电弧炉炼钢用原辅材料.doc

3 电弧炉炼钢用原辅材料凡加入电弧炉（含感应炉和炉外精炼的钢包炉、VD/VOD炉）内直接参与炼钢冶金过程的物料统称为原材料。如废钢、生铁、铁水、铁合金、石灰、萤石、氧气等。生产中所指的原材料通常还包括辅助材料，即指那些虽不直接参与炉内反应，却是冶炼反应赖以正常有效地进行所必不可少的物质，如电极、耐火材料等。原材料是电弧炉炼钢的基础，没有好的原材料及现代的管理，要想炼出优质的、成本较低的钢是不可能的，国内外先进的炼钢厂无一不是特别注重原材料的优化与管理。我国炼钢行业过去曾对原材料供应与管理重视不够，对成品钢只就冶炼与浇注工艺而研究其质量，很多情况是欲速则不达。现在随着钢铁生产技术的发展，特别是对钢材质量的要求的不断提高，国内钢铁生产企业已认识到原材料对炼钢质量的重要性，这是我国钢铁工业赶超国际水平和新品研发的一个良好开端。对我公司来讲，生产油井管就必须重视炼钢原材料的供应与管理工作，以保证我公司的优质无缝钢管生产有一个可靠的坯料基础。3.1 电弧炉炼钢原材料的分类电弧炉炼钢的原材料可分为两大类：金属料；非金属料。金属料：包括废钢、生铁、铁水、直接还原铁（DRI）、铁合金、铁矿石和氧化铁皮等。非金属料：包括造渣材料，如石灰、萤石、白云石、碳球（碳粉）、高铝钒土等；合成渣料，如脱硫剂，熔融合成精炼渣等；耐火材料，如炉底耐材、钢包耐材、中包耐材等；其它用途材料，如电极、增碳剂、保温剂、保护渣等。电弧炉炼钢的原材料按用途又可分为：金属料，氧化剂及造渣材料，还原剂，电极，耐火材料等。3.2 金属料3.2.1 废钢3.2.1.1 废钢的种类及来源废钢是炼钢的主要金属料之一。电炉炼钢原料中，废钢用量约占60100。根据来源不同，废钢通常分为本厂返回废钢和社会购入废钢两类。返回废钢包括：炼钢车间的模铸汤道、注余、包底、连铸坯的头尾坯、锻轧废品、废钢材（坯）。返回废钢含锈及杂质较少，化学成份相近，收得率高，是炼钢优质原料，使用返回废钢可以大量回收贵重金属合金元素，减少贵重金属和铁合金消耗，节约电耗，降低成本，具有很大的经济意义。外购废钢包括废旧的机器、铁轨、军用及民用废钢、报废的轧辊、车船及其它设备等。这类废钢来源复杂、锈蚀程度不一，有害元素及杂质含量不易掌握，收得率波动较大。基于外购废钢的上述特点，国内外炼钢业目前都十分重视其对炼钢质量的影响。对于优质钢和特殊用钢(如石油管用钢)，在采用社会废钢作炼钢原料时，必须要慎重认真。不但要进行严格的化验分析、挑选、加工及管理，还应配有相应的原料纯净化措施（如配加直接还原铁、生铁或铁水），以稀释降低钢中不需要的残余元素和有害元素，如铜、五害元素（指Pb，Sn，As，Sb，Bi）等，保证钢的质量。3.2.1.2 对废钢的质量要求为稳定生产，获得合格产品，对入炉废钢质量有一定的要求：1）有害元素含量要低废钢中不得含有各种对人员操作，设备安全运行及环境有害的物质，如放射性元素；对钢质量有害的元素，如Zn、Pb，Cu、Sn、As、Sb、P、S和所有轻金属、以及其它并非用作合金料的元素必须要尽量减少。 Zn、Pb在熔化期挥发，损坏腐蚀炉衬并且使废气中产生大量有毒物质，污染环境。 P、S元素不仅会使冶炼能耗增高，同时也是影响钢质量的有害元素。 Cu、Sn、As和Sb属于炼钢过程的“不氧化”元素，对钢的性能是大大有害的元素。鉴于废钢循环使用的原因，这些在炼钢中难以去除的元素在钢中的含量会不断增加。因此，任何时候都必须严格控制废钢中此类元素的含量。在非合金废钢中，对Cu、Sn的允许含量分别为0.15和0.02。国外冶金专家总结近四十年来钢材质量问题的经验教训，认识到Cu，Sn、AsSb及P元素对冶炼一些关键钢种(如石油专用管涡轮机主部件用钢)，其有害影响直接威胁产品使用的安全可靠性。由于这些元素在钢材中会在表面或沿内部晶界高倍富集，从而引发钢材表面的热脆裂纹、回火脆性倾向增长，高温蠕变强度和塑性下降；在含氢和碱性介质环境中的应力腐蚀门坎值下降。目前，国外在冶炼特殊用途钢种时，对上述元素都有特定的含量要求。国内研究人员也曾建议为确保在含有硫化氢的石油油井方面长期工作的石油专用管、井口设备部件的安全使用，钢材中杂质元素含量要求为：P0.020；S0.005；Sn0.010；Sb0.010；As0.010。 Ni、Mo等难熔金属含量要低。2）特殊钢、不锈钢废钢要按化学成份分类储存各种特殊钢、不锈钢废钢及含有贵重金属的废钢（如Ni、Mo）必须有明确的钢号和化学成份，按级别和成份，对废钢必须严格按标准分类进行管理，不允许混放。3）废钢需具有合格的外形尺寸和单重轻薄料应打包或压块使用；重废应加工、切割成合格尺寸，以便顺利装料并保证在吹炼期全部熔化。