高功率超高功率电弧炉炼钢技术教程文件

4.2高功率、超高功率电弧炉炼钢技术

从20世纪60年代起，高功率和超高功率大型电弧炉已在全世界范围内得到广泛普及。超高功率技术给电弧炉炼钢带来了一系列变化，例如采用水冷炉壁和水冷炉盖、泡沫渣、氧燃烧嘴、炉底出钢等技术，超高功率技术本身也由原来的大电流低电压的粗短弧操作改变成大电流高电压的长弧操作。4.2.1水冷炉壁和水冷炉盖技术水冷炉壁和水冷炉盖技术解决了在高功率操作时，电弧对炉壁和炉盖强烈辐射引起的耐火材料熔炼损耗问题。现代电弧炉的平均水冷炉壁面积已达70%，水冷炉盖的面积已达85%。采用水冷炉壁后，炉壁的使用寿命已超过1000炉次。将管式水冷件用于水冷炉盖，可使炉盖寿命达到4000炉次。尽管水冷技术的使用，使电弧炉的热量损失增加了5%～10%，但使耐火材料的成本和喷补成本节约了50%～70%，由于取消了渣线上部的耐火材料修补作业，大大减轻了操作人员的劳动强度。同时，由于停炉时间大幅度减少，使生产率提高8%～10%，每吨钢液电极消耗量降低0.5kg，生产成本下降5%～10%.因此，总体效益非常显著。4.2.2泡沫渣埋弧技术超高功率电弧炉的输入电流过大会引起电量消耗及电极消耗量的增加。使用工作电流的选择成为关键问题。因此，输入高功率依靠长弧的高电压来实现。长弧操作不仅提高功率因数，但也增大电弧热辐射损失和炉壁的热负荷。泡沫渣技术就是在不增加渣量的前提下使炉渣厚度增加，由于向渣中喷入碳粉和氧气而产生CO气体，在熔池表面形成泡沫渣，使电弧埋入渣层。泡沫渣技术的采用取得明显效果：功率因数由0.63提高到0.88，热效率提高30%～70%,电压和电流波动明显减小，并加快了电弧热量向熔池传递。4.2.3氧-燃烧嘴超高功率电弧炉熔化时靠近炉壁处的两根电极之间的冷区炉料熔化困难，为了加快熔化，开发的氧-燃烧嘴技术解决了上述难题。现代大型电弧炉均配备氧-燃烧嘴，起到了消除“冷区”和辅助熔化的作用。因此，电弧炉的综合熔化功率达到每吨钢液1000kw以上。对于大型电弧炉，氧-燃烧嘴每吨钢消耗1m3氧气相当于每吨钢节省3～5kw.h的电能，并且缩短熔化时间2min。4.3感应电炉炼钢设备及工艺简介4.3.1炼钢用感应电炉的主要技术性能通常用于炼钢的感应电炉为无芯感应电炉。电流频率根据电炉容量选用高频感应电炉、中频感应电炉与工频感应电炉。4.3.1.1高频感应电炉高频感应电炉使用的电流频率一般在200～300kHz,电炉容量一般在10～60kg。这类电炉常用于科学实验的少量合金熔炼。4.3感应电炉炼钢设备及工艺简介4.3.1.2中频感应电炉中频感应电炉使用工业用电流频率为1000～2500Hz。中频感应电炉的容量一般为50～1000kg。其主要技术性能可参考有关手册。4.3.1.3工频感应电炉工频感应电炉使用工业用电的电流频率（我国为50Hz,有些国家为60Hz）的电源。使用的电流容量为100～10000kg,其主要技术性能可参考有关手册。4.3.2感应电炉炼钢工艺

