第6章_电炉炼钢

钢铁冶金学钢铁冶金学 讲义讲义 炼钢部分 电炉炼钢及连铸炼钢部分 电炉炼钢及连铸 刘增勋刘增勋 冶金工程系冶金工程系 钢铁冶金学 炼钢部分 刘增勋 第六章 电炉炼钢 6 1 第六章第六章 电炉炼钢电炉炼钢 第一节第一节 电炉炼钢法概述电炉炼钢法概述 一 一 电炉分类 电炉分类 1 按设备结构 感应炉 电渣炉 等离子电弧炉 电弧炉等 其中 前三种一般 用于高级钢种 生产能力小 P246 内容内容 电炉主要是指电弧炉 2 按炉衬性质 酸性电炉和碱性电炉 为了脱 S P 电炉采用碱性炉衬 3 按供电性质 直流电炉和交流电炉 4 按输入功率 普通电炉和超高功率电炉 一般电炉炼钢主要是指 碱性电弧炉炼钢 是目前国内外生产特殊钢的主要方法 二 二 原理 原理 主要是利用电极与炉料间放电产生电弧 加热废钢使其熔化进行炼钢 三 三 优点 优点 1 热效率比较高 炉气带走热量少 一般可达 65 2 温度高 电弧区温度达 3000 以上 满足冶炼不同钢种的要求 3 可以控制炉内气氛 在冶炼的不同阶段 实现氧化或还原气氛 4 夹杂物含量低 炉内脱氧 有充分的时间去除非金属夹杂物 5 合金元素收得率高 还原气氛下合金化 尤其是贵重合金 6 钢成分和温度容易控制 炉内合金化和电加热 7 设备比较简单 占地少 投资省 建厂快 8 节省能源 能耗 800kw h 降至约 400kw h 是高炉长流程的 1 3 左右 四 四 缺点 缺点 1 电力供应 我国缺乏电力 造成电炉成本高 而美国电力充足 2 废钢来源 我国废钢少 工业国家废钢多 3 气体含量高 电弧使空气和水蒸气电离生成 H N 进入钢水 4 钢中残余元素多 Cu Ni Cr 等元素的富积 影响钢的质量 5 温度均匀性差 电弧是 点 热源 炉内温度分布不均匀 尤其是熔池平静时 各 种钢水温度相差较大 五 五 冶炼方法 冶炼方法 P237 内容内容 目前电弧炉冶炼方法归纳起来有三种 氧化法 不氧化法 返回吹氧法 返回吹氧法和 钢铁冶金学 炼钢部分 刘增勋 第六章 电炉炼钢 6 2 部分吹氧法 1 氧化法 也是重点讲述的内容也是重点讲述的内容 氧化法冶炼包括熔化 氧化 还原三个阶段组成 通过脱碳去除钢中的气体 可以脱 S P 调整钢的化学成份和温度 脱除非金属夹杂物等 氧化法冶炼对原材料条件的要求不十分苛刻 适应性强 料源很广 在电弧炉炼钢中应 用最广泛 目前至少有 90 以上的钢种是采用氧化法冶炼的 大多数的碳素结构钢 合金钢 和某些内在质量要求高的钢种 如滚珠轴水钢 弹簧钢 不锈钢等应用此法冶炼 缺点 操作步骤较多 冶炼时间较长 劳动强度较大势必影响到电弧炉生产来 电耗 炉体寿命等一系列技术经济指标的提高 2 不氧化法 在原料条件非常好时 熔化后 P 和碳符合要求 可以不采用氧化法冶炼 熔清后扒渣直 接进入还原期 这种方法时间短 消耗少 是一种经济的冶炼方法 但对原料条件要求很高 实际生产中一般无法达到 使用率很低 3 返回法 也称为 装入法 在合金钢连续不断合金钢连续不断的生产过程中 积下了大量的合金钢切头 切尾 废品和注余钢水 切屑和和汤道钢等 为了充分利用这些返回钢中的合金元素 降低钢的成本和提高生产率 炉料熔清后经过还原 调整成分和温度后可以出钢 在电弧炉冶炼过程中绝对的绝对的不氧化是没 有的 其所谓的不氧化是指与氧化法相对而言的 由于它没有氧化期 