电炉炼钢操作方法及冶炼工艺课件.ppt

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1、第五章 电炉炼钢冶炼工艺,第一节 电炉冶炼操作方法第二节 冶炼工艺,第一节 电炉冶炼操作方法,操作方法一般是按造渣工艺特点来划分的,有单渣氧化法、单渣还原法、双渣还原法与双渣氧化法,目前普遍采用后两种。1)双渣还原法 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,又造还原渣,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。,2)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

2、、脱磷,去气、夹杂,对炉料也无特殊要求;还有还原期,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。,第二节 冶炼工艺,传统氧化法冶炼工艺是电炉炼钢法的基础。其操作过程分为:补炉、装料、熔化、氧化、还原与出钢六个阶段。因主要由熔化、氧化、还原期组成,俗称老三期。一、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。,2)补炉部位炉衬各部位的工作条件不同,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

3、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。,槽出钢电炉炉衬情况,EBT电炉炉衬情况,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,机械喷补补炉速度快、效果好。补炉的原则是:高温、快补、薄补。4)补炉材料 机械喷补材料主要用镁砂、白云石或两者的混合物,并掺入磷酸盐或硅酸盐等粘结剂。,二、装料,目前,广泛采用炉顶

4、料罐(或叫料篮、料筐)装料,每炉钢的炉料分13次加入。装料的好坏影响炉衬寿命、冶炼时间、电耗、电极消耗以及合金元素的烧损等。因此,要求合理装料,这主要取决于炉料在料罐中的布料合理与否。现场布料(装料)经验:下致密、上疏松、中间高、四周低、炉门口无大料,穿井快、不搭桥,熔化快、效率高。,电炉装料情况,三、熔化期,传统冶炼工艺的熔化期占整个冶炼时间的50%70%,电耗占70%80%。因此熔化期的长短影响生产率和电耗,熔化期的操作影响氧化期、还原期的顺利与否。(1)熔化期的主要任务将块状的固体炉料快速熔化,并加热到氧化温度;提前造渣,早期去磷,减少钢液吸气与挥发。(2)熔化期的操作 合理供电,及时吹

5、氧,提前造渣。,1)炉料熔化过程及供电 装料完毕即可通电熔化。炉料熔化过程图,基本可分为四个阶段(期),即点弧、穿井、主熔化及熔末升温。,点(起)弧期,从送电起弧至电极端部下降到深度为d电极为点弧期。此期电流不稳定,电弧在炉顶附近燃烧辐射,二次电压越高,电弧越长,对炉顶辐射越厉害,并且热量损失也越多。为保护炉顶,在炉上部布一些轻薄料,以便让电极快速进入料中,减少电弧对炉顶的辐射。供电上采用较低电压、较低电流。,穿井期,点弧结束至电极端部下降到炉底为穿井期。此期虽然电弧被炉料所遮蔽,但因不断出现塌料现象,电弧燃烧不稳定。注意保护炉底,办法是:加料前采取外加石灰垫底,炉中部布置大、重废钢以及合理的

6、炉型。供电上采取较大的二次电压、较大电流,以增加穿井的直径与穿井的速度。,主熔化期,电极下降至炉底后开始回升时,主熔化期开始。随着炉料不断的熔化,电极渐渐上升,至炉料基本熔化,仅炉坡、渣线附近存在少量炉料,电弧开始暴露时主熔化期结束。主熔化期由于电弧埋入炉料中,电弧稳定、热效率高、传热条件好,故应以最大功率供电,即采用最高电压、最大电流供电。主熔化期时间占整个熔化期的70以上。,熔末升温期,电弧开始暴露给炉壁至炉料全部熔化为熔末升温期。此阶段因炉壁暴露,尤其是炉壁热点区的暴露受到电弧的强烈辐射。应注意保护炉壁,即提前造好泡沫渣进行埋弧操作,否则应采取低电压、大电流供电。各阶段熔化与供电情况见下

