铁合金冶金学1

1、铁合金冶金学铁合金冶金学主讲人：杨吉春主讲人：杨吉春内蒙古科技大学内蒙古科技大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院讲授内容讲授内容 第一章第一章 概述 第二章第二章 铁合金生产的电冶金理论基础 第三章第三章 原料及冶炼前的准备 第四章第四章 铁合金生产原理 第五章 铁合金精炼技术 第六章第六章 矿热炉的参数 第七章第七章 技术经济指标 第八章第八章 常见问题的处理方法 第九章 环境保护和综合利用第一章第一章 概述概述 中国需要多少钢中国需要多少钢 世界钢产量及硅铁合金需求量世界钢产量及硅铁合金需求量 铁合金生产存在的问题铁合金生产存在的问题 主要铁合金生产企业简介主要铁合金生产企业简介 铁合

2、金的用途铁合金的用途 铁合金的种类铁合金的种类 铁合金质量对钢质量的影响铁合金质量对钢质量的影响 铁合金的加入方式铁合金的加入方式 铁合金的生产方法铁合金的生产方法中国需要多少钢中国需要多少钢从世界各国发展的经验来看，发达国家钢产量在达从世界各国发展的经验来看，发达国家钢产量在达到一定规模后开始回落，之后将保持一定的需求量，到一定规模后开始回落，之后将保持一定的需求量，即即钢材需求的饱和点钢材需求的饱和点。如：美国。如：美国19731973年，年，1.371.37亿吨；亿吨；日本日本19731973年，年，1.191.19亿吨；前苏联亿吨；前苏联19881988年，年，1.631.63亿吨。亿

3、吨。钢材消耗量及消费强度和国内生产总值及结构间的钢材消耗量及消费强度和国内生产总值及结构间的关系关系 1)1)基础建设阶段：钢材消耗量及消费强度随国内基础建设阶段：钢材消耗量及消费强度随国内生产总值的增加而增加；生产总值的增加而增加； 2)2)加速工业化阶段：钢材消耗量及消费强度有可加速工业化阶段：钢材消耗量及消费强度有可能不变，消费强度出现徘徊或降低，但钢材消耗量能不变，消费强度出现徘徊或降低，但钢材消耗量会继续增加；会继续增加； 3)3)发达阶段：钢材消耗量及消费强度下降。发达阶段：钢材消耗量及消费强度下降。中国需要多少钢中国需要多少钢我国处于第二阶段，且处于我国处于第二阶段，且处于212

4、1世纪，不会再走过去的世纪，不会再走过去的老路（先工业化后信息化），而是走传统产业和高新老路（先工业化后信息化），而是走传统产业和高新技术产业及第三产业协同发展的路子。此外，我国基技术产业及第三产业协同发展的路子。此外，我国基础差、人口多、地区发展不平衡，钢材消耗量大的阶础差、人口多、地区发展不平衡，钢材消耗量大的阶段会持续时间长一些。段会持续时间长一些。如：如：19551955年年19701970年，我国国民生产总值人均年，我国国民生产总值人均8910989109美元，钢材消耗量美元，钢材消耗量30514203051420万吨，消费强度万吨，消费强度0.088kg/0.088kg/美元美元0

5、.267 kg/0.267 kg/美元；美元；19701970年年19951995年，我国国民生产总值人均年，我国国民生产总值人均109537109537美美元，钢材消耗量元，钢材消耗量142013194142013194万吨，消费强度万吨，消费强度0.267kg/0.267kg/美元美元0.142 kg/0.142 kg/美元；美元；符合加速化工业阶段的一般情况。符合加速化工业阶段的一般情况。中国需要多少钢中国需要多少钢 设想：设想：人均国民生产总值达到人均国民生产总值达到1200012000美元，国内生美元，国内生产总值产总值180000180000亿美元，消费强度亿美元，消费强度0.01

6、6kg/0.016kg/美元（美国美元（美国标准），将需要钢材约标准），将需要钢材约3 3亿吨。亿吨。钢材消耗量及消费强度和人口的关系钢材消耗量及消费强度和人口的关系 目前，发达国家：目前，发达国家：300-500kg/300-500kg/人，人，20022002年我国：年我国：141 kg/141 kg/人；人； 地区发展不平衡，发达程度不一样，东南沿海已经地区发展不平衡，发达程度不一样，东南沿海已经或正在进入中等发达程度，这一区域人口约或正在进入中等发达程度，这一区域人口约4.54.5亿，粗亿，粗略计算：略计算：4.54.53501.573501.57亿吨亿吨 10.510.51801.8

7、91801.89亿吨亿吨 合计：合计：3.463.46亿吨亿吨钢材消耗量及消费强度和制造业的关系钢材消耗量及消费强度和制造业的关系 我国是机电产品出口大国，钢材消耗量会有所增加。我国是机电产品出口大国，钢材消耗量会有所增加。综合以上因素，我国钢产量还会有较大的发展空间，综合以上因素，我国钢产量还会有较大的发展空间，约约3-3.53-3.5亿吨。亿吨。 世界钢产量及硅铁合金需求量世界钢产量及硅铁合金需求量过去两年，全球粗钢产量约维持过去两年，全球粗钢产量约维持6%6%的增长速度。的增长速度。20032003年的粗钢产量为年的粗钢产量为9.639.63亿吨，亿吨， 20042004年粗钢产量增长为

8、年粗钢产量增长为10.210.2亿吨。亿吨。铁合金是由一种或两种以上的金属或非金属元素与铁铁合金是由一种或两种以上的金属或非金属元素与铁元素组成的，并作为钢铁和铸造业的脱氧剂、脱硫剂元素组成的，并作为钢铁和铸造业的脱氧剂、脱硫剂和合金添加剂等的合金。和合金添加剂等的合金。铁合金是炼钢和铸钢的重要原料，它能改善钢的物理铁合金是炼钢和铸钢的重要原料，它能改善钢的物理化学和机械性能，提高钢的质量。化学和机械性能，提高钢的质量。铁合金生产与钢铁工业发展有密切联系。铁合金生产与钢铁工业发展有密切联系。世界钢产量及硅铁合金需求量世界钢产量及硅铁合金需求量在生产铁合金的方法中电炉法是生产铁合金的主要方在生产

