冶金學(xué)—煉鋼篇

電爐煉鋼及爐外精煉閻立懿東北大學(xué)鋼鐵冶金研究所2008年10月29～11月24日沈陽（No4）1/13/20261東北大學(xué)/閻立懿主要內(nèi)容電爐煉鋼及其發(fā)展電爐煉鋼設(shè)備及其電熱特性電爐煉鋼原料及冶煉工藝電爐新技術(shù)、新工藝爐外處理中國鋼鐵與大型電爐現(xiàn)狀1/13/20262東北大學(xué)/閻立懿

上次介紹第二章的后半部分內(nèi)容如下：電爐主電路設(shè)備：組成、作用及特點(diǎn)；電爐的電控設(shè)備：高壓控制、低壓控制，以及電極自動(dòng)調(diào)節(jié)器；電氣特性：電爐的電氣特性主要研究某一電壓下，電爐的各個(gè)電氣量值隨電弧電流變化的規(guī)律性?！ㄟ^電爐的等值電路——給出阻抗三角形——得到電氣量值表達(dá)式——用電氣特性曲線形式來表現(xiàn)。用電規(guī)范的討論1/13/20263東北大學(xué)/閻立懿圖2-15電爐理論電氣特性曲線圖2-15電爐理論電氣特性曲線1/13/20264東北大學(xué)/閻立懿

4）短路（I=Id）

這相當(dāng)石墨電極與金屬料接觸或插入鋼水中，即發(fā)生短路，此時(shí)，Rarc=０，短路電流為：

討論：①因?yàn)镻arc=０，所以Pa=Pr=3I2r，即有功功率全部消耗在裝置電阻上，爐內(nèi)無熱量輸入；②Parc、η=０，但cosφ≠0；③

Rarc=０，使短路電流很大，Id/In≥2～4，極易損壞電器，故要求短路電流要小、短路時(shí)間要短。短路分為送電起弧短路與過程操作短路：

起弧短路短路的目的是要起弧，這要求時(shí)間短，即做瞬間短路；

過程操作短路應(yīng)加以限制，通過提高電路電抗可以限制短路電流，同時(shí)使電弧燃燒連續(xù)、穩(wěn)定。1/13/20265東北大學(xué)/閻立懿

5）耐火材料磨損指數(shù)最大（用“RE”表示）用以上類似的數(shù)學(xué)分析方法可求出，當(dāng)電弧電阻為下面公式時(shí)，耐火材料磨損指數(shù)有最大值，此時(shí)電流及對(duì)應(yīng)的最大耐火材料磨損指數(shù)分別為下左、右式，右式中d為電極側(cè)部至爐壁襯最短距離。1/13/20266東北大學(xué)/閻立懿2.5.3供電制度的確定

在一定設(shè)備條件下，供電制度合理與否，不但影響冶煉過程的順利，還影響爐襯壽命、冶煉時(shí)間、電能消耗以及設(shè)備利用等。何謂供電制度？供電制度指某一特定的電弧爐，當(dāng)能量供給制度確定之后，在確定的某一電壓下工作電流的選擇。供電制度如何確定？在傳統(tǒng)的確定方法中，最重要的是遵守電氣特性所表達(dá)的規(guī)律性，即以“經(jīng)濟(jì)電流”概念來確定工作電流。下面從“經(jīng)濟(jì)電流”概念出發(fā)，討論工作電流確定。1/13/20267東北大學(xué)/閻立懿1）經(jīng)濟(jì)電流的確定

觀察特性曲線（圖2-15）可以發(fā)現(xiàn)：在電流較小時(shí)電弧功率隨電流增長較快，而電損功率隨電流增長緩慢；當(dāng)電流增加到較大區(qū)域內(nèi)時(shí)，情況恰好相反。這說明在特性曲線上有一點(diǎn)（電流）能使電弧功率與電損功率隨電流的變化率相等（dParc/dI=dPr

/dI），該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流叫“經(jīng)濟(jì)電流”，用Ｉ經(jīng)濟(jì)表示。因電流小于Ｉ經(jīng)濟(jì)時(shí)，電弧功率小，熔化得慢；大于Ｉ經(jīng)濟(jì)時(shí)，電弧功率增加不多，電損失功率增加不少，故Ｉ經(jīng)濟(jì)得名“經(jīng)濟(jì)”電流。另外，在Ｉ經(jīng)濟(jì)附近的cosφ、η也較理想。1/13/20268東北大學(xué)/閻立懿

