冶金行业电炉原料工艺

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29～11月24日沈阳（No4）12/7/20221东北大学/阎立懿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12/7/20222东北大学/阎立懿

上次介绍第二章的后半部分内容如下：电炉主电路设备：组成、作用及特点；电炉的电控设备：高压控制、低压控制，以及电极自动调节器；电气特性：电炉的电气特性主要研究某一电压下，电炉的各个电气量值随电弧电流变化的规律性。——通过电炉的等值电路——给出阻抗三角形——得到电气量值表达式——用电气特性曲线形式来表现。用电规范的讨论12/7/20223东北大学/阎立懿图2-15电炉理论电气特性曲线图2-15电炉理论电气特性曲线12/7/20224东北大学/阎立懿

4）短路（I=Id）

这相当石墨电极与金属料接触或插入钢水中，即发生短路，此时，Rarc=０，短路电流为：

讨论：①因为Parc=０，所以Pa=Pr=3I2r，即有功功率全部消耗在装置电阻上，炉内无热量输入；②Parc、η=０，但cosφ≠0；③Rarc=０，使短路电流很大，Id/In≥2～4，极易损坏电器，故要求短路电流要小、短路时间要短。短路分为送电起弧短路与过程操作短路：

起弧短路短路的目的是要起弧，这要求时间短，即做瞬间短路；

过程操作短路应加以限制，通过提高电路电抗可以限制短路电流，同时使电弧燃烧连续、稳定。12/7/20225东北大学/阎立懿

5）耐火材料磨损指数最大（用“RE”表示）用以上类似的数学分析方法可求出，当电弧电阻为下面公式时，耐火材料磨损指数有最大值，此时电流及对应的最大耐火材料磨损指数分别为下左、右式，右式中d为电极侧部至炉壁衬最短距离。12/7/20226东北大学/阎立懿2.5.3供电制度的确定

在一定设备条件下，供电制度合理与否，不但影响冶炼过程的顺利，还影响炉衬寿命、冶炼时间、电能消耗以及设备利用等。何谓供电制度？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。供电制度如何确定？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。下面从“经济电流”概念出发，讨论工作电流确定。12/7/20227东北大学/阎立懿1）经济电流的确定

观察特性曲线（图2-15）可以发现：在电流较小时电弧功率随电流增长较快，而电损功率随电流增长缓慢；当电流增加到较大区域内时，情况恰好相反。这说明在特性曲线上有一点（电流）能使电弧功率与电损功率随电流的变化率相等（dParc/dI=dPr/dI），该点对应的电流叫“经济电流”，用Ｉ经济表示。因电流小于Ｉ经济时，电弧功率小，熔化得慢；大于Ｉ经济时，电弧功率增加不多，电损失功率增加不少，故Ｉ经济得名“经济”电流。另外，在Ｉ经济附近的cosφ、η也较理想。12/7/20228东北大学/阎立懿

由电弧功率、电损功率及电弧电流表达式（表2-3），有关系：Parc=f[ψ(Rarc)]或Pr=f[ψ(Rarc)]

