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第五章 电炉炼钢冶炼工艺 电炉炼钢冶炼工艺 钢液 的 合 金 化,济源职业技术学院,第五章 电炉炼钢冶炼工艺,电炉冶炼操作方法 电炉炼钢冶炼工艺 钢液 的 合 金 化,2019/7/13,济源职业技术学院,3,5.1 电炉冶炼操作方法,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。,济源职业技术学院,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。,济源职业技术学院,5.2 电炉传统冶炼工艺,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。 5.2.1 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。,济源职业技术学院,2）补炉部位 炉衬各部位的工作条件不同（图4-1、图4-2）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。,济源职业技术学院,图5-1 槽出钢电炉炉衬情况,济源职业技术学院,图5-2 EBT电炉炉衬情况,济源职业技术学院,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。,济源职业技术学院,5.2.2 装料,目前，广泛采用炉顶料罐（或叫料篮、料筐）装料（图5-3），每炉钢的炉料分13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。,济源职业技术学院,图4-3 电炉装料情况,济源职业技术学院,5.2.3 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。,济源职业技术学院,1）炉料熔化过程及供电 装料完毕即可通电熔化。 炉料熔化过程见图5-4，基本可分为四个阶段（期），即点弧、穿井、主熔化及熔末升温。,济源职业技术学院,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。,济源职业技术学院,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。,济源职业技术学院,主熔化期,电极下降至炉底后开始回升时，主熔化期开始（图5-4）。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。,济源职业技术学院,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（图5-4）。 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表5-1。 典型的供电曲线如图5-5。,济源职业技术学院,表5-1 炉料熔化过程与操作,济源职业技术学院,图5-5 典型的供电曲线,济源职业技术学院,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、氧化40%50%，这与渣的碱度和氧化性等有关；而在吹氧时氧化10%30%、Fe氧化2%3%。,济源职业技术学院,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：,济源职业技术学院,脱磷反应与脱磷条件：,脱磷反应： 2P5(FeO)4(CaO)(4CaOP2O5)5Fe, H0 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。,济源职业技术学院,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。,济源职业技术学院,（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。,济源职业技术学院,5.2.4 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7080%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5080。 （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。,济源职业技术学院,（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。 2P5(FeO)4(CaO)(4CaOP2O5)5Fe H0,济源职业技术学院,2）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？,济源职业技术学院,脱碳反应的作用如下： 降低钢中的碳，利用碳-氧反应（2 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。,济源职业技术学院,脱碳反应与脱碳条件：,CO =CO , HCO0.24kcal=22kJ0 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 平衡 。 