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·第六章 电炉炼钢
·武汉科技大学冶金工程系
·周进东
·6.1 电炉炼钢概述
·通常所说的电炉炼钢是指电弧炉(EAF，Electric Arc Furnace)炼钢，特别是碱性电弧炉炼钢(炉衬用碱性镁质耐火材料)，电弧炉是采用电能作为热源进行炼钢。
·传统电弧炉炼钢原料以冷废钢为主，配加10%左右的生铁。
·现代电弧炉炼钢除废钢和冷生铁外，使用的原料还有直接还原铁(DRI，HBI)、铁水、碳化铁等。
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以下为文字内容：
·6.1 电炉炼钢概述
·按电流特性，电弧炉可分为交流和直流电弧炉。
·交流电弧炉以三相交流电作电源，利用电流通过三根石墨电极与金属料之间产生电弧的高温来加热、熔化炉料。
·直流电弧炉是将高压交流电经变压、整流后转变成稳定的直流电作电源，采用单根顶电极和炉底底电极。
·通常用电弧炉的额定容量、公称容量来表示电弧炉的大小。一般认为，电弧炉的公称容量(炉壳直径)40t(4.6m)以下的为小电炉，50t(5.2m)以上的为大电炉。
·6.1 电炉炼钢概述
·6.1 电炉炼钢概述
·1981年，国际钢铁协会提议按电弧炉的额定功率分类电弧炉。
·对于50吨以上的电弧炉分类：额定功率100～200kVA/t为低功率电弧炉、200～400为中等功率、400～700为高功率、700～1000为超高功率(UHP：Ultra High Power)电弧炉。
·对于UHP技术，近年来有炉子容量趋大、功率水平提高的趋势，国外个别电弧炉的功率水平已超过1000kVA/t，将其称为超超高功率(SUHP)电弧炉。
·6.1 电炉炼钢概述
·交流电弧炉超高功率化后可加速废钢熔化、缩短熔化时间，改善热效率和总效率。
·但随着电炉功率愈来愈高，同时也出现了电弧稳定性差、电源闪烁、炉壁热点等问题，从而使直流电弧炉得到了发展。
·直流电弧炉比交流电弧炉的单位电耗、电极单耗和耐火材料单耗都低，并且直流电弧炉不存在“冷点”问题。
·20世纪90年代是直流电弧炉的年代，全世界已经投产和50t以上直流电弧炉已超过100台。可以说，直流电弧炉的超高功率化已成为世界电炉发展的趋势。
·6.2 电炉炼钢设备
·电炉炼钢设备主要包括机械设备和电气设备。
·电弧炉近于球形体，从减少散热表面积出发，以球形为最好。现代电弧炉炉体中部是圆桶形，炉底为弧形，炉顶为拱形。
·作为发热体，电极端部的三电弧位于炉内中心部位。三电极分布在等边三角形顶点上。
·6.2 电炉炼钢设备
·6.2 电炉炼钢设备
6.2.1 电弧炉机械设备
·电弧炉的构造为：
p炉体
p炉体倾动装置
p水冷炉盖
p电极升降装置
·6.2 电炉炼钢设备
（1）电弧炉的炉体
·由金属构件和耐火材料砌筑成的炉衬两部分组成，金属构件包括炉壳、炉门、出钢机构、炉盖圈和电极密封圈等。
·6.2 电炉炼钢设备
（2）炉体倾动
·为了便于电弧炉出钢和出渣，炉体应能倾动。是在炉底两侧设置一对圆弧轨道，通过液压装置趋动炉体倾动。在加料冶炼时靠机械设备维持炉子在水平位置。
·
·6.2 电炉炼钢设备
·倾动机构就是用来完成炉子倾动的装置，偏心底出钢电炉要求向出钢方向能倾动12°～15°以出尽钢水，向炉门方向倾动10°～15°以利出渣。
（3）水冷炉盖
