第6章电炉炼钢

1、第六章,电炉炼钢,武汉科技大学冶金工程系,周进东,1,6.1,电炉炼钢概述,?,通,常,所,说,的,电,炉,炼,钢,是,指,电,弧,炉,(EAF,，,Electric,Arc,Furnace),炼钢，特别是碱性电弧炉炼钢,(,炉衬用碱性镁质,耐火材料,),，,电弧炉是采用电能作为热源进行炼钢。,?,传统电弧炉炼钢原料以,冷废钢,为主，配加,10%,左右的生,铁。,?,现代电弧炉炼钢除废钢和冷生铁外，使用的原料还有,直,接还原铁,(DRI,，,HBI),、,铁水,、,碳化铁,等。,2,6.1,电炉炼钢概述,?,按电流特性，,电弧炉可分为交流和直流电弧炉。,?,交流电弧炉,以三相交流电作电源，利用

2、电流通过三根石墨,电极与金属料之间产生电弧的高温来加热、熔化炉料。,?,直流电弧炉,是将高压交流电经变压、整流后转变成稳定的,直流电作电源，采用单根顶电极和炉底底电极。,?,通常用电弧炉的额定容量、公称容量来表示电弧炉的大小。,一般认为，电弧炉的公称容量,(,炉壳直径,)40t(4.6m),以下的,为小电炉，,50t(5.2m),以上的为大电炉。,3,6.1,电炉炼钢概述,4,6.1,电炉炼钢概述,?,1981,年，国际钢铁协会提议按电弧炉的额定功率分类电弧,炉。,?,对于,50,吨以上的电弧炉分类：额定功率,100,200kV,A/t,为,低功率电弧炉、,200,400,为中等功率、,400

3、,700,为高功率、,700,1000,为超高功率,(UHP,：,Ultra,High,Power),电弧炉。,?,对于,UHP,技术，近年来有炉子容量趋大、功率水平提高的,趋势，国外个别电弧炉的功率水平已超过,1000kV,A/t,，将,其称为超超高功率,(SUHP),电弧炉。,5,6.1,电炉炼钢概述,?,交流电弧炉超高功率化后可加速废钢熔化、缩短熔化时间，,改善热效率和总效率。,?,但随着电炉功率愈来愈高，同时也出现了电弧稳定性差、,电源闪烁、炉壁热点等问题，从而使直流电弧炉得到了发,展。,?,直流电弧炉比交流电弧炉的单位电耗、电极单耗和耐火材,料单耗都低，并且直流电弧炉不存在“冷点”问

4、题。,?,20,世纪,90,年代是直流电弧炉的年代，全世界已经投产和,50t,以上直流电弧炉已超过,100,台。可以说，直流电弧炉的,超高功率化已成为世界电炉发展的趋势。,6,6.2,电炉炼钢设备,?,电炉炼钢设备主要包括,机械设备,和,电气设备,。,?,电弧炉,近于球形体,，从减少散热表面积出发，以,球形为最,好,。现代电弧炉炉体,中部是圆桶形,，,炉底为弧形,，,炉顶为,拱形,。,?,作为发热体，电极端部的三电弧位于炉内中心部位。,三,电极分布在等边三角形顶点上。,7,6.2,电炉炼钢设备,8,6.2,电炉炼钢设备,6.2.1,电弧炉机械设备,?,电弧炉的构造为：,?,炉体,?,炉体倾动装

5、置,?,水冷炉盖,?,电极升降装置,9,6.2,电炉炼钢设备,（,1,）电弧炉的炉体,?,由金属构件和耐火材料砌筑成的炉衬两部分组成，金属构,件包括炉壳、炉门、出钢机构、炉盖圈和电极密封圈等。,10,6.2,电炉炼钢设备,（,2,）炉体倾动,?,为了便于电弧炉出钢和出渣，炉体应能倾动。是在炉底两,侧设置一对圆弧轨道，通过液压装置趋动炉体倾动。在加,料冶炼时靠机械设备维持炉子在水平位置。,11,6.2,电炉炼钢设备,?,倾动机构就是用来完成炉子倾动的装置，偏心底出钢电炉,要求向出钢方向能倾动,12,15,以出尽钢水，向炉门方,向倾动,10,15,以利出渣。,（,3,）水冷炉盖,?,主要用来关闭电

