内科大炼钢工艺学课件06电弧炉炼钢工艺

第六章电弧炉炼钢工艺6.1电弧炉炼钢技术概述6.2电弧炉炼钢主要设备简介

6.3碱性电弧炉炼钢工艺

6.4电弧炉炼钢新技术简介6.5直流电弧炉炼钢工艺及技术

6.6电弧炉典型钢种的冶炼6.7电弧炉炼钢自动控制技术

6.1电弧炉炼钢技术概述电炉炼钢的分类按炉衬性质碱性电弧炉—脱除P、S低酸性电弧炉—原料P、S低，用于铸造顶装料方式炉门装料（人工）（HGM系列）按装料方式炉盖旋开式（HGX系列）炉壳连接式炉身开出式（HGT系列）

落地式（分列式）

共平台式（整体式）6.1电弧炉炼钢技术概述按倾动机构

炉壳—扇形齿轮—水平齿座滚轮或大托轮底座侧倾底倾（扇形摇架）水平底座（液压）弧形底座按传动形式电机（机械）液压传动（＞10t）按冶炼方法氧化法不氧化法（装入法）返回吹氧法按电源类型交流（AC）直流（DC）6.1电弧炉炼钢技术概述按变压器输出功率普通功率（RP）高功率（HP）超高功率（UHP）按出钢方式槽式（侧）出钢中心出钢（CBT）偏心底出钢（EBT）按供热方式EAF（电能）EOF（燃油、煤、天然气等）6.1电弧炉炼钢技术概述按废钢预热方式一般竖炉（Fuchs）双炉壳用废钢料蓝分批预热分批熔炼运输机上料半连续废钢预热分批熔炼第四孔废气—炉外—料蓝预热竖井在炉顶一侧ComeltConsteel（连续加料）Fuchs（指条式竖炉）ConArc、ContiArcIHI式双电极直流运输机上料连续废钢预热连续熔炼Mid-shaftEAF竖炉（竖井在炉顶中央）中国电炉炼钢的发展情况6.2电弧炉炼钢主要设备简介机械设备炉体的金属构件电极夹持器及电极升降装置炉体倾动机构炉盖提升和旋转装置等炉体炉衬（耐材砌筑）金属构件炉壳炉门、出钢槽炉盖圈、电极密封圈加固圈炉身壳炉壳底

电炉机械设备示意图基础轨梁倾动机构倾动座操作平台炉门炉体炉盖悬臂式平台电极电极夹持器电极臂升降柱电极支柱出钢槽

电弧炉结构简图（正视图）支承轨道摇架出钢槽提升炉盖支承臂升降电极液压缸升降电极立柱提升炉盖液压缸电极支承横臂电极夹持器滑轮拉杆提升炉盖链条倾炉液压缸炉体

电弧炉结构简图（俯视图）1号电极2号电极3号电极转动炉盖机构粘土砖层镁砖层烧结层出钢口炉壁炉顶圈电极电极孔炉顶砂封炉门框炉门炉门窥孔炉门盖

炉体结构示意图倾动用液压缸转炉摇架出钢槽电弧炉衬电极夹持器熔池炉门电极炉盖

电弧炉示意图偏心底出钢电弧炉槽式出钢电弧炉6.2电弧炉炼钢主要设备简介电气设备主电路电极升降自动调节系统电路主电路保护和信号回路检测计量显示回路电极升降自动调节回路电弧炉机械设备供电线路（电磁搅拌线路）由高压电缆至电极的电路高压电源→隔离开关→高压断路器→电抗器→电炉变压器→低压短网→电极调解电弧电流和电压的大小，调整电极和炉料之间的电弧长度，

主电路接线图电炉控制盘电极自动调节器测量仪表用变压器隔离开关高压电源电弧炉变压器二次侧断路器变压器二次侧母线炉用变压器变压器一次侧电极升降机构电炉机械三维示意图30t超高功率电弧炉75t电弧炉中国辽宁抚顺钢厂的电弧炉交流电弧炉系列