9、铁合金的方法中电炉法是生产铁合金的主要方法，其产量占铁合金总产量的法，其产量占铁合金总产量的7070以上。以上。随着钢铁生产连铸比的不断提高和炉外精炼技术的大随着钢铁生产连铸比的不断提高和炉外精炼技术的大力推广，近年来我国硅钙铁合金及其他硅系碱土金属力推广，近年来我国硅钙铁合金及其他硅系碱土金属复合脱氧、复合脱氧、“改性改性”铁合金（铁合金（Si-BaSi-Ba，Si-Ba-CaSi-Ba-Ca，Si-Si-Ba-Ca-AlBa-Ca-Al等）的需求量有较大幅度增长。等）的需求量有较大幅度增长。我国生产的铁合金其中大约有三分之一是硅铁产品，我国生产的铁合金其中大约有三分之一是硅铁产品，硅铁在铁

10、合金生产中占有举足轻重的地位。硅铁在铁合金生产中占有举足轻重的地位。世界钢产量及硅铁合金需求量世界钢产量及硅铁合金需求量由于世界能源危机，劳动力费用及环保费用的增加，由于世界能源危机，劳动力费用及环保费用的增加，一些发达国家的硅铁工业逐渐减产或下马，硅铁工业一些发达国家的硅铁工业逐渐减产或下马，硅铁工业逐渐由发达国家转向发展中国家。受国内外市场的影逐渐由发达国家转向发展中国家。受国内外市场的影响，我国的硅铁工业迅猛发展，并逐步向大型化，机响，我国的硅铁工业迅猛发展，并逐步向大型化，机械化，普及化的方向发展，其生产装备能力已经远大械化，普及化的方向发展，其生产装备能力已经远大于国内的需求，必须靠

11、保持和争取更多地出口来解决。于国内的需求，必须靠保持和争取更多地出口来解决。硅铁生产是能耗高、烟尘污染重的过程。在国际石油硅铁生产是能耗高、烟尘污染重的过程。在国际石油价格上涨之后，国外能源紧张，许多发达国家如日本、价格上涨之后，国外能源紧张，许多发达国家如日本、美国等国内不愿生产，大多由国外进口。美国等国内不愿生产，大多由国外进口。 世界钢产量及硅铁合金需求量世界钢产量及硅铁合金需求量日本每年需消耗日本每年需消耗5050多万吨硅铁，自己只生产多万吨硅铁，自己只生产6 6万吨，每万吨，每年进口年进口40404545万吨。万吨。 美国近几年硅铁年消耗为美国近几年硅铁年消耗为37374747万吨，

12、国内只生产万吨，国内只生产26263030万吨，其余靠进口。万吨，其余靠进口。 19861986年我国硅铁每吨达年我国硅铁每吨达90090010001000美元，这种情况大大美元，这种情况大大促使了我国硅铁的发展，尤其是地方铁合金的迅猛发促使了我国硅铁的发展，尤其是地方铁合金的迅猛发展，几乎形成展，几乎形成“全民炼硅铁全民炼硅铁”的局面，乡镇、生产队的局面，乡镇、生产队甚至个人多建设上马快、装备简陋、见效快的小容量甚至个人多建设上马快、装备简陋、见效快的小容量硅铁炉。硅铁的生产装备能力远大于国内需求，造成硅铁炉。硅铁的生产装备能力远大于国内需求，造成必须靠部分出口来解决平衡的姿态。必须靠部分出

13、口来解决平衡的姿态。世界钢产量及硅铁合金需求量世界钢产量及硅铁合金需求量20032003年，我国铁合金表观消费量是年，我国铁合金表观消费量是469.02469.02万吨，万吨，按照目前我国钢产量的增长幅度，预期按照目前我国钢产量的增长幅度，预期20102010年年国内市场对铁合金的需求量应在国内市场对铁合金的需求量应在720720万吨至万吨至760760万吨。万吨。 目前，全国铁合金生产能力预计在目前，全国铁合金生产能力预计在850850万吨以上，万吨以上，加上在建、拟建的项目，总生产能力很快将超加上在建、拟建的项目，总生产能力很快将超过过10001000万吨。万吨。其中锰、硅、铬等三大品种的

14、生产能力及占铁其中锰、硅、铬等三大品种的生产能力及占铁合金生产能力的比合金生产能力的比 重分别为：锰系铁合金重分别为：锰系铁合金320320万吨，占万吨，占4040；硅系铁合金；硅系铁合金260260万吨，占万吨，占32.532.5；铬系铁合金铬系铁合金110 110 万吨，占万吨，占 13.713.7。世界钢产量及硅铁合金需求量世界钢产量及硅铁合金需求量20002000年年-2003-2003年，我国粗钢每年增产量在年，我国粗钢每年增产量在20002000万万-3000-3000万吨左右，而铁合金的需求量每年增加万吨左右，而铁合金的需求量每年增加4040万万-60-60万吨左万吨左右。如果按

15、我钢铁工业目前的发展速度估算：右。如果按我钢铁工业目前的发展速度估算：20052005年年我国粗钢产量将达我国粗钢产量将达2.72.7亿吨，年均增加粗钢量亿吨，年均增加粗钢量 30003000万万吨，年均增加铁合金需求吨，年均增加铁合金需求6060万吨左右，年表观消费铁万吨左右，年表观消费铁合金合金600600万吨左右。万吨左右。初步估算，我国现有的铁合金生产能力至少可以满足初步估算，我国现有的铁合金生产能力至少可以满足生产生产4 4亿吨粗钢的需求量，已大大超过了粗钢增长的需亿吨粗钢的需求量，已大大超过了粗钢增长的需求，更远远超过了国内、国际资源，特别是矿产资源求，更远远超过了国内、国际资源，

16、特别是矿产资源的承受能力。的承受能力。 铁合金生产存在的问题铁合金生产存在的问题我国的硅铁的生产能力虽然很大，但炉子的容量小，我国的硅铁的生产能力虽然很大，但炉子的容量小，装备水平较差，产品质量不稳定，能耗和成本高，污装备水平较差，产品质量不稳定，能耗和成本高，污染严重，在国际市场上的竞争力差。产品价格有所降染严重，在国际市场上的竞争力差。产品价格有所降低，一些硅铁厂因亏损，不得不减产、转产或停产。低，一些硅铁厂因亏损，不得不减产、转产或停产。我国硅铁的牌号分类太粗糙，造成一定程度的浪费。我国硅铁的牌号分类太粗糙，造成一定程度的浪费。不管是炼钢用还是铸造用，我国硅铁中的硅含量普遍不管是炼钢用还