4）清洁少锈废钢应清洁干燥、无锈或少锈、不含泥沙、冰雪、油污、耐火材料和混凝土及炉渣、油砂等杂质，必须将封闭容器、爆炸物和毒品挑出或处理，以保证安全、高效，低耗的生产秩序。5）各种重、轻废钢要有一定配比在对废钢分类时，注意将黑色金属成份、有色金属成份和非金属成份分离，以保证精确、合理地进行配料。对外形或单重过大的废钢，应进行解体和分割，以便顺利装料。重型废钢可用气割，轻型废钢可用大剪，气锤或气割来完成处理。对冲压废料、薄板、废钢片及类似等轻薄料，应打包或压块、减少装料次数。经处理合格的废钢、按不同种类分别装入料格，以平均成份作为配料依据。对合金返回废钢分类时，应特别注意贵重合金元素的含量或特殊钢、不锈钢的化学成份，存放时做好特别标记，以免配料时混杂给冶炼带来困难。向炼钢车间供应废钢按照炼钢厂技术部门的配料方案和生产计划表进行，按生产计划表注明的冶炼钢种和所对应的配料方案进行配料。此外，废钢料场和炼钢车间之间要保持稳定的联系，万一生产计划有变，废钢料场可给炼钢厂送去相应方案的废钢以保证生产的顺利进行。3.2.1.3 废钢的检验以我公司为例说明废钢检验。1）废钢的检验标准 公司内部返回废钢免检，但有几何尺寸和单重的要求，详见表3.1。表3.1 返回废钢规格要求类别单向尺寸(mm)重量（kg）备注铸余300500渣钢50050070%坯头300管头500其它对公司其它返回废钢铁料（未加工），按上述标准加工后使用。 各企业对外购废钢的检验标准各不相同，除执行国标外，分别有各自的企标。我公司执行的是Q/TGGB06-2006。分类要求见表3.2。表3.2 废钢分类要求型号类别外形尺寸及重量要求重型废钢500*500mm厚度20mm单重500kg重型废钢500*500mm厚度1020mm单重500kg中型废钢400*400mm厚度410mm小型废钢300*300mm厚度1.54mm轻薄料废钢300*300mm长度100mm厚度1.5mm机铁500*500mm单重5400kg2）废钢的检验程序 外购废钢：需要经过废钢检判、现场处理和加工三个程序。废钢检判：负责扣除土杂、检查料型、确定废钢级别；废钢检判岗根据废钢质量保证书，对废钢的清洁、外形尺寸和单重用眼睛观察的方法检验，必要时可抽取试样对每批废钢进行抽查、复验。对废钢中的有色金属进行监控，根据废钢的实际情况，对于质量不合格的废钢采取降级、扣除部分重量、拒收。现场处理：负责捡出废钢中的大料、机铁、炸弹、密闭容器等；质量合格但单重和尺寸不合格的废钢进行加工处理，合格废钢按类存入料格内不得混类存放。加工：负责对不合格的废钢进行加工处理，采用人工分选、火焰切割、废钢打包、废钢剪切等处理手段，加工处理后的废钢最大尺寸为400400400mm3/块，监工处理合格的废钢分类存入废钢料格内。 返回废钢：包括炼钢的切头、切尾、注余、包底、锻轧废品、废钢材（坯）。由于返回废钢含锈及杂质较少，化学成分相近，收得率高，是炼钢优质原料，免验。使用返回废钢可以大量回收合金元素，减少贵重金属和铁合金消耗，节约电耗，降低成本。3.2.2 生铁、铁水生铁或铁水的使用主要是满足入炉钢铁料的配碳和稀释废钢中的有害元素含量，同时使用铁水还可以有效地利用铁水的物理热，达到缩短冶炼周期，提高生产效率，节能降耗，降低冶炼电耗的目的。1）生铁生铁分为炼钢生铁和铸造生铁，由于铸造生铁硅含量高，用于炼钢生产所产生的炉渣量大，因此炼钢生产主要使用炼钢生铁。炼钢生铁应符合GB/T717的规定（见表3.1）。表3.1 炼钢生铁GB/T717的标准牌号L04L08L10化学成分，C3.05Si0.450.450.850.851.25Mn0.40P0.100S0.020注：各牌号生铁的含碳量，均不作报废依据。2）铁水电弧炉热装铁水是现代电弧炉提高生产效率、节能降耗所开发的新的生产工艺技术，因此炼钢生产对所使用的铁水质量要求除化学成分应符合炼钢生铁要求外，还对其温度有一定的要求，我公司要求铁水温度应1250。3.2.3 直接还原铁（DRI）直接还原铁是在回转窑或竖炉内，以比较低的温度对铁矿石进行还原而得到的海绵状金属铁，通常称为“海绵铁”、“预还原铁”，简称DRI（直接还原铁）。根据所采用的直接还原工艺不同，直接还原铁有几种不同形式：1）海绵铁：由铁矿石或粉矿球团化后在回转窑或竖炉内直接还原得到的海绵状金属铁，简称为DRI。2）热压块：把海绵铁趁热加压成形，使其密度增大具有一定尺寸和形状的还原铁（间歇工艺），简称为HBI。