4.3.2.1坩埚的打结坩埚材料一般分为酸性坩埚材料和碱性坩埚材料。酸性坩埚材料以硅砂作为耐火材料，对化学成分的要求为ω（SiO2）=90%～99.5%；杂质含量：ω（Fe2O3）≤0.5%,ω（CaO）≤0.25%,ω（Al2O3）≤0.2%,ω（水）≤0.5%。对粒度的要求见表1-30。

表1-30感应电炉酸性坩埚材料组成材料名称炉衬材料炉领材料硅砂粒度/㎜5～62～30.5～1硅石粉1～20.2～0.5硅石粉配比（质量分数，%）252030253050204.3.2.1坩埚的打结打结炉衬用的材料可使用质量分数1.7～2.0%的硼酸做粘结剂。对硼酸化学成分的要求是：ω（B2O3）≥98%；ω（水分）≤0.6%。硼酸的粒度应小于5㎜。将硅砂与硼酸干混，不加湿润剂来配制炉衬材料。打结坩埚时，采用干法打结，以便保证炉衬质量。在感应圈以上的炉领（坩埚上口）部分采用强度较高的炉领材料打结，使用粒度较细的硅砂或硅石粉。另外加质量分数为10%的水玻璃或用质量分数为20%的粘土加少量水玻璃做粘结剂。碱性坩埚使用镁砂做耐火材料。镁砂分为烧结镁砂和电熔镁砂。电熔镁砂抗热冲击性能比烧结镁砂好，但价格昂贵。使用镁砂须经磁选，清除其中含铁的杂质，以保证坩埚的绝缘性。另外，电熔氧化铝也是很好的坩埚材料，氧化铝为中性的耐火材料，其耐火度和抗热冲击性能都较好。使用电熔镁砂与电熔氧化铝配合制作的大吨位感应电炉的坩埚的使用寿命较长。4.3.2.1坩埚的打结②石棉绝缘层为了保证感应器与坩埚内部的炉料之间绝缘性并减少坩埚内部热量向外部扩散，在靠近感光器制有一层用石棉板（石棉布或玻璃丝布）围成的绝缘筒，同时，坩埚底部也用2～3层石棉板做成隔热片，以减少坩埚底部热量散失。如图1-45所示。图1-45感应电炉坩埚用石棉绝缘层1—石棉圆筒；2—石棉板；3坩埚模样4.3.2.1坩埚的打结打结坩埚时需使用模样来形成坩埚内腔的形状。所用材料分为钢模样和石墨模样两种。钢模样是用钢板焊成或用铸钢制成。常做成中空的，如图1-46所示。钢模样在坩埚打结完成后一般不从坩埚中取出，而是让它在烘干和烧结坩埚时起电感应加热作用。在熔炼第一炉时，钢模样即随炉料一起熔化。石墨模样是用石墨电极车制而成。坩埚打结完成后，在烘干和烧结过程中仍不取出模样，以利于石墨模样的电感应加热作用。待坩埚烧结好后，再将模样取出。图1-46打结坩埚用钢模样a)1.5t炉用钢板焊制模样b)150kg炉用铸钢模样4.3.2.1坩埚的打结打结坩埚的方法和步骤如下：在感应器内部放好石棉绝缘层。在炉底石棉层上，铺20～40㎜厚的一层坩埚材料，并捣实。放入模样，对准中心线，并将其固定。分批加入坩埚材料，每批材料不要太厚，约为20～30㎜，并逐层捣实。小型坩埚以人工操作，用捣固叉进行捣实。应由两人在对面同时进行操作，并且边捣边转动位置，以使各部位紧实程度均匀。大型坩埚可用风动捣棒来捣实。最不容易捣实的部位是靠近炉底锥体部分，须认真操作，力求捣实。其捣实质量对坩埚的寿命影响很大。坩埚不紧实时，不仅使用寿命短，且易产生裂纹，甚至在炼钢过程中发生漏钢现象。打结酸性坩埚时，当捣实到坩埚上部（感应器以上部位）时，改用含粘土（或水玻璃）的硅石粉加固混合料捣制。4.3.2.2坩埚的烧结烧结坩埚一般采用供电烘烤法。用钢板或铸钢板制作模样在烘烤时，由于感应发热可起到烘烤和烧结坩埚的作用。为此，在钢模样上可钻些φ3㎜的小孔，以增强模样的发热能力，加快烘干和烧结的速度。第一次开炉时，最好连续多熔化几炉，以便使坩埚充分烧结。每次开炉熔化后，应将炉盖盖好，以防坩埚急剧受冷而产生裂纹。4.3.2.3酸性感应电炉的熔炼工艺