17、是铸造用，我国硅铁中的硅含量普遍较高。如美国炼钢用的牌号较高。如美国炼钢用的牌号G GE E硅铁中含硅仅硅铁中含硅仅14.014.017.017.0，杂质的含量要求很松。而我国的硅铁中的硅含，杂质的含量要求很松。而我国的硅铁中的硅含量最低的是量最低的是40.040.047.047.0，杂质含量也很低，当炼这种，杂质含量也很低，当炼这种钢时肯定会造成浪费。当炼钢用牌号钢时肯定会造成浪费。当炼钢用牌号A AB B的硅铁时要求的硅铁时要求硅含量为硅含量为92.092.095.095.0，而我国硅铁中的硅含量最高的，而我国硅铁中的硅含量最高的是是87.087.095.095.0，这样我国就不能炼这种钢

18、，限制了钢，这样我国就不能炼这种钢，限制了钢的品种。的品种。铁合金生产存在的问题铁合金生产存在的问题杂质元素的含量要求不高，甚至有些杂质元素杂质元素的含量要求不高，甚至有些杂质元素的含量根本没要求。我国硅铁中的杂质含量要的含量根本没要求。我国硅铁中的杂质含量要求不高，如求不高，如MnMn最低是最低是0.40.4，P P最低是最低是0.0350.035，而，而美国的美国的MnMn最低是最低是0.25,P0.25,P最低是最低是0.0250.025。这样我。这样我国的钢铁企业向纯净钢的方向发展就缺乏前提国的钢铁企业向纯净钢的方向发展就缺乏前提条件。条件。我国的硅铁中仅要求了我国的硅铁中仅要求了Al

19、Al、CaCa、MnMn、CrCr、P P、S S、C C的最高含量，对于的最高含量，对于TiTi、CaCa、B B、CuCu、NiNi等元素等元素根本没有要求它们的含量，这样我国就不能冶根本没有要求它们的含量，这样我国就不能冶炼某些特种钢。炼某些特种钢。铁合金生产存在的问题铁合金生产存在的问题我国的硅铁生产水平比世界先进水平有一定的差距，我国的硅铁生产水平比世界先进水平有一定的差距，但其质量水平也不是很差，与有的发达国家相比还有但其质量水平也不是很差，与有的发达国家相比还有很大的优势。很大的优势。我国的硅铁与美国比起来是存在一定的差距，但与日我国的硅铁与美国比起来是存在一定的差距，但与日本、

20、德国、法国等比起来还是有很大的优势的。所以，本、德国、法国等比起来还是有很大的优势的。所以，我国在保持原有的水平下，应开发新品种，降低杂质我国在保持原有的水平下，应开发新品种，降低杂质元素的含量，以便更好地为我国的钢铁企业服务。元素的含量，以便更好地为我国的钢铁企业服务。在我国恢复了关贸总协定缔约国地位的形势下，我国在我国恢复了关贸总协定缔约国地位的形势下，我国硅铁企业面临的是一个极好的机遇和挑战，应该抓住硅铁企业面临的是一个极好的机遇和挑战，应该抓住机遇，大胆改革，逐步向机遇，大胆改革，逐步向大型化，机械化，普及化的大型化，机械化，普及化的方向发展尽快与世界水平接轨。方向发展尽快与世界水平接

21、轨。主要铁合金生产企业简介主要铁合金生产企业简介广西八一铁合金集团广西八一铁合金集团- -铁合金冶炼厂（铁合金冶炼厂（19801980人，技术人人，技术人员员256256人）人） 冶炼厂现年生产能力冶炼厂现年生产能力20.520.5万吨，主要生产碳素锰万吨，主要生产碳素锰铁合金和锰硅铁合金，有铁合金和锰硅铁合金，有2 212500kVA12500kVA、4 46300kVA6300kVA、4 45000kVA5000kVA、1 14500kVA4500kVA、6 63600kVA,23600kVA,22500kVA2500kVA共共1919台矿热炉，总装机容量为台矿热炉，总装机容量为10.13

22、10.13万万kVAkVA。配备有。配备有1lOkV1lOkV降压站一座，在建降压站一座，在建220KV220KV降压站一座。部分技术经济指降压站一座。部分技术经济指标处于国内同行领先水平。标处于国内同行领先水平。现在现在2 212500kVA12500kVA、新、新2 26300kVA6300kVA电炉均安装了抗结露电炉均安装了抗结露脉冲布袋除尘器，其余炉台除尘设施正在实施当中。脉冲布袋除尘器，其余炉台除尘设施正在实施当中。各种冷却水也实现闭路循环，减少了污水外排，促进各种冷却水也实现闭路循环，减少了污水外排，促进了企业的可持续发展。了企业的可持续发展。锰硅合金与电炉锰铁。锰硅合金的代表牌号

23、为锰硅合金与电炉锰铁。锰硅合金的代表牌号为FeMn68Si18FeMn68Si18，电炉锰铁的代表牌号为，电炉锰铁的代表牌号为FeMn68C7.0 FeMn68C7.0 主要铁合金生产企业简介主要铁合金生产企业简介遵义铁合金（集团）有限责任公司遵义铁合金（集团）有限责任公司 现拥有铁合金冶炼电炉现拥有铁合金冶炼电炉2727台，是中国唯一台，是中国唯一具有采、选、烧、冶一条龙生产线的锰系铁合具有采、选、烧、冶一条龙生产线的锰系铁合金及硅铁生产企业。年生产能力金及硅铁生产企业。年生产能力2222万吨，其中：万吨，其中：锰系铁合金锰系铁合金1717万吨，硅铁万吨，硅铁5 5万吨。工厂占地面万吨。工厂

