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1、电炉炼钢工艺,朱 荣,Electric Arc Furnace Steelmaking Process,授课内容,电炉炼钢工艺的发展历程 电炉炼钢的能量来源及热平衡电炉炼钢原料及物料平衡电炉冶炼工艺电炉冶炼的主辅设备电炉除尘及炉渣处理电炉技术进步,1 电炉炼钢工艺的发展历程,1905年第一台5吨工业炼钢电炉建成（德国人R.Linberg）1936年德国制造了可炉盖旋转的炼钢电炉 1936年美国建成了当时最大的100吨炼钢电炉 1964年美国碳化物公司(W.E.Schwabe)和西北钢铁线材公司(C.G.Robinson)提出电炉超高功率概念(Ultra High Power简称UHP)，电炉工
2、业开始走向辉煌。开始与转炉竞争。1990年后，电炉炼钢技术取得了重大进展。炼钢技术的进步主要进步集中在电炉炼钢领域。,世界粗钢产量增长情况,矿石经高炉/转炉流程而成粗钢的单位能耗高于700kgce/t，随氧气转炉炼钢能耗仅为“零”，但高炉和炼焦工序能耗高。同时也是污染环境的大户。相比之下，废钢经电炉熔炼所生产的粗钢吨钢能耗仅为270kgce/t，而污染的产生及其治理更远优于高炉/转炉流程。采用废钢作原料的电炉炼钢，流程短，生产率高，全员劳动生产率高达4000 t/（人a），几乎是高炉/转炉流程的3-4倍。社会大量废钢的积累，废品的再循环利用。,电炉炼钢的优势,2 电炉炼钢的能量来源及热平衡,电
3、能。化学能。包括元素氧化及炉气燃烧带来的化学热、输入燃料带来的外来化学热。物理热。铁水或预热废钢带入的。,2.1 供电,电流从电厂沿架空高压线输入变电所的配电系统；再沿高压电缆经配电装置输入电炉变压器。电炉变压器将高压电转化成低压电流通向石墨电极，在电极与炉料之间产生电弧。分常规功率供电(RP，rule)、高功率供电(HP)、超高功率供电，700KVA/t以上(Ultra High Power,简称UHP)。电污染、噪音。直流供电：一根顶电极和一根底电极。,供电水平带来的技术进步,供电技术的发展,普通功率与超高功率电弧炉工作点,供电时间确定,C 吨钢电耗，kWh/tW 钢水总重，tP 电炉变压
4、器容量，kV.A 变压器利用率，T0 非通电时间，min,化学反应热在电炉能量输入中占了相当大的比例，达到30；特别是电炉使用铁水后，化学热的比例达到40%以上，这是现代电弧炉炼钢工艺的一个特点；在变压器确定后，是电炉提高生产节奏及节能降耗的重要手段。,2.2 化学能,在吹氧条件下，熔池中 各元素氧化1kg时所产生的理论热值,3.3 物理热,主要是电炉加铁水工艺的采用。根据国内电炉的现状，提升电炉与转炉的竞争力，节电及提高冶炼节奏。电炉钢质量的要求。废钢预热到600度以上。,电炉总能量(热)平衡（全废钢）,现代电炉总能量(热)平衡(装铁水30-40%),3 电炉炼钢的原料及耐材,传统的电弧炉炼
5、钢是全废钢工艺以冷废钢为主，配加1030左右的生铁块；现代电弧炉炼钢使用的其它原料还有：除冷生铁外，直接还原铁（DRI，HBI）、热铁水、碳化铁等；电弧炉炼钢的原料构成对其工艺、装备、指标等有决定性影响；不同原料结构下的生产过程是不可比的。或者说只有原料结构相当的情况下才是可比较的。,废 钢 scrap,电炉炼钢废钢是基本原料，废钢原料需进行鉴别、分类管理和打包、剪切等处理。当前电炉炼钢使用废钢原料的最大问题是金属残留元素，主要是残留的Ni，Cr，Mo等合金元素和Cu，Sn，Bi，Sd，Pb等有害元素。它们在电炉炼钢过程中尚无有效方法去除，残留在钢材中造成种种危害，并在废钢循环再利用过程中不断