由電弧功率、電損功率及電弧電流表達(dá)式（表2-3），有關(guān)系：

Parc

=f[ψ(Rarc)]或Pr=f[ψ(Rarc)]

Parc、Pr分別對(duì)Rarc求復(fù)合函數(shù)的導(dǎo)數(shù)，并聯(lián)立求解得Rarc值及對(duì)應(yīng)的電流——經(jīng)濟(jì)電流Ｉ經(jīng)濟(jì)：1/13/20269東北大學(xué)/閻立懿討論：

①比較有Ｉ經(jīng)濟(jì)＜

I1

，只有當(dāng)x／r很大時(shí)，Ｉ經(jīng)濟(jì)才接近I1；②實(shí)際設(shè)計(jì)中，比值x／r＝3～5，對(duì)應(yīng)cosφ=0.83～0.88，η＝0.82～0.86，而Ｉ經(jīng)濟(jì)/I1＝0.81～0.89，應(yīng)該說比較理想，這比I1

時(shí)還要好。1/13/202610東北大學(xué)/閻立懿

2）工作電流的確定

I經(jīng)濟(jì)的求出似乎就給出工作電流，即I工作≤I經(jīng)濟(jì)。但若將耐材磨損指數(shù)的關(guān)系也表示在圖2-15的電氣特性曲線中，可以看出，I=I經(jīng)濟(jì)

恰好在RE最大值附近（右側(cè)）。對(duì)于小型普通功率電爐，RE較低＜400MW·V/m2(一般RE＜400～450為安全值)，此時(shí)爐襯熱點(diǎn)損耗不劇烈。1/13/202611東北大學(xué)/閻立懿

但對(duì)于大型電爐功率水平大幅度提高，爐壁熱點(diǎn)磨損極為嚴(yán)重，RE的峰值將超過800MW·V/m2以上，此時(shí)工作電流的選擇必須避開RE峰值，所選的工作電流不再是在I1

左面接近I經(jīng)濟(jì)的區(qū)域，而是接近I1

或超過I1

，即I工作

≥I1。

此種情況，Parc增加了，雖然Ｐr

增加、cosφ降低，但由于低電壓、大電流電弧的狀態(tài)發(fā)生了變化，成為“粗短弧”使電爐傳熱效率提高，更主要是爐襯壽命得到保證，RE減小。1/13/202612東北大學(xué)/閻立懿當(dāng)采用泡沫渣時(shí)，可實(shí)現(xiàn)埋弧操作，以及主熔化期（電弧被廢鋼遮蔽），因此不用顧及RE的影響，而采用高電壓、小電流的細(xì)長弧供電（操作），那么確定工作電流的原則不變，仍為I工作≤Ｉ經(jīng)濟(jì)＜I1

。

當(dāng)然I工作≤Ｉ經(jīng)濟(jì)是有條件的，不能一味地追求，還必須考慮變壓器額定電流In允許值。在電爐變壓器選擇正確時(shí)，應(yīng)能保證In接近Ｉ經(jīng)濟(jì)?？紤]諸因素，工作電流選擇原則應(yīng)該是：在考慮變壓器額定電流的情況下，滿足I工作≤Ｉ經(jīng)濟(jì)條件。典型的大型電爐供電曲線如圖2-16。1/13/202613東北大學(xué)/閻立懿圖2-16電爐供電的P—t圖1/13/202614東北大學(xué)/閻立懿第三章電爐煉鋼原材料煉鋼原材料：分為金屬材料和輔助材料兩大類。

3.1金屬材料包括廢鋼鐵料、廢鋼代用品以及鐵合金等。

3.1.1廢鋼鐵料廢鋼是電爐煉鋼的主要原料（～100%），噸鋼消耗約～1150kg。1/13/202615東北大學(xué)/閻立懿

1）廢鋼資源情況

可以說世界范圍可利用的廢鋼量是不缺乏，且隨著積累鋼產(chǎn)量的增加，廢鋼利用率的提高，可利用的廢鋼量將會(huì)繼續(xù)增加。不過不同地區(qū)和國家是不均衡的，比如美、英、法、德及前蘇聯(lián)，每年出口廢鋼300～1000萬噸不等。其中美國是最大的廢鋼凈出口量國，平均每年出口約1000萬噸，2004年凈出口714萬噸；就連資源缺乏的日本從1992年也開始出口廢鋼，其主要原因是汽車業(yè)的發(fā)展，2004年凈出口654萬噸。同時(shí)土耳其、西班牙、意大利、韓國、印度、印尼以及中國每年需要進(jìn)口廢鋼100～1000萬噸不等。1/13/202616東北大學(xué)/閻立懿