24、占地面积积190190万平方米，职工万平方米，职工80008000余人。余人。公司八万吨硅铁、锰硅合金生产线全套设备从公司八万吨硅铁、锰硅合金生产线全套设备从德国引进，德国引进，19931993年建成投产。年建成投产。公司在中国同行业中创下了三个第一：第一家公司在中国同行业中创下了三个第一：第一家研制生产锰硅合金；第一家研制生产中低碳锰研制生产锰硅合金；第一家研制生产中低碳锰铁；第一家研制成功金属锰。铁；第一家研制成功金属锰。 主要铁合金生产企业简介主要铁合金生产企业简介吉林省东丰铁合金集团公司吉林省东丰铁合金集团公司 东丰铁合金集团固定资产东丰铁合金集团固定资产21232123万元；主要万元

25、；主要设备有矿热炉设备有矿热炉7 7台、中频炉台、中频炉1 1台、电弧炉台、电弧炉1 1台。台。装机总容量为装机总容量为16465KVA16465KVA。u主要铁合金产品有硅铁、铬铁、锰铁、硅锰、主要铁合金产品有硅铁、铬铁、锰铁、硅锰、中锰、硅锶、硅钡、稀土镁硅铁、低稀土球化中锰、硅锶、硅钡、稀土镁硅铁、低稀土球化剂等剂等1010个品种，个品种，5555个牌号。铁合金产品年综合个牌号。铁合金产品年综合生产能力为生产能力为3 3万吨。万吨。u稀土镁硅铁是吉林省优质产品。稀土镁硅铁是吉林省优质产品。 铁合金的用途铁合金的用途铁合金是铁与其它元素的合金。铁合金是铁与其它元素的合金。主要用于炼钢的脱氧

26、剂和合金元素添加剂。在钢中添主要用于炼钢的脱氧剂和合金元素添加剂。在钢中添加一定数量的硅，能显著提高钢的强度、硬度和弹性，加一定数量的硅，能显著提高钢的强度、硬度和弹性，如结构钢（含如结构钢（含Si 0.4-1.75%)Si 0.4-1.75%)、工具钢（含、工具钢（含Si 0.3-Si 0.3-1.8%)1.8%)、弹簧钢（含、弹簧钢（含Si 0.4-2.8%Si 0.4-2.8%）在铸铁工业中用作孕育剂和球化剂。在铸铁工业中用作孕育剂和球化剂。在铁合金生产中用作还原剂。在铁合金生产中用作还原剂。用于单晶硅的原料。用于单晶硅的原料。炼钢、铸造和铁合金工业是硅铁的最大用户，大约消炼钢、铸造和铁

27、合金工业是硅铁的最大用户，大约消耗耗90%90%以上的硅铁，应用最广的是以上的硅铁，应用最广的是75%75%硅铁。在炼钢工硅铁。在炼钢工业中，每生产一吨钢约消耗业中，每生产一吨钢约消耗3-5kg75%3-5kg75%硅铁。硅铁。铁合金的种类铁合金的种类单一元素的铁合金：主要有硅铁、锰铁、单一元素的铁合金：主要有硅铁、锰铁、铬铁及钨铁、钒铁等特殊铁合金。铬铁及钨铁、钒铁等特殊铁合金。复合元素铁合金：稀土硅铁、稀土镁硅复合元素铁合金：稀土硅铁、稀土镁硅铁、硅铝铁、硅钙钡铁等。铁、硅铝铁、硅钙钡铁等。我国生产的铁合金涵盖了锰系，硅系，我国生产的铁合金涵盖了锰系，硅系，络系和特殊铁合金四大系列的络系和

28、特殊铁合金四大系列的2626个品种，个品种，172172个品牌以及一些非国标和部标的企标个品牌以及一些非国标和部标的企标产品。产品。 铁合金质量对钢质量的影响铁合金质量对钢质量的影响钢的质量取决于冶炼、浇注和其它工序的工艺钢的质量取决于冶炼、浇注和其它工序的工艺水平，铁合金在钢的脱氧、调整成分及合金化、水平，铁合金在钢的脱氧、调整成分及合金化、降低夹杂含量、控制夹杂形态等有重要影响。降低夹杂含量、控制夹杂形态等有重要影响。使用低杂质含量的铁合金，是冶炼优质洁净钢使用低杂质含量的铁合金，是冶炼优质洁净钢的前提。的前提。深冲冷轧板，要求碳含量深冲冷轧板，要求碳含量0.004%0.004%，只能使用

29、，只能使用微碳铁合金生产。微碳铁合金生产。低硫钢生产，要求铁合金的低硫钢生产，要求铁合金的S S要低；低磷钢生要低；低磷钢生产，要求铁合金的产，要求铁合金的P P要低，等等。要低，等等。铁合金的加入方式铁合金的加入方式冶炼钢种的不同，铁合金的加入数量和加入方冶炼钢种的不同，铁合金的加入数量和加入方式也不相同。式也不相同。直接加入炉内、钢包中，如硅铁、锰铁、硅铝直接加入炉内、钢包中，如硅铁、锰铁、硅铝铁等；铁等；喷吹的方式加入钢包中，使用合金粉剂，扩大喷吹的方式加入钢包中，使用合金粉剂，扩大反应面积，提高合金收得率，如硅钙合金等；反应面积，提高合金收得率，如硅钙合金等；采用喂丝的方式加入钢包、中

30、间包或结晶器中，采用喂丝的方式加入钢包、中间包或结晶器中，易氧化的合金包覆成线，插入钢包等容器的深易氧化的合金包覆成线，插入钢包等容器的深部，精确控制成分，提高合金的使用效率。部，精确控制成分，提高合金的使用效率。铁合金的生产方法铁合金的生产方法高炉法高炉法利用高炉的高温和还原气氛使合金矿石还原利用高炉的高温和还原气氛使合金矿石还原生产铁合金。如高碳锰铁。生产铁合金。如高碳锰铁。电热法电热法铁合金生产的主要方法。用碳作还原剂，缺铁合金生产的主要方法。用碳作还原剂，缺点是很多金属都易与碳形成碳化物，不能生产低碳铁点是很多金属都易与碳形成碳化物，不能生产低碳铁合金。合金。电硅热法电硅热法用硅还原矿

