钢铁冶炼新技术

钢铁冶炼新技术讲座-----电弧炉炼钢的时代特点及炉外精炼主讲人:王国宣2005年7月一、电弧炉炼钢的时代特点1、变为初炼炉进入20世纪80年代后，随着炉外精炼技术、工艺、装备的快速发展，原冶炼工艺中在电弧炉内完成的合金钢、特殊钢的脱氧、合金化、除气、去夹杂的电炉“重头戏”移到炉外精炼炉去进行了。电弧炉及转炉皆变为只须向炉外精炼炉提供含碳、硫、磷、温度、合金化合格或基本合格的钢水就算完成任务的炼钢初炼炉。改变和结束了原电弧炉的熔时长（三个多小时）、老三期操作（熔化期、氧化期、还原期）以及产量低、渣量大、炉容小、成本高的状况。2、炉容大型化随着电炉—炉外精炼—连铸—直接轧材工艺的发展，这种短流程（相对于焦化、烧结—高炉—转炉—炉外精炼炉—连铸—)轧材工艺而言）的轧机产量要求电炉与之相匹配，例如长材年产50-80万t、板材100-200万t、热轧卷年产200万t以上,因此单一匹配电炉的炉容量和生产率,生产速率必须与轧机相衔接.目前,较多采用公称炉容量80-120万t左右的电弧炉，从趋势看炉容量仍在提高。变压器向超高功率发展（1000KVA/t)。3、电炉转炉化氧气顶吹转炉依靠铁水为原料，吹氧冶炼故冶炼周期短（20min左右），产量高，即获得了比电炉高的多的生产率和生产速率(科技工作者在20世纪50年代在电弧炉上吹氧（炉门和炉顶）兑入约30%~50%的铁水（EOF炉），把转炉的工艺优势移植过来，电炉的冶炼周期大大缩短，目前均在45min左右(故电炉顶吹氧、热装铁水、电炉双炉壳很快得到推广。4、电弧炉钢产量大幅增长在上述三项电炉自身工艺变化的同时，随着社会发电技术，能力的增长（核电站、水力发电等）及社会废钢量的增加，直接还原铁DRI、HBI、Fe3C技术工艺的发展,都为电弧炉快速发展提供了条件.因此,世界各国电弧炉钢产量由1950年占世界总产钢量的6.5%增至1990年的27.5%,2003年的36%.5、提质、降耗、防污染使电弧炉获得新的活力电弧炉使用废钢为原料与使用高炉铁水的转炉相比，总能耗是高炉-转炉工艺的1/2～1/3。从两种工艺排放出的CO2气体污染源的数量看，电弧炉为641kg/t钢,高炉-转炉工艺为1922kg/t钢,是高炉-转炉工艺的1/3.电弧炉在上述优势的基础上,近几年加之采用的钢水搅拌(电磁搅拌、底吹Ar气、直流炉等）、炉底出钢（EBT和RBT）等新技术，使电弧炉终点钢水的气体含量（N.H.O)、非金属夹杂物含量也大幅下降，无疑提高了钢水的质量。新的电弧炉废钢预热技术（SSF坚式电炉、con-steel康钢电炉、danieei丹尼利电炉)降低电炉电极消耗的直流炉、高阻抗交流炉及泡沫渣等技术、氧焰烧嘴技术、超高功率等技术的投入使电弧炉冶炼电耗一般降至400Kh/t左右,电极消耗从原4-5Kg/t降至1-2Kg/t、冶炼周期一般在50min以下.随着环保治理从控制污染排放总量和末端治理阶段已进入实施清洁生产阶段，要求电弧炉采取措施使废气、烟尘、燥声达标之外，还应减少污染源及对CO、NOX、二恶英、SO2的治理措施(在采用直流电弧炉和高阻抗低电流的技术后使电弧炉闪烁、高次谐波的电网污染也大大减少。二、电弧炉近期目标及技术措施1、目标：生产率达7000炉次/年，通电时间缩短到20～25min,冶炼周期≤45min,冶炼电耗(全废钢)≤350KWh/t,电极消耗≤1Kg/t.2、措施：超高功率供电，比功率达到1000KVA/t,强化冶炼,供O2强度达到0.8-1.0Nm3/t.min,提高化学能输入。