电炉炼钢操作方法及冶炼工艺.ppt

第五章电炉炼钢冶炼工艺,第一节电炉冶炼操作方法第二节冶炼工艺,第一节电炉冶炼操作方法,操作方法一般是按造渣工艺特点来划分的，有单渣氧化法、单渣还原法、双渣还原法与双渣氧化法，目前普遍采用后两种。1）双渣还原法又称返回吹氧法，其特点是冶炼过程中有较短的氧化期（≤10min），造氧化渣，又造还原渣，能吹氧脱碳，去气、夹杂。但由于该种方法脱磷较难，故要求炉料应由含低磷的返回废钢组成。由于它采取了小脱碳量、短氧化期，不但能去除有害元素，还可以回收返回废钢中大量的合金元素。因此，此法适合冶炼不锈钢、高速钢等含Cr、W高的钢种。,,2）双渣氧化法又称氧化法，它的特点是冶炼过程有正常的氧化期，能脱碳、脱磷，去气、夹杂，对炉料也无特殊要求；还有还原期，可以冶炼高质量钢。目前，几乎所有的钢种都可以用氧化法冶炼，以下主要介绍氧化法冶炼工艺。,,第二节冶炼工艺,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。一、补炉1）影响炉衬寿命的“三要素”炉衬的种类、性质和质量；高温电弧辐射和熔渣的化学浸蚀；吹氧操作与渣、钢等机械冲刷以及装料的冲击。,,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；渣线热点区尤其2＃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；出钢口附近因受渣钢的冲刷也极易减薄；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。,,槽出钢电炉炉衬情况,,,EBT电炉炉衬情况,,,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，并掺入磷酸盐或硅酸盐等粘结剂。,,二、装料,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。现场布料（装料）经验下致密、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。,,电炉装料情况,,,,三、熔化期,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、还原期的顺利与否。（1）熔化期的主要任务将块状的固体炉料快速熔化，并加热到氧化温度；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。,,1）炉料熔化过程及供电装料完毕即可通电熔化。炉料熔化过程图，基本可分为四个阶段（期），即点弧、穿井、主熔化及熔末升温。,,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。,,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。,,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。各阶段熔化与供电情况见下表。典型的供电曲线如下图。,,炉料熔化过程与操作,,典型的供电曲线,,,2）及时吹氧与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）提前造渣用2～3石灰垫炉底或利用前炉留下的钢、渣，实现提前造渣。这样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。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。为什么脱磷反应与脱磷条件,,脱磷反应与脱磷条件,脱磷反应2［P］＋5FeO＋4CaO＝4CaOP2O5＋5［Fe］,△H＜0分析反应是在渣-钢界面上进行，是放热反应。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、造新渣的操作等，抓紧在熔化期基本完成脱磷任务。,,（3）缩短熔化期的措施,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等；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；提高变压器输入功率，加快废钢熔化速度；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。,,四、氧化期,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。,,（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］＋5FeO＋4CaO＝4CaOP2O5＋5［Fe］△H＜0,,2）氧化与脱碳近些年，强化用氧实践表明除非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，脱碳反应的作用,,脱碳反应的作用如下降低钢中的碳，利用碳-氧反应（Ｃ＋Ｏ2→CO）这个手段，来达到以下目的；搅动熔池，加速反应，均匀成分、温度；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，来达到加速反应，均匀成分、温度，去除气体和夹杂的目的。,,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，是放热反应。高氧化性，加强供氧，使［％O］实际＞［％Ｏ］平衡。高温，加速Ｃ-Ｏ间的扩散（由于脱碳反应是“弱”放热反应，温度影响不大（热力学温度），但从动力学角度，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）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那个阶段，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,,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2FeOSiO2、2FeOAl2O3及2FeOTiO2等氧化物夹杂聚合长大而上浮；CO上升过程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。,,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，见图。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,,五、还原期,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。,,,1）脱氧方法～有沉淀脱氧、扩散脱氧及综合脱氧法。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↑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。该法的特点操作简单，脱氧迅速；脱氧产物易留在钢中（当上浮时间短时）。,,扩散脱氧反应式xM粉yFeO＝MxOyy[Fe][FeO]→FeO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。粉状脱氧剂有C、Fe-Si、Ca-Si、CaC、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）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。