电炉炼钢操作方法及冶炼工艺

第五章电炉炼钢冶炼工艺第一节

电炉冶炼操作方法

第二节

冶炼工艺第一节电炉冶炼操作方法操作方法一般是按造渣工艺特点来划分的，有单渣氧化法、单渣复原法、双渣复原法与双渣氧化法，目前普遍采用后两种。

1〕双渣复原法

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，又造复原渣，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。2〕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；还有复原期，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。

第二节冶炼工艺传统氧化法冶炼工艺是电炉炼钢法的根底。其操作过程分为：补炉、装料、熔化、氧化、复原与出钢六个阶段。因主要由熔化、氧化、复原期组成，俗称老三期。一、补炉

1〕影响炉衬寿命的“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。2〕补炉部位炉衬各部位的工作条件不同,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。槽出钢电炉炉衬情况EBT电炉炉衬情况3〕补炉方法补炉方法分为人工投补和机械喷补，根据选用材料的混合方式不同，又分为干补和湿补两种。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，机械喷补补炉速度快、效果好。补炉的原那么是：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。二、装料目前，广泛采用炉顶料罐〔或叫料篮、料筐〕装料，每炉钢的炉料分1～3次参加。装料的好坏影响炉衬寿命、冶炼时间、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罐中的布料合理与否。

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。电炉装料情况三、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、复原期的顺利与否。

〔1〕熔化期的主要任务将块状的固体炉料快速熔化，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。1〕炉料熔化过程及供电装料完毕即可通电熔化。炉料熔化过程图，根本可分为四个阶段〔期〕，即点弧、穿井、主熔化及熔末升温。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。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。供电上采用较低电压、较低电流。

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，方法是：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。供电上采取较大的二次电压、较大电流，以增加穿井的直径与穿井的速度。

主熔化期电极下降至炉底后开始上升时，主熔化期开始。随着炉料不断的熔化，电极渐渐上升，至炉料根本熔化，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、传热条件好，故应以最大功率供电，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70％以上。

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。应注意保护炉壁，即提前造好泡沫渣进行埋弧操作，否那么应采取低电压、大电流供电。各阶段熔化与供电情况见下表。典型的供电曲线如以下图。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电流

熔末升温期电弧暴露→全熔保护炉壁低电压、大电流水冷+泡沫渣典型的供电曲线2〕及时吹氧与元素氧化熔化期吹氧助熔，初期以切割为主，当炉料根本熔化形成熔池时，那么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℃〕开始吹氧最为适宜，吹氧过早浪费氧气，过迟延长熔化时间。

一般情况下，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Ｃ氧化10%～30%、Fe氧化2%～3%。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。由于初期渣具有一定的氧化性和较高的碱度，可脱除一局部磷；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。为什么？脱磷反响与脱磷条件：脱磷反响与脱磷条件：脱磷反响：2［P］＋5(FeO)＋4(CaO)＝(4CaO·P2O5)＋5［Fe］,△H＜0分析：反响是在渣-钢界面上进行，是放热反响。脱磷反响的条件：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。电炉脱磷操作：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，抓紧在熔化期根本完成脱磷任务。〔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。

四、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，并到达氧化温度，磷脱除70％～80%以上进入氧化期。为保证冶金反响的进行，氧化开始温度高于钢液熔点50～80℃。〔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；去除气、去夹杂——二去；提高钢液温度——升温。〔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，由脱磷反响式可以看出：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［P］＋5(FeO)＋4(CaO)＝(4CaO·P2O5)＋5［Fe］△H＜02〕氧化与脱碳近些年，强化用氧实践说明：除非钢中磷含量特别高需要采用碎矿〔或氧化铁皮〕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，然而脱碳反响的作用不仅仅是为了降碳，脱碳反响的作用？脱碳反响的作用如下：降低钢中的碳，利用碳-氧反响〔Ｃ＋Ｏ2→CO〕这个手段，来到达以下目的；搅动熔池，加速反响，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，来到达加速反响，均匀成分、温度，去除气体和夹杂的目的。脱碳反响与脱碳条件：[C]＋[O]=CO↑,△HCO＝－0.24kcal=－22kJ＜0分析：该反响是在钢中进行，是放热反响。高氧化性，加强供氧，使［％O］实际＞［％Ｏ］平衡。高温，加速Ｃ-Ｏ间的扩散〔由于脱碳反响是“弱〞放热反响，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Ｃ-Ｏ间的扩散，故高温有利脱碳的进行〕。降低PCO，如充惰性气体〔AOD〕，抽气与真空处理〔VD、VOD〕等均有利于脱碳反响。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-氧反响、一氧化碳气泡的上浮，使熔池产生剧烈沸腾，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？去气、去夹杂的机理：Ｃ-Ｏ反响生成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反响，易使2FeO·SiO2、2FeO·Al2O3及2FeO·TiO2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响速度，保证熔池有一定的剧烈沸腾时间。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，待磷到达要求后再放手提温。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、造稀薄渣进入复原期。金属料〔固/液体〕升温曲线五、复原期传统电炉冶炼工艺中，复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异是将复原期移至炉外进行。

