13-电炉工艺-3.

冶金学之炼钢篇阎立懿东北大学钢铁冶金研究所2011年5月3日～6月30日/1#教学楼301（No13-14）2020/1/15东北大学/阎立懿2主要内容第一章炼钢概述第二章炼钢基础理论第三章炼钢原材料第四章转炉炼钢法第五章电炉炼钢法2020/1/15东北大学/阎立懿3第五章电炉炼钢法电炉炼钢及其发展电炉设备及其电热特性电炉炼钢冶炼工艺超高功率电炉及其相关技术2020/1/15东北大学/阎立懿4第五章电炉设备及电热特性电气设备：设备的组成及各部件名称，主电路电器（元件）的组成及其作用？如电抗器的作用，电炉短网指的是什么，由哪几部分导体组成，电弧发生过程等。电气特性对主电路的分析、折算，给出电炉单相等值电路、阻抗三角形，并据此推导出的电气量值表达式，给出描述电气量值随电流变化的规律性的电炉理论电气特性曲线，当将耐火材料磨损指数RE引入——电热特性曲线。供电制度供电制度确定方法：在传统的确定方法中，最重要的是遵守电气特性所表达的规律性，即以“经济电流”概念来确定工作电流，在现代电炉中仍然适用。2020/1/15东北大学/阎立懿55.3电炉炼钢冶炼工艺电炉冶炼操作方法电炉炼钢冶炼工艺钢液的合金化2020/1/15东北大学/阎立懿65.3.1电炉冶炼操作方法一般是按造渣工艺特点来划分的，常用的有双渣还原法及双渣氧化法。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，造氧化渣，又造还原渣（并以还原为主），能吹氧脱碳，去气、夹杂。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。此法脱磷较难，要求炉料应由低磷的返回废钢组成。2020/1/15东北大学/阎立懿72）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，冶炼过程既有氧化期、又有还原期，有利于钢质量的提高。目前，几乎所有的钢种都可以用氧化法，主要介绍氧化法。2020/1/15东北大学/阎立懿85.3.2电炉传统冶炼工艺传统氧化法冶炼工艺是电炉炼钢法的基础。一炉钢的操作过程分为：补炉、装料、熔化、氧化、还原、出钢六个阶段。主要由熔化、氧化、还原期三期组成，俗称“老三期”。2020/1/15东北大学/阎立懿95.3.2.1补炉影响炉衬寿命因素：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。1）补炉部位炉壁渣线，渣线热点区、尤其2＃热点区，出钢口附近，炉门两侧。2）补炉方法目前，中大型电炉多采用机械喷补，机械喷补设备有炉门喷补机、炉内旋转补炉机以及炉前补炉机械手。补炉的原则是：高温、快补、薄补。3）补炉材料主要有镁砂、白云石或两者的混合物，并掺入磷酸盐或硅酸盐等粘结剂。2020/1/15东北大学/阎立懿105.3.2.2装料目前，广泛采用炉顶料篮（料罐）装料（图5.23），每炉钢的废钢铁料分2～3次加入。装料的好坏影响炉衬寿命、冶炼周期、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篮中的布料合理与否。其中装料时间直接影响冶炼周期及吨钢电耗，强调改善炉料结构、加强炉料管理、合理装料次数等措施，并实现“零压料”。2020/1/15东北大学/阎立懿11图5.23电炉装料情况2020/1/15东北大学/阎立懿125.3.2.3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快速熔化——将块状的固体炉料快速熔化，并加热到氧化温度；提前造渣——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。2020/1/15东北大学/阎立懿131）炉料熔化过程及供电装料完毕即可通电熔化，炉料熔化过程基本可分为四个阶段（期），即点弧、穿井、主熔化及熔末升温，见下图5.24。2020/1/15东北大学/阎立懿14点（起）弧期从送电起弧至电极端部下降到深度为d电极(1.5d端电极)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，热量损失越多。供电上采用较低电压、较低电流。注意保护炉顶：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。2020/1/15东北大学/阎立懿15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。供电用较大电压、较大电流，以增加穿井的直径与穿井的速度。注意保护炉底：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。当炉上部布一些轻薄料时，点弧、穿井可一气呵成。2020/1/15东北大学/阎立懿16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，电弧开始暴露给炉壁时主熔化期结束。主熔化期由于电弧埋入炉料中，电弧稳定、热效率高（＞85％）、传热条件好，故应以最大功率供电，即采用最高电压，最大可能的电流供电（即要考虑I经济）。主熔化期时间占整个熔化期的70％～80％。2020/1/15东北大学/阎立懿17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。此阶段炉壁处及熔池下部还有约20％的废钢没有熔化，还需要大功率供电，但因炉壁暴露，尤其是炉壁热点区的暴露受到电弧的强烈辐射。注意保护炉壁，供电采取低电压、大电流供电。