《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2021年10月29～11月24日沈阳〔No4〕11/3/20231整理课件主要内容电炉炼钢及其开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11/3/20232整理课件上次介绍第二章的后半局部内容如下：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。用电标准的讨论11/3/20233整理课件图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11/3/20234整理课件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。11/3/20235整理课件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。11/3/20236整理课件2.5.3供电制度确实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？在传统确实定方法中，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。11/3/20237整理课件1〕经济电流确实定观察特性曲线〔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。11/3/20238整理课件由电弧功率、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：11/3/20239整理课件讨论：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。11/3/202310整理课件2〕工作电流确实定I经济的求出似乎就给出工作电流，即I工作≤I经济。但假设将耐材磨损指数的关系也表示在图2-15的电气特性曲线中，可以看出，I=I经济恰好在RE最大值附近〔右侧〕。对于小型普通功率电炉，RE较低＜400MW·V/m2(一般RE＜400～450为平安值)，此时炉衬热点损耗不剧烈。11/3/202311整理课件但对于大型电炉功率水平大幅度提高，炉壁热点磨损极为严重，RE的峰值将超过800MW·V/m2以上，此时工作电流的选择必须避开RE峰值，所选的工作电流不再是在I1左面接近I经济的区域，而是接近I1或超过I1，即I工作≥I1。此种情况，Parc增加了，虽然Ｐr增加、cosφ降低，但由于低电压、大电流电弧的状态发生了变化，成为“粗短弧〞使电炉传热效率提高，更主要是炉衬寿命得到保证，RE减小。11/3/202312整理课件当采用泡沫渣时，可实现埋弧操作，以及主熔化期〔电弧被废钢遮蔽〕，因此不用顾及RE的影响，而采用高电压、小电流的细长弧供电〔操作〕，那么确定工作电流的原那么不变，仍为I工作≤Ｉ经济＜I1。当然I工作≤Ｉ经济是有条件的，不能一味地追求，还必须考虑变压器额定电流In允许值。在电炉变压器选择正确时，应能保证In接近Ｉ经济。考虑诸因素，工作电流选择原那么应该是：在考虑变压器额定电流的情况下，满足I工作≤Ｉ经济条件。典型的大型电炉供电曲线如图2-16。11/3/202313整理课件图2-16电炉供电的P—t图11/3/202314整理课件第三章电炉炼钢原材料炼钢原材料：分为金属材料和辅助材料两大类。3.1金属材料包括废钢铁料、废钢代用品以及铁合金等。3.1.1废钢铁料废钢是电炉炼钢的主要原料〔～100%〕，吨钢消耗约～1150kg。11/3/202315整理课件

1〕废钢资源情况可以说世界范围可利用的废钢量是不缺乏，且随着积累钢产量的增加，废钢利用率的提高，可利用的废钢量将会继续增加。不过不同地区和国家是不均衡的，比方美、英、法、德及前苏联，每年出口废钢300～1000万吨不等。其中美国是最大的废钢净出口量国，平均每年出口约1000万吨，2004年净出口714万吨；就连资源缺乏的日本从1992年也开始出口废钢，其主要原因是汽车业的开展，2004年净出口654万吨。同时土耳其、西班牙、意大利、韩国、印度、印尼以及中国每年需要进口废钢100～1000万吨不等。11/3/202316整理课件中国解放前的钢产量很少，历经半个世纪钢的蓄积量也不过几百万吨。1949年才15.8万吨，钢材产量仅14万吨。自1949年至2007年，积累钢产量约40亿吨，加之钢产品变为废钢的折旧期很长〔大多30～40多年还在使用〕，废钢利用率也很低，造成我国废钢短缺。此现象将随着每年～5亿吨钢产量的增加，大量钢铁设备、流程改造更新，使得废钢循环进入动态平衡等，到2021年以后将会随着废钢再生流程的正常启动而得到明显好转。但目前，中国还是个废钢缺乏、质量低劣的国家，解决途径有二：进口废钢；使用直接复原铁等废钢代用品。11/3/202317整理课件2〕废钢分类按来源可分为以下三种：自产废钢，即钢铁厂内返回废钢，质量好、成分易控制；加工厂废钢，即制造厂内边角余料等，质量较好，但回收后注意分类；循环废钢，即外购废钢，数量最大、成分复杂、质量最差。它是从废旧钢制品中回收的，包括机械与建筑结构、废旧车辆、仪器仪表、家电炊具以及军火兵器等。它们不可防止地存在其它金属和有害元素，其中有些越循环是越多，尤其有害剩余元素Sn、Pb、As、Sb、Bi、Cu、Zn等的存在，使得生产优质钢的难度增加。国际范围解决废钢质量的措施：配一局部直接复原铁等稀释；去除废钢中有害剩余元素。R11/3/202318整理课件Filename.ppt