6、积累。目前采用的对策主要有：加强废钢管理；废钢预加工；冶炼过程配加其他铁源，稀释残留元素的浓度。设备及人员安全问题。,其它金属料,冷生铁：配碳、稀释残留元素、渣量增加直接还原铁：粒状直接还原铁（DRI）和块状热压块（HBI）铁水：配加10的热铁水，带入的物理热约为25kwh/t-steel，化学热约40-50kwh/t-steel，铁水热装工艺。碳化铁(Fe3C)：技术问题，不能大量生产。,原料中残余元素,DRI：Cu、Sn平均在0.005%以下；铁水：02%、Sn为0.0050.01%；废钢：Cu平均含量达0.35%以上，是钢中残余有害金属元素的最主要来源。,石灰等材料的准备,造渣材料质量的
7、优劣直接影响炼钢节奏；带入电炉的无用东西越少越好；根据经验：石灰应自给，质量稳定，特别是南方的潮湿；石灰的要求：CaO90%，活性度380ml，生烧过烧率6%，块度20-70mm。白云石及碳粉等的要求。,表4.23 吨钢物料平衡,吨钢物料平衡表（常规电炉）,耐火材料,对耐材的要求：高耐火度、高荷重软化温度、良好的热稳定性、抗渣性、高耐压强度、低导热性等。炉盖：高铝砖为主。炉壁：镁碳砖为主。炉底：镁沙打结。,4 电炉冶炼工艺,传统冶炼工艺(三段工艺)熔化期、氧化期、还原期 现代冶炼工艺(二段工艺)熔化期、氧化期、加炉外精炼；或称熔氧脱磷期、脱碳升温期 操作步骤：补炉、装料（配料）、熔化期、氧化期
8、、精炼(或还原期)、出钢,4.1 补 炉,电炉补炉工作量是很大的，补炉的重点是：渣线(渣的浸蚀)。距电极近的地方(最容易跑钢的地方)，电弧的辐射。炉门两侧。补炉方式：补炉用大铲或喷枪。,电炉重点补炉区,耐火材料喷吹,镁质材料。喷枪的前部加高压水。23人操作。喷吹效果较好。维修不及时或操作不当易堵。,4.2装料(配料),对废钢的要求（1）不允许有有色金属。（2）不允许有封闭器皿、易爆炸物。（3）入炉的钢铁料块度要合适，不能太大。装料量要求 二次进料：第1次，60；第2次，40；三次进料：第1次，40；第2、3次，30；四次进料：第1、2次，30；第3、4次，20。,配碳的重要性,重要性：废钢铁氧
9、化、氧化期去气(N、H)、去夹杂；最低配C计算：配C量%=0.50%(熔化期损失)+0.2-0.3%(氧化需要)+氧化终了碳含量。装料原则：大、中、小料配合；重料在下、轻料在上；大块在中、轻料在边。,4.3 废钢熔化阶段操作,熔化期是电炉工艺中能源消耗 的7080，冶炼时间的50-80%电炉的节能降耗主要在熔化期。废钢熔化过程：从中心向四周、从热区向冷区、从下向上。熔化期操作原则：合理供电、合适吹氧、提前造渣。吹氧方式：自耗式：可切割、可吹渣钢界面；水冷式：只能吹渣钢界面。,配电操作,冶炼阶段根据工艺要求输入的功率是不相同的，在各个阶段调节输入功率大小，电功率的调节称为配电操作。配电操作分：送