酸性感应电炉不适于采用氧化法炼钢，因为氧化法炼钢的炉温较高（吹氧后钢液的温度可以达到1700℃以上），而酸性炉衬的耐火度相对较低，所以，使炉衬寿命缩短。酸性感应电炉炼钢一般造酸性渣，不能脱磷、脱硫。若炉料条件太差，必须脱磷、脱氧时，则可在短时间内造碱性渣来脱磷、脱氧操作。由于在感应电炉中具有电磁搅拌钢液的作用，钢液与炉渣接触面积大，反应速度快，使得脱磷、脱硫过程迅速完成，因而，可显著减轻碱性渣对酸性炉衬的侵蚀作用。在酸性感应电炉中不用扩散脱氧法脱氧，因在酸性炉渣中传递氧的能力低，氧的扩散过程需要很长时间才完成。因此，酸性感应电炉一般都用沉淀脱氧法完成。酸性感应电炉一般不用来熔炼锰钢。因为在酸性炉渣条件下，钢液中的锰转移到渣中的较多，锰的收得率低。酸性感应炉也不适合冶炼含铝和含钛的钢种，因铝、钛能还原炉衬中的SiO2而使炉衬受损严重。4.3.2.3酸性感应电炉的熔炼工艺①配料碳炉料的平均含碳量按规格成分下限配料。磷和硫炉料中磷和硫的平均质量分数均应比规格成分的限量值低0.005～0.10%。硅、锰及合金元素的收得率见表1-31。4.3.2.3酸性感应电炉的熔炼工艺表1-31硅、锰及合金元素的收得率合金元素合金名称适宜的加入时间合金元素的收得率（%）镍金属镍装料时100钨钨铁装料时98钼钼铁装料时98铬铬铁装料时95钒钒铁出钢前7min93～96硅硅铁出钢前7～10min100锰锰铁出钢前10min904.3.2.3酸性感应电炉的熔炼工艺②装料感应电炉在坩埚内的温度分布情况见图1-47所示。图1-47感应电炉坩埚内温度的分布1—高温区；2、3—较高温区；4—低温区4.3.2.3酸性感应电炉的熔炼工艺③炼钢工艺以冶炼耐热钢ZG1Cr25Ni20Si2为例，见表1-32。表1-32ZG1Cr25Ni20Si2钢酸性感应电炉不氧化法冶炼工艺时期序号工序操作要点熔化期1通电熔化开始通电时提供约60%的功率，待电流冲击停止后，逐渐将功率增至最大。2捣料助熔随着坩埚下部炉料的熔化，要经常注意捣料，以免“搭桥”，并陆续添加炉料。3造渣大部分炉料熔化后，开始加造渣材料造渣，加入的质量分数为1.5%4取样扒渣炉料基本上熔清后，取样进行分析，并将其余的炉料加入炉内。炉料全熔后，减少功率，倾炉扒渣，并另造新渣还原期5脱氧及调整成分加入低碳锰铁和硅铁脱氧，并调整硅、锰量，然后加入低碳铬铁调整含铬量6测温、作圆杯试样测量钢液温度，并作园杯试样，检查感应脱氧情况出钢7终脱氧、出钢钢液化学成分及温度符合要求，脱氧情况良好时，每吨钢液插1㎏铝终脱氧，停电，倾炉出钢4.3.2.4碱性感应电炉熔炼工艺碱性感应电炉炼钢可以脱磷和脱硫（但脱磷、脱硫效果较碱性电弧炉差），所以，炉料限制比酸性电炉宽。