31、石，石灰作溶剂生产铁合金。用硅还原矿石，石灰作溶剂生产铁合金。可以生产低碳合金。可以生产低碳合金。金属热法金属热法利用还原反应产生的化学热加热合金与炉利用还原反应产生的化学热加热合金与炉渣，使反应自动进行。常用还原剂有铝、硅铁、铝镁渣，使反应自动进行。常用还原剂有铝、硅铁、铝镁合金等，生产极低碳合金。合金等，生产极低碳合金。转炉法转炉法将高碳合金吹氧脱碳，生产中、低碳合金。将高碳合金吹氧脱碳，生产中、低碳合金。第二章第二章 铁合金生产的电冶金理论基础 矿热炉设备组成概述矿热炉设备组成概述 矿热炉中的电弧现象矿热炉中的电弧现象 矿热炉电路分析矿热炉电路分析 矿热炉的电气特性矿热炉的电气特性 三相

32、电炉各相功率不平衡现象三相电炉各相功率不平衡现象 电炉的经济运行电炉的经济运行矿热炉设备组成概述 矿热炉设备主要由炉体、供电系统、电极系统、矿热炉设备主要由炉体、供电系统、电极系统、加料系统、冷却水系统、检测和控制系统、排烟系统加料系统、冷却水系统、检测和控制系统、排烟系统等组成。等组成。 1）电炉炉体）电炉炉体 由炉壳、炉衬和出铁口等组成。由炉壳、炉衬和出铁口等组成。 电极下部是主要反应区，电能通过电弧和电阻转电极下部是主要反应区，电能通过电弧和电阻转化为热能。化为热能。 炉膛的几何尺寸（炉膛直径、深度、电极与炉膛炉膛的几何尺寸（炉膛直径、深度、电极与炉膛的相对位置）对炉内电流分布和热分布影

33、响很大。的相对位置）对炉内电流分布和热分布影响很大。 离电极较远的区域容易形成死料区，为改善炉膛离电极较远的区域容易形成死料区，为改善炉膛温度分布，许多大型电炉装设炉体旋转机构，在水平温度分布，许多大型电炉装设炉体旋转机构，在水平方向上单向转动或往复方向上单向转动或往复120转动。转动。矿热炉设备组成概述 2）电炉供电系统）电炉供电系统 包括开关站、电炉变压器、母线等供电设备和继电包括开关站、电炉变压器、母线等供电设备和继电保护设施。保护设施。 大型电炉通常采用三个单相变压器供电，呈三角形大型电炉通常采用三个单相变压器供电，呈三角形布置。这样可缩短到电极的距离，降低短网阻抗，有布置。这样可缩短

34、到电极的距离，降低短网阻抗，有利于提高电炉热效率和功率因素。利于提高电炉热效率和功率因素。 大型电炉变压器普遍采用有载分接开关，可在冶炼大型电炉变压器普遍采用有载分接开关，可在冶炼过程中对二次电压进行分相有载切换，根据炉况特点过程中对二次电压进行分相有载切换，根据炉况特点随时调整电气参数。为了补偿功率因素，需要在变压随时调整电气参数。为了补偿功率因素，需要在变压器的一次侧或第三线圈接入电容器进行并联或串联补器的一次侧或第三线圈接入电容器进行并联或串联补偿。偿。 电炉变压器的铭牌标出的容量为额定容量，是所能电炉变压器的铭牌标出的容量为额定容量，是所能达到的最大视在功率，受电炉设计和冶炼条件限制，

35、达到的最大视在功率，受电炉设计和冶炼条件限制，人们常用实际生产中电炉的有功功率说明其规模。人们常用实际生产中电炉的有功功率说明其规模。矿热炉设备组成概述 3）电极系统）电极系统 由电极把持器、电极升降装置、电极压放装置等组由电极把持器、电极升降装置、电极压放装置等组成。成。 电极把持器应保证铜瓦与电极良好接触，使电流均电极把持器应保证铜瓦与电极良好接触，使电流均匀分布在电极上，以减少接触电阻热损失并保证电极匀分布在电极上，以减少接触电阻热损失并保证电极烧结良好。电极烧结带是整个电极强度的薄弱环节，烧结良好。电极烧结带是整个电极强度的薄弱环节，铜瓦对电极的抱紧力为铜瓦对电极的抱紧力为0.05-0

36、.15MPa。采用组合把持。采用组合把持器的电极有助于改善电极烧结。器的电极有助于改善电极烧结。 电极升降装置有卷扬机传动和液压机构传动两种。电极升降装置有卷扬机传动和液压机构传动两种。由于炉料运动电极电流可在瞬间发生急剧变化，工艺由于炉料运动电极电流可在瞬间发生急剧变化，工艺要求电极提升速度大于下降速度。埋弧电炉电极移动要求电极提升速度大于下降速度。埋弧电炉电极移动速度通常为速度通常为20-70cm/min。自焙电极自重较大，电极移。自焙电极自重较大，电极移动过快会使电极内部产生应力。电极行程通常为动过快会使电极内部产生应力。电极行程通常为1000-1200mm。矿热炉设备组成概述 电极压放

37、装置为抱闸式机构，有带式、碟形弹簧式电极压放装置为抱闸式机构，有带式、碟形弹簧式和气囊式几种。抱闸机构分为上抱闸、下抱闸和压放和气囊式几种。抱闸机构分为上抱闸、下抱闸和压放缸组成。平时上下抱闸总是处于抱紧状态，下放电极缸组成。平时上下抱闸总是处于抱紧状态，下放电极时，下抱闸松开，上抱闸抱紧电极，压放缸动作将电时，下抱闸松开，上抱闸抱紧电极，压放缸动作将电极压放到所需位置。极压放到所需位置。 4）加料系统）加料系统 由料仓、料管、给料机等设备组成。料管直径、料由料仓、料管、给料机等设备组成。料管直径、料管数目、料管分布、料管距炉口距离等参数与冶炼品管数目、料管分布、料管距炉口距离等参数与冶炼品种

38、和炉料特性有关。种和炉料特性有关。 5）排烟罩和炉盖）排烟罩和炉盖 铁合金还原过程产生大量铁合金还原过程产生大量CO浓度很高的炉气，同浓度很高的炉气，同时带走大量的粉尘。用烟罩或密闭的炉盖将烟气收集时带走大量的粉尘。用烟罩或密闭的炉盖将烟气收集起来，经烟道送入净化系统。为保证电炉运行安全，起来，经烟道送入净化系统。为保证电炉运行安全，炉盖内部压力应维持在微正压。炉盖内部压力应维持在微正压。矿热炉中的电弧现象 电弧生成机理电弧生成机理 电弧性质电弧性质 电弧传热过程电弧传热过程 直流电弧直流电弧 等离子电弧等离子电弧电弧生成机理 电弧是气体导电形成的。通常气体由中性电弧是气体导电形成的。通常气体