废钢预热，平均预热温度≥600℃。连续加料，缩短加料时间。提高炉龄，缩短补炉时间。炉外精炼炉外精炼炉外精炼是指在电弧炉、转炉之外的钢包内完成对钢水的精炼提纯任务(AOD炉不是在钢包内进行),故又可将电弧炉、转炉成为初炼炉。精炼炉始于电弧炉外的钢包精炼炉,20世纪90年代推广于氧气顶吹转炉的钢包精炼炉。近20年工业发达国家要求提高钢材的纯净度改善钢材的性能,例如:为提高轴承钢的疲劳寿命,要求控制钢中T[O]≤10×10-6;为保证深冲钢的深冲性,要求控概述制钢中C+N≤50×10-6;为提高输油管抗H2S腐蚀能力,要求控制钢中[S]≤5×10-6等。大量生产这些高附加值纯净钢仅依靠电弧炉、转炉是非常困难的。因此,炉外精炼工艺与装备迅速普及推广。在日本、欧洲先进的钢铁生产国家,炉外精炼比超过90%，其中真空精炼比超过50%,有些钢厂已达到100%。近十多年我国的钢铁企业已基本装备了各种不同类型的精炼炉。一、炉外精炼的冶金功能及精炼技术1、冶金功能(1)熔池搅拌功能,均匀钢水成分和温度,保证钢材质量均匀。可通过惰性气体、电磁、机械等方法搅拌。(2)提纯精炼功能,通过钢渣反应,真空冶炼以及喷射冶金等方法,去除钢中S、P、C、N、H、O等杂质和夹杂物,提高钢水纯净度。(3)钢水升温和控温功能,精确控制钢水温度。(4)合金化功能,对钢水实现窄成分控制。(5)生产调节功能,均衡、衔接炼钢———连铸的节奏。见表1。2、精炼技术(1)渣洗精炼:精确控制炉渣成分,通过渣—钢反应实现对钢水的提纯精炼。主要用于钢水脱氧、脱硫和去除钢中夹杂物。渣洗精炼可分为炉渣改质(加入炉渣改质剂,如CaO-Al系或CaO-CaC2-Al系)及合成渣洗。可使钢水[S]%控制在10×10-6以下。(2)真空精炼,在真空条件下实现钢水的提纯精炼。通常工作压力≥50Pa,适用于对钢液脱气、脱碳和用碳脱氧等反应过程。(3)喷射冶金,通过载气将固体颗粒反应物喷入熔池深处,造成熔池的强烈搅拌并增大反应面积。固体颗粒上浮过程中发生熔化、熔解,完成固—液反应,提高精炼效果。当渣中Fe0.5%,炉渣碱度R≥8时,钢—渣间硫的分配比可达500,脱硫率达80%以上,处理终点硫可10×10-6。二、炉外精炼设备的选型及配置条件1选型原则1.1以钢种为中心,正确选择精炼设备CAS-OB是最简单的非真空精炼设备,多适用于普碳钢、低合金钢等以化学成分交货的钢种。LF有很强的清洗精炼和加热功能,适宜冶炼低氧钢、低硫钢和高合金钢。VD脱碳能力弱(受钢包净高度的限制),具备一定的钢渣精炼功能,适宜生产重轨、轴承、齿轮等气体含量和夹杂物要求严格的优质钢种。RH脱碳能力强,适宜大量生产超低碳钢、IF钢(低N无间隙钢)。VOD、AOD等门用于生产不锈钢。此外,经常采用不同功能的精炼炉组合使用,如CAS-RHLF-RHLF-VDAOD-VOD。1.2初炼炉———精炼炉———连铸生产能力匹配转炉因生产周期短、节奏快、适宜选用CAS或RH电炉冶炼,周期一般60min,可选用LF或VD。1.3提高炉外精炼比针对目前多数钢厂增设了炉外精炼设备后使用率不高的问题,因此对非真空精炼的LF炉、CAS-OB炉设备日历作业率应90%,真空精炼设备的RH、VD等设备作业率应60%。而整个炼钢厂炉外精炼比应95%,当然应注意钢种适路、生产节奏匹配,设备维修和生产成本。