·主要用来关闭电炉。水冷炉盖由钢结构框架和管式冷却盘组成，此结构同时支撑管式抽气弯管，冷却盘由位于外径的供水管供水。炉盖中心孔设一个锥形套环用来放置带孔的耐火材料圈，电极穿过此孔做升降运动。
·炉盖提升通过四点连接件与提升炉盖的悬梁相连，通过电动卷扬机或液压缸带动连杆机构提升炉盖。
·6.2 电炉炼钢设备
·6.2 电炉炼钢设备
（4）电极横臂升降装置
·电极横臂升降装置由支撑横臂的立柱、立柱导向装置（铸钢结构）、电极升降液压缸以及锁定装置组成。
·控制电极升降的液压缸装在立柱内，缸体固定在立柱导向装置上。电极升降是由电极升降调节系统所控制的比例阀来调节，从而控制冶炼电流。
·6.2 电炉炼钢设备
·6.2.2 电弧炉电气设备
p高压电源与隔离开关；
p高压断路器；
p电抗器；
p变压器；
p短网；
p电极
·6.2 电炉炼钢设备
·高压电源与隔离开关：高压电源一般为10~110KV；隔离开关主要用于电炉设备检修时，断开高压电源，有时也用来进行切换操作。
·高压断路器：它的作用是使高压电路在负载下接通或断开，并作为保护开关在电气设备发生故障时，自动切断高压电路。
·电抗器：串联在变压器高压侧，其作用是增加电路中感抗，以达到稳定电弧和限制短路电流的目的。
·6.2 电炉炼钢设备
·变压器：电弧炉的主要电气设备，其作用使降低输入电压（一般为200～527V），产生大的电流（几千到几万安培），供给电弧炉。
·短网：从变压器低压侧的引出线至电极的一段线路，约有10～20m，截面积大，通过电流大。
·电极：将变压器输入的电流引入熔炼室的导体
·6.3 电弧炉炼钢原材料
·电弧炉炼钢用原材料主要包括废钢、生铁、软铁、合金材料、造渣材料、氧化剂、脱氧剂及增碳剂。
·废钢是电弧炉炼钢的主要原料。
·在电弧炉炼钢中，生铁一方面作为炉料的组成部分，另一方面用于提高熔炼过程中钢液的含碳量。（金属料中配入生铁的比例一般不超过30%）。
·软铁也称精钢料，通常用电炉在新炉衬下冶炼出来的。它的特点是含碳量低（0.03~0.15%），质地软，含磷量不大于0.02%。
·炼钢用合金材料包括铁合金和一些纯金属，铁合金是铁和其他元素组成的合金。合金材料的主要作用是调整钢液的化学成分（钢液的合金化）和用作炼钢过程的脱氧。
·6.3 电弧炉炼钢原材料
造渣材料
·石灰是碱性电弧炉造渣的主要材料。
·萤石的主要作用是降低炉渣的熔点，提高炉渣的流性，而不降低炉渣碱度。
·下铸法浇注后的汤道砖和中注管砖石废弃物，可用做造渣材料代替部分萤石。火砖块的主要成分为：SiO2约60%，Al2O3约40%。火砖块可以稀释炉渣，改善炉渣的透气性，有利于氧化泡沫渣的形成。但因火砖块含SiO2较高，加入过多会降低炉渣碱度，对 脱磷脱硫 不利。
·6.3 电弧炉炼钢原材料
氧化剂
·铁矿石的主要成分主要是赤铁矿和磁铁矿。
·氧气可以强化冶炼过程，缩短熔化氧化时间，降低电耗，改善技术经济指标。
·
·脱氧剂主要有锰铁、硅铁、铝、硅锰合金、硅钙合金、炭粉、硅铁粉、电石等。
·
增碳剂
·在冶炼过程中为了使钢液增碳而往钢液中加入的物质叫增碳剂。主要有电极粉、电极块、焦炭粉和生铁。
·6.4 碱性电弧炉氧化法冶炼工艺
Ø电炉冶炼工艺可分为氧化法、返回氧化法和不氧化法三种类型。
Ø氧化法的特点是在冶炼工程有氧化期，能去碳、脱磷、去除气体和夹杂，氧化法是最主要的炼钢方法。
Ø传统电弧炉氧化法冶炼可分为补炉、装料、熔化期、氧化期、还原期和出钢等阶段。现代电弧炉取消还原期。