7、表。典型的供电曲线如下图。,炉料熔化过程与操作,典型的供电曲线,2)及时吹氧与元素氧化 熔化期吹氧助熔,初期以切割为主,当炉料基本熔化形成熔池时,则以向钢液中吹氧为主。吹氧是利用元素氧化热加速炉料熔化。当固体料发红(900)开始吹氧最为合适,吹氧过早浪费氧气,过迟延长熔化时间。一般情况下,熔化期钢中的Si、Al、Ti、V等几乎全部氧化,Mn、氧化40%50%,这与渣的碱度和氧化性等有关;而在吹氧时氧化10%30%、Fe氧化2%3%。,3)提前造渣 用2%3%石灰垫炉底或利用前炉留下的钢、渣,实现提前造渣。这样在熔池形成的同时就有炉渣覆盖,使电弧稳定,有利于炉料的熔化与升温,并可减少热损失,防止

8、吸气和金属的挥发。由于初期渣具有一定的氧化性和较高的碱度,可脱除一部分磷;当磷高时,可采取自动流渣、换新渣操作,脱磷效果更好,这样为氧化期创造条件。为什么?脱磷反应与脱磷条件:,脱磷反应与脱磷条件:,脱磷反应:2P5(FeO)4(CaO)(4CaOP2O5)5Fe,H0 分析:反应是在渣-钢界面上进行,是放热反应。脱磷反应的条件:高碱度,造高碱度渣,增加渣中氧化钙;高氧化性,造高氧化性渣,增加渣中氧化铁;低温,抓紧在熔化期进行;大渣量(适当大),采取流渣造新渣。,电炉脱磷操作:实际电炉脱磷操作正是通过提前造高碱度、高氧化性炉渣,并采用流渣、造新渣的操作等,抓紧在熔化期基本完成脱磷任务。,(3)

9、缩短熔化期的措施,减少热停工时间,如提高机械化、自动化程度,减少装料次数与时间等;强化用氧,如吹氧助熔、氧-燃助熔,实现废钢同步熔化,提高废钢熔化速度;提高变压器输入功率,加快废钢熔化速度;废钢预热,利用电炉冶炼过程产生的高温废气进行废钢预热等。,四、氧化期,氧化期是氧化法冶炼的主要过程,能够去除钢中的磷、气体和夹杂物。当废钢料完全熔化,并达到氧化温度,磷脱除7080%以上进入氧化期。为保证冶金反应的进行,氧化开始温度高于钢液熔点5080。(1)氧化期的主要任务 继续脱磷到要求脱磷;脱碳至规格下限脱碳;去除气、去夹杂二去;提 高 钢 液 温度升温。,(2)氧化期操作 1)造渣与脱磷 传统冶炼方

10、法中氧化期还要继续脱磷,由脱磷反应式可以看出:在氧化前期(低温),造好高氧化性、高碱度和流动性良好的炉渣,并及时流渣、换新渣,实现快速脱磷是可行的。2P5(FeO)4(CaO)(4CaOP2O5)5Fe H0,2)氧化与脱碳 近些年,强化用氧实践表明:除非钢中磷含量特别高需要采用碎矿(或氧化铁皮)造高氧化性炉渣外,均采用吹氧氧化,尤其当脱磷任务不重时,通过强化吹氧氧化钢液降低钢中碳含量。降(脱)碳是电炉炼钢重要任务之一,然而脱碳反应的作用不仅仅是为了降碳,脱碳反应的作用?,脱碳反应的作用如下:降低钢中的碳,利用碳-氧反应(2 CO)这个手段,来达到以下目的;搅动熔池,加速反应,均匀成分、温度;

