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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,（No6）,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,上次介绍第四章的内容传统氧化法冶炼工艺，过程包括六个阶段、三个期复习电炉炼钢基本原理中“四脱二去”。介绍电炉传统冶炼工艺熔化期、氧化期、还原期及等六个阶段的操作。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,4,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
2、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、设备利用率低、钢质量低，以及限制某些钢种的生产，必须改革！,2023/7/20,东北大学/阎立懿,5,4.3 现代电炉炼钢冶炼工艺,现代电炉冶炼已从过去包括熔化、氧化、还原精炼、温度、成分控制的炼钢设备，变成仅保留熔化、升温和必要精炼功能（脱磷、脱碳）的化钢设备。而其余的任务都移至钢包中进行。从提高生产率和降低消耗方面考虑，要求电炉具有最短的熔化时间和最快的升温速度以及最少的辅助时间，以期达到最佳经济效益。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,6,
3、现代电炉工艺操作要点：,1）快速熔化与升温操作 快速熔化和升温是现代电炉最重要的功能，将预热好的第一篮废钢加入炉内后，这一过程即开始进行。为了快速熔化和升温，现代电炉以最大可能的功率供电，采用氧-燃烧咀助熔、强化吹氧去碳、底吹气体搅拌及泡沫渣埋弧操作技术。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,7,2）脱磷操作 现代电炉要求尽可能把脱磷，甚至少部分脱碳提前到熔化期进行。脱磷三要素：炉渣氧化性、炉渣碱度、温度。采取的主要工艺操作如下：强化吹氧和氧-燃助熔，提高初渣的氧化性；提前造成氧化性强、碱度高的泡沫渣，并充分利用熔化期温度较低的有利条件，提高炉渣脱磷的能力；及时放掉磷含量高的初渣，并补充新渣
4、，防止温度升高后和出钢时下渣回磷；采用无渣（或少渣）出钢技术，严格控制下渣量，把出钢后磷降至最低，以防止回磷。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,8,3）脱碳操作 现代电炉进入氧化期只进行碳的控制。电炉是通过高配碳，利用吹氧脱碳这一手段，来达到加速反应、去除气体和夹杂的目的。现代电炉采用炉门氧枪、炉壁烧咀等强化吹氧去碳。脱碳反应的作用如下：熔化期吹氧助熔时，碳先于铁氧化，减少了铁的烧损；渗碳作用可使废钢熔点降低，加速熔化；碳-氧反应造成熔池搅动，促进了渣-钢反应，有利于早期脱磷；在精炼升温期，活跃的碳-氧反应，扩大了渣-钢界面，有利于进一步脱磷，有利于钢液成分、温度均匀化和气体、夹杂物上浮
5、；泡沫渣的形成，提高传热效率，加速升温过程。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,9,两种工艺比较如下：传统：电炉中进行：熔化氧化（脱磷、脱碳及去气、去夹杂）还原（脱氧、脱硫、合金化）出钢 现代：电炉中进行：熔、氧化（脱磷、脱碳及去气、去夹杂）出钢（预合金化）；炉外精炼中进行：还原（脱氧、脱硫、合金微调）现代电炉工艺特点：精心准备，快速熔化、升温，提早脱磷，快速去碳，无渣出钢，实现高效、节能。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,10,4.4 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
6、在氧化末、还原初进行预合金化，在还原末、出钢前或出钢过程进行合金成分微调。而现代电炉冶炼工艺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。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,11,4.4.1 合金化操作 主要指合金加入时间、加入数量及加入方式。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如下：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
7、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、Ti、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。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,12,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、低碳铁合金或微碳铁合金。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（W17%19%），每