直接还原铁具有含铁量高、含C量低且可按要求进行调节、杂质及微量元素含量甚微等特点，因此，它是高质量的废钢代用品，DRI可以稀释废钢中的有害杂质元素，有效保证钢材质量。在当今优质废钢资源日趋紧张，采用直还原铁部分及至大量地代替废钢，可以解决废钢供应不足的困难。直接还原铁（DRI）的使用主要是稀释废钢中的有害元素含量， DRI通过电弧炉高位料仓系统可在冶炼时连续加入炉内，减少入炉钢铁料的加入量和加入次数，提高电弧炉生产效率，同时DRI在冶炼时加入还可以利用其碳含量造泡沫渣，进行埋弧冶炼。3.2.3.1 对直接还原铁的技术要求1）化学成份直接还原铁的主要化学特性包括：含铁量、金属化率、含碳量、脉石含量和其它杂质等。 含铁量：直接还原铁中铁元素总含量为全铁量，含铁量高说明杂质量少。为降低成本，含铁量应尽可能高，我厂要求该值92%。 金属化率：直接还原铁的还原程度常用金属化率表示，即金属铁被全铁来除所得比值。作为炼钢原料来讲，要求金属化率越高越好，我厂要求该值92%。 碳含量：直接还原铁的碳含量可根据需要尽可能低，但最低不得低于1.3%，以保证残余Fe2O3和Fe3O4的最终顺利还原。通常，该值波动范围为1.03.0%，我厂要求1.01.5%。 脉石含量：直接还原铁中脉石主要成分是SiO2和Al2O3，在直接还原过程中，脉石全部为保留物质，显然，作为炼钢原料，直接还原铁的脉石含量必须尽可能低。我厂要求SiO22.5%。 杂质和微量元素：在废钢中经常发现的Cu、Zn、Pb、Sn、Ni、Mo、等微量元素及其它杂质在直还铁中只是痕迹；直接还原铁的硫、磷含量通常只有0.01%和0.010.04%，是相当低的。这些都利于炼钢质量的控制。公司对直接还原铁的技术要求化学成份应符合我公司企业标准Q/TGGB16-2001，见表3.2。表3.2：直接还原铁的化学成份标准全铁%金属铁%金属化率%C%S%P%五害元素%脉石总计%(Sio2+Al2o3)9183910.20.0250.06各0.0026.02）物理性能 密度：直接还原铁密度是指其有效密度，即直接还原铁落入渣中被渣子覆盖时的密度。密度过低，入炉后会在渣面堆积形成“冰山”；反之，直接还原铁会穿过渣层被钢液所吸收，不利于热量传递及冶金反应的进行。直接还原铁的最佳有效密度应介于熔渣（2.5g/Cm3）与钢液（7.0 g/Cm3）之间，4.06.0 g/Cm3是公认的理想密度。它可使直还铁存在于渣钢界面。 粒度：直接还原铁通常以连续加料方式加入电炉内，粒度过大，会使加料系统复杂化；粒度过小，则加料过程中易氧化或被抽进除尘装置里去。一般认为：粒度最好在10100mm左右。直径低于3.34mm的细颗粒不得超过4%。 强度：为了在运输、贮存及使用过程中不产生粉尘、直接还原铁需要有一定的强度。通常每个球团冷压强不得低于70kg。我公司对直接还原铁的物理性能要求如下：堆比重1.75吨/米3；粒度3mm且3mm的6%；强度，球团冷强度70kg/mm3或686Mpa。质量要求：DRI表面不得有泥沙和油污，不允许混有有色金属、合金废料及生铁。3）对直接还原铁贮运的要求直接还原铁的贮存及运输上的最大问题是二次氧化和吸水。任何直还铁在长时间存放或在运输过程中，都会根据直还铁自身情况及形状而有所不同程度的吸水及再次氧化，激烈时，甚至会着火。为防止产生这种现象，在贮存、运输过程中，需有专门可靠的措施。DRI/HRI必须遮盖起来存放，防止温度发生大的变化。长时间、大量贮存的DRI应存放在料仓中并用氮气保护。热压块HBI表面光滑，抗氧化性强、贮运较为安全。我厂直还铁贮库直径为12m，容积为1800m3的园筒有5个，可保证电炉正常生产的用量，筒仓上设有充氮保护措施，以防止直还铁的二次氧化和吸水。故DRI的储存应防雨、防雪、防潮、防止氧化。3.2.3.2 直接还原铁的使用特点1）炉料配比鉴于直接还原铁费用较高，因此直接还原铁在炉料中的配比，要根据冶金要求及经济效果来确定。国外有关资料表面，炉料中DRI的比例在2060%之间生产率可以增加。有关这方面的使用经验，相对于不同的冶炼工艺，有不同的配比率。我厂直接还原铁配比的经验数据是20%25%时，成本及综合冶炼效果最佳。2）收得率尽管直接还原铁的含铁量都高于90%，但实际测得的收得率一般在80%左右，这是一个缺点。3）石灰消耗由于直接还原铁中含有磷和脉石成分，而且脉石含量一般较高，故石灰用量一般要比常量增加，炼钢厂的经验数据是约1015kg/吨钢。4）电耗及冶炼周期电耗及冶炼周期，随直接还原铁的配入量和冶炼工艺的不同而有不同的增加而增加，料篮加料或炉顶连续加料情况也是如此。通常认为：炉料中使用DRI取代1的冷废钢引起能量变化的理论数值约为：冶炼电耗增加1.24kWh/吨钢。