碱性感应电炉一般不采取氧化法炼钢。必要时也可采取氧化法，但与电弧炉相比，感应电炉的炉膛直径小，吹氧操作时应特别注意吹氧气流的方向及氧气压力，以免吹穿坩埚壁。碱性感应电炉炼钢通常采用沉淀脱氧和扩散脱氧相结合的方法。依据钢种的不同，可采用碳粉、硅铁粉、硅钙粉和铝粉作为扩散脱氧用的脱氧剂。碱性感应电炉适用于冶炼碳钢和各种合金钢。4.3.2.4碱性感应电炉熔炼工艺①配料与装料碳：采用不氧法时，炉料平均含碳量按规格成分的下限配入；用氧化法时，炉料的平均含碳量以比规格成分的下限质量分数0.2%～0.3%。磷和硫：炉料的平均磷的质量分数一般应不超过0.06%；平均硫的质量分数一般不应超过0.05%。合金元素：不氧化法中，合金元素的收得率详见有关手册。碱性感应电炉的合理布料原则与酸性感应电炉相同。4.3.2.4碱性感应电炉熔炼工艺②炼钢工艺表1-33为碱性感应电炉不氧化法冶炼工艺的例子，表1-34为碱性感应电炉氧化法冶炼工艺的例子，仅供参考。时期序号工序操作要点熔化期1通电熔化开始通电5～8min内提供约60%的功率，待电流冲击停止后，逐渐将功率增至最大值2捣料助熔随着坩埚下部炉料熔化，随时注意捣料，以免“搭桥”，并继续添加炉料3造渣大部分炉料熔化后，加入造渣材料造渣覆盖钢液，造渣材料加入量为钢液重量的1%～2%4取样扒渣当95%左右的炉料熔毕时，取样分析，并将其余5%的炉料加入炉内。全部炉料熔清后，降低功率40%～60%，倾炉扒渣，并另造新渣表1-33ZG1Cr18Ni9Ti钢碱性感应电炉不氧化法冶炼工艺4.3.2.4碱性感应电炉熔炼工艺表1-33ZG1Cr18Ni9Ti钢碱性感应电炉不氧化法冶炼工艺时期序号工序操作要点还原期5脱氧渣料熔毕后，往炉渣面上加脱氧剂进行扩散脱氧。脱氧过程中可用石灰粉和氟石粉调整炉渣的粘度，使炉渣具有良好的流动性6调整成分依据取样分析结果，调整钢液化学成分，其中含硅量应在出钢前10min以内进行调整7测温，作圆杯试样测量感应温度，并作圆杯试样，检查钢液脱氧情况8加钛铁钢液温度达到1630～1650℃，园杯试样收缩良好时，将炉渣一半扒掉后，加入钛铁，并将钛铁压入钢液内出钢9终脱氧、出钢钛铁熔清后，每吨钢液插铝1㎏进行终脱氧，插铝后2～3min内停电，倾炉出钢4.3.2.4碱性感应电炉熔炼工艺表1-34碳钢碱性感应电炉氧化法冶炼工艺

时期序号工序操作要点熔化期1通电熔化开始通电5～8min内提供约60%的功率，待电流冲击停止后，逐渐将功率增至最大值2捣料助熔随着坩埚下部炉料熔化，随时注意捣料，以免“搭桥”，并继续添加炉料3造渣大部分炉料熔化后，加入造渣材料造渣覆盖钢液，造渣材料加入量为钢液重量的1%～2%4取样扒渣当95%左右的炉料熔毕时，取1号钢样分析C、P，并将其余5%的炉料加入炉内。全部炉料熔清后，降低功率40%～60%，倾炉扒掉全部炉渣，并另造新渣氧化期5氧化脱碳钢液化学成分符合要求，钢液温度大于等于1570℃时，进行氧化脱碳，脱碳可用矿石法或吹氧法6估碳、取样估计钢液含碳量达到规格成分的下限