11、去除钢中气体与夹杂。实际上,电炉就是通过高配碳,利用吹氧脱碳这一手段,来达到加速反应,均匀成分、温度,去除气体和夹杂的目的。,脱碳反应与脱碳条件:,CO=CO,HCO0.24kcal=22kJ0 分析:该反应是在钢中进行,是放热反应。高氧化性,加强供氧,使O实际 平衡。高温,加速-间的扩散(由于脱碳反应是“弱”放热反应,温度影响不大(热力学温度),但从动力学角度,温度升高改善动力学条件,加速-间的扩散,故高温有利脱碳的进行)。降低PCO,如充惰性气体(AOD),抽气与真空处理(VD、VOD)等均有利于脱碳反应。,3)气体与夹杂物的去除 电炉炼钢过程气体与夹杂的去除是在那个阶段,怎么进行的?去气

12、、去夹杂是在电炉氧化期的脱碳阶段进行的。它是借助碳-氧反应、一氧化碳气泡的上浮,使熔池产生激烈沸腾,促进气体和夹杂的去除、均匀成分与温度。去气、去夹杂的机理?,去气、去夹杂的机理:,-反应生成CO使熔池沸腾;CO气泡对N2、H2 等来说,PN2、PH2 分压为零,N2、H2极易并到CO气泡中,长大排除;-反应,易使2FeOSiO2、2FeOAl2O3及2FeOTiO2等氧化物夹杂聚合长大而上浮;CO上升过程粘附氧化物夹杂上浮排除。为此,一定要控制好脱碳反应速度,保证熔池有一定的激烈沸腾时间。,4)氧化期的温度控制 氧化期的温度控制要兼顾脱磷与脱碳二者的需要,并优先去磷。在氧化前期应适当控制升温

13、速度,待磷达到要求后再放手提温。一般要求氧化末期的温度略高于出钢温度2030,以弥补扒渣、造新渣以及加合金造成的钢液降温,见图。当钢液的温度、磷、碳等符合要求,扒除氧化渣、造稀薄渣进入还原期。,金属料(固/液体)升温曲线,五、还原期,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。(1)还原期的主要任务脱氧至要求脱氧;脱硫至一定值脱硫;调整成分合金化;调整温度调温。其中:脱氧是核心,温度是条件,造渣是保证。,1)脱氧方法 有沉淀脱氧、扩散脱氧及综合脱氧法。电炉炼钢采用沉淀脱氧法与扩散脱氧法交替进行的综合脱氧法,即氧化末、还原前用沉淀脱氧

14、预脱氧,还原期用扩散脱氧,出钢前用沉淀脱氧终脱氧。其中沉淀脱氧反应式:xM块 yO(MxOy)沉淀脱氧是将块状脱氧剂加入钢液中,直接进行钢液脱氧。常用的脱氧剂有:Fe-Mn、Fe-Si、Al、V和复合脱氧剂Mn-Si、Ca-Si等,脱氧能力依次增加。该法的特点:操作简单,脱氧迅速;脱氧产物易留在钢中(当上浮时间短时)。,扩散脱氧反应式:x(M)粉+y(FeO)(MxOy)+yFe FeO(FeO)扩散脱氧是将粉状脱氧剂加在渣中,使炉渣脱氧,钢中氧再向渣中扩散,间接脱出钢中氧。粉状脱氧剂有:C、Fe-Si、Ca-Si、CaC、Al粉等。与沉淀脱氧法比较,扩散脱氧法的特点:反应在渣中进行,产物不进

15、入钢中,钢质好;脱氧速度慢,时间长。此法常用在电炉还原期稀薄渣形成后。,2)脱硫反应及脱硫条件 FeS+(CaO)=(CaS)+(FeO),H0 分析:该反应是在渣-钢界面上进行的,为一吸热反应。高碱度,造高碱度渣,增加渣中氧化钙;强还原气分(或低氧化性),造还原性渣,减少渣中的氧化铁;高温,同时高温改善渣的流动性;大渣量(适当大),充分搅拌增加渣-钢接触。由于电炉还原期或精炼炉精炼期的还原气分强烈,(FeO)0.5%1.0%,对脱硫特别有利。,(2)还原操作脱氧操作,电炉常用综合脱氧法,其还原操作以脱氧为核心.1)当钢液的T、P、C符合要求,扒渣95;2)加Fe-Mn、Fe-Si块等预脱氧(