高温，加速-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-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。,济源职业技术学院,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？,济源职业技术学院,去气、去夹杂的机理：,-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； -反应，易使2FeOSiO2、2FeOAl2O3及2FeOTiO2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。,济源职业技术学院,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2030，以弥补扒渣、造新渣以及加合金造成的钢液降温，见图5-6。 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。,济源职业技术学院,图5-6 金属料（固/液体）升温曲线,济源职业技术学院,5.2.5 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。,济源职业技术学院,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： xM块 yO(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）。,济源职业技术学院,扩散脱氧反应式： x(M)粉+y(FeO)(MxOy)+yFe 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。,济源职业技术学院,2）脱硫反应及脱硫条件 FeS+（CaO）=（CaS）+（FeO），H0 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。,济源职业技术学院,（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35批，710min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,济源职业技术学院,（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100140。由于氧化期末控制钢液温度大于出钢温度2030以上，所以扒渣后还原期的温度控制，总的来说是保温过程（图5-6）。 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。,济源职业技术学院,5.2.6 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，故要求采取“大口、深冲、渣-钢混合”的出钢方式。,济源职业技术学院,传统电炉老三期冶炼工艺操作集熔化、精炼和合金化于一炉，包括熔化期、氧化期和还原期，在炉内既要完成废钢的熔化，钢液的升温，钢液的脱磷、脱碳、去气、去除夹杂物，又要进行钢液的脱氧、脱硫，以及温度、成分的调整，因而冶炼周期很长。 这既难以保证对钢材越来越严格的质量要求，又限制了电炉生产率的提高。,济源职业技术学院,5.3 钢液的合金化,炼钢过程中调整钢液合金成分的操作称为合金化，它包括电炉过程钢液的合金化及精炼过程后期钢液的合金成分微调。 传统电炉冶炼工艺的合金化一般是在氧化末、还原初进行预合金化，在还原末、出钢前或出钢过程进行合金成分微调。 而现代电炉炼钢合金化一般是在出钢过程中在钢包内完成，出钢时钢包中合金化为预合金化，精确的合金成分调整最终是在精炼炉内完成的。,济源职业技术学院,5.3. 合金化操作 主要指合金加入的时间、加入的数量及加入的方式。 1）合金加入时间 总的原则是：熔点高，不易氧化的元素可早加；熔点低，易氧化的元素晚加。,济源职业技术学院,合金化操作具体原则：,A）易氧化的元素后加原则： 不易氧化的元素，可在装料时、氧化期或还原期加入，如Ni、Co、Mo，W等； 较易氧化的元素，一般在还原初期加入，如P、Cr、Mn等； 容易氧化的元素一般在还原末期加入，即在钢液和炉渣脱氧良好的情况下加入，如V、Nb、Si、Ti、Al、B、稀土元素（La、Ce等）。 为提高易氧化元素的收得率，许多工厂在出钢过程中加入稀土元素、钛铁等，有时稀土元素还在浇注的过程中加入。,济源职业技术学院,B）比重大的加强搅拌原则： 熔点高的、比重大的铁合金，加入后应加强搅拌。如钨铁的密度大、熔点高，沉于炉底，其块度应小些。 C）便宜的先加原则： 在许可的条件下，优先使用便宜的高碳铁合金，然后再考虑使用中碳铁合金或低碳铁合金。 D）贵重的控制下限原则： 贵重的铁合金应尽量控制在中下限，以降低钢的成本。如冶炼W18Cr4V时（W 17%19%），每少加1%的W，可节约15kg/t钨铁。,济源职业技术学院,此外，脱氧操作和合金化操作也不能截然分开。一般说来，作为脱氧的元素先加，合金化元素后加；脱氧能力比较强的，而且比较贵重的合金元素，应在钢液脱氧良好的情况下加入。