8、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。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,13,2）合金加入量 化学成分对钢质量和性能影响很大，现场是根据冶炼钢种、炉内钢水量、炉内成分、合金成分及合金收得率等进行计算合金加入量希望快速、准确地加入炉内。但存在以下问题：传统方法计算误差大，要求成品钢合金元素规格范围大 成品钢中对元素含量的要求：W18Cr4V的W 17%19%；1Cr18Ni9Ti的 Cr17%19%范围大的理由之一就是计算带来的误差
9、，这包括计算公式与计算工具。传统的计算工具：笔笔+算盘笔+计算尺计算器；传统的计算合金的公式有：,2023/7/20,东北大学/阎立懿,14,多元高合金加入计算公式方法较多，特别复杂繁琐。这些常用的合金加入计算公式不可避免地存在误差。合金价格昂贵：如Fe-Mo60、Fe-W70、Fe-V50、Fe-Cr60价格分别为：30、20、15、1万元，提高炼钢成本。计算工具水准在提高：笔笔+算盘笔+计算尺计算器计算机，实现快速准确；炉料及钢水实现在线称量，加料的机械化、自动化水平提高。,低合金钢（含单元低合金）（E3%）与单元高合金（E4%）加入计算公式分别为：,2023/7/20,东北大学/阎立懿,
10、15,就是说现在的计算工具、称量水准及合金加入方式，需要有一个新的合金计算公式，用电脑实现合金的精确、快速地计算，准确无误地加入。为了简单、快速、准确计算合金的加入量，以及为了实现电炉炼钢过程计算机控制，我们根据元素平衡原理，建立了n元高合金钢的元素平衡方程，推导出计算n元高合金钢钢中某种合金加入量的计算公式（推导过程省略）如下：,2023/7/20,东北大学/阎立懿,16,式中 gi 某种合金的加入量，对于一确定的合金，其合金牌号应优先选择以高碳的低成本合金，kg；G炉中钢液的重量，要求准确，kg；ai某种元素的目标含量，aj为第j种元素的目标含量，%；bi钢液中某种元素的分析含量，要求取样
11、分析快速、准确，bj为第j种元素钢液的含量，%；ci合金中某种元素的含量，cj为第j种元素合金的含量，%；fi某种元素的收得率，合金加入时间不同，其收得率不同，%。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,17,当所炼钢种合金含量很低时，即c-ac，或E3%时，就可简化成“低合金钢”计算公式：,当i=j=1，即仅为一种元素时，n元合金计算公式 可简化成“单元高合金”加入计算公式：,当然，编程上机计算就不用管这么多啦，直接用“n元合金计算公式”就可以啦！,2023/7/20,东北大学/阎立懿,18,上述通过建立n元高合金钢的元素平衡方程，推导出的计算n元高合金钢钢中某种合金加入量的计算公式，简称“
12、n元合金计算公式”。此计算公式在推导过程考虑到合金的收得率及炉中钢水量的变化，因此比传统多元高合金成分的计算方法比份系数法（或叫补加系数法）科学、准确，它适合所有的钢种及整个炼钢过程（包括转炉、电弧炉过程及精炼炉过程）所加合金的计算。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,19,“n元合金计算公式或模型”看似比较复杂，但若编成程序用计算机进行计算就变的简单、快速、准确。这将有利于实现钢液窄成分控制，以及实现自动称量、自动加入，为电炉炼钢过程计算机控制打下基础。（钢液窄成分控制：对于高合金钢来说有利于节约合金，对于低合金钢来说有利于实现钢种的粗旷管理）。R,第五章 现代电炉炼钢新技术,超高功率电
13、炉发展及其特征超高功率电炉相关技术直 流 电 弧 炉 技 术交流高阻抗电弧炉技术电 炉 废 钢 预 热 技 术,2023/7/20,东北大学/阎立懿,21,5.1 超高功率电炉发展及其特征,5.1.1 超高功率电炉发展背景 二十世纪60年代后期：LD转炉的出现及迅速发展，使得废钢平炉钢产量锐减，提出了多余废钢如何利用的问题。科技发展对钢的数量和质量要求日益提高。电力工业的发展，尤其北美。电炉装备水平低、功率低、生产率更低，消耗高、电耗更高，阻碍了电炉的发展。这就为电炉的发展提供了契机。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,22,5.1.2 超高功率电炉及其优点,1）超高功率电炉概念的提出 超
14、高功率电炉这一概念早在1964年由美国联合碳化物公司的施维博（）与西北钢线材公司的罗宾逊（）两个人提出的，目的是利用废钢原料，提高钢产量，发展电炉炼钢。超高功率原文：Ultra High Power，简称“UHP”。首先在美国的一座135t 电炉上进行了提高变压器功率，增加二次导体截面等一系列改造。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,23,由于其经济效果显著，使得西方主要产钢国，如美、德、英、意、瑞典等纷纷建UHP电炉。整个7080年代，世界范围大力发展UHP电炉，几乎不再建普通功率电炉。在实践过程中，UHP电炉技术得到不断完善和发展，逐步解决了超高功率带来的一系列的问题。尤其UHP电炉与
