由炉壳、炉门、偏心底出钢机构、小炉底（直流电弧炉）等组成。炉体倾动装置•炉体倾动装置是用作炉体出钢和流渣时实现炉体倾动。炉体倾动是在炉底两侧设置一对圆弧轨道，通过液压装置趋动炉体倾动。在加料冶炼时靠机械设备维持炉子在水平位置。2020/1/30/13:11:44水冷炉盖•主要用来关闭电炉。水冷炉盖由钢结构框架和管式冷却盘组成，此结构同时支撑管式抽气弯管，冷却盘由位于外径的供水管供水。炉盖中心孔设一个锥形套环用来放置带孔的耐火材料圈，电极穿过此孔做升降运动。•炉盖提升通过四点连接件与提升炉盖的悬梁相连，通过电动卷扬机或液压缸带动连杆机构提升炉盖。2020/1/30/13:11:442020/1/30/13:11:44水冷炉盖电极横臂升降装置•电极横臂升降装置由支撑横臂的立柱、立柱导向装置（铸钢结构）、电极升降液压缸以及锁定装置组成。控制电极升降的液压缸装在立柱内，缸体固定在立柱导向装置上。电极升降是由电极升降调节系统所控制的比例阀来调节，从而控制冶炼电流。2020/1/30/13:11:44电炉炼钢的排烟与除尘电炉炼钢冶炼工艺第一节电炉冶炼操作方法第二节冶炼工艺电炉冶炼操作方法操作方法一般是按造渣工艺特点来划分的，有单渣氧化法、单渣还原法、双渣还原法与双渣氧化法，目前普遍采用后两种。1）双渣还原法又称返回吹氧法，其特点是冶炼过程中有较短的氧化期（≤10min），造氧化渣，又造还原渣，能吹氧脱碳，去气、夹杂。但由于该种方法脱磷较难，故要求炉料应由含低磷的返回废钢组成。由于它采取了小脱碳量、短氧化期，不但能去除有害元素，还可以回收返回废钢中大量的合金元素。因此，此法适合冶炼不锈钢、高速钢等含Cr、W高的钢种。2）双渣氧化法又称氧化法，它的特点是冶炼过程有正常的氧化期，能脱碳、脱磷，去气、夹杂，对炉料也无特殊要求；还有还原期，可以冶炼高质量钢。目前，几乎所有的钢种都可以用氧化法冶炼，以下主要介绍氧化法冶炼工艺。冶炼工艺传统氧化法冶炼工艺是电炉炼钢法的基础。其操作过程分为：补炉、装料、熔化、氧化、还原与出钢六个阶段。因主要由熔化、氧化、还原期组成，俗称老三期。一、补炉1）影响炉衬寿命的“三要素”•炉衬的种类、性质和质量；•高温电弧辐射和熔渣的化学浸蚀；•吹氧操作与渣、钢等机械冲刷以及装料的冲击。2）补炉部位炉衬各部位的工作条件不同,损坏情况也不一样。炉衬损坏的主要部位如下：•炉壁渣线受到高温电弧的辐射，渣、钢的化学侵蚀与机械冲刷，以及吹氧操作等损坏严重；•渣线热点区尤其2＃热点区还受到电弧功率大、偏弧等影响侵蚀严重，该点的损坏程度常常成为换炉的依据；•出钢口附近因受渣钢的冲刷也极易减薄；•炉门两侧常受急冷急热的作用、流渣的冲刷及操作与工具的碰撞等损坏也比较严重。槽出钢电炉炉衬情况EBT电炉炉衬情况3）补炉方法补炉方法分为人工投补和机械喷补，根据选用材料的混合方式不同，又分为干补和湿补两种。目前，在大型电炉上多采用机械喷补，机械喷补设备有炉门喷补机、炉内旋转补炉机，机械喷补补炉速度快、效果好。补炉的原则是：高温、快补、薄补。4）补炉材料机械喷补材料主要用镁砂、白云石或两者的混合物，并掺入磷酸盐或硅酸盐等粘结剂。装料目前，广泛采用炉顶料罐（或叫料篮、料筐）装料，每炉钢的炉料分1～3次加入。装料的好坏影响炉衬寿命、冶炼时间、电耗、电极消耗以及合金元素的烧损等。因此，要求合理装料，这主要取决于炉料在料罐中的布料合理与否。现场布料（装料）经验：下致密、上疏松、中间高、四周低、炉门口无大料，穿井快、不搭桥，熔化快、效率高。电炉装料情况熔化期传统冶炼工艺的熔化期占整个冶炼时间的50%～70%，电耗占70%～80%。