5-电炉工艺.ppt

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1、冶金学炼钢篇 电炉炼钢及炉外精炼,阎立懿 东北大学钢铁冶金研究所 2008年10月2911月24日沈阳,（No5）,2019/6/1,东北大学/阎立懿,2,主要内容,电炉炼钢及其发展 电炉炼钢设备及其电热特性 电炉炼钢原料及冶炼工艺 电炉新技术、新工艺 炉外处理 中国钢铁与大型电炉现状,2019/6/1,东北大学/阎立懿,3,上次介绍第二章、三章的内容： 供电制度指某一特定的电弧炉，当能量供给制度确定之后，在确定的某一电压下工作电流的选择。 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。 电炉炼钢原材料：金属材料：废钢铁料、废钢代用品及铁合金；辅

2、助材料：氧化剂、造渣剂及增碳剂。 电炉冶炼操作方法：普遍采用双渣还原法（返回吹氧法）与双渣氧化法（氧化法）。,2019/6/1,东北大学/阎立懿,4,第四章 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,2019/6/1,东北大学/阎立懿,5,4.1 电炉冶炼操作方法,一般是按造渣工艺特点来划分的，目前普遍采用双渣还原法与双渣氧化法。 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（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

3、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。,2019/6/1,东北大学/阎立懿,6,2）双渣氧化法 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。,2019/6/1,东北大学/阎立懿,7,4.2 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。 其操作过程分为：补炉、装料、熔化、氧化、还原与出钢六个阶段。主要由熔化、氧化、还原期组成，俗称老三期。 4.2.1 补炉 1）影响炉

4、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。,2019/6/1,东北大学/阎立懿,8,2）补炉部位 炉衬各部位的工作条件不同（图4-1）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。,2019/6/1,东北大学/阎立懿,9,图4

5、-1 槽出钢、偏心底出钢电炉炉衬情况,2019/6/1,东北大学/阎立懿,10,3）补炉方法 补炉方法分为人工投补和机械喷补两种。 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、炉内旋转补炉机以及炉前补炉机械手，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。,2019/6/1,东北大学/阎立懿,11,4.2.2 装料,目前，广泛采用炉顶料罐（或叫料篮、料筐）装料（图4-2），每炉钢的炉料分23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

6、，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。 其中装料时间直接影响冶炼周期及吨钢电耗，两年前提出的改善炉料结构、加强炉料管理、合理装料次数等措施，实现“零压料”，受到现场重视。 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。,2019/6/1,东北大学/阎立懿,12,图4-2 电炉装料情况,2019/6/1,东北大学/阎立懿,13,4.2.3 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 将块状的

7、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。,2019/6/1,东北大学/阎立懿,14,1）炉料熔化过程及供电 装料完毕即可通电熔化。 炉料熔化过程见图4-3，基本可分为四个阶段（期），即点弧、穿井、主熔化及熔末升温。,2019/6/1,东北大学/阎立懿,15,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，如图。 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

8、。 供电上采用较低电压、较低电流。,2019/6/1,东北大学/阎立懿,16,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：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。供电上采取较大电压、较大电流，以增加穿井的直径与穿井的速度。,2019/6/1,东北大学/阎立懿,17,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

9、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7080以上。,2019/6/1,东北大学/阎立懿,18,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（图4-3）。 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表4-1，典型的供电曲线如图4-4。,2019/6/1,东北大学/阎立懿,19,表4-1 炉料熔化过程与操作,2019/6/1,东北大学/阎立懿,20,图4-4 典型的供电曲线,2019/6/1,东北大学/阎立懿,21,2）及时吹氧与

10、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%，这与渣的碱度和氧化性等有关；而在吹氧时氧化10%30%、Fe氧化2%3%。,2019/6/1,东北大学/阎立懿,22,3）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

11、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。 脱磷反应与脱磷条件： R,2019/6/1,东北大学/阎立懿,23,脱磷反应： 2P5(FeO)4(CaO)(4CaOP2O5)5Fe, H0 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。 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。,2019/6/1,东北

12、大学/阎立懿,24,（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。,2019/6/1,东北大学/阎立懿,25,4.2.4 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7080%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5080。 （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

13、除气、去夹杂二去 提 高 钢 液 温度升温,2019/6/1,东北大学/阎立懿,26,（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）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（或碎矿）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？,2019/6/1,东北大学/阎立懿,27,脱碳反应

14、的作用如下： 降低钢中的碳，利用碳-氧反应（2 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：,2019/6/1,东北大学/阎立懿,28,CO =CO , HCO0.24kcal=22kJ0 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 平衡 。 高温，加速-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-间的扩散，故高温有利脱碳

15、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。,2019/6/1,东北大学/阎立懿,29,3）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？,2019/6/1,东北大学/阎立懿,30,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

16、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。,2019/6/1,东北大学/阎立懿,31,4）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2030，以弥补扒渣、造新渣以及加合金造成的钢液降温，见 图4-5。 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。,2019/6/1,东北大学/阎立懿,32,图4-5 金属料（固/

17、液体）升温曲线,2019/6/1,东北大学/阎立懿,33,4.2.5 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 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。,2019/6/1,东北大学/阎立懿,34,1）脱氧方法 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： xM块

18、 yO(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）。,2019/6/1,东北大学/阎立懿,35,扩散脱氧反应式： x(M)粉+y(FeO)(MxOy)+yFe 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；

19、脱氧速度慢，时间长。此法常用在电炉还原期稀薄渣形成后。,2019/6/1,东北大学/阎立懿,36,2）脱硫反应及其条件 FeS+（CaO）=（CaS）+（FeO），H0 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。,2019/6/1,东北大学/阎立懿,37,（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）

20、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35批，710min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,2019/6/1,东北大学/阎立懿,38,（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100140。由于氧化期末控制钢液温度大于出钢温度2030以上，所以扒渣后还原期的温度控制，总的来说是保温过程（图4-5）。 若还原期大幅度升温，则造成：

21、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。,2019/6/1,东北大学/阎立懿,39,4.2.6 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。,2019/6/1,东北大学/阎立懿,40,电炉传统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。,2019/6/1,东北大学/阎立懿,41,13）电炉传统氧化法冶炼过程熔化期、氧化期及还原期的主要任务。 14）电炉炼钢去气、去夹杂主要在哪个工艺期进行，如何实现。 15）分别写出脱C、 P、S反应方程式，并分析脱C 、P、S的有利条件。,课后思考题5,