5）加料方式直接还原铁向电炉内加料的方法有分批加料和连续加料两种。一般都采用连续加料法，它可使直接还原铁的融化和化学反应同时进行，稳定电弧及钢液面，熔清成分易于调整。国外有关资料表面，在钢液温度达到1500之前开始低速加料，10分钟后达到正常加入速度（1100kg/min），使钢液温度保持1550。3.2.4 铁合金及还原剂为满足炼钢过程中冶金反应和钢种化学成份的要求，在炼钢过程中广泛使用多种合金料，它们以铁合金、纯金属或合金制品等形式使用。主要用作炼钢生产的还原剂和合金剂。常用的铁合金有硅铁、硅锰、锰铁、铬铁、钼铁、钒铁、铝丝、碳丝及镍、铌铁等。3.2.4.1 对铁合金的质量要求1）合金元素含量要高。2）其它杂质尽量低。3）铁合金块度要合适，以保证冶炼的正常进行和合金元素的收得率。我公司炼钢所用铁合金一般经高位料仓入炉，铁合金粒度应控制在10mm70mm且70mm及10mm的部分不得超过10%，最大的不得超过100mm。4）铁合金存放时要注意防潮，以防铁合金变质。5）铁合金入炉前应烘烤，以减少钢中气体量。3.2.4.2 常用铁合金化学成分及物理特性常用铁合金的化学成分及物理特性见表3.3、表3.4表3.3 常用的铁合金化学成分名称牌号Al（）Ca（）Mn（）Cr（）P（）S（）C（）Si（）硅铁FeSi75-C0.00 0.00 0.50 0.50 0.04 0.02 0.20 72.080.0名称牌号Mo（）Si（）S（）P（）C（）Cu（）Sb（）Sn（）钼铁FeMo60-C55.065.02.00 0.15 0.05 0.20 1.00 0.08 0.08 名称牌号V（）C（）Si（）P（）S（）Al（）Mn（）钒铁FeV50-A48.055.00.40 2.00 0.06 0.04 1.50 0.00 名称牌号Mn（）Si（）C（）P（）S（）高锰FeMn78-C8.075.082.01.52.58.00 0.200.330.03 名称牌号NbTa（）Ta（）Al（）Si（）C（）S（）P（）W（）铌铁FeNb60-B60703.00 3.00 3.00 0.30 0.10 0.30 1.50 名称牌号Cr（）C（）Si（）P（）S（）高铬FeCr55C10005260103.05.00.040.060.040.06名称牌号Cr（）C（）Si（）P（）S（）中铬FeCr55C10052601.00 2.53.00.040.060.030.05名称牌号Cr（）C（）Si（）P（）S（）微铬FeCr55C652600.06 1.52.00.040.060.03 名称牌号Mn（）Si（）C（）P（）S（）硅锰FeMn68Si1865.072.017.020.01.80.100.250.04表3.4 常用的铁合金物理特性名称主成分（%）熔点（）密度（t/m3）块度（mm）堆密度（t/m3）液态固态45%硅铁Si404712905.151003002.22.975%硅铁Si7280130013302.83.51003001粒化含水5%1.41.61.61.91.451.5锰硅合金Mn65，S56.340703.03.5高碳锰铁Mn76125013006.87.152003.53.7中低碳锰铁Mn758013106.57.0202503.5金属锰Mn93124012607.352503.55电解金属锰Mn9912507.2片状、厚度12.53.0硅铬合金Si405010020030细粒2.53.01.91.95硅铬合金Si3030细粒3.32.32.8高碳铬铁Cr6570152015506.56.94503003.84.0再制铬铁Cr60152015506.56.94破碎后3.74.0粒化铬铁Cr60152015506.56.94粒化后2.32.8中碳铬铁Cr60160016407.281003004.0低碳铬铁Cr607.29破碎成块状3.03.1微碳铬铁Cr657.27502002.73.1真空微碳铬铁Cr655.0砖块状金属铬Cr98185018807.19102503.3电解金属铬Cr98185018807.2钨铁W70240016.4202007.2钼铁Mo5517509.02004.7钒铁V4014807.02003.33.9钛铁Ti25145015806.02002.73.5磷铁P1520116013606.342003.1硼铁B101513807.22003.1铌铁Nb2030141015907.4块状3.2锆铁Zr405.8铝铁Al5011504.92.9工业硅Si982.4硅钙合金Si59Ca