2炉外精炼设备的配套条件2.1出钢挡渣工艺,要求钢包下渣量30mm厚。2.2出钢时钢包渣改质技术,要求炉渣改质后包渣碱度R≥2.5,(FeO+MnO)≤3%,注意Al2O3夹杂物的数量、颗粒度。2.3钢包全程保护浇注技术,防止钢水二次氧化、吸N2。2.4钢水保温技术,大包、中包高温烘烤,加盖加保温剂。2.5大包自动开浇,一次开浇率≥90%,底吹Ar开吹率≥95%。2.6耐火材料、保护渣配套,防止钢水吸O2,吸N2和增碳。三、洁净钢精炼1低氧钢精炼1.1硬线钢丝、钢轨、轴承钢、弹簧钢等中、高碳合金钢、优质钢,对钢中夹杂物有严格的要求,为保证钢材质量,必须采用低氧钢精炼工艺,要求;(1)严格控制钢中总氧含量T[O]≤25×10-6,对轴承钢为提高钢材的疲劳寿命,要求T[O]≤10×10-6。(2)严格控制夹杂物形态,避免出现脆性Al2O3夹杂物。如,硬线钢要求控制钢中Al2O3≤25%,为此需控制钢水含Al量≤4×10-6,即采用无铝脱氧工艺。(3)严格控制夹杂物的粒度,避免大型夹杂物出现。1.2低氧钢精炼工艺。(1)精确控制炼钢终点,实现高碳出钢,防止钢水过氧化。(2)严格控制出钢下渣量,碱度R≥3.5,渣中Al2O3为25%～30%,(FeO+MnO)≤1.0%(最好0.5%),实现炉渣对钢水的扩散脱氧,同时完成脱硫任务。(3)白渣精炼后,喂入Si-Ca线。(4)冶炼轴承钢等超低氧钢(T[O]10×10-6)时,LF炉白渣精炼后应采用VD炉真空脱气,脱硫之后加Al深脱氧,喂Si-Ca线变性处理。(5)连铸钢水过热度≤20℃,波动在≤±10℃,防止中心疏松和成分偏析。(6)连铸全程保护浇注,使用低粘度保温性能好的速溶保护渣,控制液面高度,防止卷渣。2超低氮钢精炼氮在钢中的作用具有二重性:做为固溶强化元素提高钢材的强度;做为间隙原子显著降低钢的塑性。对于深冲钢,一般要求控制[N]≤25×10-6。冶炼超低N钢主要依靠真空脱气,但真空脱N效率不高。对于RH生产[N]≤30×10-6的超低N钢有很大困难,采用以下措施有利于提高真空脱N效率;(1)提高钢水纯净度,降低钢中S、O含量,因表面活性元素S、O的存在会明显降低脱N效率。(2)改善RH真空密封结构,防止大气中N2向钢中渗透、扩散。(3)喷吹还原气体如H2,有利于提高脱N速度。(4)喷吹细小Fe2O3粉末,有利于真空脱N。由于真空脱N的效率不高,因此超低N钢的冶炼必须通过炼钢全流程进行控制,特别是生产[N]≤20×10-6的超低N钢应综合采取下述措施:(1)提高转炉脱碳强度,保持炉内微正压,用CO洗涤钢水,实现脱N。(2)改善终点操作,提高终点脱碳速度和终点命中率,减少倒炉次数。(3)沸腾出钢,防止出钢时钢水吸N2。(4)真空下进一步降低钢水S、O含量,采取措施提高真空脱N的效率。(5)完善精炼钢水的保护浇注,避免二次吸N2。3超低硫钢的冶炼石油管线钢一般要求600～700MPa的强度,还要求具有良好的抗HIC(氢致裂纹)和抗SSCC(硫应力致裂纹)的能力。为满足石油管线钢的要求,超低硫钢生产工艺迅速发展。目前,大生产中已可以稳定生产[S]≤10×10-6的超低硫钢。转炉超低硫钢生产工艺:转炉大量生产超低硫钢,应包括铁水脱硫,转炉精炼和钢水精炼三个基本工序。根据生产钢种是否需要真空处理,可进一步划分为LF炉精炼和真空喷粉精炼两种工艺,具体生产流程和操作指标详见下图: