1、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2911月24日沈陽,（No4）,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,2,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,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,3,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。 通過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

2、電氣特性曲線形式來表現(xiàn)。 用電規(guī)范的討論,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,4,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,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,5,4）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=，短路電流為：,討論： 因?yàn)镻arc=，所以Pa=Pr=3I2 r，即有功功率全部消耗在裝置電阻上，爐內(nèi)無熱量輸入； Parc、=，但cos0； Rarc =，使短路電流很大，Id / In24，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

3、，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。,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,6,5）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。,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,7,2.5.3 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

4、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。,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,8,1）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”，用經(jīng)濟(jì)表示。 因電流小于經(jīng)濟(jì)時(shí)，

5、電弧功率小，熔化得慢；大于經(jīng)濟(jì)時(shí)，電弧功率增加不多，電損失功率增加不少，故經(jīng)濟(jì)得名“經(jīng)濟(jì)”電流。另外，在經(jīng)濟(jì)附近的cos、也較理想。,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,9,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(Rarc)或Pr=f(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)電流經(jīng)濟(jì)：,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,10,討論： 比較有經(jīng)濟(jì) I1 ，只有當(dāng)xr很大時(shí)，經(jīng)濟(jì)才接近I1；實(shí)際設(shè)計(jì)中，比值xr35，對(duì)應(yīng)cos=0.830.88，0.820.86，而經(jīng)濟(jì)/ I10.810.89，應(yīng)該說比

6、較理想，這比I1 時(shí)還要好。,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,11,2）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400 MWV/m2 (一般RE400450 為安全值)，此時(shí)爐襯熱點(diǎn)損耗不劇烈。,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,12,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800 MWV/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

7、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r 增加、cos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。,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,13,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 經(jīng)濟(jì) I1 。 當(dāng)然I工作 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接近經(jīng)濟(jì)。 考慮諸因素，工作電流選擇

8、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 經(jīng)濟(jì)條件。典型的大型電爐供電曲線如圖2-16。,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,14,圖2-16 電爐供電的Pt圖,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,15,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。,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,16,1）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

9、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3001000萬噸不等。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1001000萬噸不等。,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,17,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

10、鋼的折舊期很長（大多3040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。,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,18,2）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

11、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。 R,- 19 -,東北大學(xué)/閻立懿,Filename.ppt,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,20,3.1.2 廢鋼代用品,廢鋼代用品，美國最先提出的，原文Steel Scrap Substitude，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

12、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。,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,21,圖3-1,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,22,1）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

13、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。,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,23,2）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

14、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% 。,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,24,圖3-2,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,25,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,26,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。,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。,2020/10/8,東北

15、大學(xué)/閻立懿,27,3）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。,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,28,3.1.3 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

16、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。,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,29,3.2 輔助材料,1）氧化劑 氧氣為主要氧源，氧化

17、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 （Al2O 3+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。,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,30,3.3 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

18、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70,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,31,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,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,32,4.1 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

19、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。,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,33,2）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。,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,34,4.2 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)。

20、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。,2020/10/8,東北大學(xué)/閻立懿,35,2）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薄； 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。,2020/10/8,