中國解放前的鋼產(chǎn)量很少，歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì)鋼的蓄積量也不過幾百萬噸。1949年才15.8萬噸，鋼材產(chǎn)量僅14萬噸。自1949年至2007年，積累鋼產(chǎn)量約40億噸，加之鋼產(chǎn)品變?yōu)閺U鋼的折舊期很長（大多30～40多年還在使用），廢鋼利用率也很低，造成我國廢鋼短缺。此現(xiàn)象將隨著每年～5億噸鋼產(chǎn)量的增加，大量鋼鐵設(shè)備、流程改造更新，使得廢鋼循環(huán)進(jìn)入動(dòng)態(tài)平衡等，到2010年以后將會(huì)隨著廢鋼再生流程的正常啟動(dòng)而得到明顯好轉(zhuǎn)。但目前，中國還是個(gè)廢鋼缺乏、質(zhì)量低劣的國家，解決途徑有二：進(jìn)口廢鋼；使用直接還原鐵等廢鋼代用品。1/13/202617東北大學(xué)/閻立懿

2）廢鋼分類按來源可分為以下三種：自產(chǎn)廢鋼，即鋼鐵廠內(nèi)返回廢鋼，質(zhì)量好、成分易控制；加工廠廢鋼，即制造廠內(nèi)邊角余料等，質(zhì)量較好，但回收后注意分類；循環(huán)廢鋼，即外購廢鋼，數(shù)量最大、成分復(fù)雜、質(zhì)量最差。它是從廢舊鋼制品中回收的，包括機(jī)械與建筑結(jié)構(gòu)、廢舊車輛、儀器儀表、家電炊具以及軍火兵器等。它們不可避免地存在其它金屬和有害元素，其中有些越循環(huán)是越多，尤其有害殘余元素Sn、Pb、As、Sb、Bi、Cu、Zn等的存在，使得生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼的難度增加。國際范圍解決廢鋼質(zhì)量的措施：配一部分直接還原鐵等稀釋；去除廢鋼中有害殘余元素。R1/13/202618東北大學(xué)/閻立懿Filename.ppt

19東北大學(xué)/閻立懿3.1.2廢鋼代用品

廢鋼代用品，美國最先提出的，原文SteelScrapSubstitude，簡稱3S。目前用于生產(chǎn)中的廢鋼代用品有：生鐵與鐵水、直接還原鐵與熱壓塊鐵等，見圖3-1。它們具有共同的優(yōu)點(diǎn)：雜質(zhì)元素含量極低，其中微量元素Cu、Zn、Sn、Pb、Ni、Mo等均為痕量，可以對(duì)廢鋼中的殘余元素進(jìn)行稀釋；去氮效果好，因其碳含量高，熔化過程產(chǎn)生大量的CO，去氣效果好。廢鋼代用品的使用，不僅可以彌補(bǔ)廢鋼的不足，而且能夠提高鋼水的清潔度，生產(chǎn)高質(zhì)量的鋼材。1/13/202620東北大學(xué)/閻立懿圖3-11/13/202621東北大學(xué)/閻立懿1）生鐵/鐵水傳統(tǒng)的作法是用生鐵來提高爐料中的配碳量，同時(shí)解決廢鋼的不足。電爐還原期碳低時(shí)，常用優(yōu)質(zhì)生鐵增碳。目前，中國鐵/鋼比大于1（不合理,世界平均0.7,巴西0.9），生鐵較富裕，且價(jià)格與優(yōu)質(zhì)廢鋼相當(dāng)，加之廢鋼質(zhì)與量不佳，故可用生鐵/鐵水補(bǔ)充廢鋼的不足，生產(chǎn)高質(zhì)量的鋼材。寶鋼、天管等電爐兌30%～40%鐵水生產(chǎn)石油管，改善廢鋼質(zhì)量的不足；國內(nèi)還有部分電爐兌30%～50%鐵水，提高生產(chǎn)率、降低電耗。