16、沉淀脱氧);3)加石灰、萤石、火砖块,造稀薄渣;4)还原,加C粉、Fe-Si粉等脱氧(扩散脱氧),分35批,710min批;5)搅拌,取样、测温;6)调整成分合金化;7)加Al或Ca-Si块等终脱氧(沉淀脱氧);8)出钢,(3)温度的控制,考虑到出钢到浇注过程中的温度损失,出钢温度应比钢的熔点高出100140。由于氧化期末控制钢液温度大于出钢温度2030以上,所以扒渣后还原期的温度控制,总的来说是保温过程。若还原期大幅度升温,则造成:钢液吸气严重、高温电弧加重对炉衬的侵蚀及局部钢水过热。为此,应避免还原期“后升温”操作。,六、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

17、要求,钢液脱氧良好,炉渣碱度与流动性合适时即可出钢。因出钢过程的渣-钢接触可进一步脱氧与脱硫,故要求采取“大口、深冲、渣-钢混合”的出钢方式。,传统电炉老三期冶炼工艺操作集熔化、精炼和合金化于一炉,包括熔化期、氧化期和还原期,在炉内既要完成废钢的熔化,钢液的升温,钢液的脱磷、脱碳、去气、去除夹杂物,又要进行钢液的脱氧、脱硫,以及温度、成分的调整,因而冶炼周期很长。这既难以保证对钢材越来越严格的质量要求,又限制了电炉生产率的提高。,七、钢液的合金化,炼钢过程中调整钢液合金成分的操作称为合金化,它包括电炉过程钢液的合金化及精炼过程后期钢液的合金成分微调。传统电炉冶炼工艺的合金化一般是在氧化末、还原

18、初进行预合金化,在还原末、出钢前或出钢过程进行合金成分微调。而现代电炉炼钢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 主要指合金加入的时间、加入的数量及加入的方式。1)合金加入时间 总的原则是:熔点高,不易氧化的元素可早加;熔点低,易氧化的元素晚加。,合金化操作具体原则:,A)易氧化的元素后加原则:不易氧化的元素,可在装料时、氧化期或还原期加入,如Ni、Co、Mo,W等;较易氧化的元素,一般在还原初期加入,如P、Cr、Mn等;容易氧化的元素一般在还原末期加入,即在钢液和炉渣脱氧良好的情况下加入,如V、Nb、Si、T

19、i、Al、B、稀土元素(La、Ce等)。为提高易氧化元素的收得率,许多工厂在出钢过程中加入稀土元素、钛铁等,有时稀土元素还在浇注的过程中加入。,B)比重大的加强搅拌原则:熔点高的、比重大的铁合金,加入后应加强搅拌。如钨铁的密度大、熔点高,沉于炉底,其块度应小些。C)便宜的先加原则:在许可的条件下,优先使用便宜的高碳铁合金,然后再考虑使用中碳铁合金或低碳铁合金。D)贵重的控制下限原则:贵重的铁合金应尽量控制在中下限,以降低钢的成本。如冶炼W18Cr4V时(W 17%19%),每少加1%的W,可节约15kg/t钨铁。,此外,脱氧操作和合金化操作也不能截然分开。一般说来,作为脱氧的元素先加,合金化元