10、电、停电、调换电压、调节电流及电气设备的监护。配电分手动及自动调节，好的配电制度对缩短冶炼时间及降低电耗是非常重要的。,优化的供电曲线,4.4 电炉氧化期操作,氧化期的任务：继续脱P、脱C 去气(N、H)、去夹杂 钢液升温电炉熔氧期操作：熔化废钢与氧化期脱碳结合，提前造渣脱磷。,元素氧化方式,铁矿石氧化：吸热、有利于脱磷、增加金属量 FeO+C=Fe+CO吹氧气氧化：放热、对脱磷不利、但可部分脱硫，渣中氧化铁增加。加矿石已很少采用,氧化期操作,熔清、取样分析(全分析)、加石灰、吹氧化渣、流渣脱P、加石灰、测温,视钢中含碳量吹氧脱碳；看P：取样分析、看渣子的颜色（黑亮P高、灰黑P低）、看渣子的泡
11、沫化；看C：取样分析、看火花、砂轮对比、副枪；看温度：蓝白亮、浅蓝、深蓝、浅红、深红；取样全分析、测温，静沸腾等待出钢；传统工艺：扒除氧化渣，为还原期造渣做准备。,氧化期的造渣,氧化期的造渣要根据脱磷及脱碳的要求、具有合适的炉渣成分及流动性 渣中FeO含量一般控制在1020，碱度控制在，总渣量在38。,磷的控制 dephosphorization,3个关键因素：炉渣氧化性、石灰含量、温度。Healy经验式：lg(%P)/%P=22350/T-16.0+0.08%(CaO)+2.5l%(TFeO)常规工艺%P0.030以下脱磷的主要工艺：强化吹氧提高初渣氧化性 提前造高碱度渣 流渣造新渣 喷粉技
12、术的应用,氧化期喷粉脱磷,碳的控制 Decarbonization,作用：减少金属烧损、降低熔池温度、促进钢渣反应、促进脱磷、促进泡沫渣形成、去气去夹杂。,温度控制,T出钢=t1+t过程 t加热 t浇铸 t1 液相线温度t过程 过程降温 t加热 钢包温度补偿 t浇铸 浇铸降温,氧化终点特别情况处理,（1）碳高磷低，温度低，吹氧；温度高，低功率操作；（2）碳高磷高，先脱P后脱C(可加部分矿石)；（3）碳低磷高，温度合适，造FeO渣；温度高(加矿石)，停电；(4)低磷低温，性碳低，加大电功率,造泡沫渣；碳高，吹氧，一般功率。,4.5 冶炼过程造泡沫渣 Foaming Slag,泡沫渣是指在不增大渣
13、量的情况下，使炉渣呈很厚的泡沫状泡沫渣的作用采用长弧泡沫渣操作可以增加电炉输入功率，提高功率因数及热效率；降低电炉冶炼电耗，缩短了冶炼时间；减少了电弧热辐射对炉壁及炉盖的热损失；泡沫渣有利于炉内化学反应，特别有利于脱P、C及去气（N、H）,泡沫渣对电能输入的影响,影响泡沫渣的因素,吹氧量熔池含碳量炉渣的物理性能(粘度、表面张力)炉渣的化学性能(FeO、碱度)熔池温度渣量,对炉渣泡沫渣高度的影响,泡沫渣工艺,1、设备要求 性能稳定及易操作的喷粉设备 碳粉喷吹量、粒度及喷粉速度控制 稳定干燥的喷吹气源及定期的设备检查,泡沫渣技术,2、造泡沫渣的新思路-解决喷吹区域 炉门区及炉后区域同时喷碳，全熔池
14、区域泡沫化及全程泡沫渣冶炼。3、热装铁水后的泡沫渣 有丰富的碳源，喷碳任务减轻，但喷碳粉在冶炼前期及后期作用是很大的。铁水热装的终渣FeO高达30。,4.6 电炉还原期,还原期是转炉炼钢没有的，现在电炉不采用。还原期的主要任务是：1 去除钢液中的氧 2 去除钢液中的硫 3 调整钢液的温度，成份到规定成分；4 合金化 这四点是相互联系及同时进行的。脱O与脱S的关系，合金化与脱O、S，脱O、S时加入的合金Mn，就是成品需要的合金。进入还原或采用炉外精炼的条件是无渣出钢。,无渣出钢,残余氧化渣的危害：降低脱硫脱氧能力；降低合金收得率；降低钢包搅拌强度；降低包衬寿命。偏心炉底出钢彻底解决了这一问题。传