由于冶炼过程中不能除气和去磷 同时钢的化学成分基本上取决与 配料和成分 所以要求炉料尽可能的干燥 配料 化学成分和重量力求准确 在冶炼低合金 钢 不锈钢和高速钢等钢种是均可采用 4 返回吹氧法 返回吹氧法是冶炼低碳高铬不锈钢的一种特有方法 冶炼的理论依据是在高温条件下 C 和 O 的亲和力比某些合金元素和氧的亲和力大 返回吹氧法冶炼的基本过程是 采用本钢 种的返回料作为炉料 当炉料全部溶解并升高到一定温度时 即可吹氧脱碳吹氧脱碳 利用高温达到 脱碳保铬的目的 吹氧完毕进行预脱氧 加入部分的铁合金元素 炉渣进行初步还原 然后 再扒除炉渣 重新加入渣料作脱氧还原 最后调整钢的化学成分和温度后出钢 5 部分氧化法 根据原料情况和钢种要求 在氧化期内只脱除少量的碳 0 10 0 20 进行有限去 钢铁冶金学 炼钢部分 刘增勋 第六章 电炉炼钢 6 3 除气体和 P 即只进行部分氧化任务 总之 氧化法冶炼是最基本的冶炼方法 其它方法是在其基础上发展而来的 它可以 使用各种废钢来冶炼高质量钢种 也是最常用的冶炼方法 课程内容主要是氧化法冶炼课程内容主要是氧化法冶炼 六 六 氧化法冶炼的操作过程氧化法冶炼的操作过程 主要包括 补炉 装料 熔化期 氧化期 还原期和出钢六个阶段 钢铁冶金学 炼钢部分 刘增勋 第六章 电炉炼钢 6 4 第二节第二节 配配 料料 一 一 配料 配料 在冶炼前准备废钢的加入量 种类和成分等进行计算和准备 二 二 加入量 加入量 在早期的模注工艺中 应考虑浇注的钢锭总重量 浇余和汤道等 在连铸工艺中 不必 考虑这些事项 直接按电炉冶炼工艺的要求确定废钢的加入量 一般由电炉的公称容量来确 定 但多数电炉都有一定程度的超装 三 三 有害元素含量有害元素含量 针对不同的钢种 废钢中元素的作用也不相同 对一般碳素钢和低合金钢来说 常见的 有害元素包括 P S Cu 和 Ni 等 1 P 电炉有一定的脱磷能力 但脱磷量过高时会延长冶炼时间 增加电耗和石灰及矿石 用量 一般控制炉料中的 P1450 时 在氧化期才能 加入铁矿石氧化 否则 渣中 FeO 聚积太多 容易形成低温喷溅 五 五 缩短熔化期的措施缩短熔化期的措施 1 意义 1 生产率 熔化期约占冶炼时间的 50 2 电耗 电耗为总电耗的 影响成本 2 3 3 吸气量 熔化期越长 吸气时间越长 2 措施 P215 内容内容 1 提高变压器功率 电能占熔化需要热量的 90 即熔化速度主要决定于供电量 2 缩短短网长度 减少损耗 短网短网是指从变压器输出端到石墨电极的部分电路 3 增大电极直径 使用大电流 4 吹氧助熔 已经讲过 5 炉料预热或喷入燃料 加快废钢熔化 废气预热炉料 喷煤或喷油 6 提高设备性能 减少跳闸次数 7 减少热量损失 密封 及时关炉门 快速补炉和装炉 钢铁冶金学 炼钢部分 刘增勋 第六章 电炉炼钢 6 10 第六节第六节 氧化期氧化期 碱性电弧炉大多采用氧化法冶炼 所以都有氧化期 近年来 随冶炼工艺不断改进 以 前属于氧化期的任务已经在熔化期内完成了一部分 形成 熔氧结合 因此两个时期并无 严格分界 也有人把两个合并称为 熔氧期熔氧期 氧化期 一般是指从炉料全部熔化开始 到扒出所有氧化渣结束的冶炼过程 一 一 任务任务 1 脱除钢液中的 P 到规定的限度规定的限度 氧化期的氧化气氛能够脱磷 1 必须脱磷 还原期内不能脱磷 