39、由中性原子和分子组成，不导电。但当气体中某些组原子和分子组成，不导电。但当气体中某些组分在外界条件作用下发生电离，气体便具备导分在外界条件作用下发生电离，气体便具备导电能力。电弧导电须满足两个条件。电能力。电弧导电须满足两个条件。 1）气体中有大量可移动的电荷。）气体中有大量可移动的电荷。在电场、在电场、温度场作用下气体发生离解和电离作用，导电温度场作用下气体发生离解和电离作用，导电粒子数量大量增加。粒子数量大量增加。 2）存在使电荷做定向运动的力。）存在使电荷做定向运动的力。在电场在电场作用下带电粒子加速运动，从而提高带电粒子作用下带电粒子加速运动，从而提高带电粒子的能量。的能量。 当电压提

40、高到一定程度，带电粒子从电场当电压提高到一定程度，带电粒子从电场获得能量，随电离程度增加，导电粒子数量迅获得能量，随电离程度增加，导电粒子数量迅速增加，气体被击穿，由绝缘体变为导体。速增加，气体被击穿，由绝缘体变为导体。电弧生成机理 击穿电压与气体压力和放电间隙大小有关：击穿电压与气体压力和放电间隙大小有关：EdpdpEVb)/( 气体压力数值很小，电场中气体电离数量很少，击穿电压很高。埋弧电炉中炉气的气体压力数值很小，电场中气体电离数量很少，击穿电压很高。埋弧电炉中炉气的击穿电压为击穿电压为30kV/cm30kV/cm。 电压高于击穿电压的初期，电压维持不变，电流小，气体被加热，导电能力迅速

41、增电压高于击穿电压的初期，电压维持不变，电流小，气体被加热，导电能力迅速增强，电弧电压迅速降低，气相中电流密度迅速增加，电流集中于一个通道，就是强，电弧电压迅速降低，气相中电流密度迅速增加，电流集中于一个通道，就是电弧电弧。 交流电的方向在每一个周期内变换两次。在每交流电的方向在每一个周期内变换两次。在每1/21/2周期内，电弧经历起弧、长大、周期内，电弧经历起弧、长大、衰减和息弧几个步骤，因此交流电弧是不稳定的。衰减和息弧几个步骤，因此交流电弧是不稳定的。 交流电炉电弧并非经常停留在电极端部的某一固定部位，在电极端部经常跳跃。交流电炉电弧并非经常停留在电极端部的某一固定部位，在电极端部经常跳

42、跃。电弧性质 工业生产中常把电弧当做纯电阻，有时也用电阻和工业生产中常把电弧当做纯电阻，有时也用电阻和电抗并联组合电路来代表电弧。电抗并联组合电路来代表电弧。 电弧弧光波长在电弧弧光波长在360-560nm之间，电弧温度可达之间，电弧温度可达10000K，电弧电子浓度，电弧电子浓度41016cm-3，硅铁电炉中电弧，硅铁电炉中电弧电流密度可达电流密度可达900A/cm2，电弧表面温度约，电弧表面温度约3950。 在在020ms区间电弧生成阶段气体击穿时，电弧波区间电弧生成阶段气体击穿时，电弧波形有个突变，形有个突变，2 4ms区间为电压稳定区域，接着电弧区间为电压稳定区域，接着电弧电压随时间下

43、降。电压随时间下降。电弧性质 冶炼条件下电弧特性与冶炼条件下电弧特性与电气制度、炉料特性和炉况电气制度、炉料特性和炉况有有关。关。 电弧长度和电弧电压成线性关系：电弧长度和电弧电压成线性关系：L=aV+b 电弧直径与电流强度存在线性关系：电弧直径与电流强度存在线性关系：D=cI+b 在低电流时（在低电流时（1-10kA），电弧电压梯度为），电弧电压梯度为1V/mm；在在40-80kA大电流范围内，电压梯度为大电流范围内，电压梯度为0.9-1.2V/mm。 电弧位置、电弧长度和直径始终处于变化状态，只电弧位置、电弧长度和直径始终处于变化状态，只有电弧稳定才能保证电极的稳定和冶金条件的稳定。有电弧

44、稳定才能保证电极的稳定和冶金条件的稳定。 影响电弧稳定性的因素：影响电弧稳定性的因素： 1.熔渣存在，特别是碱性渣的存在有利于稳定电弧。熔渣存在，特别是碱性渣的存在有利于稳定电弧。 2.无渣冶炼平整的坩埚表面有助于形成稳定的电弧。无渣冶炼平整的坩埚表面有助于形成稳定的电弧。 3.长电弧稳定性差，直径大的电弧稳定性好。长电弧稳定性差，直径大的电弧稳定性好。电弧性质 4.交流电路中存在电抗使得电流相位落后于电压相交流电路中存在电抗使得电流相位落后于电压相位，功率因素低有助于稳定电弧。位，功率因素低有助于稳定电弧。 5.改变电极的几何形状可改变电弧附近的磁场、电改变电极的几何形状可改变电弧附近的磁场

45、、电场、热平衡和气体流动状态。尖头和空心的电极电弧场、热平衡和气体流动状态。尖头和空心的电极电弧最稳定。最稳定。 得到稳定电弧的得到稳定电弧的前提条件是维持电弧电阻不变前提条件是维持电弧电阻不变。因。因此，在调整功率时为保证电弧的稳定性，电压和电流此，在调整功率时为保证电弧的稳定性，电压和电流必须同步改变。必须同步改变。 稳定的交流电弧电压波形为正弦波。不稳定的电弧稳定的交流电弧电压波形为正弦波。不稳定的电弧为方波，含有许多高频分量。方波电压只能传递为方波，含有许多高频分量。方波电压只能传递90%的电弧能量。的电弧能量。电弧传热过程 电能通过电弧向炉膛内传热主要有以下几种方式：电能通过电弧向炉