15、统电炉需扒渣。,5 电炉炼钢 主体设备介绍,电气设备 机械设备 辅助设备,5.1 电气设备,变压器 电抗器 短网 隔离开关及 高压断路器 电极升降 自动调节装置,变压器,电炉变压器是电炉的主要设备，其主要作用是降低输入电压，产生大电流，供给电炉。电炉变压器与一般电力变压器相比较，具有以下特点：过载能力大；有较高的机械强度，抗冲击电流 和短路电流所引起的机械应力。二次侧电压可以调节；变压比大，二次侧电流大。,电抗器,由铁芯和线圈组成。作用是：电路中感抗增加，稳定电弧电流和限制短路电流。主要是熔化期坍料及废钢和电极短路等。,短网,是指变压器低压侧的引出线至电极这一段传导低压大电流的导体。由铜排、软
16、电缆（铜辫子）、炉顶水冷铜管组成。为了减少短网的电阻和感抗，要尽量缩短短网长度。,隔离开关及高压断路器,隔离开关用于高压电的切断，隔离开关只能在无负载时使用。否则跳总闸，出安全事故。高压断路器是高压电路在负载时接通或分断，并作为保护开关在电气设备发生故障时切断高压电路。有油开关、空气开关及真空开关。,5.2 机械设备,炉壳、炉门、水冷炉壁、炉盖，出钢槽或偏心炉底出钢。电极夹持器、电极升降装置 炉盖提升旋转机构、炉体旋转或开出 炉顶加料装置,电极夹持器,夹持电极的装置；气动控制；需减小接触电阻；铜钢复合水冷。,炉顶加料装置,加石灰、白云石，合金等简易的加料系统；全自动加料系统；自动系统国内普遍问
17、题较多。,炉门人工吹氧 从1根氧管到3根氧管；炉门吹氧机械手 强化供氧及安全生产；炉壁氧燃枪(可加二次燃烧)辅助能量;炉壁氧枪 可伸入式及固定式；EBT氧枪 解决偏心炉的冷区及成分均匀；炉壁及烟道 的二次燃烧氧枪 利用余热、能量极限利用；,5.3 辅助供氧及燃烧设备,电炉供氧示意图（普通电炉）,应用转炉氧枪的结构及设计原理；超音速的氧气射流，穿入熔池对熔池搅拌及脱碳；废钢熔化形式主要是废钢落入熔池；在熔池表面一定距离喷吹；具有二次燃烧的功能；存在问题：用氧安全，进料时氧枪点火困难，炉内死角。,水冷式炉门碳氧枪,1985年在巴登钢铁公司开始应用；最早的炉门机械吹氧装置；同时具有喷吹石灰及喷吹碳粉
18、造泡沫渣的功能。与水冷氧枪比 优点：操作安全系数大，喷吹角度大，可直接切割废钢。缺点：吹氧管成本高，设备投资高。,自耗式炉门碳氧枪,问题的提出 1、提高电炉的输入功率，特别是中小型电炉，缩短冶炼时间，解决电炉连铸问题；2、解决电炉的冷区问题，特别是大中型电炉，对铁水炼钢也不例外，起二次燃烧作用；,燃料助熔 电炉炉壁氧燃（油、煤、燃气）助 熔及二次燃烧氧枪,炉壁氧燃（油、煤、燃气）助熔效果,提高电炉的比功率输入，提高生产速率；利用炉壁模块化控制喷射纯氧，实现炉气二次燃烧。熔化时间缩短1030min；降低冶炼电耗40100kwh/t；吨钢降低成本1030元左右；金属收得率提高1-2；喷嘴寿命大于1
19、000炉。,炉壁氧枪,作用：最主要是熔化废钢，后来发现可以脱碳精炼、二次燃烧；如果从效果看：伸缩式效果好；伸缩式的优点及存在的主要问题是：氧枪不使用时缩回，故受到保护；喷枪深入炉内太长，喷枪头结渣钢，喷枪抽不回去。韶钢 consteel电炉使用伸缩式。固定式烧嘴的优点及存在的主要问题是：技术简单，使用方便，维修费用低；但脱碳速度受到一定限制。,EBT 氧枪,EBT区是UHPEAF的冷区之一，该枪促进此区的废钢熔化，并在出现熔池后，提高EBT区的熔池温度，均匀熔池成分，实现CO的再燃烧，采用后冶炼时间可缩短5分钟。实际应用中，采用EBT氧枪完全解决了EBT区域的废钢在出钢时还未熔化及偏心区温度低