当采用泡沫渣埋弧操作时，可提高电压、大功率供电。典型的供电曲线如图5.22，各阶段熔化与供电情况见下表。2020/1/15东北大学/阎立懿18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可能电流熔末升温期电弧暴露→全熔保护炉壁低（较高）电压、大电流水冷+泡沫渣2020/1/15东北大学/阎立懿192）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，熔化期钢中的Si、Al、Ti、V等几乎全部氧化，Mn、P氧化40%～50%；而在吹氧助熔时Ｃ氧化10%～30%、Fe氧化2%～3%。2020/1/15东北大学/阎立懿203）提前造渣用2%～3%石灰垫炉底或利用上炉留下的钢、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。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。2020/1/15东北大学/阎立懿21脱磷反应与脱磷条件：2[P]＋5(FeO)＋4(CaO)＝(4CaO·P2O5)＋5[Fe],△H＜0高碱度，高氧化性，低温，适当大的渣量、流渣换新渣。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。2020/1/15东北大学/阎立懿22（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；τ∝1/P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*2020/1/15东北大学/阎立懿23第五章电炉炼钢法之冶炼工艺电炉冶炼操作方法按造渣工艺特点来划分的，常用的有双渣还原法及双渣氧化法。传统氧化法冶炼工艺是电炉炼钢法的基础。一炉钢的操作过程分为：补炉、装料、熔化、氧化、还原、出钢六个阶段。主要由熔化、氧化、还原期三期组成，俗称“老三期”。2020/1/15东北大学/阎立懿245.3.2.4氧化期氧化期是氧化法冶炼主要过程，能去除钢中的磷、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℃（Tp1480～1500℃）。（1）氧化期的主要任务脱磷——继续脱磷到要求脱碳——脱碳至规格下限二去——去除气、去夹杂升温——提高钢液温度2020/1/15东北大学/阎立懿25（2）氧化期操作氧化期的操作包括造渣与脱磷、氧化与脱碳、去气及去夹杂，以及钢水的温度控制等。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（温度较低），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。2020/1/15东北大学/阎立懿262）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氧化铁皮（或碎铁矿）造高氧化性炉渣，否则，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？2020/1/15东北大学/阎立懿27脱碳反应的作用如下：降低钢中的碳（利用碳-氧反应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如下：[C]＋[O]=CO↑,△HCO＝－0.24kcal=－22kJ＜0高氧化性，高温，低PCO。2020/1/15东北大学/阎立懿283）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：CO生成使熔池沸腾；N2、H2易并到CO气泡中长大排除；CO易粘附氧化物夹杂上浮排除；易使氧化物夹杂聚合长大排除。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。2020/1/15东北大学/阎立懿294）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，见右图。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。2020/1/15东北大学/阎立懿305.3.2.5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——脱氧至要求脱硫——脱硫至一定值合金化—调整钢液成分调温——调整钢液温度其中：脱氧是核心，温度是条件，造渣是保证。2020/1/15东北大学/阎立懿311）脱氧方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，还原过程用扩散脱氧，出钢前用沉淀脱氧－终脱氧。其中：沉淀脱氧法及其反应式：x[M]块＋y[O]＝(MxOy)↑扩散脱氧法及其反应式：x(M)粉+y(FeO)＝(MxOy)+y[Fe][FeO]→(FeO)（炉渣脱氧良好即说明钢液脱氧好）2020/1/15东北大学/阎立懿322）脱硫反应及脱硫条件[FeS]+（CaO）=（CaS）+（FeO），△H＞0高碱度，强还原气分（或低氧化性），高温，适当大的渣量、充分搅拌。实际电炉脱硫操作：是通过造高碱度、低氧化性炉渣(FeO)＜0.5%，强化脱氧操作（脱出渣中氧），并加强搅拌，包括出钢过程钢-渣混出的操作等，对脱硫特别有利。2020/1/15东北大学/阎立懿33（2）还原操作还原操作采取以脱氧为核心的脱氧操作。1）当钢液的T、P、C