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1、冶金学炼钢篇电炉炼钢及炉外精炼,阎立懿东北大学钢铁冶金研究所2008年10月2911月24日沈阳,（No5）,2023/7/20,东北大学/阎立懿,2,主要内容,电炉炼钢及其发展电炉炼钢设备及其电热特性电炉炼钢原料及冶炼工艺电炉新技术、新工艺炉外处理中国钢铁与大型电炉现状,2023/7/20,东北大学/阎立懿,3,上次介绍第二章、三章的内容：供电制度指某一特定的电弧炉，当能量供给制度确定之后，在确定的某一电压下工作电流的选择。在传统的确定方法中，最重要的是遵守电气特性所表达的规律性，即以“经济电流”概念来确定工作电流。电炉炼钢原材料：金属材料：废钢铁料、废钢代用品及铁合金；辅助材料：氧化剂、造
2、渣剂及增碳剂。电炉冶炼操作方法：普遍采用双渣还原法（返回吹氧法）与双渣氧化法（氧化法）。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,4,第四章 电炉炼钢冶炼工艺,电炉冶炼操作方法电炉炼钢冶炼工艺钢 液 的 合 金 化,2023/7/20,东北大学/阎立懿,5,4.1 电炉冶炼操作方法,一般是按造渣工艺特点来划分的，目前普遍采用双渣还原法与双渣氧化法。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
3、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。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,6,2）双渣氧化法 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、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。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,7,4.2 电炉传统冶炼工艺,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。主要由熔化、氧化、还原期组成，俗称老三期。4.2.1 补炉 1）影响炉衬寿命的“三要素”炉衬的种
4、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。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,8,2）补炉部位炉衬各部位的工作条件不同（图4-1）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。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,9,图4-1 槽出钢、偏心底出钢电炉炉衬情况,
5、2023/7/20,东北大学/阎立懿,10,3）补炉方法补炉方法分为人工投补和机械喷补两种。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、炉内旋转补炉机以及炉前补炉机械手，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。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,11,4.2.2 装料,目前，广泛采用炉顶料罐（或叫料篮、料筐）装料（图4-2），每炉钢的炉料分23次加入。装料的好坏影响炉衬寿命、冶炼周期、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
6、布料合理与否。其中装料时间直接影响冶炼周期及吨钢电耗，两年前提出的改善炉料结构、加强炉料管理、合理装料次数等措施，实现“零压料”，受到现场重视。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。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,12,图4-2 电炉装料情况,2023/7/20,东北大学/阎立懿,13,4.2.3 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
7、，早期去磷，减少钢液吸气与挥发。（2）熔化期的操作 合理供电，及时吹氧，提前造渣。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,14,1）炉料熔化过程及供电 装料完毕即可通电熔化。炉料熔化过程见图4-3，基本可分为四个阶段（期），即点弧、穿井、主熔化及熔末升温。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,15,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，如图。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。,2023/7/2
8、0,东北大学/阎立懿,16,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：加料前采取外加石灰垫底，炉中部布置大、重废钢以及合理的炉型。供电上采取较大电压、较大电流，以增加穿井的直径与穿井的速度。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,17,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（85）、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
9、期时间占整个熔化期的7080以上。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,18,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（图4-3）。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表4-1，典型的供电曲线如图4-4。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,19,表4-1 炉料熔化过程与操作,2023/7/20,东北大学/阎立懿,20,图4-4 典型的供电曲线,2023/7/20,东北大学/阎立懿,21,2）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
10、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，熔化期钢中的Si、Al、Ti、V等几乎全部氧化，Mn、P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%。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,22,3）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
11、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。脱磷反应与脱磷条件：R,2023/7/20,东北大学/阎立懿,23,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。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。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,24,（3）缩短熔化期的措施 减少热停工时间，如提高机械化
12、、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。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,25,4.2.4 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,2023/7/20,东北大学/阎立懿,2
13、6,（2）氧化期操作,1）造渣与脱磷 传统冶炼方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。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氧化铁皮（或碎矿）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？,2023/7/20,东北大学/阎立懿,27,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
14、池，加速反应，均匀成分、温度；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如下：,2023/7/20,东北大学/阎立懿,28,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。,202
15、3/7/20,东北大学/阎立懿,29,3）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、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？,2023/7/20,东北大学/阎立懿,30,去气、去夹杂的机理：C-O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；C-O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
16、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。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,31,4）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4-5。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。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,32,图4-5 金属料（固/液体）升温曲线,2023/7/20,东北大学/阎立懿,33,4.2.5 还原期,传统电炉冶炼工艺中，还原期的存在显示了
17、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。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,34,1）脱氧方法 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
18、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）。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,35,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。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,36,2）脱硫反应及其条件 FeS+（CaO
19、）=（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。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,37,（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（沉淀脱氧）；3）加石灰、萤石、火砖块，造稀薄渣；4）还原，加C粉
20、、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,2023/7/20,东北大学/阎立懿,38,（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（图4-5）。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。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,39,4.2.6 出钢,传统电炉
21、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。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,40,电炉传统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。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,41,13）电炉传统氧化法冶炼过程熔化期、氧化期及还原期的主要任务。14）电炉炼钢去气、去夹杂主要在哪个工艺期进行，如何实现。15）分别写出脱C、P、S反应方程式，并分析脱C、P、S的有利条件。,课后思考题5,