15、炉外精炼，连铸相配合显示出高功率、高效率的优越性，给电炉炼钢带来生机。UHP电炉的出现，使得电炉结束了只冶炼特殊钢、高合金钢的使命，成为一个高速熔化金属容器高速熔器。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,24,对“UHP”的几种解释：,应为超高性能（Ultra-HighPerformance），因为一座合格的超高功率电炉并不只意味着比功率级别的提高，而是综合性能的改善；应为超高生产率（Ultra-HighProductivity），因为超高功率电炉的目的就是缩短冶炼时间，提高生产率；应改为超高效率，即“UHE”（Ultra-HighEfficiency），因为超高功率电炉的许多新技术都围绕节
16、能降耗、有效利用能源而展开。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,25,这些说法都没有得到冶金界一致公认，因为他们只反映了超高功率电炉及其配套技术发展的某些方向或趋势。而超高功率（UHP，Ultra-High Power）反映了电炉发展最本质、最具代表性的特点，这也表明电气运行一直是电炉发展的原动力和技术保障。2）UHP电炉及其主要优点 超高功率，一般指电炉变压器的功率是同吨位普通电炉功率的23倍。UHP电炉主要优点：缩短熔化时间，提高生产率；提高电、热效率，降低电耗；易于与炉外精炼、连铸相配合，实现高产、优质、低耗。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,26,以当时一座70t电炉改造，说
17、明电炉超高功率化的效果，见表5-1。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,27,5.1.3 超高功率电炉技术特征,衡量一座电炉是不是UHP电炉，不仅要看功率的高低，还要看变压器利用率的高低，工艺流程是否优化，公害抑制的如何，以及是否高效节能。5.1.3.1 功率水平要高 这是UHP电炉的主要技术特征，它是以每吨钢占有的变压器额定容量，并以此来区分高功率、超高功率。即：,2023/7/20,东北大学/阎立懿,28,在超高功率电炉发展过程，曾出现过许多分类方法，如1967年施维博提出以ParcVm、ParcSm或ParcGm的大小来区分高功率、超高功率。由于采用电弧功率很不直观，判断也不方便，故
18、没有得到普遍采用。后来许多国家都采用功率水平表示方法。1981年国际钢铁协会（IISI）在巴西会议上，提出具体的分类方法见表5-2。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,29,表5-2 按电炉的功率水平分类,注：表中数据主要指 50t炉子；UHP电炉功率水平没有上限，目前已达1000kVAt，并还在增加，故出现SUHP一说。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,30,5.1.3.2 变压器利用率要高,变压器利用率指时间利用率与功率利用率。它反映出电炉车间的生产组织、管理、操作及技术水平。时间利用率：指一炉钢总通电时间与总冶炼时间之比，用Tu表示。功率利用率：指一炉钢实际输入能量与变压器额定
19、能量的比值，或指一炉钢总的有功能耗与变压器额定的有功能耗的比值，用2表示。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,31,2023/7/20,东北大学/阎立懿,32,分析上三式可知，提高变压器利用率，缩短冶炼周期、提高生产率的措施如下：减少非通电时间，如缩短补炉、装料、出钢以及过程热停工时间，均能提高时间利用率，缩短冶炼周期，提高生产率。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,33,减少低功率的精炼期时间，如缩短或取消还原期，采取炉外精炼，缩短电炉冶炼周期，提高功率利用率，充分发挥变压器的能力。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,34,提高功率水平（C1=n），提高功率利用率以及降低电耗，均
20、能减少通电时间，缩短冶炼周期，提高生产率。目前，对于UHP电炉要求Tu与2均大于0.75，把电炉真正作为高速熔器。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,35,5.1.3.3 电炉炼钢工艺及其流程优化,传统老三期工艺电炉冶炼周期很长、设备利用率低、钢质量低，以及限制某些钢种的生产，必须改革！超高功率电炉在完善电炉本体的同时，注重与炉外精炼等装置相配合，真正使电炉成为“高速熔器”，取代“老三期”一统到底的落后冶炼工艺，变成废钢预热（SPH）超高功率电炉（UHP）炉外精炼（SR）连铸或连轧（CC or CR），形成高效节能的“短流程”。电炉作用的改变带来明显的效果，这一变革过程，日本人称之为“电炉的功能分化”。而其中扮演重要角色的是UHP电炉，它的出现使功能分化成为现实，它的完善和发展促进了“三位一体”、“四个一”电炉流程的进步。,2023/7/20,东北大学/阎立懿,36,图5-1 电炉的功能分化与现代电炉流程,熔化期,2023/7/20,东北大学/阎立懿,37,课后思考题6,16）合金的用途、种类以及合金加入时间的原则。17）采用UHP电炉的目的及其主要优点。18）UHP电炉的主要技术特征，如何提高变压器功率利用率和时间利用率。,