因此熔化期的长短影响生产率和电耗，熔化期的操作影响氧化期、还原期的顺利与否。（1）熔化期的主要任务•将块状的固体炉料快速熔化，并加热到氧化温度；•提前造渣，早期去磷，减少钢液吸气与挥发。（2）熔化期的操作合理供电，及时吹氧，提前造渣。炉料熔化过程及供电装料完毕即可通电熔化。炉料熔化过程图，基本可分为四个阶段（期），即点弧、穿井、主熔化及熔末升温。点（起）弧期从送电起弧至电极端部下降到深度为d电极为点弧期。此期电流不稳定，电弧在炉顶附近燃烧辐射，二次电压越高，电弧越长，对炉顶辐射越厉害，并且热量损失也越多。为保护炉顶，在炉上部布一些轻薄料，以便让电极快速进入料中，减少电弧对炉顶的辐射。供电上采用较低电压、较低电流。•主熔化期电极下降至炉底后开始回升时，主熔化期开始。随着炉料不断的熔化，电极渐渐上升，至炉料基本熔化，仅炉坡、渣线附近存在少量炉料，电弧开始暴露时主熔化期结束。主熔化期由于电弧埋入炉料中，电弧稳定、热效率高、传热条件好，故应以最大功率供电，即采用最高电压、最大电流供电。主熔化期时间占整个熔化期的70％以上。•熔末升温期电弧开始暴露给炉壁至炉料全部熔化为熔末升温期。此阶段因炉壁暴露，尤其是炉壁热点区的暴露受到电弧的强烈辐射。应注意保护炉壁，即提前造好泡沫渣进行埋弧操作，否则应采取低电压、大电流供电。各阶段熔化与供电情况见下表。典型的供电曲线如下图。炉料熔化过程与操作熔化过程电极位置必要条件办法点弧期送电→d极保护炉顶较低电压较低电流炉顶布轻废钢穿井期d极→炉底保护炉底较大电压较大电流石灰垫底主熔化期炉底→电弧暴露快速熔化最高电压最大电流熔末升温期电弧暴露→全熔保护炉壁低电压、大电流水冷+泡沫渣典型的供电曲线及时吹氧与元素氧化熔化期吹氧助熔，初期以切割为主，当炉料基本熔化形成熔池时，则以向钢液中吹氧为主。吹氧是利用元素氧化热加速炉料熔化。当固体料发红（～900℃）开始吹氧最为合适，吹氧过早浪费氧气，过迟延长熔化时间。一般情况下，熔化期钢中的Si、Al、Ti、V等几乎全部氧化，Mn、Ｐ氧化40%～50%，这与渣的碱度和氧化性等有关；而在吹氧时Ｃ氧化10%～30%、Fe氧化2%～3%。3）提前造渣用2%～3%石灰垫炉底或利用前炉留下的钢、渣，实现提前造渣。这样在熔池形成的同时就有炉渣覆盖，使电弧稳定，有利于炉料的熔化与升温，并可减少热损失，防止吸气和金属的挥发。由于初期渣具有一定的氧化性和较高的碱度，可脱除一部分磷；当磷高时，可采取自动流渣、换新渣操作，脱磷效果更好，这样为氧化期创造条件。脱磷反应与脱磷条件：脱磷反应：2［P］＋5(FeO)＋4(CaO)＝(4CaO·P2O5)＋5［Fe］,△H＜0分析：反应是在渣-钢界面上进行，是放热反应。脱磷反应的条件：•高碱度，造高碱度渣，增加渣中氧化钙；•高氧化性，造高氧化性渣，增加渣中氧化铁；•低温，抓紧在熔化期进行；•大渣量（适当大），采取流渣造新渣。电炉脱磷操作：实际电炉脱磷操作正是通过提前造高碱度、高氧化性炉渣，并采用流渣、造新渣的操作等，抓紧在熔化期基本完成脱磷任务。（3）缩短熔化期的措施•减少热停工时间，如提高机械化、自动化程度，减少装料次数与时间等；•强化用氧，如吹氧助熔、氧-燃助熔，实现废钢同步熔化，提高废钢熔化速度；•提高变压器输入功率，加快废钢熔化速度；•废钢预热，利用电炉冶炼过程产生的高温废气进行废钢预热等。四、氧化期氧化期是氧化法冶炼的主要过程，能够去除钢中的磷、气体和夹杂物。当废钢料完全熔化，并达到氧化温度，磷脱除70％～80%以上进入氧化期。为保证冶金反应的进行，氧化开始温度高于钢液熔点50～80℃。（