〔1〕复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。

1〕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、复原前用沉淀脱氧—预脱氧，复原期用扩散脱氧，出钢前用沉淀脱氧—终脱氧。其中沉淀脱氧反响式：x[M]块＋y[O]＝(MxOy)↑沉淀脱氧是将块状脱氧剂参加钢液中，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〕。扩散脱氧反响式：

x(M)粉+y(FeO)＝(MxOy)+y[Fe]

[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：反响在渣中进行，产物不进入钢中，钢质好；脱氧速度慢，时间长。此法常用在电炉复原期稀薄渣形成后。2〕脱硫反响及脱硫条件[FeS]+〔CaO〕=〔CaS〕+〔FeO〕，△H＞0

分析：该反响是在渣-钢界面上进行的，为一吸热反响。高碱度，造高碱度渣，增加渣中氧化钙；强复原气分〔或低氧化性〕，造复原性渣，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。由于电炉复原期或精炼炉精炼期的复原气分强烈，(FeO)＜0.5%～1.0%，对脱硫特别有利。〔2〕复原操作——脱氧操作电炉常用综合脱氧法，其复原操作以脱氧为核心.1〕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〕复原，加C粉、Fe-Si粉等脱氧〔扩散脱氧〕，分3～5批，7～10min／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〔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100～140℃。由于氧化期末控制钢液温度大于出钢温度20～30℃以上，所以扒渣后复原期的温度控制，总的来说是保温过程。假设复原期大幅度升温，那么造成：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，应防止复原期“后升温〞操作。六、出钢传统电炉冶炼工艺，钢液经氧化、复原后，当化学成分合格，温度符合要求，钢液脱氧良好，炉渣碱度与流动性适宜时即可出钢。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。传统电炉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、氧化期和复原期，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。七、钢液的合金化炼钢过程中调整钢液合金成分的操作称为合金化，它包括电炉过程钢液的合金化及精炼过程后期钢液的合金成分微调。传统电炉冶炼工艺的合金化一般是在氧化末、复原初进行预合金化，在复原末、出钢前或出钢过程进行合金成分微调。而现代电炉炼钢合金化一般是在出钢过程中在钢包内完成，出钢时钢包中合金化为预合金化，精确的合金成分调整最终是在精炼炉内完成的。合金化操作～主要指合金参加的时间、参加的数量及参加的方式。

1〕合金参加时间

总的原那么是：熔点高，不易氧化的元素可早加；熔点低，易氧化的元素晚加。合金化操作具体原那么：A〕易氧化的元素后加原那么：不易氧化的元素，可在装料时、氧化期或复原期参加，如Ni、Co、Mo，W等；较易氧化的元素，一般在复原初期参加，如P、Cr、Mn等；容易氧化的元素一般在复原末期参加，即在钢液和炉渣脱氧良好的情况下参加，如V、Nb、Si、Ti、Al、B、稀土元素〔La、Ce等〕。为提高易氧化元素的收得率，许多工厂在出钢过程中参加稀土元素、钛铁等，有时稀土元素还在浇注的过程中参加。B〕比重大的加强搅拌原那么：熔点高的、比重大的铁合金，参加后应加强搅拌。如钨铁的密度大、熔点高，沉于炉底，其块度应小些。C〕廉价的先加原那么：在许可的条件下，优先使用廉价的高碳铁合金，然后再考虑使用中碳铁合金或低碳铁合金。D〕贵重的控制下限原那么：贵重的铁合金应尽量控制在中下限，以降低钢的本钱。如冶炼W18Cr4V时〔W17%～19%〕，每少加1%的W，可节约15kg/t钨铁。此外，脱氧操作和合金化操作也不能截然分开。一般说来，作为脱氧的元素先加，合金化元素后加；脱氧能力比较强的，而且比较贵重的合金元素，应在钢液脱氧良好的情况下参加。八、废钢预热节能技术1〕概述2〕废钢预热法的分类3〕料罐式废钢预热法4〕双壳电弧炉预热法5〕竖窑式电炉预热法6〕炉料连续预热法

1〕概述

当电炉采用超高功率化与强化用氧技术，使废气量大大增加，废气温度高达1200℃以上，废气带走的热量占总热量支出的15%～20%，折合成电能相当于80～120kWh/t。

为了降低能耗、回收能量，在废钢熔炼前，利用电炉产生的高温废气进行废钢预热，节能效果明显。

到目前为止，世界范围废钢预热方法主要有料罐预热法、双壳电炉法、竖窑电炉法以及炉料连续预热法等等。2〕废钢预热法的分类

按其结构类型分为：分体式与一体式，即预热与熔炼是分还是合；分批预热式与连续预热式。按使用的热源分为：外加热源预热——燃料烧咀预热；利用电炉排出的高温废气预热。3〕料罐式废钢预热