槽出钢电炉炉衬

EBT电炉炉衬粘土砖层镁砖层烧结层出钢口炉壁炉顶圈电极电极孔炉顶砂封炉门框炉门炉门窥孔炉门盖炉体结构示意图

电炉装料情况6.3碱性电弧炉炼钢工艺料篮布料情况大废钢小料和轻薄料小料和轻薄料小料和轻薄料中型废钢

焦炭块难熔废钢中型废钢

石灰石灰石灰（为料重的1～2％），块度＜60mm）

小料小料小料电极下的高温区电极

料斗布料示意图6.3碱性电弧炉炼钢工艺点弧穿井主熔化熔毕升温点(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。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，电弧燃烧也不稳定。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，达到保护炉底的目的。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。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，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。熔毕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。

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→d极保护炉顶较低电压较低电流炉顶布轻废钢穿井期d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

典型的供电曲线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。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。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。氧化期的温度控制金属料（固/液体）升温曲线还原操作—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6.4电弧炉炼钢新技术简介超高功率电弧炉炉底出钢电弧炉废钢预热技术超高功率电弧炉主要技术特点单位功率水平高；高的变压器最大功率利用率（η功率≮0.7）和时间利用率（η时间≮0.7）；较高的电效率（平均ηe≮0.9）和热效率（平均ηt≮0.7）；较低的短网电阻和电抗，且短网电抗平衡。低功率100-200KV·A/t中等功率200-400KV·A/t高功率400-700KV·A/t超高功率700-1000KV·A/t超高功率电弧炉相关技术高变压器容量（已高达1100KV·A/t）长弧泡沫渣操作水冷炉壁（盖）强化用氧和氧燃烧嘴（总耗氧量＞30Nm3/t）偏心底出钢废钢预热电极水冷技术（水冷复合电极）吹氧喷煤粉喷补机械直接导电电极臂计算机自动控制、三铁芯变压器、控制闪烁的功率补偿器等水冷炉壁结构图短网三角型布线方式炉门碳-氧枪示意图炉门碳-氧枪运行情况炉门自耗式氧枪超高功率电弧炉配套相关技术的功能及效果概况EBT电炉设备布置废钢预热技术1）料罐式废钢预热法2）双壳电弧炉预热法3）竖窑式电炉（shaftfurnace）预热法4）炉料连续预热电炉

料篮式废钢预热装置示意图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，1981年又将这种废钢预热装置用在100吨电炉上。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。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：①产生白烟、臭气新的公害；②高温废气使料篮局部过烧，降低其使用寿命；③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。但废钢预热温度不高，综合效益甚微。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。

双壳炉运行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”。

双壳炉工作原理图当熔化炉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。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。双壳电弧炉预热法

竖炉的结构示意图二十世纪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）。1992年首座竖炉电炉在英国的希尔内斯钢厂投产。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。

竖炉的工作原理

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，由偏心底出钢口出钢。竖窑式电炉(shaftfurnace)预热法竖炉（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%以上；减少环境污染；与其它预热法相比，还具有占地面积小、投资省等优点。竖炉同样有交流、直流，单壳、双壳之分。康斯迪电炉工艺布置CONSTEEL电弧炉二十世纪80年代由意大利得兴（TECHINT）公司开发，称为CONSTEELFurnace——译成“康斯迪电炉”。

1987年最先在美国的纽柯公司达林顿钢厂进行试生产，90年代开始流行。①降低电耗60～100kWh/t，缩短冶炼周期；②减少电极断裂，降低电极消耗；③减少氧气用量，不需要氧-燃烧咀；④渣中的氧化铁含量少，且氧化铁灰尘得到有效回收，提高金属收得率1%～2%；⑤变压器时间利用率高，高达90%以上，可以采用容量较小的变压器，即较低的功率水平；⑥由于废钢炉料在预热过程碳氢化合物全部烧掉，冶炼过程熔池始终保持沸腾，降低了钢中气体含量，提高钢的质量；⑦容易与连铸相配合，实现多炉连浇；⑧电弧始终处于泡沫渣埋弧状态，电弧特别稳定，电网干扰大大减少，甚至可以不需要用“SVC”装置等。闪烁降低噪音降低谐波降低