31100012452.552501.51.7硅铝合金Si55Al353.0氮化铬铁Cr60，N37.252503.1硅钙铝（Ca+Al）20502.52501.15硅钙钡2.82501.30硅钙钡铝3.12501.28硅钙锰3.42501.30硅钙锆3.3501.28稀土金属Ce486.72550504.2装料级铬铁6.71003.4氧化钼Mo601.83氮化锰Mn95N47.11004.70氮化锰铁Mn74N47.21003.70氮化钒V84N134.03831191.92工业硅Si98.52.21503.21碳化钒V84C134.03831191.92碳化钒铁V68C145.8503.843.3 氧化剂及造渣材料3.3.1 氧化剂氧化剂用以在冶炼初期氧化去除钢中的P、C等杂质。使用最多的有氧气、铁矿石和氧化铁皮。1）氧气 氧气主要采用站氧或瓶氧。站氧采用管道输送，具有便宜、方便和氧气压力稳定的特点，因此，有条件的企业均采用站氧。氧气纯度98，含水0.2Nm3，使用压力1013bar，氧气应脱除水份和肥皂液，使用的氧气应符合国家标准要求。电弧炉炼钢过程中氧气通过炉壁超音速氧枪和炉门机械手氧枪喷吹至钢水中，与钢中的C、Fe、P等发生反应，从而达到脱碳、脱磷和升温、均匀钢液温度的作用。2）铁矿石、氧化铁皮（铁鳞）铁矿石的主要成分为Fe2O3；氧化铁鳞的主要成分为FeO，一般为增加比重而制成铁鳞球使用。可以通过电弧炉高位料仓系统加入炉内，当其熔于钢水及钢渣中时，Fe2O3、FeO与钢中C、P及渣中的石灰等发生反应，从而达到脱碳、脱磷的作用。3.3.2 造渣材料造渣材料主要指石灰、碳粉、轻烧白云石和精炼渣剂等，主要用于炼钢过程中的造渣。1）石灰与轻烧白云石石灰和轻烧白云石是脱磷、脱硫以及调整炉渣黏度的主要渣剂，其理化特性见表3.5。表3.5 石灰和轻烧白云石的理化特性理化特性SiO2%CaO%MgO%灼减%活性度ml块度轻烧白云石一级1.5553310100540mm二级2.050301580炼钢用石灰一级2.091.05.04.0320560mm二级3.088.05.06.0280580mm三级4.083.05.08.0200580mm电弧炉使用的石灰和轻烧白云石一般是通过料仓储存，使用前运输至使用场地。应注意保持造渣材料的干燥、清洁以及合适块度，特别是石灰要防吸潮粉化；可在电弧炉出钢过程中随钢流加入钢包中，或在炉外精炼时加入；加入钢水中的形式可以是块状、粉状或预熔状等，可以随废钢料一起加入，也可连续加入或整袋加入等。2） 碳粉泡沫渣埋弧冶炼是现代超高功率电弧炉冶炼的基本技术之一，利用电弧炉中多点喷吹碳粉，可以维持很好的泡沫渣。 电弧炉使用的喷吹碳粉理化指标要求见表3.6。表3.6 电弧炉使用的喷吹碳粉理化指标电弧炉喷吹碳粉固定碳（%）灰份（%）水份（%）粒度（mm）指 标742423应95%3.4 电极3.4.1 概述电极是将变压器输入的能量引入熔炼室的特殊导体，它直接影响钢的质量、成本及炉子的生产率。如电极的导电率小，为输入一定量的电能，电极的直径必须加大，这样就会使电极夹持器、横臂、立柱以及整个炉子结构笨重，控制系统复杂。熔炼每吨钢的电极消耗是电弧炉炼钢的重要经济指标之一，因此在改善电极质量，降低电极消耗等方面，国内外都作了大量的研究工作。现在，碳素电极已趋淘汰，各国普遍采用石墨电极。国外石墨电极的直径已达710mm。为了进一步改善石墨电极的导电能力，一是研究高密度的电极。这种电极的导电能力大，易剥落。另一种是研制纤维石墨电极。这种电极强度高，由于其结晶的方向性，使电极的导电能力大大加强，这对发展大型电弧炉很有意义。自1964年美国的施维博(W、E、Shwabe)等人提出了超高功率的概念以来，为提高生产率，国外纷纷加大了变压器的容量，电极的载流密度进一步提高。电极使用条件越发严格起来。为此炼钢工作者作了大量的研究，终于找出了一种理想的解决办法，那就是用一种特殊的石油焦(针状焦)为原料，经沥青浸泡处理来制造高功率及超高功率电炉使用的电极。由于超高功率电弧炉的出现，电极也依据使用条件而分为：一般电极、高功率电极、超高功率电极。我公司所使用的电极全部为超高功率电极，150吨电炉和90吨电炉都使用610mm超高功率电极，150吨LF炉使用450mm超高功率电极，90吨LF炉使用400mm超高功率电极。高功率、超高功率电极比一般电极载流密度大，其结果产生如下问题：1）由于电阻热和灼热气流使电极温度升高，使得电极把持器、卡头和衬套易于损坏，另外，电极的氧化消耗也增大。