·6.4 碱性电弧炉氧化法冶炼工艺
（1）补炉
·电弧炉炉衬指炉壁、炉底和炉顶。
·电弧炉炉衬在熔炼过程中，除受到炉渣的化学侵蚀外，还受原料及钢水的机械冲刷和电弧辐射的影响，而逐步被熔损。
·为了延长炉体寿命，保证熔炼的正常进行，防止意外事故的发生，出钢后应根据情况进行补炉。
·6.4 碱性电弧炉氧化法冶炼工艺
·喷补本着快补、薄补的原则，补炉材料的烧结温度极高，镁砂约为1600℃，白云石约为1540℃。
·由于补炉操作一般在停电情况下进行，材料的烧结全靠出钢后炉内余热，故应抓紧时机，趁炉体还处于高温状态迅速投补。
·正常情况下，补炉后炉膛温度应高于1200℃，在特殊情况下，也不应低于1000℃。
·6.4 碱性电弧炉氧化法冶炼工艺
（2）配料
·配料是电炉炼钢工艺中不可缺少的组成部分，它是根据冶炼钢种的技术条件要求，合理搭配各种原料，在满足冶炼结束后钢液的成分要求和操作工艺要求的前提下，尽可能降低炼钢原料的成本。
·配料的主要任务在于确定炉料的化学成分及其配比，以保证冶炼钢种的化学成分。
·配料原则：合理利用返回料，尽量采用便宜的合金，尽可能减少原材料的消耗。
·一般钢种主要是配好碳，对于高合金钢还要配好主要合金元素。
·6.4 碱性电弧炉氧化法冶炼工艺
·碳：为保证氧化期的氧化脱碳，要求炉料熔化后钢中的碳含量应高于成品规格下限的0.3～0.4%，熔化期碳含量有0.2～0.3%的损失(吹氧助熔约0.3%)，则一般要求配碳量高出钢种规格下限0.5～0.7%。
·硅：由炉料带入，要求炉料熔清后钢液中w[Si]≤0.15%。
·锰：由炉料带入，要求炉料熔清后钢液中w[Mn]≤0.2%。
·磷：碱性电弧炉氧化法冶炼能去除钢中的磷，炉料中P最好≤0.06%。
·6.4 碱性电弧炉氧化法冶炼工艺
·硫：碱性电弧炉氧化法冶炼各期均可脱硫，炉料中S最好≤0.08%。
·铬：从炉料中带入，在炉料熔清后钢液中[Cr]应≤0.03%，Cr含量过高，经氧化生成的Cr2O3进入炉渣，使炉渣变粘，不利于脱磷脱碳反应，并增大氧气、矿石消耗，延长冶炼时间。用Cr含量高的炉料冶炼非铬钢种也是一种浪费。
·镍、钼、铜：由炉料带入。在钢液中不易氧化，冶炼含镍、钼、铜的钢种时，配入Ni的含量应控制在规格下限。对于一般钢种要求分别≤0.01%。
·6.4 碱性电弧炉氧化法冶炼工艺
（3）装料
·装料对熔化时间、合金元素烧损和炉衬寿命有很大影响。装料应做到快和密实，以缩短冶炼时间和减少热损失。
·炉料在炉内必须装得足够密实，最好一次装完，或者先多装再补装的方法装料。为了使炉内炉料密实，装料时应大、中、小料合理搭配，一般小料占15～20%、中料占40～50%，大料占40%左右。
·6.4 碱性电弧炉氧化法冶炼工艺
·6.4 碱性电弧炉氧化法冶炼工艺
·现代电炉装料方式有料斗(或叫料篮、料罐、料筐)顶装料和皮带装料两种方式。
·我国目前一般采用炉顶装料，事先将炉料按一定位置装在料罐里，然后用吊车吊起由炉顶部位一次装入，这是一种最快的装料方法，一般只用3～5min；
·采用炉顶装料的块度可比炉门装料的大一些，炉门装料最大允许的块度随炉门大小而定；
·采用料罐装料，大块废钢、松散炉料均可装入炉内；并且炉料在装炉后仍能保持它在料罐中的布料位置，比炉门装料能更好地利用炉膛空间，实现合理布料，因而被广泛采用。
·6.4 碱性电弧炉氧化法冶炼工艺
（4）熔化期