但從長遠(yuǎn)觀點(diǎn)看，新建高爐向電爐提供鐵水煉鋼，不但能耗和成本高于轉(zhuǎn)爐流程，還將破壞生態(tài)環(huán)境。

1/13/202622東北大學(xué)/閻立懿2）直接還原鐵與熱壓塊鐵

直接還原鐵（DRI）與熱壓塊鐵（HBI）都是鐵礦石粉在低于熔化溫度下進(jìn)行還原得到的直接還原品種，見圖3-2、圖3-3及實(shí)物。其中HBI可以由DRI熱壓成形，HBI堆比重大，不易氧化、破碎。

DRI與HBI的生產(chǎn)方法有氣基法與煤基法，以氣基法為主。最初，DRI/HBI只是作為廢鋼的代用品，補(bǔ)充廢鋼的不足?，F(xiàn)在成為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼材必需配入的精料，以降低鋼中雜質(zhì)元素，一般配入量在15%～60%。1/13/202623東北大學(xué)/閻立懿圖3-21/13/202624東北大學(xué)/閻立懿1/13/202625東北大學(xué)/閻立懿煉鋼用DRI/HBI具有以下特點(diǎn)：

1）化學(xué)成分穩(wěn)定，雜質(zhì)含量極低

擴(kuò)大廢鋼資源，提高鋼材質(zhì)量，

DRI的化學(xué)成分見表3-1。化學(xué)成分金屬化率全鐵脈石SPDRIHBI93.4093.0892.9093.663.603.390.0010.0020.0370.032

2）DRI/HBI的價(jià)格較高噸價(jià)與優(yōu)質(zhì)廢鋼價(jià)格相當(dāng)，但若單純用DRI/HBI代替廢鋼，按含鐵量折算的話，其價(jià)格高于優(yōu)質(zhì)廢鋼。1/13/202626東北大學(xué)/閻立懿

3）渣量大、能耗高能耗高是DRI最大的缺點(diǎn)，因脈石含量高（SiO2+Al2O3），引起渣量增加，石灰用量大，使電耗、電極消耗增加，耐火材料消耗提高，冶煉周期延長等，增加操作成本。能耗比較如下：全廢鋼/440kWh/t，50%廢鋼+50%DRI/485kWh/t，20%廢鋼+80%DRI/593kWh/t。

綜上，目前生產(chǎn)一般鋼種用DRI/HBI還不合算，但生產(chǎn)某些優(yōu)質(zhì)鋼是必要的，如天津鋼管公司150噸電爐配50%DRI生產(chǎn)高質(zhì)量的石油套管，市場很好。1/13/202627東北大學(xué)/閻立懿3.1.3鐵合金

鐵合金按用途分為脫氧劑與合金劑。脫氧劑：用來脫除鋼中的（多余的）氧，常用的有：Fe-Mn、Fe-Si、Al、Fe-V、Mn-Si、Ca-Si等。合金劑：用來調(diào)整鋼液的化學(xué)成分，種類取決于鋼種的要求，有近40余種。常用的有：Fe-Mn、Fe-Si、Al、Fe-V、Fe-Cr、Mn、Cr、Ni、Co、Fe-Co、Fe-Ti、Fe-B等。由上可見，有些合金如，F(xiàn)e-Mn、Fe-Si、Al等即可作脫氧劑，也可作合金劑。這主要取決于加入爐內(nèi)的時(shí)間，其原則是：作為脫氧劑的合金要先加，作為合金劑調(diào)整成分要在鋼液脫氧良好的情況下加入，以提高合金的收得率。1/13/202628東北大學(xué)/閻立懿3.2輔助材料

1）氧化劑氧氣為主要氧源，氧化鐵皮脫磷效果好。

2）造渣劑石灰（CaO）是主要的造渣劑，用來提高爐渣的堿度，石灰在造渣劑中的用量最大、效果最好；螢石（CaF2）用于化渣，降低氧化鈣的熔點(diǎn)、改善爐渣的流動(dòng)性；火磚塊（Al2O3+SiO2），是澆鑄系統(tǒng)用的廢舊耐火磚，用于改善爐渣的流動(dòng)性。