46、膛内传热主要有以下几种方式： 1.辐射辐射 电弧弧光的辐射热对炉料和炉气加热。其电弧弧光的辐射热对炉料和炉气加热。其辐射能力与温度、压强、电弧长度和形状有关。气体辐射能力与温度、压强、电弧长度和形状有关。气体的辐射能力为：的辐射能力为： Eg=g（T/100）4 辐射传热可以达到电弧能量的辐射传热可以达到电弧能量的30%以上。以上。 2.气体流动气体流动 对流是电弧最主要的传热方式，电弧对流是电弧最主要的传热方式，电弧四周的气体被吸入电弧区经电弧加热后由电弧推动气四周的气体被吸入电弧区经电弧加热后由电弧推动气体运动。对流传热占电弧总能量的体运动。对流传热占电弧总能量的50%以上。以上。 3.电

47、极效应电极效应 电极效应所放出的热量与电弧电流成电极效应所放出的热量与电弧电流成正比。带电粒子对阳极和阴极的冲击产生大量热量的正比。带电粒子对阳极和阴极的冲击产生大量热量的现象叫电极效应，其热量约占电极发出总能量的现象叫电极效应，其热量约占电极发出总能量的10%左右。左右。直流电弧 直流电弧具有电弧垂直稳定，功率集中于阳极的特直流电弧具有电弧垂直稳定，功率集中于阳极的特点。点。 直流电弧是连续的，它不像交流电弧那样极性不断直流电弧是连续的，它不像交流电弧那样极性不断地变化，电弧不断点燃和熄灭，因此，直流电弧比交地变化，电弧不断点燃和熄灭，因此，直流电弧比交流电弧要稳定得多，噪音也小得多。流电弧

48、要稳定得多，噪音也小得多。 由于热量集中于阳极，直流电弧炉的电极消耗比交由于热量集中于阳极，直流电弧炉的电极消耗比交流电炉低得多。直流电弧电阻比交流电弧要高，所以流电炉低得多。直流电弧电阻比交流电弧要高，所以可用较小的电流获得更大的电弧功率。可用较小的电流获得更大的电弧功率。 交流电流通过导体时存在交流电流通过导体时存在趋肤效应和邻近效应趋肤效应和邻近效应，使，使电极电流分布不均匀，表面电流密度大，中心小。而电极电流分布不均匀，表面电流密度大，中心小。而直流电极内部电流分布均匀，电极电流密度可提高直流电极内部电流分布均匀，电极电流密度可提高30%左右。左右。等离子弧 通常物质存在状态有固态、液

49、态和气态。等离子是物质存在的第四种状态。 等离子体由电子、离子和一些中性的气体原子组成，正负电荷相等，等离子体呈中性。 等离子弧将电能传输给气体，形成稳定的等离子焰。等离子弧所能达到的最高温度与气体分子的离解和电离有关。 等离子体中至少有2-20%的气体电离，降低压力可提高气体的电离程度。等离子体所拥有的能量由气体显热、离解热和电离热组成。使用单原子气体可以达到10000以上的温度。矿热炉电路分析 炉膛内部导电方式 炉内电流回路解析 电炉操作电阻 电炉电抗和谐波 电炉电流的交互作用炉膛内部导电方式 埋弧电炉内部同时存在埋弧电炉内部同时存在电弧导电电弧导电和和电阻导电电阻导电。 通过炉料、金属和

50、熔池以及炉衬的电流是由无数个通过炉料、金属和熔池以及炉衬的电流是由无数个串联和并联的电路构成的。串联和并联的电路构成的。碳质还原剂是炉料的主要碳质还原剂是炉料的主要导电成分导电成分。 增大还原剂的粒度会减少还原剂与矿石颗粒之间的增大还原剂的粒度会减少还原剂与矿石颗粒之间的间隙，减少炉料电阻，增加料层电流分布的比例。间隙，减少炉料电阻，增加料层电流分布的比例。 炉料的导电性随温度和炉料的熔化性变化很大。炉料的导电性随温度和炉料的熔化性变化很大。提提高温度会使炉料比电阻显著减少，导电性增加。炉温高温度会使炉料比电阻显著减少，导电性增加。炉温升高时炉料膨胀，增加了炉料之间的接触压力和接触升高时炉料膨

51、胀，增加了炉料之间的接触压力和接触面积，也使接触电阻减少。如面积，也使接触电阻减少。如FeSi75炉料在炉料在400时的时的电阻率为电阻率为1m左右，而在左右，而在1600为为0.2m。 炉料中电阻导电和电弧导电交叉在一起，炉料颗粒炉料中电阻导电和电弧导电交叉在一起，炉料颗粒之间出现的电弧电压与炉料性质和温度有关。料层下之间出现的电弧电压与炉料性质和温度有关。料层下部主要是电阻导电。部主要是电阻导电。炉内电流回路解析 矿热炉内电流分布状况对炉内热分布、熔池结构和矿热炉内电流分布状况对炉内热分布、熔池结构和炉内各部位进行的化学反应影响很大。炉内电流分布炉内各部位进行的化学反应影响很大。炉内电流分

52、布可用以下回路来描述：可用以下回路来描述： 1.电流通过电极端部、电弧和熔池构成的星形回路。电流通过电极端部、电弧和熔池构成的星形回路。 2.电流通过电极侧面、流经炉料与另外两支电极构电流通过电极侧面、流经炉料与另外两支电极构成的角形回路。成的角形回路。 3.电流通过电极侧面流经炉料与碳砖构成的星形回电流通过电极侧面流经炉料与碳砖构成的星形回路（碳质炉衬）。路（碳质炉衬）。 若把电弧看成纯电阻，忽略电炉内部电抗因素和通若把电弧看成纯电阻，忽略电炉内部电抗因素和通过炉墙的电流，则炉内电流分布的过炉墙的电流，则炉内电流分布的等效电路等效电路为：为：埋弧电炉的等效电路R2acR2bcR2abR1cR