,济源职业技术学院,5.4 废钢预热节能技术,概述 废钢预热法的分类 料罐式废钢预热法 双壳电弧炉预热法 竖窑式电炉预热法 炉 料 连续 预热法,济源职业技术学院,1）概述,当电炉采用超高功率化与强化用氧技术，使废气量大大增加，废气温度高达1200以上，废气带走的热量占总热量支出的15%20% ，折合成电能相当于80120kWh/t。 为了降低能耗、回收能量，在废钢熔炼前，利用电炉产生的高温废气进行废钢预热，节能效果明显。 到目前为止，世界范围废钢预热方法主要有料罐预热法、双壳电炉法、竖窑电炉法以及炉料连续预热法等等。,济源职业技术学院,2）废钢预热法的分类,按其结构类型分为： 分体式与一体式，即预热与熔炼是分还是合； 分批预热式与连续预热式。 按使用的热源分为： 外加热源预热燃料烧咀预热； 利用电炉排出的高温废气预热。,济源职业技术学院,3）料罐式废钢预热,世界上第一套料罐式废钢预热装置是日本于1980年用在50吨电炉上，次年又将这种废钢预热装置用在100吨电炉上。之后，在不到10年的时间里，日本就有接近50套废钢预热装置投入运行。 料罐式废钢预热装置及其工作原理，见图6-22。,济源职业技术学院,图5-22 料篮式废钢预热装置示意图,预热室,料篮,济源职业技术学院,料罐预热法的工作原理及预热效果：,电炉产生的高温废气（ 1200）由第四孔水冷烟道经燃烧室后进入装有废钢的预热室内进行预热。废气进入预热室的温度一般为700800，排出时为150200，每罐料预热3040min，可使废钢预热至200250。每炉钢的第一篮（约60%）废钢可以得到预热。 料罐预热法能回收废气带走热量的20% 30%，可节电2030kWht，同时，节约电极、提高生产率。,济源职业技术学院,料罐预热法的问题及改进措施：,该种废钢预热存在的主要问题： 产生白烟、臭气新的公害； 高温废气使料篮局部过烧，降低其使用寿命； 预热温度低，废钢装料过程温降大等。 迫于这些问题采取了再循环方式、加压方式、多段预热方式、喷雾冷却方式以及后燃方式等措施对付白烟与臭气；采取水冷料罐以及限制预热时间、温度等措施来提高料罐的寿命。,济源职业技术学院,但是，结果表明不理想，而且这些措施均使原本废钢预热温度就不高（废钢入炉前温降大，降至100150）的情况进一步恶化，综合效益甚微。 这些问题的存在，使得该项技术受到挑战，一些钢厂干脆停止了使用。这就促使欧、美和日本积极开发新的废钢预热工艺，提高利用电炉产生的高温废气预热废钢的效率，节约能源、提高生产率、降低成本以及改善环境。,济源职业技术学院,4）双壳电炉法,双壳电炉法早在二十世纪70年代双壳炉就存在，但它是外加热源（氧-燃烧咀）预热；而新式双壳炉是利用电炉产生的高温废气进行预热的。 新式双壳炉具有一套供电系统、两个炉体，即“一电双炉”。一套电极升降装置交替对两个炉体进行供热熔化废钢，双壳炉运行与工作原理图5-23、5-24。,济源职业技术学院,图5-24 双壳炉运行,济源职业技术学院,图5-7 双壳炉工作原理图,济源职业技术学院,双壳炉的工作原理： 当熔化炉1#进行熔化时，所产生的高温废气由炉顶排烟孔经燃烧室后进入预热炉2#中进行预热废钢，预热（热交换）后的废气由出钢箱顶部排出、冷却与除尘。每炉钢的第一篮（约60%）废钢可以得到预热。 双壳炉的主要优点： 提高变压器的时间利用率，由70%提高到80%以上； 缩短冶炼时间，提高生产率10%15%； 可回收废气带走热量的30%以上，节电4050kWh/t。,济源职业技术学院,新式双壳炉自1992年日本首先开发第一座，到目前世界范围已有近30座投产，其中大部分为直流双壳炉。 为了增加预热废钢的比例，增加第一次料重量，如由60%增加至70%，日本钢管公司（NKK）采取增加电炉熔化室高度，并采用氧-燃烧咀预热助熔，以进一步降低能耗、提高生产率。,济源职业技术学院,5）竖窑式电炉(shaft furnace),进入二十世纪90年代，德国的Fuchs公司研制出新一代电炉竖窑式电炉（简称竖炉）。Fuchs公司自1988年开始研究竖炉技术，现在已经显示出其卓越的性能和显著的经济效果。 从1992年首座竖炉在英国的希尔内斯钢厂（Sheerness）投产，到目前为止，Fuchs公司投产的竖炉已超过40座。,济源职业技术学院,竖炉的结构：,竖炉炉体为椭圆形，在炉体相当炉顶第四孔（直流炉为第二孔）的位置配置一竖窑烟道，并与熔化室连通。 在竖窑烟道的下部与熔化室之间有一水冷活动托架（指形阀也叫手指式竖炉），将竖炉与熔化室隔开，废钢分批加入竖窑中，废钢经预热后，打开托架加入炉中，可实现100%废钢预热，竖炉运行与工作原理图5-8、5-9。,济源职业技术学院,图5-25 竖炉的结构示意图,图6-19 竖炉结构示意图,济源职业技术学院,图5-8 竖炉的工作原理,济源职业技术学院,竖炉的工作原理（图5-8）：,新开炉的第一篮废钢直接加入炉中，余下的由受料斗加入竖窑中。送电熔化时，炉中产生的高温废气12001600，直接对竖窑中废钢料进行预热。 当炉膛中的废钢基本熔化后，竖窑中废钢温度经预热温度高达600700时，打开托架将预热好的废钢加入高温炉膛中。随后关闭托架，再由受料斗将废钢加入竖窑中进行预热。周而复始，使废钢料分批、分期地，100%地进行预热。 出钢时，炉盖与竖窑一起提升800mm左右、炉体倾动，由偏位底出钢口出钢。,济源职业技术学院,竖炉（手指式竖炉）的主要优点：,节能效果明显，可回收废气带走热量的 60% 70%，节电6080 kWh/t； 提高生产率15%以上； 减