电炉炼钢操作方法及冶炼工艺

第五章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第一节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。第二节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。二、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。电炉装料情况三、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。1）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。•穿井期点弧结束至电极端部下降到炉底为穿井期。此期虽然电弧被炉料所遮蔽，但因不断出现塌料现象，电弧燃烧不稳定。注意保护炉底，办法是：加料前采取外加石灰垫底，炉中部布置大、重废钢以及合理的炉型。供电上采取较大的二次电压、较大电流，以增加穿井的直径与穿井的速度。•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2）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。为什么？脱磷反应与脱磷条件：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℃。（1）氧化期的主要任务继续脱磷到要求——脱磷；脱碳至规格下限——脱碳；去除气、去夹杂——二去；提高钢液温度——升温。（2）氧化期操作1）造渣与脱磷传统冶炼方法中氧化期还要继续脱磷，由脱磷反应式可以看出：在氧化前期（低温），造好高氧化性、高碱度和流动性良好的炉渣，并及时流渣、换新渣，实现快速脱磷是可行的。2［P］＋5(FeO)＋4(CaO)＝(4CaO·P2O5)＋5［Fe］△H＜02）氧化与脱碳近些年，强化用氧实践表明：除非钢中磷含量特别高需要采用碎矿（或氧化铁皮）造高氧化性炉渣外，均采用吹氧氧化，尤其当脱磷任务不重时，通过强化吹氧氧化钢液降低钢中碳含量。降（脱）碳是电炉炼钢重要任务之一，然而脱碳反应的作用不仅仅是为了降碳，脱碳反应的作用？脱碳反应的作用如下：降低钢中的碳，利用碳-氧反应（Ｃ＋Ｏ2→CO）这个手段，来达到以下目的；搅动熔池，加速反应，均匀成分、温度；去除钢中气体与夹杂。实际上，电炉就是通过高配碳，利用吹氧脱碳这一手段，来达到加速反应，均匀成分、温度，去除气体和夹杂的目的。脱碳反应与脱碳条件：[C]＋[O]=CO↑,△HCO＝－0.24kcal=－22kJ＜0分析：该反应是在钢中进行，是放热反应。高氧化性，加强供氧，使［％O］实际＞［％Ｏ］平衡。高温，加速Ｃ-Ｏ间的扩散（由于脱碳反应是“弱”放热反应，温度影响不大（热力学温度），但从动力学角度，温度升高改善动力学条件，加速Ｃ-Ｏ间的扩散，故高温有利脱碳的进行）。降低PCO，如充惰性气体（AOD），抽气与真空处理（VD、VOD）等均有利于脱碳反应。3）气体与夹杂物的去除电炉炼钢过程气体与夹杂的去除是在那个阶段，怎么进行的？去气、去夹杂是在电炉氧化期的脱碳阶段进行的。它是借助碳-氧反应、一氧化碳气泡的上浮，使熔池产生激烈沸腾，促进气体和夹杂的去除、均匀成分与温度。去气、去夹杂的机理？去气、去夹杂的机理：Ｃ-Ｏ反应生成CO使熔池沸腾；CO气泡对N2、H2等来说，PN2、PH2分压为零，N2、H2极易并到CO气泡中，长大排除；Ｃ-Ｏ反应，易使2FeO·SiO2、2FeO·Al2O3及2FeO·TiO2等氧化物夹杂聚合长大而上浮；CO上升过程粘附氧化物夹杂上浮排除。为此，一定要控制好脱碳反应速度，保证熔池有一定的激烈沸腾时间。4）氧化期的温度控制氧化期的温度控制要兼顾脱磷与脱碳二者的需要，并优先去磷。在氧化前期应适当控制升温速度，待磷达到要求后再放手提温。一般要求氧化末期的温度略高于出钢温度20～30℃，以弥补扒渣、造新渣以及加合金造成的钢液降温，见图。当钢液的温度、磷、碳等符合要求，扒除氧化渣、造稀薄渣进入还原期。金属料（固/液体）升温曲线五、还原期传统电炉冶炼工艺中，还原期的存在显示了电炉炼钢的特点。而现代电炉冶炼工艺的主要差别是将还原期移至炉外进行。（1）还原期的主要任务脱氧至要求——脱氧；脱硫至一定值——脱硫；调整成分——合金化；调整温度——调温。其中：脱氧是核心，温度是条件，造渣是保证。1）脱氧方法～有沉淀脱氧、扩散脱氧及综合脱氧法。电炉炼钢采用沉淀脱氧法与扩散脱氧法交替进行的综合脱氧法，即氧化末、还原前用沉淀脱氧—预脱氧，还原期用扩散脱氧，出钢前用沉淀脱氧—终脱氧。其中沉淀脱氧反应式：x[M]块＋y[O]＝(MxOy)↑沉淀脱氧是将块状脱氧剂加入钢液中，直接进行钢液脱氧。常用的脱氧剂有：Fe-Mn、Fe-Si、Al、V和复合脱氧剂Mn-Si、Ca-Si等，脱氧能力依次增加。该法的特点：操作简单，脱氧迅速；脱氧产物易留在钢中（当上浮时间短时）。扩散脱氧反应式：x(M)粉+y(FeO)＝(MxOy)+y[Fe][FeO]→(FeO)扩散脱氧是将粉状脱氧剂加在渣中，使炉渣脱氧，钢中氧再向渣中扩散，间接脱出钢中氧。粉状脱氧剂有：C、Fe-Si、Ca-Si、CaC、Al粉等。与沉淀脱氧法比较，扩散脱氧法的特点：反应在渣中进行，产物不进入钢中，钢质好；脱氧速度慢，时间长。此法常用在电炉还原期稀薄渣形成后。2）脱硫反应及脱硫条件[FeS]+（CaO）=（CaS）+（FeO），△H＞0分析：该反应是在渣-钢界面上进行的，为一吸热反应。高碱度，造高碱度渣，增加渣中氧化钙；强还原气分（或低氧化性），造还原性渣，减少渣中的氧化铁；高温，同时高温改善渣的流动性；大渣量（适当大），充分搅拌增加渣-钢接触。由于电炉还原期或精炼炉精炼期的还原气分强烈，(FeO)＜0.5%～1.0%，对脱硫特别有利。（2）还原操作——脱氧操作电炉常用综合脱氧法，其还原操作以脱氧为核心.1）当钢液的T、P、C符合要求，扒渣＞95％；2）加Fe-Mn、Fe-Si块等预脱氧（沉淀脱氧）；3）加石灰、萤石、火砖块，造稀薄渣；4）还原，加C粉、Fe-Si粉等脱氧（扩散脱氧），分3～5批，7～10min／批；5）搅拌，取样、测温；6）调整成分——合金化；7）加Al或Ca-Si块等终脱氧（沉淀脱氧）；8）出钢（3）温度的控制考虑到出钢到浇注过程中的温度损失，出钢温度应比钢的熔点高出100～140℃。由于氧化期末控制钢液温度大于出钢温度20～30℃以上，所以扒渣后还原期的温度控制，总的来说是保温过程。若还原期大幅度升温，则造成：钢液吸气严重、高温电弧加重对炉衬的侵蚀及局部钢水过热。为此，应避免还原期“后升温”操作。六、出钢传统电炉冶炼工艺，钢液经氧化、还原后，当化学成分合格，温度符合要求，钢液脱氧良好，炉渣碱度与流动性合适时即可出钢。因出钢过程的渣-钢接触可进一步脱氧与脱硫，故