因此脱磷必须在氧化期内达到要求的程度 2 脱磷程度 尽管进行了扒渣 但炉壁 渣线或炉顶仍有残渣 在还原期内会还原 产生回磷 还原期内合金化时 合金料也会带入 P 氧化期末熔池内 P 应低于钢种要求 具体数据如如 P218 表表 6 7 所示 2 去除钢液中的气体 H 和 N 1 氧化期是电炉工艺中唯一的脱气环节 2 还原期内会产生吸气 导致 H 和 N 增加 3 脱气程度 氧化期末气体含量应低于钢种要求 防止还原期吸气后超标 熔清后 钢液中 在氧化期结束时 一般要求 4 5 7Hppm 60 120Nppm 2 5 4 0Hppm 40 60Nppm 3 去除钢液中的氧化物夹杂 夹杂物主要来源于三个方面 元素氧化产物 炉衬侵蚀物 炉料中的杂质 4 升高钢液温度 1 浇注要求出钢时应达到一定要求 熔化后温度较低 还原期造渣需要 2 氧气期的升温条件好 与还原期相比 熔池沸腾动力学条件好 温度均匀 泡沫渣埋弧 热效率高 升温不会导致吸气 3 升温要求 氧化期末温度 出钢温度 10 20 即还原期不宜升温 应该维持温度还原期不宜升温 应该维持温度 5 氧化调整钢液中的含碳量 1 脱碳沸腾搅拌熔池 完成上述任务的主要手段 也是配碳的主要目的也是配碳的主要目的 钢铁冶金学 炼钢部分 刘增勋 第六章 电炉炼钢 6 11 2 降低 C 到一定水平 还原期内存在合金增碳 造还原渣增碳和电极增碳 因 此氧化期末应保证 C 加上还原期增碳达到钢种的碳含量中限 即必须脱除到一定水 平 二 二 脱碳与各项任务的关系脱碳与各项任务的关系 1 与脱磷的关系 脱碳沸腾搅拌熔池 增加了钢渣界面 使脱磷速度提高 P220 图图 6 3 2 与脱气的关系 脱碳生成的 CO 气泡是 H 和 N 的真空室 如果吹氧脱碳 由于气 泡内是氧化气氛 因此使 H 形成 H2O 对脱 H 更有利 3 与去除夹杂的关系 搅拌促使夹杂聚积 CO 气泡黏附促使上浮 搅拌增加了钢渣界面 使夹杂物容易被炉渣吸收 4 与升温的关系 脱碳沸腾使氧化期升温更加容易 熔池沸腾 传热动力学条件改善 温度均匀 CO 使炉渣泡沫化 形成埋弧冶炼 提高了热效率 泡沫渣使炉衬受热 减少 有利于提高供电功率 一般不强调脱碳本身的热效应对升温的影响 因为 C O 反应的热效应作用很小 甚 至矿石脱氧是吸热反应 三 三 钢液氧化钢液氧化 1 矿石氧化 P221 内容内容 1 意义 在炉内加入铁矿石 使炉渣内具有足够的 FeO 来氧化钢液中的元素 2 特点 脱碳速度慢 在低碳区脱碳能力低 炉渣扩散的供氧速度低 脱碳速度约为 大部分 FeO 溶解在钢液和炉渣0 6 h 中 C 低时 C 的扩散限制了脱氧能力 临界值为 0 1 0 2 C 吸热反应 温度上升慢 耗电量大 Fe2O3的溶解和矿石升温是吸热反应 而脱碳热 效应不足以抵消吸热 因此矿石脱碳总体上吸热反应 脱脱 0 01 C 降低降低 3 脱磷能力强 FeO 在炉渣中容易聚积 温度上升慢 脱碳吸热 有利于脱磷 带入气体和其它杂质 矿石内的脉石和结晶水等 2 吹氧氧化 P222 内容内容 1 意义 用吹氧管直接向熔池吹入氧气 氧化钢液中的 C 和其它元素 钢铁冶金学 炼钢部分 刘增勋 第六章 电炉炼钢 6 12 2 特点 脱碳速度快 脱碳能力强 氧气向熔池内溶解速度快 并且放热反应使反应加快 脱碳速度约为脱碳速度约为 1 0 h 氧气的溶解比例大 氧气搅拌等原因 