Parc、Pr分别对Rarc求复合函数的导数，并联立求解得Rarc值及对应的电流——经济电流Ｉ经济：12/7/20229东北大学/阎立懿讨论：①比较有Ｉ经济＜I1，只有当x／r很大时，Ｉ经济才接近I1；②实际设计中，比值x／r＝3～5，对应cosφ=0.83～0.88，η＝0.82～0.86，而Ｉ经济/I1＝0.81～0.89，应该说比较理想，这比I1时还要好。12/7/202210东北大学/阎立懿2）工作电电流的确定定I经济的求出似乎乎就给出工工作电流，，即I工作≤I经济。但若将耐材磨损指指数的关系也表表示在图2-15的电气特性性曲线中，，可以看出出，I=I经济恰好在RE最大值附近近（右侧））。对于小型普普通功率电电炉，RE较低＜400MW·V/m2(一般RE＜400～～450为为安全值值)，此时时炉衬热点点损耗不剧剧烈。12/6/202211东北大学/阎立懿但对于大型型电炉功率率水平大幅幅度提高，，炉壁热点点磨损极为为严重，RE的峰值将超超过800MW··V/m2以上，此时时工作电流流的选择必必须避开RE峰值，所选选的工作电电流不再是是在I1左面接近I经济的区域，而而是接近I1或超过I1，即I工作≥I1。此种情况，，Parc增加了，虽虽然Ｐr增加、cosφ降低低，但由于于低电压、、大电流电电弧的状态态发生了变变化，成为为“粗短弧弧”使电炉炉传热效率率提高，更更主要是炉炉衬寿命得得到保证，，RE减小。12/6/202212东北大学/阎阎立懿当采用泡沫渣渣时，可实现现埋弧操作，，以及主熔化化期（电弧被被废钢遮蔽）），因此不用用顾及RE的影响，而采采用高电压、、小电流的细细长弧供电（（操作），那那么确定工作作电流的原则则不变，仍为为I工作≤Ｉ经济＜I1。当然I工作≤Ｉ经济是有条件的，，不能一味地地追求，还必必须考虑变压压器额定电流流In允许值。在电电炉变压器选选择正确时，，应能保证In接近Ｉ经济。考虑诸因素，，工作电流选选择原则应该该是：在考虑虑变压器额定定电流的情况况下，满足I工作≤Ｉ经济条件。典型的的大型电炉供供电曲线如图图2-16。。12/6/202213东北大学/阎阎立懿图2-16电电炉供电电的P—t图图12/6/202214东北大学/阎阎立懿第三章电电炉炼钢原材材料炼钢原材料：：分为金属材材料和辅助材材料两大类。。3.1金金属材料包括废钢铁料料、废钢代用用品以及铁合合金等。3.1.1废废钢铁料料废钢是电炉炼炼钢的主要原原料（～100%），吨吨钢消耗约～～1150kg。12/6/202215东北大学/阎阎立懿1）废钢资源源情况可以说世界界范围可利利用的废钢钢量是不缺缺乏，且随随着积累钢钢产量的增增加，废钢钢利用率的的提高，可可利用的废废钢量将会会继续增加加。不过过不不同同地地区区和和国国家家是是不不均均衡衡的的，，比比如如美美、、英英、、法法、、德德及及前前苏苏联联，，每每年年出出口口废废钢钢300～～1000万万吨吨不不等等。。其其中中美美国国是是最最大大的的废废钢钢净净出出口口量量国国，，平平均均每每年年出出口口约约1000万万吨吨，，2004年年净净出出口口714万万吨吨；；就就连连资资源源缺缺乏乏的的日日本本从从1992年年也也开开始始出出口口废废钢钢，，其其主主要要原原因因是是汽汽车车业业的的发发展展，，2004年年净净出出口口654万万吨吨。。同时时土土耳耳其其、、西西班班牙牙、、意意大大利利、、韩韩国国、、印印度度、、印印尼尼以以及及中中国国每每年年需需要要进进口口废废钢钢100～～1000万万吨吨不不等等。。12/6/202216东北大大学/阎立立懿中国解解放前前的钢钢产量量很少少，历经半半个世世纪钢钢的蓄蓄积量量也不不过几几百万万吨。。1949年年才15.8万万吨，，钢材产产量仅仅14万吨吨。自1949年至至2007年，，积累钢钢产量量约40亿亿吨，加之之钢产产品变变为废废钢的的折旧旧期很很长（（大多多30～40多多年还还在使使用）），废废钢利利用率率也很很低，，造成成我国国废钢钢短缺缺。