6、炉。水冷炉盖由钢结构框架和管式冷却盘,组成，此结构同时支撑管式抽气弯管，冷却盘由位于外径,的供水管供水。炉盖中心孔设一个锥形套环用来放置带孔,的耐火材料圈，电极穿过此孔做升降运动。,?,炉盖提升通过四点连接件与提升炉盖的悬梁相连，通过电,动卷扬机或液压缸带动连杆机构提升炉盖。,12,6.2,电炉炼钢设备,13,6.2,电炉炼钢设备,（,4,）电极横臂升降装置,?,电极横臂升降装置由支撑,横臂的,立柱,、,立柱导向装,置,（铸钢结构）、,电极升,降液压缸,以及,锁定装置,组,成。,?,控制电极升降的液压缸装,在立柱内，缸体固定在立,柱导向装置上。电极升降,是由电极升降调节系统所,控制的比例阀来调

7、节，从,而控制冶炼电流。,14,6.2,电炉炼钢设备,?,6.2.2,电弧炉电气设备,?,高压电源与隔离开关；,?,高压断路器；,?,电抗器；,?,变压器；,?,短网；,?,电极,15,6.2,电炉炼钢设备,?,高压电源与隔离开关,：高压电源一般为,10110KV,；隔离,开关主要用于电炉设备检修时，断开高压电源，有时也用,来进行切换操作。,?,高压断路器,：它的作用是使高压电路在负载下接通或断开，,并作为保护开关在电气设备发生故障时，自动切断高压电,路。,?,电抗器,：串联在变压器高压侧，其作用是增加电路中感抗，,以达到稳定电弧和限制短路电流的目的。,16,6.2,电炉炼钢设备,?,变压器,

8、：电弧炉的主要电气设备，其作用使降低输入电压,（一般为,200,527V,），产生大的电流（几千到几万安,培），供给电弧炉。,?,短网,：从变压器低压侧的引出线至电极的一段线路，约有,10,20m,，截面积大，通过电流大。,?,电极,：将变压器输入的电流引入熔炼室的导体,17,6.3,电弧炉炼钢原材料,?,电弧炉炼钢用原材料主要包括,废钢、生铁、软铁、合金材,料、造渣材料、氧化剂、脱氧剂及增碳剂,。,?,废钢,是电弧炉炼钢的主要原料。,?,在电弧炉炼钢中，生铁一方面作为,炉料的组成部分,，另一,方面用于,提高熔炼过程中钢液的含碳量,。（金属料中配入,生铁的比例一般不超过,30%,）。,?,软铁

9、也称精钢料，通常用电炉在新炉衬下冶炼出来的。它,的特点是含碳量低（,0.030.15%,），质地软，含磷量不大,于,0.02%,。,?,炼钢用合金材料包括铁合金和一些纯金属，铁合金是铁和,其他元素组成的合金。合金材料的主要作用是,调整钢液的,化学成分,（钢液的合金化）和,用作炼钢过程的脱氧,。,18,6.3,电弧炉炼钢原材料,造渣材料,?,石灰是,碱性电弧炉造渣,的主要材料。,?,萤石的主要作用是,降低炉渣的熔点,，,提高炉渣的流性,，而,不降低炉渣碱度。,?,下铸法浇注后的汤道砖和中注管砖石废弃物，可用做造渣,材料代替部分萤石。火砖块的主要成分为：,SiO,2,约,60%,，,Al,2,O,