导致脱碳能力高 由此可以看出 电炉脱碳能力差 只能采用全废钢或少量铁水冶炼只能采用全废钢或少量铁水冶炼 放热反应 升温速度快 O2的溶解 氧化 Fe 元素 氧化 C 元素均为放热反应 脱磷能力差 升温快 FeO 少 甚至高温导致后期回磷 吹损大 大量 Fe 氧化 吹氧手段 自耗型吹氧管 外涂耐火材料 与熔化期的吹氧管相同 四 四 氧化期操作氧化期操作 P223 内容内容 电炉氧化期的操作有三种 矿石氧化法 吹氧氧化法和综合氧化法 1 矿石氧化 1 取样化验 根据 C P 含量 决定矿石加入量 残余成分应在配料时控制 否则会 影响连铸 这与模注根据其情况改钢号冶炼情况不同 2 测温 决定供电时间和矿石的加入时间 加入矿石时 必须保证熔池温度 1480 否则 脱碳反应因温度低而不容易进 行 导致炉渣内 FeO 积聚 温度升高后产生剧烈沸腾造成喷溅 3 造渣脱磷 随矿石一起 在炉内加入石灰和萤石 要求 成分 保证炉渣碱度 2 0 3 0 左右 FeO 约 15 渣量 前期渣量为钢液的 3 4 后期渣量减少到 2 3 流渣 性能 保持良好的流动性和气泡性 4 加矿石氧化 在温度合适后 开始加入矿石 矿石总量 可根据经验值控制 一般脱碳 0 01 C 需要吨钢 1Kg 矿石 分批加入 人工从炉门分批加入 应视沸腾情况少量慢加 保持持续沸腾 避免沸 腾过于集中 一般分三批加入矿石 具体工艺见 P223 P224 内容 在氧化过程中可以取样分析 以调节造渣和矿石加入量 自动流渣 P223 在加入第一批矿石后 CO 气泡增加导致熔池上涨 炉渣从炉门自 动流入渣罐 在操作上应促使自动流渣 因为排出前期的富 P 渣以防止温度升高后防止温度升高后 钢铁冶金学 炼钢部分 刘增勋 第六章 电炉炼钢 6 13 回磷回磷 5 纯沸腾 加完最后一批矿石后 熔池继续保持自然沸腾 利用碳氧反应以减少熔化 内氧含量 时间一般为 10min 左右 锰沸腾锰沸腾预脱氧 在碳含量较低时 0 10 总体脱碳量 0 20 0 30 一般在 0 30 0 50 钢铁冶金学 炼钢部分 刘增勋 第六章 电炉炼钢 6 14 3 纯沸腾或 Mn 沸腾 停止吹氧后 计算纯沸腾时间 工艺与矿石氧化相同 4 扒渣和增碳 与矿石方法相同 钢铁冶金学 炼钢部分 刘增勋 第六章 电炉炼钢 6 15 第七节第七节 还原期还原期 氧化期内向熔池供氧 使熔池造成沸腾 完成脱磷脱气等各项任务 同时也使熔池内含 有一定量的溶解氧 在氧化期后必须脱氧 电弧炉炼钢的特点之一是可以控制炉内气氛 还 原期可以造还原性炉渣 还原期还原期 是指从扒完全部氧化渣开始 到出钢之前的冶炼时期 一 一 任务任务 P231 内容内容 1 脱除钢液中的氧 包括 熔池内的溶解氧 炉壁 炉顶和渣线等部位的残余氧化渣 2 去除钢液中的硫 氧化期有一定的脱硫能力 但主要脱硫任务在还原期内完成 3 调整钢液成分到钢种要求范围 采用铁合金调整 4 调整钢液温度到出钢温度 电弧加入 小范围调整 尽量减少还原期提温 二 二 还原期内各任务之间的关系还原期内各任务之间的关系 1 脱氧与脱硫的关系 基本原理已经讲过 1 脱硫必须脱氧 脱氧和脱硫是同时发生的 2 电炉脱硫能力高 由于高 R 高 T 低 FeO 和脱氧作用 电炉脱硫分配系数 脱硫率 70 与渣量等有关 钢液中的 S 可以达到30 50 S L 0 006 0 