53、1bR1aABC通过电极端部的电弧回路的电阻各电极之间的炉料电阻炉内电流回路解析 当各相电弧电阻相等时，即当各相电弧电阻相等时，即R R1a1a=R=R1b1b=R=R1c1c=R=R1 1；炉料电；炉料电阻也相等时，即阻也相等时，即R R2a2a=R=R2b2b=R=R2c2c=R=R2 2，电炉负载电阻可由下，电炉负载电阻可由下式计算：式计算：2121RRRRR 无渣法电炉中通过炉料电流的比例大约占电极电流的无渣法电炉中通过炉料电流的比例大约占电极电流的20-30%20-30%，炉内电流分布状，炉内电流分布状况随冶炼过程、电极位置变化而改变。况随冶炼过程、电极位置变化而改变。 在电场和磁场

54、的作用下，电流主要集中于电极附近的区域。在电场和磁场的作用下，电流主要集中于电极附近的区域。电炉操作电阻 电极电流与电炉变压器的空载二次电压之比称为电极电流与电炉变压器的空载二次电压之比称为电流电流电压比电压比。 输入炉内的热能即有效电功率输入炉内的热能即有效电功率Pe由电极电流由电极电流IE和电极和电极端对炉底中性点的电压端对炉底中性点的电压UE决定，即决定，即Pe=3IEUE UE可由下式计算：可由下式计算：cos)31(2VUE 电炉的操作电阻电炉的操作电阻R0R0定义为电极和炉底之间的电阻，即电炉的负载电阻。定义为电极和炉底之间的电阻，即电炉的负载电阻。 即即R0=UE/IE=R-RL

55、R0=UE/IE=R-RL 操作电阻反映了熔炼区的电气特性。改变冶炼品种，操作电阻也随之改变。这就需操作电阻反映了熔炼区的电气特性。改变冶炼品种，操作电阻也随之改变。这就需要改变二次电压和二次电流以适应冶炼要求。要改变二次电压和二次电流以适应冶炼要求。增大操作电阻有助于增加电炉输出功率。增大操作电阻有助于增加电炉输出功率。电炉操作电阻 对于容量不同的电炉，操作电阻主要由电炉的几何对于容量不同的电炉，操作电阻主要由电炉的几何参数和电气参数决定，容量大的电炉操作电阻较小。参数和电气参数决定，容量大的电炉操作电阻较小。 不同容量的硅锰电炉的操作电阻不同容量的硅锰电炉的操作电阻视在功率视在功率/MV/

56、MVA A二次电压二次电压/V/V二次电流二次电流/kA/kA操作电阻操作电阻/m/m9.012.516.525.0136141.514415837.245.066.270.01.691.370.970.83 操作电阻不是一成不变的。引起操作电阻波动的原因如下：操作电阻不是一成不变的。引起操作电阻波动的原因如下： 1.炉料性能和组成的改变，如还原剂加入量、粒度组成、炉料比电阻的改变。炉料性能和组成的改变，如还原剂加入量、粒度组成、炉料比电阻的改变。 2.电极消耗状况或电极插入深度的变化。电极消耗状况或电极插入深度的变化。电炉操作电阻 3.三支电极功率平衡情况。三支电极功率平衡情况。 4.渣中渣

57、中CaO、MnO含量过高会降低炉渣电阻，使操含量过高会降低炉渣电阻，使操作电阻减小。作电阻减小。 5.反应区结构的改变。反应区结构的改变。 操作电阻可通过以下手段进行调整：操作电阻可通过以下手段进行调整： 1.改变变压器的二次电压等级；改变变压器的二次电压等级； 2.调整电极工作端的位置，改变二次电流；调整电极工作端的位置，改变二次电流； 3.调整炉料组成，还原剂配比和粒度分布；调整炉料组成，还原剂配比和粒度分布； 4.调整炉渣渣型。调整炉渣渣型。 优选还原剂可以增大炉料比电阻，提高电炉的操作优选还原剂可以增大炉料比电阻，提高电炉的操作电阻，增加输入功率提高电效率，降低产品电耗电阻，增加输入功

58、率提高电效率，降低产品电耗。电炉电抗和谐波 电炉电抗主要由电炉短网决定，随电炉容量增大而电炉电抗主要由电炉短网决定，随电炉容量增大而增加。增加。 电炉在运行中电抗经常变化，熔池电抗的波动与电电炉在运行中电抗经常变化，熔池电抗的波动与电弧的谐波有关。由于电弧是非线性电阻，受很多条件影弧的谐波有关。由于电弧是非线性电阻，受很多条件影响，当条件发生变化时，电炉电流就会偏离源电压的波响，当条件发生变化时，电炉电流就会偏离源电压的波形，造成电弧电压波形发生畸变，产生相当于正弦交变形，造成电弧电压波形发生畸变，产生相当于正弦交变电压基础频率的高次谐波。电压基础频率的高次谐波。 电炉的操作电抗电炉的操作电抗

59、Xop由短路电抗和谐波分量构成。由短路电抗和谐波分量构成。）5)5sin(3)3sin()sin(531tAtAtAIUXOP 二次电压和电极电流决定了操作电抗的大小。操作电抗随电极电流增大而减小，二次电压和电极电流决定了操作电抗的大小。操作电抗随电极电流增大而减小，随电弧长度增加而增大。随电弧长度增加而增大。电炉电抗和谐波 当电流达到一定值时，功率因素达到最大值。电流低当电流达到一定值时，功率因素达到最大值。电流低于临界电流值，会大幅度降低电炉的有效功率。临界电于临界电流值，会大幅度降低电炉的有效功率。临界电流流Imin可由下式计算：可由下式计算：)11(minopscscXXXUI 过高的

60、电压和过低的短路电抗会导致电弧的不稳定。过高的电压和过低的短路电抗会导致电弧的不稳定。 熔池电抗与下列因素有关：熔池电抗与下列因素有关： 1.电炉工作电压。在出炉过程中，随铁水排出，熔池液面下降，电弧增强，电抗有电炉工作电压。在出炉过程中，随铁水排出，熔池液面下降，电弧增强，电抗有较大增长。较大增长。 2.电流分布状况。熔池结构发生变化，炉料分布的不均匀使电流路径改变，也可使电流分布状况。熔池结构发生变化，炉料分布的不均匀使电流路径改变，也可使电抗发生改变。电抗发生改变。 3.炉膛结构。坩埚缩小使电极位置升高，电抗增加，使电弧稳定性变坏。炉膛结构。坩埚缩小使电极位置升高，电抗增加，使电弧稳定性