10、3,约,40%,。火砖块可以稀释炉渣，改善炉渣的透气性，,有利于氧化泡沫渣的形成。但因火砖块含,SiO,2,较高，加入,过多会降低炉渣碱度，对,脱磷脱硫,不利。,19,6.3,电弧炉炼钢原材料,氧化剂,?,铁矿石的主要成分主要是,赤铁矿,和,磁铁矿,。,?,氧气,可以强化冶炼过程，缩短熔化氧化时间，降低电耗，,改善技术经济指标。,?,脱氧剂,主要有锰铁、硅铁、铝、硅锰合金、硅钙合金、炭,粉、硅铁粉、电石等。,增碳剂,?,在冶炼过程中为了使钢液增碳而往钢液中加入的物质叫增,碳剂。主要有电极粉、电极块、焦炭粉和生铁。,20,6.4,碱性电弧炉氧化法冶炼工艺,?,电炉冶炼工艺可分为氧化法、返回氧化法

11、和不氧化法三种,类型。,?,氧化法的特点是在冶炼工程有氧化期，能去碳、脱磷、去,除气体和夹杂，氧化法是最主要的炼钢方法。,?,传统电弧炉氧化法冶炼可分为,补炉、装料、熔化期、氧化,期、还原期和出钢,等阶段。现代电弧炉取消还原期。,21,6.4,碱性电弧炉氧化法冶炼工艺,（,1,）补炉,?,电弧炉炉衬指炉壁、炉底和炉顶。,?,电弧炉炉衬在熔炼过程中，除受到炉渣的化学侵蚀外，还,受原料及钢水的机械冲刷和电弧辐射的影响，而逐步被熔,损。,?,为了延长炉体寿命，保证熔炼的正常进行，防止意外事故,的发生，出钢后应根据情况进行补炉。,22,6.4,碱性电弧炉氧化法冶炼工艺,?,喷补本着,快补、薄补,的原则

12、，补炉材料的烧结温度极高，,镁砂约为,1600,，白云石约为,1540,。,?,由于补炉操作一般在停电情况下进行，材料的烧结全靠出,钢后炉内余热，故应抓紧时机，趁炉体还处于高温状态迅,速投补。,?,正常情况下，补炉后炉膛温度应高于,1200,，在特殊情况,下，也不应低于,1000,。,23,6.4,碱性电弧炉氧化法冶炼工艺,（,2,）配料,?,配料是电炉炼钢工艺中不可缺少的组成部分，它是根据冶,炼钢种的技术条件要求，合理搭配各种原料，在满足冶炼,结束后钢液的成分要求和操作工艺要求的前提下，尽可能,降低炼钢原料的成本。,?,配料的主要任务在于确定炉料的化学成分及其配比，以保,证冶炼钢种的化学成分

13、。,?,配料原则：合理利用返回料，尽量采用便宜的合金，尽可,能减少原材料的消耗。,?,一般钢种主要是配好碳，对于高合金钢还要配好主要合金,元素。,24,6.4,碱性电弧炉氧化法冶炼工艺,?,碳：,为保证氧化期的氧化脱碳，要求炉料熔化后钢中的碳,含量应高于成品规格下限的,0.3,0.4%,，熔化期碳含量有,0.2,0.3%,的损失,(,吹氧助熔约,0.3%),，则一般要求配碳量,高出钢种规格下限,0.5,0.7%,。,?,硅：,由炉料带入，要求炉料熔清后钢液中,w,Si,0.15%,。,?,锰：,由炉料带入，要求炉料熔清后钢液中,w,Mn,0.2%,。,?,磷：,碱性电弧炉氧化法冶炼能去除钢中的

14、磷，炉料中,P,最,好,0.06%,。,25,6.4,碱性电弧炉氧化法冶炼工艺,?,硫：,碱性电弧炉氧化法冶炼各期均可脱硫，炉料中,S,最好,0.08%,。,?,铬：,从炉料中带入，在炉料熔清后钢液中,Cr,应,0.03%,，,Cr,含量过高，经氧化生成的,Cr,2,O,3,进入炉渣，使炉渣变粘，,不利于脱磷脱碳反应，并增大氧气、矿石消耗，延长冶炼,时间。用,Cr,含量高的炉料冶炼非铬钢种也是一种浪费。,?,镍、钼、铜：,由炉料带入。在钢液中不易氧化，冶炼含镍、,钼、铜的钢种时，配入,Ni,的含量应控制在规格下限。对于,一般钢种要求分别,0.01%,。,26,6.4,碱性电弧炉氧化法冶炼工艺,