此现象象将随随着每每年～～5亿亿吨钢钢产量量的增增加，，大量量钢铁铁设备备、流流程改改造更更新，，使得得废钢钢循环环进入入动态态平衡衡等，，到2010年年以后后将会会随着着废钢钢再生生流程程的正正常启启动而而得到到明显显好转转。但目前前，中中国还还是个个废钢钢缺乏乏、质质量低低劣的的国家家，解解决途途径有有二：：进口口废钢钢；使使用直直接还还原铁铁等废废钢代代用品品。12/6/202217东北大大学/阎立立懿2）废废钢分分类按来源源可分分为以以下三三种：：自产废废钢，，即钢铁厂厂内返回废废钢，，质量量好、、成分分易控控制；；加工厂厂废钢钢，即即制造厂厂内边角余余料等等，质质量较较好，，但回回收后后注意意分类类；循环废废钢，，即外购废废钢，数量量最大大、成成分复复杂、、质量量最差差。它它是从从废旧旧钢制制品中中回收收的，，包括括机械械与建建筑结结构、、废旧旧车辆辆、仪仪器仪仪表、、家电电炊具具以及及军火火兵器器等。。它们们不可可避免免地存存在其其它金金属和和有害害元素素，其其中有有些越越循环环是越越多，，尤其其有害害残余余元素素Sn、Pb、、As、、Sb、Bi、、Cu、、Zn等等的存存在，，使得得生产产优质质钢的的难度度增加加。国际范范围解解决废废钢质质量的的措施施：配一部部分直直接还还原铁铁等稀稀释；；去除除废钢钢中有有害残残余元元素。。R12/6/202218东北大学/阎阎立懿Filename.ppt19东北大学/阎阎立懿3.1.2废废钢代用用品废钢代用品，，美国最先提提出的，原文文SteelScrapSubstitude，简称称3S。目前前用于生产中中的废钢代用用品有：生铁与铁水、、直接还原铁铁与热压块铁铁等，见图3-1。它们具有共同同的优点：杂质元素含量量极低，其中中微量元素Cu、Zn、Sn、、Pb、Ni、Mo等均均为痕量，可可以对废钢中中的残余元素素进行稀释；；去氮效果好，，因其碳含量量高，熔化过过程产生大量量的CO，去去气效果好。。废钢代用品的的使用，不仅仅可以弥补废废钢的不足，，而且能够提提高钢水的清清洁度，生产产高质量的钢钢材。12/6/202220东北大学/阎阎立懿图3-112/6/202221东北大学学/阎立立懿1）生铁铁/铁水水传统的作作法是用用生铁来来提高炉炉料中的的配碳量量，同时时解决废废钢的不不足。电电炉还原原期碳低低时，常常用优质质生铁增增碳。目前，中中国铁/钢比大大于1（（不合理理,世界平均均0.7,巴西西0.9），生铁铁较富裕裕，且价价格与优优质废钢钢相当，，加之废废钢质与与量不佳佳，故可可用生铁铁/铁水水补充废废钢的不不足，生生产高质质量的钢钢材。宝钢、天天管等电电炉兑30%～～40%铁水生生产石油油管，改改善废钢钢质量的的不足；；国内还还有部分分电炉兑兑30%～50%铁水水，提高高生产率率、降低低电耗。。但从长远远观点看看，新建建高炉向向电炉提提供铁水水炼钢，，不但能能耗和成成本高于于转炉流流程，还还将破坏坏生态环环境。12/6/202222东北大学学/阎立立懿2）直接接还原铁铁与热压压块铁直接还原原铁（DRI））与热压压块铁（（HBI）都是是铁矿石石粉在低低于熔化化温度下下进行还还原得到到的直接接还原品品种，见见图3-2、图图3-3及实物物。其中中HBI可以由由DRI热压成成形，HBI堆堆比重大大，不易易氧化、、破碎。。DRI与与HBI的生产产方法有有气基法法与煤基基法，以以气基法法为主。。最初，DRI/HBI只是作作为废钢钢的代用用品，补补充废钢钢的不足足。现在在成为生生产优质质钢材必必需配入入的精料料，以降降低钢中中杂质元元素，一一般配入入量在15%～60%。。