·熔化期的主要目的是将固体炉料熔化成液体，以便在氧化期和还原期改变钢液成分，去除有害杂质(硫、磷、碳、氧、氮和氢)和非金属夹杂物。
·在熔化期还应减少钢液的吸气，去除部分硫、磷，去除炉料中的硅、锰、铝等元素。
·熔化期是指从通电开始到炉料全部熔清为止。熔化期占总冶炼时间的50～70%左右，耗电量占全炉总电耗的60～80%左右。
·6.4 碱性电弧炉氧化法冶炼工艺
·熔化期任务：在保证炉体寿命的前提下，将块状的固体炉料快速熔化，并加热升温至氧化温度；造好熔化期炉渣，以便稳定电弧，早期去磷，减少钢液吸气与挥发。
·炉料的熔化过程：通电后电极同固体炉料启弧，使炉料熔化，而电极逐渐下降，直到电极同炉底液体钢渣直接启弧为止。然后电极开始随液面的升高而缓慢抬升，直到炉料全部熔清。
·炉内炉料的熔化过程大致分为启弧、穿井、电极抬升、熔化末了四个阶段。
·6.4 碱性电弧炉氧化法冶炼工艺
·6.4 碱性电弧炉氧化法冶炼工艺
·熔化期操作：主要是合理供电、适时吹氧和尽快造渣。
·这些操作是相互配合的，以达到快速熔化，并保证钢液成分达到氧化期的要求。
·6.4 碱性电弧炉氧化法冶炼工艺
（5）氧化期
·电弧炉炼钢氧化期的任务主要是：去P、氧化调整钢液含碳量和升温、去除钢中气体(N、H)和去除钢液中氧化物夹杂。
·氧化期脱碳。脱碳是炼钢中的一个重要过程，碳的氧化产生CO气体，CO气泡使钢液沸腾并增大钢渣界面，可加速脱磷。
·炼钢工艺规定，炉料的平均含碳量应超过钢的规定含碳量，以便在氧化期中将这部分多余的碳氧化掉。
·6.4 碱性电弧炉氧化法冶炼工艺
·根据输入熔池氧的来源，碳的氧化分矿石氧化法、吹氧氧化法和综合氧化法三种：
p矿石氧化法。矿石氧化法是一种间接氧化法。它是利用铁矿石中含有80～90%的高价氧化铁(Fe2O3、Fe3O4)，加入到熔池后转变成低价氧化铁(FeO)，FeO进入钢液作为氧化剂氧化钢中的碳。
p吹氧氧化法。吹氧氧化法是一种直接氧化法，即直接向钢液熔池吹入氧气，氧化钢液中碳、磷等元素。
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·6.4 碱性电弧炉氧化法冶炼工艺
p综合氧化法。综合氧化法就是向熔池加入矿石和吹入氧气，即矿石-吹氧脱碳法。这是目前生产中常用的一种方法。
·综合氧化法操作：氧化前期加矿石、后期吹氧工艺。在氧化顺序上，先脱磷再脱碳；在温度控制上，现低温后高温；在造渣上，先大渣量脱磷，后薄渣层脱碳；在供氧上，先矿石再吹氧。
·6.4 碱性电弧炉氧化法冶炼工艺
（6）还原期
·还原期也叫精炼期，通常是指氧化末期扒渣完毕到出钢这段时间。
·主要任务是脱氧、脱硫、调整钢液的化学成分和调整钢液温度到出钢温度。
·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。
·6.4 碱性电弧炉氧化法冶炼工艺
·炼钢氧化期向钢液中吹入大量的氧来完成脱磷、脱碳、去夹杂、脱气等任务，氧化期结束后，残留在钢中的氧对钢质量极为有害。所以在还原期要脱去这部分氧。
·电炉炼钢脱氧方法有三种：沉淀脱氧、扩散脱氧和综合脱氧。
p沉淀脱氧。沉淀脱氧又叫直接脱氧，是直接向钢水中加入脱氧剂(如Si、Mn、Al、Ti等)与氧反应，生成不溶于钢的稳定氧化物，由于生成物密度比钢液小而上浮进入炉渣，以达到脱氧的目的。
·6.4 碱性电弧炉氧化法冶炼工艺