康斯迪电炉有交流、直流，不使用氧-燃烧咀，废钢预热不用燃料，并且实现了100%连装废钢。炉料连续预热式电炉是高效、节能，及环保型的电炉炼钢设备。直流电弧炉设备简图30t直流电弧炉50t直流电弧炉50t直流电弧炉炉底导电板风冷式底阳极图1-可动电极2-熔渣3-钢液4-碳砖5-固定具6-冷空气入口7-出口8-扇形集电板9-绝缘层10-钢板11-铁柱

瑞士ABB公司设计，常用镁质石墨砖（含C20%）。优点：优点是导电面积大，采用强制风冷安全可靠；缺点：导电率高、导热率低的耐材贵，装卸不便，维修困难。6.5直流电弧炉炼钢工艺及技术

2）金属触针型(Un-arc型)

德国MAN-GHH公司开发，根据炉子容量在炉底中心区安置80-200根直径为30mm的低碳钢触针，触针连接在炉底集电板上，炉底用镁砂打结。

优点：具有导电面积大，易于起弧，安全可靠的优点，适用于大容量的直流电弧炉。

缺点：炉底更换时间长，劳动繁重，且引弧初期某一触针导通时，大电流流过可使触针全部熔化，严重损坏炉底。6.5直流电弧炉炼钢工艺及技术

3）水冷金属棒型由法国钢铁研究院开发，炉子底电极是圆形的金属水冷电极，低碳钢芯棒穿过炉底直接与钢水接触，钢芯下部装有铜质水套，可使钢芯得到充分冷却。依电流大小，一座炉子可装1-4根底阳极，顶阴极数与底阳极相同。

优点：布置适当可有效控制弧偏吹，消除炉内热点和冷点，由于底电极上端高出炉衬，有利于冷起动时废钢与底电极良好接触。

缺点：导电面积小。6.5直流电弧炉炼钢工艺及技术3.直流电弧的特性热分布：底阳极区发热占电弧热量的43%，阴极区占36%。且72%的热量集中于炉料和熔池上，而交流只有65%。无集肤效应和临近效应，导电截面电流分布均匀，通过的电流可增加20-30%。超出部分6.5直流电弧炉炼钢工艺及技术可采用长弧作业,电流和电压均高于交流。在电流电压相同的条件下，直流电弧炉与交流电弧炉的功率分布，如图所示。

直流电弧炉的电弧电流所产生的电动力，使电弧下钢液沿其炉底向外侧炉壁运动，然后沿钢液表面返回电弧下。这种电动力运动方式强烈，因此，直流电弧炉钢液成分、温度比交流电弧炉钢液成分更均匀。6.5直流电弧炉炼钢工艺及技术

交流电弧炉的电弧电压与电弧电流的关系为:直流电弧炉的电弧电压与电弧电流的关系仍是线性关系:

可以看出，由于直流稳弧性好，可使用更高的电弧电压。在直流电弧供电操作条件下，电弧电流是交流的1.22倍；电弧电压是交流的2.34倍；电弧阻抗是交流的1.9倍，所以直流电弧炉是长弧作业。6.5直流电弧炉炼钢工艺及技术4.直流电弧炉的优点

1）对电网的冲击-闪烁小为了使闪烁控制在允许水平，电网必须有足够大的容量，应满足以下条件：

电网的短路容量应大于炉子变压器额定功率的80倍。对大容量超高功率电弧炉，电网很难满足这一要求，必须增设功率动态补偿装置（相当于炼钢厂总投资的15%）直流电弧炉所需的短路容量仅为交流电弧炉的直流熔炼渣-金属界面电化学反应

阳极反应阴极反应6.5直流电弧炉炼钢工艺及技术3）直流电弧熔炼，钢-渣界面没有交流电的电毛细振荡交流电通过液态金属与液态炉渣分界面时，金属-炉渣界面发生振荡，通称“电毛细效应”。如图：电毛细振荡强化钢渣反应，促使炉渣吸收及溶