世界上第一套料罐式废钢预热装置是日本于1980年用在50吨电炉上，次年又将这种废钢预热装置用在100吨电炉上。之后，在不到10年的时间里，日本就有接近50套废钢预热装置投入运行。

料罐式废钢预热装置及其工作原理，见图。料篮式废钢预热装置示意图预热室料篮料罐预热法的工作原理及预热效果：电炉产生的高温废气〔～1200℃〕由第四孔水冷烟道经燃烧室后进入装有废钢的预热室内进行预热。废气进入预热室的温度一般为700～800℃，排出时为150～200℃，每罐料预热30～40min，可使废钢预热至200～250℃。每炉钢的第一篮〔约60%〕废钢可以得到预热。料罐预热法能回收废气带走热量的20%～30%，可节电20～30kWh／t，同时，节约电极、提高生产率。料罐预热法的问题及改进措施：

该种废钢预热存在的主要问题：①产生白烟、臭气新的公害；②高温废气使料篮局部过烧，降低其使用寿命；③预热温度低，废钢装料过程温降大等。迫于这些问题采取了再循环方式、加压方式、多段预热方式、喷雾冷却方式以及后燃方式等措施对付白烟与臭气；采取水冷料罐以及限制预热时间、温度等措施来提高料罐的寿命。

但是，结果说明不理想，而且这些措施均使原本废钢预热温度就不高〔废钢入炉前温降大，降至100～150℃〕的情况进一步恶化，综合效益甚微。这些问题的存在，使得该项技术受到挑战，一些钢厂干脆停止了使用。这就促使欧、美和日本积极开发新的废钢预热工艺，提高利用电炉产生的高温废气预热废钢的效率，节约能源、提高生产率、降低本钱以及改善环境。4〕双壳电炉法

双壳电炉法早在二十世纪70年代双壳炉就存在，但它是外加热源〔氧-燃烧咀〕预热；而新式双壳炉是利用电炉产生的高温废气进行预热的。新式双壳炉具有一套供电系统、两个炉体，即“一电双炉〞。一套电极升降装置交替对两个炉体进行供热熔化废钢，双壳炉运行与工作原理图。双壳炉运行

双壳炉工作原理图双壳炉的工作原理：当熔化炉1#进行熔化时，所产生的高温废气由炉顶排烟孔经燃烧室后进入预热炉2#中进行预热废钢，预热〔热交换〕后的废气由出钢箱顶部排出、冷却与除尘。每炉钢的第一篮〔约60%〕废钢可以得到预热。双壳炉的主要优点：①提高变压器的时间利用率，由70%提高到80%以上；②缩短冶炼时间，提高生产率10%～15%；③可回收废气带走热量的30%以上，节电40～50kWh/t。新式双壳炉自1992年日本首先开发第一座，到目前世界范围已有近30座投产，其中大局部为直流双壳炉。为了增加预热废钢的比例，增加第一次料重量，如由60%增加至70%，日本钢管公司〔NKK〕采取增加电炉熔化室高度，并采用氧-燃烧咀预热助熔，以进一步降低能耗、提高生产率。5〕竖窑式电炉(shaftfurnace)进入二十世纪90年代，德国的Fuchs公司研制出新一代电炉——竖窑式电炉〔简称竖炉〕。Fuchs公司自1988年开始研究竖炉技术，现在已经显示出其卓越的性能和显著的经济效果。从1992年首座竖炉在英国的希尔内斯钢厂〔Sheerness〕投产，到目前为止，Fuchs公司投产的竖炉已超过40座。竖炉的结构：竖炉炉体为椭圆形，在炉体相当炉顶第四孔〔直流炉为第二孔〕的位置配置一竖窑烟道，并与熔化室连通。在竖窑烟道的下部与熔化室之间有一水冷活动托架〔指形阀——也叫手指式竖炉〕，将竖炉与熔化室隔开，废钢分批参加竖窑中，废钢经预热后，翻开托架参加炉中，可实现100%废钢预热，竖炉运行与工作原理图。竖炉的结构示意图图6-19竖炉结构示意图竖炉的工作原理竖炉的工作原理：新开炉的第一篮废钢直接参加炉中，余下的由受料斗参加竖窑中。送电熔化时，炉中产生的高温废气1200～1600℃，直接对竖窑中废钢料进行预热。当炉膛中的废钢根本熔化后，竖窑中废钢温度经预热温度高达600～700℃时，翻开托架将预热好的废钢参加高温炉膛中。随后关闭托架，再由受料斗将废钢参加竖窑中进行预热。周而复始，使废钢料分批、分期地，100%地进行预热。出钢时，炉盖与竖窑一起提升800mm左右、炉体倾动，由偏位底出钢口出钢。竖炉〔手指式竖炉〕的主