3）增碳劑焦炭粉是主要的、也是最普通的增碳劑；石墨電極塊增碳效果最好，但價(jià)格貴；生鐵配料時(shí)常用來配碳，精煉期增碳要求用優(yōu)質(zhì)生鐵；國內(nèi)也曾使用過煤來代替生鐵增碳，以補(bǔ)充生鐵的不足。1/13/202629東北大學(xué)/閻立懿3.3配料

電爐煉鋼的配料是根據(jù)冶煉鋼種及其冶煉操作方法進(jìn)行的。配料力求準(zhǔn)確，配料不準(zhǔn)指重量或（和）成分不準(zhǔn)。重量不準(zhǔn)導(dǎo)致合金加入不準(zhǔn)，成分不易控制；而成分不準(zhǔn)增加操作上的難度，嚴(yán)重使鋼報(bào)廢。即配料不準(zhǔn)影響過程操作及鋼的產(chǎn)量、質(zhì)量以及消耗等，故應(yīng)予以重視。

電爐氧化法的配料計(jì)算主要指廢鋼鐵配入量與配碳量的計(jì)算70

1/13/202630東北大學(xué)/閻立懿第四章電爐煉鋼冶煉工藝電爐冶煉操作方法電爐煉鋼冶煉工藝鋼液的合金化1/13/202631東北大學(xué)/閻立懿4.1電爐冶煉操作方法

一般是按造渣工藝特點(diǎn)來劃分的，目前普遍采用雙渣還原法與雙渣氧化法。

1）雙渣還原法又稱返回吹氧法，其特點(diǎn)是冶煉過程中有較短的氧化期（≤10min），造氧化渣，又造還原渣，能吹氧脫碳，去氣、夾雜。但由于該種方法脫磷較難，故要求爐料應(yīng)由含低磷的返回廢鋼組成。由于它采取了小脫碳量、短氧化期，不但能去除有害元素，還可以回收返回廢鋼中大量的合金元素。因此，此法適合冶煉不銹鋼、高速鋼等含Cr、W高的鋼種。1/13/202632東北大學(xué)/閻立懿

2）雙渣氧化法雙渣氧化法又稱氧化法，它的特點(diǎn)是冶煉過程有正常的氧化期，能脫碳、脫磷，去氣、夾雜，對(duì)爐料也無特殊要求；還有還原期，可以冶煉高質(zhì)量鋼。目前，幾乎所有的鋼種都可以用氧化法冶煉，以下主要介紹氧化法冶煉工藝。1/13/202633東北大學(xué)/閻立懿

4.2電爐傳統(tǒng)冶煉工藝

傳統(tǒng)氧化法冶煉工藝是電爐煉鋼法的基礎(chǔ)。其操作過程分為：補(bǔ)爐、裝料、熔化、氧化、還原與出鋼六個(gè)階段。因主要由熔化、氧化、還原期組成，俗稱老三期。

4.2.1補(bǔ)爐

1）影響爐襯壽命的“三要素”爐襯的種類、性質(zhì)和質(zhì)量；高溫電弧輻射和熔渣的化學(xué)浸蝕；吹氧操作與渣、鋼等機(jī)械沖刷以及裝料的沖擊。1/13/202634東北大學(xué)/閻立懿

2）補(bǔ)爐部位爐襯各部位的工作條件不同（圖4-1）損壞情況也不一樣。爐襯損壞的主要部位如下：爐壁渣線受到高溫電弧的輻射，渣、鋼的化學(xué)侵蝕與機(jī)械沖刷，以及吹氧操作等損壞嚴(yán)重；渣線熱點(diǎn)區(qū)尤其2＃熱點(diǎn)區(qū)還受到電弧功率大、偏弧等影響侵蝕嚴(yán)重，該點(diǎn)的損壞程度常常成為換爐的依據(jù)；出鋼口附近因受渣鋼的沖刷也極易減??；爐門兩側(cè)常受急冷急熱的作用、流渣的沖刷及操作與工具的碰撞等損壞也比較嚴(yán)重。1/13/202635東北大學(xué)/閻立懿圖4-1

槽出鋼、偏心底出鋼電爐爐襯情況1/13/202636東北大學(xué)/閻立懿

3）補(bǔ)爐方法補(bǔ)爐方法分為人工投補(bǔ)和機(jī)械噴補(bǔ)，根據(jù)選用材料的混合方式不同，又分為干補(bǔ)和濕補(bǔ)兩種。