15、（,3,）装料,?,装料对熔化时间、合金元素烧损和炉衬寿命有很大影响。,装料应做到快和密实，以缩短冶炼时间和减少热损失。,?,炉料在炉内必须装得足够密实，最好一次装完，或者先多,装再补装的方法装料。,为了使炉内炉料密实，装料时应大、,中、小料合理搭配,，一般小料占,15,20%,、中料占,40,50%,，大料占,40%,左右。,27,6.4,碱性电弧炉氧化法冶炼工艺,布料原则为：,下致密、上疏松；中间高、四周低、炉门,口无大料，保证穿井快、不搭桥。,28,6.4,碱性电弧炉氧化法冶炼工艺,?,现代电炉装料方式有料斗,(,或叫料篮、料罐、料筐,),顶装料,和皮带装料两种方式。,?,我国目前一般采

16、用炉顶装料，事先将炉料按一定位置装在,料罐里，然后用吊车吊起由炉顶部位一次装入，这是一种,最快的装料方法，一般只用,3,5min,；,?,采用炉顶装料的块度可比炉门装料的大一些，炉门装料最,大允许的块度随炉门大小而定；,?,采用料罐装料，大块废钢、松散炉料均可装入炉内；并且,炉料在装炉后仍能保持它在料罐中的布料位置，比炉门装,料能更好地利用炉膛空间，实现合理布料，因而被广泛采,用。,29,6.4,碱性电弧炉氧化法冶炼工艺,（,4,）熔化期,?,熔化期的主要目的,是将固体炉料熔化成液体，以便在氧化,期和还原期改变钢液成分，去除有害杂质,(,硫、磷、碳、,氧、氮和氢,),和非金属夹杂物。,?,在熔

17、化期还应减少钢液的吸气，去除部分硫、磷，去除炉,料中的硅、锰、铝等元素。,?,熔化期是指从通电开始到炉料全部熔清为止。,熔化期占总,冶炼时间的,50,70%,左右，耗电量占全炉总电耗的,60,80%,左右。,30,6.4,碱性电弧炉氧化法冶炼工艺,?,熔化期任务：,在保证炉体寿命的前提下，将块状的固体炉,料快速熔化，并加热升温至氧化温度；造好熔化期炉渣，,以便稳定电弧，早期去磷，减少钢液吸气与挥发。,?,炉料的熔化过程：,通电后电极同固体炉料启弧，使炉料熔,化，而电极逐渐下降，直到电极同炉底液体钢渣直接启弧,为止。然后电极开始随液面的升高而缓慢抬升，直到炉料,全部熔清。,?,炉内炉料的熔化过程

18、大致分为启弧、穿井、电极抬升、熔,化末了四个阶段。,31,6.4,碱性电弧炉氧化法冶炼工艺,32,6.4,碱性电弧炉氧化法冶炼工艺,?,熔化期操作：,主要是合理供电、适时吹氧和尽快造渣。,?,这些操作是相互配合的，以达到快速熔化，并保证钢液成,分达到氧化期的要求。,33,6.4,碱性电弧炉氧化法冶炼工艺,（,5,）氧化期,?,电弧炉炼钢氧化期的任务主要是：,去,P,、氧化调整钢液含,碳量和升温、去除钢中气体,(N,、,H),和去除钢液中氧化物,夹杂。,?,氧化期脱碳。脱碳是炼钢中的一个重要过程，碳的氧化产,生,CO,气体，,CO,气泡使钢液沸腾并增大钢渣界面，可加速,脱磷。,?,炼钢工艺规定，