20、造成的出钢口打不开等问题；出钢时EBT区域的温度及成分与炉门口区域温度及成分相差无几。,电炉底吹系统,气源使用氩气或氮气，压力1.01.6Mpa，流量Qmax=300Nl/min，气体干燥。吹气量随着熔化期、氧化期而变化，流量范围10-300Nl/min；透气砖寿命在400500炉/块（进口砖）。系统可检测透气砖寿命，可采用手动和自动两种工作方式。,6 电炉除尘及炉渣处理,电炉的烟尘以氧化期最大。设计按氧化期考虑。电炉排出的CO气体只有5。烟气量大于转炉。电炉的烟气不回收。电炉密闭罩 第四孔排烟。屋顶排烟。炉渣主要是铺路及部分回用。,7 电弧炉技术进步,7.1电炉烟气热量利用技术,竖式电炉 双
21、壳电炉 consteel 电炉,竖炉电弧炉,竖炉电弧炉是Fuchs System 在1992年推出的。它有一个废钢预热系统，竖炉电弧炉可以是单竖炉或双竖炉，也可以是直流的或交流的。它用废气（1000以上）的潜热和化学热，加上在竖炉底部的氧燃烧嘴预热装在水冷竖炉内的废钢料柱。与普通的炉子比较，其氧燃烧嘴的热效更高。竖炉里至少可装全炉废钢的40%，剩下的废钢在开始熔化前直接加入炉内。,双壳电弧炉,双壳炉内有两个炉壳，共用一套电源。双壳炉的技术特点是将废钢预热和节省非通电时间相结合：当一个炉壳内在熔化炉料时，另一炉壳就加入第一篮炉料。当第一个炉壳要出钢时电极就转向另一个炉壳，开始送电。这样停电时间可
22、缩短610分钟，生产率大大提高。有些设计中，当一个炉壳在熔炼时将排出的热废气通入第二个炉壳，以预热废钢。预热炉料的优点是缩短给电时间和节电，日本Nippon Steel估计预热25分钟可节电35KWh/t。,Consteel电炉,废钢原料预热和加料过程的连续化，显然 对电弧炉炼钢过程是非常有利的：电弧非常平稳，闪烁、谐波和噪音很低过程连续进行，非通电操作时间减至最少不必周期性加料，热损失和排放大大减少便于稳定控制生产过程和产品质量,7.2 电弧炉电极智能控制,美国依阿华（Iowa）州的北星（North Star）钢厂与米尔切克（MilltechHOH）公司合作研究用神经网络技术改善电弧炉的电极
23、控制，1991年9月在一台80吨交流电弧炉炼钢生产中投入运行，所取得的成绩是：生产率提高10%20%电极消耗量降低0.40.6kg/t 电能消耗减少1820kwh/t 年效益216万美元,在电炉采用多种供氧方式以后，如何做到炉内均衡供氧是非常重要的。目的：1、控制吨钢耗氧；2、提高金属收得率；3、解决除尘冷却装置及电极等氧化。控制方式：1、结合热平衡及物料平衡；2、结合原有炉次的供氧曲线；3、根据冶炼状况，分解不同供氧方式的供氧量；4、检测冶炼过程炉气成分的变化，调整供氧量。,7.3 电炉用氧模块化控制技术,7.4 电炉炼钢碳、温度的终点控制技术,炉内电能输入与氧输入的平衡；熔池搅拌的设计（电、氧、氩平衡）；钢中氧、氮、氢等的控制；静态控制模型；动态控制模型。与转炉控制方式原理一致。不同是原料的形式多样化，热量来源多样化。,