近年来，电弧炉上多安装除尘器，又采用压缩空气密封电极孔，使火焰不再从电极孔冒出来，电极在炉盖上部的红热情况虽有所改善，但在炉内部分氧化却加剧了。2）电极中心部分和电极四周的温度差增大了，由该温差产生的热应力也增大了，这很容易使电极产生裂纹和剥落。3）增大了电磁作用力，容易使电极折断。为此，要求高功率、超高功率用电极必须具有下列特性：比电阻(电阻率)小；机械强度高；弹性模量小；热膨胀系数小；体积密度大；导热系数大。表3.7列出了各种电极和电极接头的性能指标，我公司电弧炉使用直径为610mm的石墨电极，其性能参阅表3.8。表3.7 20英寸直径电极物理性能部位物理性能指标一般功率用高功率、超高功率用电极本体体积比重，g/cm3固有电阻，10-4cm弯曲强度，kg/cm2弹性模量，kg/mm2热膨胀系数，10-6/1.541.586.57.570906007501.101.621.665.46.410512588011001.10电极接头体积比重，g/cm3固有电阻，10-4cm弯曲强度，kg/cm2弹性模量，kg/mm2热膨胀系数，10-6/1.721.784.05.2210260110014001.03.4.2 电极主要的物理性能3.4.2.1 固有电阻固有电阻(比电阻)是电极与允许载流密度有关的一项重要物理指标。为了增大电极的允许载流密度就需要减少固有电阻。电极的电流容量可以用式3.1表示：最大允许载流密度= （V/Qd3）0.5/2 （3.1）式中：比电阻；表3.8 我公司用电极主要物理性能比电阻抗弯强度膨胀系数弹性模量比重热传导率固定碳灰分4510-4cm200300 0.40.710-6/10001300 kg/cm21.71.8g/ml2.53.35J/cmS99%0.2%Q辐射热量；d电极直径；用上面的公式计算得到的值一般很低，因此电弧炉上实际使用时，是根据能不能耐大电流来决定的。3.4.2.2 体积密度体积密度即每单位体积的质量。电极的体积密度增大，则其比电阻减小，强度增大，抗氧化性变好。但耐急冷急热性能变差。为此需采取别的办法来弥补这一不足。3.4.2.3 弯曲强度弯曲强度是表示电极强度的一项重要指标。在实际使用中与电极的折断有关。在电弧炉上，当电极与不导电物体接触时，或受到塌料的冲击，或由于受到电磁力的作用以及电极在炉料表面的滑动等等原因，使电极不断受到弯曲应力，由此电极有被折断的危险性。3.4.2.4 弹性模量电极的耐热冲击性能可以用式3.2表示：RSK0.5/aE （3.2）式中：S机械强度；K热传导系数；a热膨胀系数；E弹性模量。由式中可以看出，电极的弹性模量越小，其耐热冲击性能就越好，电极产生剥落、龟裂的可能性也越小。从这个意义上讲，弹性模量是一个很重要的指标。3.4.2.5 热膨胀系数由上式可以知道，热膨胀系数和弹性模量一样，它越小，电极耐热冲击性能R越好。电极材料的质量，对其热膨胀系数影响很大。针状焦炭的热膨胀系数很低，故由针状焦炭为原料制造的电极热膨胀系数也就很低。3.4.3 人造石墨电极的制造方法图3.1为人造石墨电极的工艺流程图作为主要原料的石油焦通过焦炭的延迟化法制造出来的。针状焦（1号焦）是热膨胀系数极低的焦炭，一般用于制造高功率、超高功率电极。其次，还有一般焦炭（2号焦）。在制造工序中，有一道工序是将经烧结过的电极，经沥青浸泡后进行再烧结，因此，使得电极的体积密度增大了，降低了比电阻值。3.4.4 电极消耗的原因电极消耗可分为事故性消耗及经常性消耗两种。1）事故性消耗电极的事故性主要是由机械外力和电磁力引起的，如电极接头处松劲，电极裂纹和折断以及接头螺纹部分脱落等。造成事故消耗的主要原因是电极质量差，如强度低；设备方面如电极直径选择不当，电极夹持、升降和控制装置不良；操作方面如装料不当，熔化时废钢塌落撞击电极等等。表3.9将电极事故性消耗作了详细归纳总结。 主要原料：各种石油焦 副料：沥青粘结剂破碎：粗粒、细粒粉配比：粒、粉、沥青热结合 145175挤压成型 100烧成 95 根据要求返回浸泡石墨化 26003000加工成品图3.1 人造石墨电极的生产工艺流程表3.9 电极使用事故的原因分析事故内容及原因制造上的问题使用上的问题电极剥落耐热冲击性能差电极折断电极本身的螺纹丝扣处折断本身材质强度问题；电极接头直径使用问题；丝扣的应力集中；由于裂纹致使接续部分强度低。炉料在熔化过程中塌落；电极下部有不导电物质；电极升降机构失灵；电极夹的太紧；把持器倾斜，电极不正对电极孔中心；接续部分由于灰尘接触不紧密；因用电极增碳使其变细；其他操作不合理。电极接头处折断接头材质的强度问题；接头直径使用问题；接头端部压缩强度不足及松弛致使强度下降；接头加工精度上的问题；接头的粘合剂问题；电极本身和接头的热膨胀系数不一样。