12/6/202223东北大学学/阎立立懿图3-212/6/202224东北大学学/阎立立懿12/6/202225东北大学学/阎立立懿炼钢用DRI/HBI具有以以下特点点：1））化学成成分稳定定，杂质质含量极极低扩扩大大废钢资资源，提提高钢材材质量，，DRI的的化学成成分见表表3-1。化学成分金属化率全铁脉石SPDRIHBI93.4093.0892.9093.663.603.390.0010.0020.0370.0322））DRI/HBI的的价价格格较较高高吨价价与与优优质质废废钢钢价价格格相相当当，，但但若若单单纯纯用用DRI/HBI代代替替废废钢钢，，按按含含铁铁量量折折算算的的话话，，其其价价格格高高于于优优质质废废钢钢。。12/6/202226东北北大大学学/阎阎立立懿懿3））渣渣量量大大、、能能耗耗高高能耗耗高高是是DRI最最大大的的缺缺点点，，因因脉脉石石含含量量高高（（SiO2+Al2O3），，引引起起渣渣量量增增加加，，石石灰灰用用量量大大，，使使电电耗耗、、电电极极消消耗耗增增加加，，耐耐火火材材料料消消耗耗提提高高，，冶冶炼炼周周期期延延长长等等，，增增加加操操作作成成本本。。能耗耗比比较较如如下下：：全全废废钢钢/440kWh/t，，50%废废钢钢+50%DRI/485kWh/t，，20%废废钢钢+80%DRI/593kWh/t。。综上上，，目目前前生生产产一一般般钢钢种种用用DRI/HBI还还不不合合算算，，但但生生产产某某些些优优质质钢钢是是必必要要的的，，如如天天津津钢钢管管公公司司150吨吨电电炉炉配配50%DRI生生产产高高质质量量的的石石油油套套管管，，市市场场很很好好。。12/6/202227东北北大大学学/阎阎立立懿懿3.1.3铁铁合合金金铁合合金金按按用用途途分分为为脱脱氧氧剂剂与与合合金金剂剂。。脱氧氧剂剂：：用用来来脱脱除除钢钢中中的的（（多多余余的的））氧氧，，常常用用的的有有：：Fe-Mn、、Fe-Si、、Al、、Fe-V、、Mn-Si、、Ca-Si等等。。合金金剂剂：：用用来来调调整整钢钢液液的的化化学学成成分分，，种种类类取取决决于于钢钢种种的的要要求求，，有有近近40余余种种。。常常用用的的有有：：Fe-Mn、、Fe-Si、、Al、、Fe-V、、Fe-Cr、、Mn、、Cr、、Ni、、Co、、Fe-Co、、Fe-Ti、、Fe-B等等。。由上上可可见见，，有有些些合合金金如如，，Fe-Mn、、Fe-Si、、Al等等即即可可作作脱脱氧氧剂剂，，也也可可作作合合金金剂剂。。这这主主要要取取决决于于加加入入炉炉内内的的时时间间，，其其原原则则是是：：作为为脱脱氧氧剂剂的的合合金金要要先先加加，，作作为为合合金金剂剂调调整整成成分分要要在在钢钢液液脱脱氧氧良良好好的的情情况况下下加加入入，，以以提提高高合合金金的的收收得得率率。。12/6/202228东北北大大学学/阎阎立立懿懿3.2辅辅助助材材料料1））氧氧化化剂剂氧气气为为主主要要氧氧源源，，氧氧化化铁铁皮皮脱脱磷磷效效果果好好。。2））造造渣渣剂剂石灰灰（（CaO））是是主主要要的的造造渣渣剂剂，，用用来来提提高高炉炉渣渣的的碱碱度度，，石石灰灰在在造造渣渣剂剂中中的的用用量量最最大大、、效效果果最最好好；；萤石石（（CaF2）用用于于化化渣渣，，降降低低氧氧化化钙钙的的熔熔点点、、改改善善炉炉渣渣的的流流动动性性；；火砖砖块块（（Al2O3+SiO2），，是是浇浇铸铸系系统统用用的的废废旧旧耐耐火火砖砖，，用用于于改改善善炉炉渣渣的的流流动动性性。。3））增增碳碳剂剂焦炭炭粉粉是是主主要要的的、、也也是是最最普普通通的的增增碳碳剂剂；；石墨墨电电极极块块增增碳碳效效果果最最好好，，但但价价格格贵贵；；生铁铁配配料料时时常常用用来来配配碳碳，，精精炼炼期期增增碳碳要要求求用用优优质质生生铁铁；；国国内内也也曾曾使使用用过过煤煤来来代代替替生生铁铁增增碳碳，，以以补补充充生生铁铁的的不不足足。。