电炉炼钢工艺与操作-传统电弧炉冶炼工艺

炼钢工艺与操作电炉炼钢工艺与操作-传统电弧炉冶炼工艺3.传统电弧炉冶炼工艺

碱性电弧炉氧化法冶炼工艺流程介绍

上炉出钢→补炉（fettling）→装料(charging)→熔化期(melting)→氧化期(oxidizing)→还原期(reducing)→出钢(tapping)3.传统电弧炉冶炼工艺

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。

1、影响炉衬寿命的“三要素”

（1）炉衬的种类、性质和质量；

（2）高温电弧辐射和熔渣的化学浸蚀；

（3）吹氧操作与渣、钢等机械冲刷以及装料的冲击。3.1补炉3.传统电弧炉冶炼工艺

2、补炉部位炉衬各部位的工作条件不同,损坏情况也不一样。炉衬损坏的主要部位如下：

（1）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；

（2）渣线热点区

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；

（3）出钢口附近

因受渣钢的冲刷也极易减薄；

（4）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。3.传统电弧炉冶炼工艺

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，干补以焦油、沥青作粘结剂，湿补以卤水或水玻璃作粘结剂。3.传统电弧炉冶炼工艺

目前，广泛采用炉顶料罐（或叫料篮、料筐）装料，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。布料顺序：先装石灰（为料重的2~3%）→加小块料→加焦炭、碎电极块增碳剂→在中心区加大块料，并用小料填充大料间隙→大料上面及四周加中料→最上面铺剩余的小块料。总之，现场布料应做到：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。3.2装料3.传统电弧炉冶炼工艺

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、还原期的顺行与否。

1、熔化期的主要任务⑴将块状的固体炉料快速熔化，并加热到氧化温度；⑵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。3.3熔化期3.传统电弧炉冶炼工艺

1）炉料熔化过程及供电装料完毕即可通电熔化。炉料熔化过程可分为四个阶段(期)，即起(点)弧、穿井、主熔化及熔末升温。

3.传统电弧炉冶炼工艺

①起（点）弧期

从送电起弧至电极端部下降到1.5d电极深度为起弧期(约2~3min)。

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。

3.传统电弧炉冶炼工艺

②穿井期

起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。

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③主熔化期

电极下降至炉底后开始回升时，主熔化期开始。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。④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。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。3.传统电弧炉冶炼工艺

炉料熔化过程与操作

熔化过程电极位置必要条件办法点弧期送电→1.5d极保护炉顶较低电压较低电流炉顶布轻废钢穿井期1.5d极→炉底保护炉底较大电压较大电流石灰垫底主熔化期炉底→电弧暴露快速熔化最高电压最大电流熔末升温期电弧暴露→全熔保护炉壁低电压大电流水冷+泡沫渣3.传统电弧炉冶炼工艺

2）熔化期工艺操作要点

①及时吹氧及元素氧化

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、Ｐ氧化40%～50%，这与渣的碱度和氧化性等有关；而在吹氧时Ｃ氧化10%～30%、Fe氧化2%～3%。3.传统电弧炉冶炼工艺

②提前造渣

提前造渣方法：用2%～3%石灰垫炉底或利用前炉留下的钢、渣，即可实现提前造渣。

提前造渣的优点：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。另外，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？3.传统电弧炉冶炼工艺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反应是在渣-钢界面上进行的放热反应。

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。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、造新渣操作等，抓紧在熔化期末，基本完成脱磷任务。3.传统电弧炉冶炼工艺3）缩短熔化期的措施

①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，快速补炉等；②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；③提高变压器输入功率，加快废钢熔化速度；④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。⑤执行泡沫渣工艺，提高热能利用系数。可节约和缩短冶炼周期14%。矿石+吹氧+焦炭粒(喷吹焦炭粉)⑥其他措施：留钢留渣操作；将注余钢水和热渣回炉；采用大直径和高导电能力的电极等。3.传统电弧炉冶炼工艺

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%以上就进入氧化期。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。3.4氧化期3.传统电弧炉冶炼工艺

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＜02）氧化与脱碳

强化用氧实践表明：除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，脱碳反应还有其他作用。3.传统电弧炉冶炼工艺脱碳反应的其他作用如下：搅动熔池，加速反应，均匀成分、温度；脱磷、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，来达到以上目的。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的，是放热反应。脱碳条件:—高氧化性，加强供氧，使[％O]实际＞[％Ｏ]平衡。—高温，从动力学角度，温度升高改善动力学条件，加速Ｃ-Ｏ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。3.传统电弧炉冶炼工艺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哪个阶段？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：

—Ｃ-Ｏ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；—Ｃ-Ｏ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上升过程中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。3.传统电弧炉冶炼工艺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，待磷达到要求后再快速提温。

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温降，见下图。

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。金属料（固/液体）升温曲线时间温度熔化期氧化期还原期3.传统电弧炉冶炼工艺

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。3.5还原期3.传统电弧炉冶炼工艺1）脱氧方法有沉淀脱氧、扩散脱氧及综合脱氧法。①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)②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。

沉淀脱氧法的特点：操作简单，脱氧迅速；脱氧产物易留在钢中(当上浮时间短时)。

3.传统电弧炉冶炼工艺③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。扩散脱氧反应式：x(M)粉+y(FeO)＝(MxOy)+y[Fe][FeO]→(FeO)

粉状脱氧剂有：C、Fe-Si、Ca-Si、CaC2、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。2）还原渣

常用的还原渣有白渣和电石渣。

造白渣进行脱氧是目前广泛采用的一种脱氧方法。用碳粉和硅粉还原的炉渣，当用渣杆沾出冷却后呈白色，故称白渣。3.传统电弧炉冶炼工艺

电石渣脱氧，其操作过程大致与白渣法相同。但以碳粉作主要还原剂，在炉内高温下C与CaO反应生成CaC2。溶于渣中的碳化钙有较强的脱氧、脱硫能力，但形成CaC2需要高温和较长时间。同时这种渣易使钢水增碳、增硅，且电石渣易与钢水粘附，钢渣不易分离，生产中出钢前还必须将电石渣转变成白渣，因此在实际生产中较少采用，大多采用白渣脱氧。3.传统电弧炉冶炼工艺

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符合要求时，扒渣＞95％；②加Fe-Mn、Fe-Si块等预脱氧(沉淀脱氧)；③加入配比为萤石:火砖块:石灰=1:0.5:3的渣料造稀薄渣；④造还原气氛，加C粉、Fe-Si粉等进行脱氧(扩散脱氧)，分3～5批，间隔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3.传统电弧炉冶炼工艺3）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。脱硫条件:—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。

在还原期脱氧过程中也同时进行着脱硫，因还原期温度高,脱氧的结果使渣中(FeO)含量降到1％以下，加上又有高碱度、流动性良好的炉渣,为脱硫创造了良好的条件,还原期是脱硫的最好时机。

3.传统电弧炉冶炼工艺

在加入大量C粉、Si-Fe粉等进行脱氧的同时也可促进脱硫。在还原末期,一般可使[S]小于0.02％,有的可达0.01％～0.006％。4）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是主要是保温。

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钢水局部过热。为此，应避免还原期“后升温”操作。3.传统电弧炉冶炼工艺

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。

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。3.6出钢3.传统电弧炉冶炼工艺

钢液的合金化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。

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是在精炼炉内完成的。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。3.7钢液的合金化3.传统电弧炉冶炼工艺

合金化操作具体原则：A易氧化元素后加原则：①不易氧化的元素，可在装料时