吊起时断落接头的粘合剂问题；存在挠曲；电极接头加工精度问题。2）经常性消耗电极的经常性消耗主要提指电极表面的消耗，包括电极端部的消耗和周界的消耗。过去由于电炉的冶炼时间长，电极周界的消耗所占比例相当大；但对超高功率电弧炉，电极的端部消耗据称已达总消耗量的50%以上。一般认为，电极端部消耗的主要原因是电极端部的局部加热，使石墨升华，电极端部与炉渣及钢液接触，使石墨被吸收。这种消耗只在通电时产生，消耗量主要与电弧电流和电弧长度有关。石墨在高温下性能优异。如石墨不熔化，而且蒸发温度很高；导电率和导热率大，不大随温度变化，热膨胀系数小；强度和稳定性随温度升高而增大等。石墨的最大缺点是容易氧化，电极周界的消耗即属于氧化消耗。实验结果表明，石墨从550开始氧化，超过750后急剧增加。为了减少电极周界的氧化消耗，应加强炉子的密封，尽量减少空气进入炉内。采用炉内排烟装置要控制炉内压力，炉内压力太低会使用电极损耗加剧。吹氧助熔和使用氧天然气烧咀时，正在废钢熔化中期，电极表面温度不高，只要烧咀和氧枪的位置方向适当，过剩空气不多，电极周界的消耗就不甚严重。3.4.5 降低电极消耗的措施为了降低电极消耗，主要应提高电极质量，缩短冶炼时间，防止因设备和操作不当造成电极折断事故。为了减少石墨的氧化，国内外都在试验电极涂层的办法。对涂层要求以下性能：在高温下难以氧化；即使在高温下，涂层和电极也能粘结完好；导电率高，与电极接触电阻不大于电极的电阻。日本曾在电极表面同时喷涂两种金属（铁和铝或镍和铝）作为保护层，在40t电弧炉上试验结果，能使同样直径的电极单耗降低30%，周界表面氧化消耗减少60%。电极在使用过程中要特别注意以下几点：1）在接电极时，要先清除掉接头里的灰尘。在接头的时候，电极接头和电极端部要对中，使用的力量要平稳，均匀。把持器夹持电极时，一定要避开接头部分。否则，电极螺纹部分易变形，甚至破裂，致使在操作过程中连接部分易于松脱。另外，接头处如有灰尘或其它脏物，将使电阻增加，浪费电力并产生过热，甚至造成接头部分断裂。接头部位松动也会造成电极过热和断裂。松脱的接头导电率降低40%，强度只有正常的50%。2）在装料时，为减少熔化过程中塌料对电极的冲击，大块料（含料篮内配加石灰）要装在料篮底部，这样电弧炉加料时这些料将靠近炉底。因石灰不导电，因此在熔炼造渣时应在熔池基本形成时加入，避免加在废钢表面造成电极“穿井”困难，进而可能折断电极。导电不良的炉料如渣钢亦然。3）熔化期极易发生塌料现象，操作时要特别小心。另外要求电极调节控制机构反应要快。4）精炼期如钢液碳过低，应采用加碳球进行增碳，如将电极插入熔池增碳，这样会使受到浸渍部分的电极变细，从而使电极容易脱落或折断，所以采用电极增碳必须严禁。电极及电极接头是很贵重的，在贮运及堆放过程中要特别仔细，不允许乱扔，尤其对端部螺纹部分要保护好。3.5 炼钢用耐火材料耐火材料是钢铁冶金必不可少的重要辅助材料之一，耐火材料的质量和使用寿命对电炉、精炼炉和连铸机的生产率、钢的质量和生产成本都有重要的作用。为保证生产的顺利进行，做到高产、优质、低耗、低成本、高效益，其中之一就是要合理选用好的耐火材料。3.5.1 耐火材料定义耐火材料一般是指耐火度在1580以上的无机非金属材料。它包括天然矿石及按照一定的目的要求，经过一定的工艺（如破碎、磨细、筛分、配料，成型等）制成各种制品。它能承受气体、灰尘、溶渣、液态金属等物质的物化作用，且具有一定的高温力学性能、良好的体积稳定性，是各种高温设备必须的材料。3.5.2 耐火材料的主要性能指标电弧炉用耐火材料的主要性能指标包括：1）耐火度耐火材料在高温作用下达到特定软化程度时的温度叫耐火度。它表示材料抵抗高温作用而不熔化的性能。2）荷重软化温度耐火制品在承受高温和恒定压负荷的条件下，产生一定变形时的温度叫荷重软化温度。它代表耐火制品能够承受窑炉荷重和操作过程中产生的应力，在高温下不丧失结构强度，不发生软化变形和坍塌的能力。3）体积稳定性（重烧变化率）耐火材料（制品）在高温条件下长期使用时，相的成分发生变化，产生再结晶和进一步烧结现象，造成耐火材料（制品）的体积发生不可逆的膨胀或收缩，这种用体积变化百分数或线变化百分数表示的膨胀或收缩叫耐火材料（制品）的高温体积稳定性。它代表高温条件下耐火材料（制品）的体积稳定性。4）抗热震性耐火制品在温度急剧变化的条件下，重量失去一定比例时对应的急冷急热次数叫耐火制品的抗热震性。它代表耐火制品抵抗温度急剧变化的而不破坏的能力。5）抗渣性由于受到到液态、气态或固态物质的化学作用，耐火材料会被侵蚀损坏，所造成的尺寸或重量变化叫耐火材料的抗渣性。