010 S 3 熔池内脱硫不平衡 还原期内熔池搅拌弱 反应不平衡 应加强搅拌 吹气 机械 等 实际生产中采用钢渣混出钢渣混出工艺 增加钢渣界面 促使脱硫进行 2 脱氧与合金化 基本内容已经讲过 其特点其特点为 1 炉内炉内脱氧及合金化 操作时间可延长 工艺操作方便 与转炉相比 2 先脱氧而后合金化 可以提高合金元素的收得率 3 成分稳定性好 脱氧后收得率稳定 可以化验并补加合金料 三 三 脱氧脱氧 基本内容已经讲过 基本内容已经讲过 1 脱氧方式有四种 沉淀脱氧 钢渣界面脱氧 炉渣脱氧和真空脱氧 2 电炉脱氧 可以采用前三种 1 冶炼普通质量钢时 一般采用沉淀脱氧法 2 冶炼优质钢和高级优质钢时 采用综合脱氧法 即同时采用沉淀脱氧 钢渣界面脱 钢铁冶金学 炼钢部分 刘增勋 第六章 电炉炼钢 6 16 氧和炉渣脱氧三种方法 3 扩散脱氧 以前认为电炉 扩散脱氧 是首先降低渣中 FeO 含量 通过 O 在钢渣间 的平衡 使钢中氧含量降低 目前 普遍认为在实际生产中这种方式不能成立 3 综合脱氧工艺 1 沉淀脱氧 操作分为两部分 预脱氧 目的是脱氧 为合金化做准备以及钢渣界面脱氧提高合金元素 操作 在在 扒完氧化渣后扒完氧化渣后 在炉内加 Al Si Ca Si Mn Fe Mn 等块状脱氧剂进行预脱氧 应尽量采用复合脱氧剂 脱氧能力如 P228 图图 6 8 所示所示 终脱氧 目的是深脱氧 为钢渣混出时进一步钢渣界面脱氧做准备 操作 在出钢在出钢 前前 5 分钟插 Al 终脱氧 2 钢渣界面脱氧 反应分为两部分 炉内钢渣界面脱氧 利用预脱氧时加入到钢液中的脱氧元素在炉内界面脱氧 钢包内钢渣界面脱氧 出钢是在钢包内利用钢渣界面增加进一步界面脱氧 3 炉渣脱氧 在炉内进行在炉内进行 是为钢包内界面脱氧做准备 操作 在炉内向炉渣表面加粉状脱氧剂粉状脱氧剂 直接脱除炉渣中 FeO MnO 等氧化物 作用 提高炉渣还原能力有利于脱硫 为炉内和钢包内的界面脱氧提供保证 提高 合金收到率 减少炉气中 O 对熔池的危害 重要性 虽然炉渣脱氧不是最终目的 但它的作用很大 是影响还原期操作和时间 的主要因素之一 在电炉综合脱氧工艺中 钢液中最终 O 含量决定于钢渣界面脱氧 四 四 钢液成分的调整钢液成分的调整 1 合金料的加入原则 P229 内容内容 1 加入顺序 按是否容易氧化加入 不氧化元素 和 Fe 相比 与氧结合能力差的元素 如 Cu Ni Mo 等 可以在任 何时间加入 较易氧化元素 如 Mn P Cr 等在还原期加入 或早或完 极易氧化元素 或贵重元素 如 Al V Nb Ti B 等 在还原末期或出钢时加入 钢铁冶金学 炼钢部分 刘增勋 第六章 电炉炼钢 6 17 2 加强搅拌 还原期熔池搅拌能力差 应较强搅拌 3 合金料烘烤 加入量的合金料应烘烤 以减少温降和加快溶解 4 铁合金选择 尽量选择成本低的合金料 如高碳铬铁 5 中下限控制 尤其是对应贵重元素或含量大的元素 可降低成本 6 成分范围控制 尽量减少成分波动 使连铸各炉之间性能保持稳定 2 合金料加入量 根据钢种要求 合金料合金含量 合金吸收率和钢水重量来确定加入量 使成分控制在 中限附近 1 在钢中合金含量不高时 可以不考虑合金料加入对钢水成分的影响 则合金加入量 为 单位 Kg 12 Q 1000 EE E 上上上 式中 钢种元素成分中限 钢液残余元素成分 