20、素后加;脱氧能力比较强的,而且比较贵重的合金元素,应在钢液脱氧良好的情况下加入。,八、废钢预热节能技术,1)概述2)废钢预热法的分类3)料罐式废钢预热法4)双壳电弧炉预热法5)竖窑式电炉预热法6)炉 料 连续 预热法,1)概述,当电炉采用超高功率化与强化用氧技术,使废气量大大增加,废气温度高达1200以上,废气带走的热量占总热量支出的15%20%,折合成电能相当于80120kWh/t。为了降低能耗、回收能量,在废钢熔炼前,利用电炉产生的高温废气进行废钢预热,节能效果明显。到目前为止,世界范围废钢预热方法主要有料罐预热法、双壳电炉法、竖窑电炉法以及炉料连续预热法等等。,2)废钢预热法的分类,按其

21、结构类型分为:分体式与一体式,即预热与熔炼是分还是合;分批预热式与连续预热式。按使用的热源分为:外加热源预热燃料烧咀预热;利用电炉排出的高温废气预热。,3)料罐式废钢预热,世界上第一套料罐式废钢预热装置是日本于1980年用在50吨电炉上,次年又将这种废钢预热装置用在100吨电炉上。之后,在不到10年的时间里,日本就有接近50套废钢预热装置投入运行。料罐式废钢预热装置及其工作原理,见图。,料篮式废钢预热装置示意图,预热室,料篮,料罐预热法的工作原理及预热效果:,电炉产生的高温废气(1200)由第四孔水冷烟道经燃烧室后进入装有废钢的预热室内进行预热。废气进入预热室的温度一般为700800,排出时为

22、150200,每罐料预热3040min,可使废钢预热至200250。每炉钢的第一篮(约60%)废钢可以得到预热。料罐预热法能回收废气带走热量的20%30%,可节电2030kWht,同时,节约电极、提高生产率。,料罐预热法的问题及改进措施:,该种废钢预热存在的主要问题:产生白烟、臭气新的公害;高温废气使料篮局部过烧,降低其使用寿命;预热温度低,废钢装料过程温降大等。迫于这些问题采取了再循环方式、加压方式、多段预热方式、喷雾冷却方式以及后燃方式等措施对付白烟与臭气;采取水冷料罐以及限制预热时间、温度等措施来提高料罐的寿命。,但是,结果表明不理想,而且这些措施均使原本废钢预热温度就不高(废钢入炉前温

23、降大,降至100150)的情况进一步恶化,综合效益甚微。这些问题的存在,使得该项技术受到挑战,一些钢厂干脆停止了使用。这就促使欧、美和日本积极开发新的废钢预热工艺,提高利用电炉产生的高温废气预热废钢的效率,节约能源、提高生产率、降低成本以及改善环境。,4)双壳电炉法,双壳电炉法早在二十世纪70年代双壳炉就存在,但它是外加热源(氧-燃烧咀)预热;而新式双壳炉是利用电炉产生的高温废气进行预热的。新式双壳炉具有一套供电系统、两个炉体,即“一电双炉”。一套电极升降装置交替对两个炉体进行供热熔化废钢,双壳炉运行与工作原理图。,双壳炉运行,双壳炉工作原理图,双壳炉的工作原理:当熔化炉1#进行熔化时,所产生

24、的高温废气由炉顶排烟孔经燃烧室后进入预热炉2#中进行预热废钢,预热(热交换)后的废气由出钢箱顶部排出、冷却与除尘。每炉钢的第一篮(约60%)废钢可以得到预热。双壳炉的主要优点:提高变压器的时间利用率,由70%提高到80%以上;缩短冶炼时间,提高生产率10%15%;可回收废气带走热量的30%以上,节电4050kWh/t。,新式双壳炉自1992年日本首先开发第一座,到目前世界范围已有近30座投产,其中大部分为直流双壳炉。为了增加预热废钢的比例,增加第一次料重量,如由60%增加至70%,日本钢管公司(NKK)采取增加电炉熔化室高度,并采用氧-燃烧咀预热助熔,以进一步降低能耗、提高生产率。,5)竖窑式