它代表耐火材料在高温下抵抗熔渣侵蚀而不破坏的能力。6）高温耐压强度耐火材料（制品）在使用过程中常受到高温高速流动的火焰和烟尘的磨损、液态金属和熔渣的冲刷侵蚀，以及金属对砌体的冲击磨损，要求耐火材料要有一定的强度和耐磨性。耐火材料（制品）在高温下单位面积上所能承受的最大压力叫高温耐压强度。它代表耐火材料（制品）抵抗高温压应力的能力。7）导热系数耐火材料（制品）在单位温度梯度下，单位时间内垂直通过耐火材料（制品）单位面积的热量叫耐火材料（制品）的导热系数。它代表耐火材料（制品）的导热能力。3.5.3 耐火材料的分类1）按耐火材料成型特点按耐火材料成型特点可分为：定型材料和不定型材料2）按制品形状和尺寸按制品形状和尺寸分为：标型砖、异型砖、特异性砖、大异型砖以及坩埚、皿、管等特殊制品。3）按耐火度按耐火度分类，耐火材料可分为：普通耐火材料：耐火度15801770；高级耐火材料：耐火度17702000；特级耐火材料：耐火度20003000；超级耐火材料：耐火度3000。4）按化学性质按化学性质分为：酸性耐火材料；半酸性耐火材料；中性耐火材料；碱性耐火材料。5）按制造方法按制造方法分为不定型耐火材料；不烧制品；烧成制品；热压制品；熔铸制品；3.5.4 主要耐火材料的物相组成主要耐火材料的物相组成见表3.10。3.5.5 常用耐火材料1）镁碳砖用于电炉工作衬、电炉出钢口、钢包渣线区 。原料对镁碳砖性能的影响 镁砂原料，是生产镁碳砖的主要原料，MgO含量高 ，杂质相对就少，能降低方镁石晶体被硅酸盐分割的程度，尤其是B2O3的存在，会形成3MgOB2O3，其熔点只有1350，能大幅度降低镁砂的高温性能，同时促进MgO和C的反应，因此用作生产镁碳砖的镁砂，B2O3含量要控制在0.7%以下；生产出高质量的镁碳砖，须选择高纯镁砂，CaO/SiO22,体积密度3.34g/cm3,结晶发育良好，镁砂本身气孔率3%的镁砂。 碳素原料，作为镁碳砖主要原料之一的鳞片石墨，其主要特性如固定碳含量、灰分组成、耐氧化性能、粒度、性状及挥发分、水分等直接影响镁碳砖的性能和使用效果。生产镁碳砖所用的石墨原料SiO2含量3%，C含量95%, 鳞片石墨直径0.1mm，鳞片石墨的表3.10 主要耐火材料的物相组成耐火材料的种类主要矿物相伴随矿物相硅质材料鳞石英、方石英石英、玻璃相粘土质材料方石英、莫来石玻璃相高铝质材料莫来石、刚玉玻璃相刚玉质材料刚玉莫来石、玻璃相 镁质材料方镁石硅酸盐白云石质材料方镁石、氧化钙硅酸盐镁铬质材料方镁石、铬尖晶石硅酸盐尖晶石质材料尖晶石方镁石锆英石质材料锆英石玻璃相、斜锆石镁碳砖方镁石碳铝碳砖刚玉碳SiC、AI 、Si镁钙碳砖方镁石氧化钙碳锆碳砖氧化锆碳厚度0.02mm.。 结合剂，结合剂是镁碳砖生产的核心问题，结合剂质量的好坏直接影响到产品的质量，可用于镁碳砖结合剂的种类很多，如煤焦油、煤沥青、石油沥青、多元醇、合成树脂等。由于酚醛树脂的残碳多，与镁砂和石墨有良好的亲和性，容易把镁砂和石墨结合在一起，常温下容易在镁砂和石墨中铺开，是生产镁碳砖的良好结合剂，一般加入量5%左右为宜。 添加剂，为防止镁碳砖在使用过程中的碳氧化，需要添加各种金属元素来改善镁碳砖的质量，如Ca、Si-Al、 Mg-Al、 Mg来改进镁碳砖的质量，添加一定数量的Ca,可以提高制品在低温高温区域的抗氧化性能和制品的体积稳定性，添加Ca的镁碳砖适用于转炉喷嘴部位，出钢口及二次精炼盛钢桶渣线部位；添加Al、Si，高温下生成Al4C3、 SiC降低透气性，尤其是在氧化层生成的MgO-SiO2-Al2O3系玻璃相降低了透气性，起到了防止碳氧化作用，镁碳砖中加入金属Mg可形成此生访美式的致密层，提高制品的耐蚀性能。镁碳砖生产工艺要点根据使用条件，选择合理的临界颗粒，颗粒配比，适宜的石墨含量、外加剂；加料顺序一般为镁砂颗粒结合剂石墨镁砂细粉和添加剂的混合细粉，混合机应采用新型结构的高速高效带有加热设备的混合机；成型设备采用高压力压砖机，严格按照先轻后重，多次加压的操作规程，避免产生成型裂纹。有实力的镁碳砖厂选用真空脱气压砖机，适用于压制石墨含量高的材质，成型时几乎不产生裂纹，成型后的砖坯需进行防滑处理，即在砖坯表面涂布一层0.12mm的热硬性树脂，有利于搬运和砌筑施工。镁碳砖硬化处理的温度在200250升温制度如下：5060因树脂软化应进行保温，100110溶剂排除应保温，200250形成碳化反应，进行保温。镁碳砖的特点具有较高的抗熔化性质，热膨胀和弹性模量小，高温强度大，热态抗蠕变性能好；缺点，在空气加热时容易氧化，降低其氧化速度是提高