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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 2020 2 12 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 2EBT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 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 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 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 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 2 P 5 FeO 4 CaO 4CaO P2O5 5 Fe H 0 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 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 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 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20 30 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 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 济源职业技术学院 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 济源职业技术学院 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 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 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 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 W17 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80 120kWh 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700 800 排出时为150 200 每罐料预热30 40min 可使废钢预热至200 250 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20 30kWh t 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100 150 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40 50kWh 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 shaftfurnace 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1200 1600 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600 700 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60 80kWh t 提高生产率15 以