19整理课件3.1.2废钢代用品废钢代用品，美国最先提出的，原文SteelScrapSubstitude，简称3S。目前用于生产中的废钢代用品有：生铁与铁水、直接复原铁与热压块铁等，见图3-1。它们具有共同的优点：杂质元素含量极低，其中微量元素Cu、Zn、Sn、Pb、Ni、Mo等均为痕量，可以对废钢中的剩余元素进行稀释；去氮效果好，因其碳含量高，熔化过程产生大量的CO，去气效果好。废钢代用品的使用，不仅可以弥补废钢的缺乏，而且能够提高钢水的清洁度，生产高质量的钢材。11/3/202320整理课件图3-111/3/202321整理课件1〕生铁/铁水传统的作法是用生铁来提高炉料中的配碳量，同时解决废钢的缺乏。电炉复原期碳低时，常用优质生铁增碳。目前，中国铁/钢比大于1〔不合理,世界平均0.7,巴西0.9〕，生铁较富裕，且价格与优质废钢相当，加之废钢质与量不佳，故可用生铁/铁水补充废钢的缺乏，生产高质量的钢材。宝钢、天管等电炉兑30%～40%铁水生产石油管，改善废钢质量的缺乏；国内还有局部电炉兑30%～50%铁水，提高生产率、降低电耗。但从长远观点看，新建高炉向电炉提供铁水炼钢，不但能耗和本钱高于转炉流程，还将破坏生态环境。11/3/202322整理课件2〕直接复原铁与热压块铁直接复原铁〔DRI〕与热压块铁〔HBI〕都是铁矿石粉在低于熔化温度下进行复原得到的直接复原品种，见图3-2、图3-3及实物。其中HBI可以由DRI热压成形，HBI堆比重大，不易氧化、破碎。DRI与HBI的生产方法有气基法与煤基法，以气基法为主。最初，DRI/HBI只是作为废钢的代用品，补充废钢的缺乏。现在成为生产优质钢材必需配入的精料，以降低钢中杂质元素，一般配入量在15%～60%。11/3/202323整理课件图3-211/3/202324整理课件11/3/202325整理课件炼钢用DRI/HBI具有以下特点：

1〕化学成分稳定，杂质含量极低

扩大废钢资源，提高钢材质量，DRI的化学成分见表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的价格较高吨价与优质废钢价格相当，但假设单纯用DRI/HBI代替废钢，按含铁量折算的话，其价格高于优质废钢。11/3/202326整理课件3〕渣量大、能耗高能耗高是DRI最大的缺点，因脉石含量高〔SiO2+Al2O3〕，引起渣量增加，石灰用量大，使电耗、电极消耗增加，耐火材料消耗提高，冶炼周期延长等，增加操作本钱。能耗比较如下：全废钢/440kWh/t，50%废钢+50%DRI/485kWh/t，20%废钢+80%DRI/593kWh/t。综上，目前生产一般钢种用DRI/HBI还不合算，但生产某些优质钢是必要的，如天津钢管公司150吨电炉配50%DRI生产高质量的石油套管，市场很好。11/3/202327整理课件3.1.3铁合金铁合金按用途分为脱氧剂与合金剂。脱氧剂：用来脱除钢中的〔多余的〕氧，常用的有：Fe-Mn、Fe-Si、Al、Fe-V、Mn-Si、Ca-Si等。合金剂：用来调整钢液的化学成分，种类取决于钢种的要求，有近40余种。常用的有：Fe-Mn、Fe-Si、Al、Fe-V、Fe-Cr、Mn、Cr、Ni、Co、Fe-Co、Fe-Ti、Fe-B等。由上可见，有些合金如，Fe-Mn、Fe-Si、Al等即可作脱氧剂，也可作合金剂。这主要取决于参加炉内的时间，其原那么是：作为脱氧剂的合金要先加，作为合金剂调整成分要在钢液脱氧良好的情况下参加，以提高合金的收得率。11/3/202328整理课件3.2辅助材料1〕氧化剂氧气为主要氧源，氧化铁皮脱磷效果好。2〕造渣剂石灰〔CaO〕是主要的造渣剂，用来提高炉渣的碱度，石灰在造渣剂中的用量最大、效果最好；萤石〔CaF2〕用于化渣，降低氧化钙的熔点、改善炉渣的流动性；火砖块〔Al2O3+SiO2〕，是浇铸系统用的废旧耐火砖，用于改善炉渣的流动性。3〕增碳剂焦炭粉是主要的、也是最普通的增碳剂；石墨电极块增碳效果最好，但价格贵；生铁配料时常用来配碳，精炼期增碳要求用优质生铁；国内也曾使用过煤来代替生铁增碳，以补充生铁的缺乏。11/3/202329整理课件3.3配料电炉炼钢的配料是根据冶炼钢种及其冶炼操作方法进行的。配料力求准确，配料不准指重量或〔和〕成分不准。重量不准导致合金参加不准，成分不易控制；而成分不准增加操作上的难度，严重使钢报废。即配料不准影响过程操作及钢的产量、质量以及消耗等，故应予以重视。

电炉氧化法的配料计算主要指废钢铁配入量与配碳量的计算7011/3/202330整理课件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11/3/202331整理课件4.1电炉冶炼操作方法一般是按造渣工艺特点来划分的，目前普遍采用双渣复原法与双渣氧化法。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。11/3/202332整理课件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。11/3/202333整理课件

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。4.2.1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。11/3/202334整理课件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。11/3/202335整理课件图4-1槽出钢、偏心底出钢电炉炉衬情况11/3/202336整理课件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、炉内旋转补炉机以及炉前补炉机械手，机械喷补补炉速度快、效果好。