p扩散脱氧。扩散脱氧又叫间接脱氧，是通过对炉渣进行脱氧，破坏氧在渣钢间分配的平衡，使钢中的氧不断向渣中扩散，从而达到脱氧的目的。此法是电炉炼钢特有而基本的脱氧方法。
p综合脱氧。综合脱氧是在还原过程中交替使用沉淀脱氧和扩散脱氧的一种联合脱氧方法，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。
·此法充分发挥了沉淀脱氧反应速度快和扩散脱氧不污染钢水的优点。目前国内大部分钢种都采用综合脱氧。
·6.4 碱性电弧炉氧化法冶炼工艺
（7）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。
·因出钢过程的钢-渣接触可进一步脱氧与脱硫，故要求采取“大口、深冲、钢-渣混合”的出钢方式。
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·6.4 碱性电弧炉氧化法冶炼工艺
（8）钢液的合金化
·现代电炉冶炼工艺的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加入时间与加入的数量。
·
·6. 5 废钢预热技术
·电炉炼钢产生的高温废气温度约1200～1400℃，烟气的热量可占到电弧炉热量总收入的20%左右，利用高温废气对废钢进行预热从而达到降低电耗的目的。
·目前废钢预热方法主要有：
p连续电弧炉；
p双壳电炉；
p竖式电炉。
·6. 5 废钢预热技术
（1）炉料连续预热法
·炉料连续预热法的代表是Consteel工艺：用封闭式振动型传送带将废钢连续送入电炉内，而高温废气则逆向流经废钢上面对其进行预热。
·Consteel电炉由炉料连续输送系统，废钢预热系统，电炉熔炼系统，燃烧室及余热回收系统等四部分组成。
·6. 5 废钢预热技术
·Consteel电炉的工作原理：在连续加料的同时，利用炉子产生的高温废气对炉料进行连续预热，可使废钢入炉前的温度达到600℃左右，而预热后的废气经燃烧室进入余热回收系统。
·Consteel电炉实现了废钢连续预热、连续加料、连续熔化，提高了生产效率；降低了能耗，减少了渣中的氧化铁含量，提高了钢水的收得率。
·6. 5 废钢预热技术
（2）双壳电炉预热法
·双壳电炉具有一套供电系统和两个炉壳(即“一电双炉”)，一套电极升降/旋转装置交替对两个炉壳供热熔化废钢(亦有少数炉子采用两套电极升降/旋转装置)。
·6. 5 废钢预热技术
·双壳电炉预热法采用一个电源两个炉子，用一个炉子炼钢，将其产生的废气导入另一个装有废钢的炉内进行预热，然后交替作业，既解决了料篮预热法引起的环境污染问题，又可进行1000℃以上的高效预热，还节省了出钢、补炉及第一次装料等非通电时间，提高了生产效率。
·双壳电炉自1992年开发到1997年已有20多座投产，其中大部分为直流双壳炉。
·6. 5 废钢预热技术
·6. 5 废钢预热技术
·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。
·主要特点是：
p废钢放置在这个竖炉(或称竖井)中，通过电炉熔炼时所产生的上升热废气进行预热；
p废钢事先加入在竖炉中，然后直接进入电炉炉膛；
p竖炉中的废钢料柱可以对预热废钢的废气起到过滤作用。
·思考题
·电炉炼钢脱氧方法有哪几种？
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