12/6/202229东北大学/阎阎立懿3.3配配料电炉炼钢的配配料是根据冶冶炼钢种及其其冶炼操作方方法进行的。。配料力求准确确，配料不准准指重量或（（和）成分不不准。重量不不准导致合金金加入不准，，成分不易控控制；而成分分不准增加操操作上的难度度，严重使钢钢报废。即配配料不准影响响过程操作及及钢的产量、、质量以及消消耗等，故应应予以重视。。电电炉氧化法法的配料计算算主要指废钢钢铁配入量与与配碳量的计计算7012/6/202230东北大学/阎阎立懿第四章电电炉炼钢冶炼炼工艺电炉冶炼操作作方法电炉炼钢冶炼炼工艺钢液的的合金金化12/6/202231东北大学/阎阎立懿4.1电电炉冶炼操作作方法一般是按造渣渣工艺特点来来划分的，目目前普遍采用用双渣还原法法与双渣氧化化法。1）双渣还原原法又称返回吹氧氧法，其特点点是冶炼过程程中有较短的的氧化期（≤≤10min），造氧化化渣，又造还还原渣，能吹吹氧脱碳，去去气、夹杂。。但由于该种种方法脱磷较较难，故要求求炉料应由含低低磷的返回废废钢组成。由于它采取了了小脱碳量、、短氧化期，，不但能去除除有害元素，，还可以回收收返回废钢中中大量的合金金元素。因此此，此法适合合冶炼不锈钢钢、高速钢等等含Cr、W高的钢种。。12/6/202232东北大学/阎阎立懿2）双渣氧化化法双渣氧化法又又称氧化法，，它的特点是是冶炼过程有有正常的氧化化期，能脱碳碳、脱磷，去去气、夹杂，，对炉料也无无特殊要求；；还有还原期期，可以冶炼炼高质量钢。。目前，几乎所所有的钢种都都可以用氧化化法冶炼，以下主要介绍绍氧化法冶炼炼工艺。12/6/202233东北大大学/阎立立懿4.2电电炉炉传统统冶炼炼工艺艺传统氧氧化法法冶炼炼工艺艺是电电炉炼炼钢法法的基基础。其操作作过程程分为为：补补炉、、装料料、熔熔化、、氧化化、还还原与与出钢钢六个个阶段段。因因主要要由熔熔化、、氧化化、还还原期期组成成，俗俗称老老三期期。4.2.1补补炉炉1）影影响炉炉衬寿寿命的的“三三要素素”炉衬的的种类类、性性质和和质量量；高温电电弧辐辐射和和熔渣渣的化化学浸浸蚀；；吹氧操操作与与渣、、钢等等机械械冲刷刷以及及装料料的冲冲击。12/6/202234东北大大学/阎立立懿2）补补炉部部位炉衬各各部位位的工工作条条件不不同（（图4-1）损坏坏情况况也不不一样样。炉炉衬损损坏的的主要要部位位如下下：炉壁渣渣线受到高高温电电弧的的辐射射，渣渣、钢钢的化化学侵侵蚀与与机械械冲刷刷，以以及吹吹氧操操作等等损坏坏严重重；渣线热热点区区尤其2＃热热点区区还受受到电电弧功功率大大、偏偏弧等等影响响侵蚀蚀严重重，该该点的的损坏坏程度度常常常成为为换炉炉的依依据；；出钢口口附近近因受渣渣钢的的冲刷刷也极极易减减薄；；炉门两两侧常受急急冷急急热的的作用用、流流渣的的冲刷刷及操操作与与工具具的碰碰撞等等损坏坏也比比较严严重。。12/6/202235东北大大学/阎立立懿图4-1槽出钢钢、偏偏心底底出钢钢电炉炉炉衬衬情况况12/6/202236东北大大学/阎立立懿3）补补炉方方法补炉方方法分分为人人工投投补和和机械械喷补补，根根据选选用材材料的的混合合方式式不同同，又又分为为干补补和湿湿补两两种。。目前，，在大大型电电炉上上多采采用机机械喷喷补，，机械械喷补补设备备有炉炉门喷喷补机机、炉炉内旋旋转补补炉机机以及及炉前前补炉炉机械械手，，机械械喷补补补炉炉速度度快、、效果果好。。补炉的的原则则是：：高温温、快快补、、薄补补。4）补补炉材材料机械喷喷补材材料主主要用用镁砂砂、白白云石石或两两者的的混合合物，，并掺掺入磷磷酸盐盐或硅硅酸盐盐等粘粘结剂剂。12/6/202237东北北大大学学/阎阎立立懿懿4.2.2装装料料目前前，，广广泛泛采采用用炉炉顶顶料料罐罐（（或或叫叫料料篮篮、、料料筐筐））装装料料（（图4-2），，每每炉炉钢钢的的炉炉料料分分1～～3次次加加入入。。装装料料的的好好坏坏影影响响炉炉衬衬寿寿命命、、冶冶炼炼时时间间