25、电炉(shaft furnace),进入二十世纪90年代,德国的Fuchs公司研制出新一代电炉竖窑式电炉(简称竖炉)。Fuchs公司自1988年开始研究竖炉技术,现在已经显示出其卓越的性能和显著的经济效果。从1992年首座竖炉在英国的希尔内斯钢厂(Sheerness)投产,到目前为止,Fuchs公司投产的竖炉已超过40座。,竖炉的结构:,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。在竖窑烟道的下部与熔化室之间有一水冷活动托架(指形阀也叫手指式竖炉),将竖炉与熔化室隔开,废钢分批加入竖窑中,废钢经预热后,打开托架加入炉中,可实现100%废钢预热,

26、竖炉运行与工作原理图。,竖炉的结构示意图,图6-19 竖炉结构示意图,竖炉的工作原理,竖炉的工作原理:,新开炉的第一篮废钢直接加入炉中,余下的由受料斗加入竖窑中。送电熔化时,炉中产生的高温废气12001600,直接对竖窑中废钢料进行预热。当炉膛中的废钢基本熔化后,竖窑中废钢温度经预热温度高达600700时,打开托架将预热好的废钢加入高温炉膛中。随后关闭托架,再由受料斗将废钢加入竖窑中进行预热。周而复始,使废钢料分批、分期地,100%地进行预热。出钢时,炉盖与竖窑一起提升800mm左右、炉体倾动,由偏位底出钢口出钢。,竖炉(手指式竖炉)的主要优点:,节能效果明显,可回收废气带走热量的 60%70

27、%,节电6080 kWh/t;提高生产率15%以上;减少环境污染;与其它预热法相比,还具有占地面积小、投资省等优点。,竖炉同样有交流、直流,单壳、双壳之分。世界首座双壳竖炉90 t/90 MVA,1993年9月在法国联合金属公司(SAM)建成,同期卢森堡阿尔贝公司(Arbed)也建成类似的竖炉。它们在投产后均显示出优越性,SAM厂最好指标(1997年7月3日创造的)为:电耗340kWh/t,电极消耗1.3 kg/t,冶炼周期46 min,生产率126 t/h。,6)炉料连续预热电炉,就其综合效果来说该种预热法最有发展前途。手指式竖炉实现炉料半连续预热,而炉料连续预热电炉,实现炉料连续预热,见图

28、。该形式电炉二十世纪80年代由意大利得兴(TECHINT)公司开发,称为CONSTEEL Furnace译成“康斯迪电炉”。1987年最先在美国的纽考公司达林顿钢厂(Nucor-Darlington)进行试生产,90年代开始流行。获得成功后在美、日、意及中国等推广使用。到目前为止,世界上已投产的康斯迪电炉已超过20台,其中一半在中国。,康斯迪系统(得兴)布置图,康斯迪电炉工艺布置,康斯迪电炉具有如下优点:,降低电耗60 100kWh/t,缩短冶炼周期;减少电极断裂,降低电极消耗;减少氧气用量,不需要氧-燃烧咀;渣中的氧化铁含量少,且氧化铁灰尘得到有效回收,提高了金属收得率1%2%;变压器时间利用率高,高达90%以上,可以采用容量较小的变压器,即较低的功率水平;,提高钢的质量 由于废钢炉料在预热过程碳氢化合物全部烧掉,冶炼过程熔池始终保持沸腾,降低了钢中气体含量,提高钢的质量;容易与连铸相配合,实现多炉连浇;电弧始终处于泡沫渣埋弧状态,电弧特别稳定,电网干扰大大减少,甚至可以不需要用“SVC”装置等。电炉对噪音、电网的干扰等环境的影响见图。,环境的改善闪烁降低,环境的改善谐波、噪音降低,康斯迪电炉有交流、直流,不使用氧-燃烧咀,废钢预热不用燃料,并且实现了100%连装废钢。应该说这种炉料连续预热式电炉是高效、节能,及环保型电炉炼钢设备。,

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