1 E 2 E 合金料中元素含量 钢水重量 吨 EQ 合金收到率 常见元素的吸收率如 P230 表表 6 8 所示 2 在钢中合金含量较高时 因合金料加入量大 必须其对钢水总重量的影响 单位 Kg 12 1 Q 1000 EE EE 上上上 可以用物料平衡计算推导上式 五 五 脱氧合金化 脱氧合金化 在电炉炼钢工艺中 在氧化期结束后有两种处理方法 1 还原期脱氧合金化 采用综合脱氧制度 在炉内制造还原气氛并脱氧脱硫 在传统 工艺中 均采用还原期脱氧工艺 2 包内脱氧合金化 采用炉底出钢或扒渣后出钢 在钢包内脱氧合金化 在以下两种 情况下采用此工艺 普通电炉 在冶炼对纯净度要求不高钢种时 氧化期后 S 满足要求 可采用此工艺 超高功率电炉 采用偏心炉底出钢时 在包内合金化 并利用 LF 进行精炼处理 相对于把电炉的还原期移动到 LF 中进行 大大提高了电炉的生产率和与连铸的匹 钢铁冶金学 炼钢部分 刘增勋 第六章 电炉炼钢 6 18 配能力 这是目前超高功率电炉最常用的方法这是目前超高功率电炉最常用的方法 以下主要介绍普通电炉还原期的操作工艺 其工艺过程也可以在其工艺过程也可以在 LF 精炼中借鉴精炼中借鉴 六 六 还原期操作工艺还原期操作工艺 还原期有两种操作方法 白渣法和电石渣法 对于大多数钢种均采用白渣法冶炼 以下 主要讲述白渣法的操作过程 P232 内容内容 白渣法操作白渣法操作 采用碳粉和硅铁粉还原炉渣 良好的还原渣在冷却后成白色 因此称为 白渣法操作 1 造稀薄渣 在扒除全部氧化渣后 在炉内造稀薄渣 1 目的 防止吸气和降温 2 渣料 保证熔点低 熔化快和流动性好 渣料配比 石灰 萤石 火砖块 3 1 0 5 3 渣量 为还原期总渣量 3 6 的 50 以上 约为 2 5 左右 4 供电 大功率供电 220V 使炉渣快速熔化 5 时间 5 分钟左右可形成稀薄渣 并用木耙搅拌 6 颜色 一般为深黄色 6 9 FeO 2 加预脱氧剂 稀薄渣造好后 加入预脱氧剂 1 脱氧剂种类 FeMn FeSi MnSi Al 等 应根据钢种选择 2 选择 应以复合脱氧剂优先 用 Al 预脱氧不经济 除了铝镇静钢外一般不使用 3 加入量 根据钢种要求加入 可以按 100 吸收率加入到中限值 实际吸收率决定于 熔池氧含量 3 补加渣料 在加预脱氧剂的同时 应补加石灰 1 目的 Si 脱氧形成 SiO2 加入石灰保持炉渣高碱度 促使脱氧 脱硫和保护炉衬 2 加入量 使炉渣总量保持在 4 6 左右 3 搅拌 用木耙推动炉渣 促使炉渣熔化和脱氧剂溶解 4 炉渣脱氧 在补加渣量基本化好后 加入粉状脱氧剂对炉渣脱氧 造还原渣加入粉状脱氧剂对炉渣脱氧 造还原渣 1 目的 造还原渣 有利于脱氧 界面 脱硫 减少合金料消耗 2 脱氧剂 粉状的碳粉和硅铁粉 碳粉 1 5 3Kg t 硅铁粉 4 6Kg t 3 加入方式 首先人工加入碳粉 均匀洒在渣面上 关闭炉门 碳粉与 FeO 及炉气 钢铁冶金学 炼钢部分 刘增勋 第六章 电炉炼钢 6 19 中的 O2反应生成火焰 在炉内形成还原气氛 火焰减弱后 分三批加入硅铁粉 加入硅铁粉的同时 应补加石灰和碳粉 保持高碱度和还原气氛 1Kg 硅铁粉补 加石灰 3Kg 左右 4 搅拌 促使脱氧反应进行 5 白渣 不断用钢棒粘出渣样 脱氧良好的还原渣 冷却后表面成白色泡沫状 并在 冷却过程中粉化 6