19、炉料的平均含碳量应超过钢的规定含碳量，,以便在氧化期中将这部分多余的碳氧化掉。,34,6.4,碱性电弧炉氧化法冶炼工艺,?,根据输入熔池氧的来源，碳的氧化分矿石氧化法、吹氧氧,化法和综合氧化法三种：,?,矿石氧化法。,矿石氧化法是一种间接氧化法。它是利,用,铁,矿,石,中,含,有,80,90%,的,高,价,氧,化,铁,(Fe,2,O,3,、,Fe,3,O,4,),，加入到熔池后转变成低价氧化铁,(FeO),，,FeO,进入钢液作为氧化剂氧化钢中的碳。,吹氧氧化法。,吹氧氧化法是一种直接氧化法，即直接,向钢液熔池吹入氧气，氧化钢液中碳、磷等元素。,?,35,6.4,碱性电弧炉氧化法冶炼工艺,?,

20、综合氧化法。,综合氧化法就是向熔池加入矿石和吹入,氧气，即矿石,-,吹氧脱碳法。这是目前生产中常用的,一种方法。,?,综合氧化法操作：,氧化前期加矿石、后期吹氧工艺。在氧,化顺序上，先脱磷再脱碳；在温度控制上，现低温后高温；,在造渣上，先大渣量脱磷，后薄渣层脱碳；在供氧上，先,矿石再吹氧。,36,6.4,碱性电弧炉氧化法冶炼工艺,（,6,）还原期,?,还原期也叫精炼期，通常是指氧化末期扒渣完毕到出钢这,段时间。,?,主要任务,是脱氧、脱硫、调整钢液的化学成分和调整钢液,温度到出钢温度。,?,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,

21、进行。,37,6.4,碱性电弧炉氧化法冶炼工艺,?,炼钢氧化期向钢液中吹入大量的氧来完成脱磷、脱碳、去,夹杂、脱气等任务，氧化期结束后，残留在钢中的氧对钢,质量极为有害。所以在还原期要脱去这部分氧。,?,电炉炼钢脱氧方法有三种：沉淀脱氧、扩散脱氧和综合脱,氧。,?,沉淀脱氧。,沉淀脱氧又叫直接脱氧，是直接向钢水,中加入脱氧剂,(,如,Si,、,Mn,、,Al,、,Ti,等,),与氧反应，生成,不溶于钢的稳定氧化物，由于生成物密度比钢液小,而上浮进入炉渣，以达到脱氧的目的。,38,6.4,碱性电弧炉氧化法冶炼工艺,?,扩散脱氧。,扩散脱氧又叫间接脱氧，是通过对炉渣,进行脱氧，破坏氧在渣钢间分配的

22、平衡，使钢中的,氧不断向渣中扩散，从而达到脱氧的目的。此法是,电炉炼钢特有而基本的脱氧方法。,综合脱氧。,综合脱氧是在还原过程中交替使用沉淀,脱氧和扩散脱氧的一种联合脱氧方法，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。,?,?,此法充分发挥了沉淀脱氧反应速度快和扩散脱氧不污染钢,水的优点。目前国内大部分钢种都采用综合脱氧。,39,6.4,碱性电弧炉氧化法冶炼工艺,（,7,）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,。,?,因出钢过程的钢,-,渣接触可进一步

23、脱氧与脱硫，故要求采,取“,大口、深冲、钢,-,渣混合,”的出钢方式。,40,6.4,碱性电弧炉氧化法冶炼工艺,（,8,）钢液的合金化,?,现代电炉冶炼工艺的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。,?,合金化操作主要指,合金加入时间,与,加入的数量,。,41,6. 5,废钢预热技术,?,电炉炼钢产生的高温废气温度约,1200,1400,，烟气的热,量可占到电弧炉热量总收入的,20%,左右，利用高温废气对,废钢进行预热从而达到降低电耗的目的。,?,目前废钢预热方法主要有：,?,连续电弧炉；,?,?,双壳电炉；,竖式电炉。,42,6. 5,废钢预热技术,（,1,）炉料连续预热法,?,炉料连续预热法的代表是,Consteel,工艺：用封闭式振动型,传送带将废钢连续送入电炉内，而高温废气则逆向流经废,钢上面对其进行预热。,?,Constee