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1第六章电炉炼钢武汉科技大学冶金工程系周进东26.1电炉炼钢概述•通常所说的电炉炼钢是指电弧炉(EAF，ElectricArcFurnace)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。36.1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。46.1电炉炼钢概述56.1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100～200kVA/t为低功率电弧炉、200～400为中等功率、400～700为高功率、700～1000为超高功率(UHP：UltraHighPower)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1000kVA/t，将其称为超超高功率(SUHP)电弧炉。66.1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。76.2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。86.2电炉炼钢设备96.2电炉炼钢设备6.2.1电弧炉机械设备•电弧炉的构造为：炉体炉体倾动装置水冷炉盖电极升降装置106.2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。116.2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。126.2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。136.2电炉炼钢设备146.2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节，从而控制冶炼电流。156.2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166.2电炉炼钢设备•高压电源与隔离开关：高压电源一般为10~110KV；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。176.2电炉炼钢设备•变压器：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186.3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（0.03~0.15%），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。196.3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：SiO2约60%，Al2O3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SiO2较高，加入过多会降低炉渣碱度，对脱磷脱硫不利。206.3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。216.4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。226.4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。236.4碱性电弧炉氧化法冶炼工艺•喷补本着快补、薄补的原则，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℃。246.4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。•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。256.4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磷，炉料中P最好≤0.06%。266.4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Cr2O3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%。276.4碱性电弧炉氧化法冶炼工艺（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。286.4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。296.4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。306.4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。316.4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大致分为启弧、穿井、电极抬升、熔化末了四个阶段。326.4碱性电弧炉氧化法冶炼工艺336.4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。346.4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，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。356.4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(Fe2O3、Fe3O4)，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。366.4碱性电弧炉氧化法冶炼工艺综合氧化法。综合氧化法就是