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。由于电炉还原期或精炼炉精炼期的还原气分强烈，FeO＜0.5～1.0，对脱硫特别有利。,,（2）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,,（3）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，总的来说是保温过程。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局部钢水过热。为此，应避免还原期“后升温”操作。,,六、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。,,七、钢液的合金化,炼钢过程中调整钢液合金成分的操作称为合金化，它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。而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最终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。,,合金化操作具体原则,A）易氧化的元素后加原则不易氧化的元素，可在装料时、氧化期或还原期加入，如Ni、Co、Mo，W等；较易氧化的元素，一般在还原初期加入，如P、Cr、Mn等；容易氧化的元素一般在还原末期加入，即在钢液和炉渣脱氧良好的情况下加入，如V、Nb、Si、Ti、Al、B、稀土元素（La、Ce等）。为提高易氧化元素的收得率，许多工厂在出钢过程中加入稀土元素、钛铁等，有时稀土元素还在浇注的过程中加入。,,B）比重大的加强搅拌原则熔点高的、比重大的铁合金，加入后应加强搅拌。如钨铁的密度大、熔点高，沉于炉底，其块度应小些。C）便宜的先加原则在许可的条件下，优先使用便宜的高碳铁合金，然后再考虑使用中碳铁合金或低碳铁合金。D）贵重的控制下限原则贵重的铁合金应尽量控制在中下限，以降低钢的成本。如冶炼W18Cr4V时（W17～19），每少加1的W，可节约15kg/t钨铁。,,此外，脱氧操作和合金化操作也不能截然分开。一般说来，作为脱氧的元素先加，合金化元素后加；脱氧能力比较强的，而且比较贵重的合金元素，应在钢液脱氧良好的情况下加入。,,八、废钢预热节能技术,1）概述2）废钢预热法的分类3）料罐式废钢预热法4）双壳电弧炉预热法5）竖窑式电炉预热法6）炉料连续预热法,,1）概述,当电炉采用超高功率化与强化用氧技术，使废气量大大增加，废气温度高达1200℃以上，废气带走的热量占总热量支出的15～20，折合成电能相当于80～120kWh/t。为了降低能耗、回收能量，在废钢熔炼前，利用电炉产生的高温废气进行废钢预热，节能效果明显。到目前为止，世界范围废钢预热方法主要有料罐预热法、双壳电炉法、竖窑电炉法以及炉料连续预热法等等。,,2）废钢预热法的分类,按其结构类型分为分体式与一体式，即预热与熔炼是分还是合；分批预热式与连续预热式。按使用的热源分为外加热源预热燃料烧咀预热；利用电炉排出的高温废气预热。,,3）料罐式废钢预热,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，次年又将这种废钢预热装置用在100吨电炉上。之后，在不到10年的时间里，日本就有接近50套废钢预热装置投入运行。料罐式废钢预热装置及其工作原理，见图。,,料篮式废钢预热装置示意图,预热室,料篮,,料罐预热法的工作原理及预热效果,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。,,但是，结果表明不理想，而且这些措施均使原本废钢预热温度就不高（废钢入炉前温降大，降至100～150℃）的情况进一步恶化，综合效益甚微。这些问题的存在，使得该项技术受到挑战，一些钢厂干脆停止了使用。这就促使欧、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，节约能源、提高生产率、降低成本以及改善环境。,,4）双壳电炉法,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”。一套电极升降装置交替对两个炉体进行供热熔化废钢，双壳炉运行与工作原理图。,,双壳炉运行,,双壳炉工作原理图,,双壳炉的工作原理当熔化炉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①提高变压器的时间利用率，由70提高到80以上；②缩短冶炼时间，提高生产率10～15；③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。,,5）竖窑式电炉shaftfurnace,进入二十世纪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）。Fuchs公司自1988年开始研究竖炉技术，现在已经显示出其卓越的性能和显著的经济效果。从1992年首座竖炉在英国的希尔内斯钢厂（Sheerness）投产，到目前为止，Fuchs公司投产的竖炉已超过40座。,,竖炉的结构,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，竖炉运行与工作原理图。,,竖炉的结构示意图,图6-19竖炉结构示意图,,,竖炉的工作原理,,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，由偏位底出钢口出钢。,,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。世界首座双壳竖炉90t/90MVA，1993年9月在法国联合金属公司（SAM）建成，同期卢森堡阿尔贝公司（Arbed）也建成类似的竖炉。它们在投产后均显示出优越性，SAM厂最好指标（1997年7月3日创造的）为电耗340kWh/t,电极消耗1.3kg/t，冶炼周期46min，生产率126t/h。,,6）炉料连续预热电炉,就其综合效果来说该种预热法最有发展前途。手指式竖炉实现炉料半连续预热，而炉料连续预热电炉，实现炉料连续预热，见图。该形式电炉二十世纪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年最先在美国的纽考公司达林顿钢厂（Nucor-Darlington）进行试生产，90年代开始流行。获得成功后在美、日、意及中国等推广使用。到目前为止，世界上已投产的康斯迪电炉已超过20台，其中一半在中国。,,康斯迪系统（得兴）布置图,康斯迪电炉工艺布置,,康斯迪电炉具有如下优点,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，提高了金属收得率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提高钢的质量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。电炉对噪音、电网的干扰等环境的影响见图。,,环境的改善闪烁降低,,环境的改善谐波、噪音降低,,,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。应该说这种炉料连续预热式电炉是高效、节能，及环保型电炉炼钢设备。,,