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电弧炉炼钢

日期:2019-10-07 20:12 来源: 冶炼

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  利用电弧的热效应加热炉料进行熔炼的炼钢方法。交流电通过3个石墨电极输入炉内,在电极下端与金属料之间产生电弧,利用电弧的高温直接加热炉料,使炼钢过程得以进行。电弧炉炼钢以废钢为主要原料,根据炉衬材质和造渣材料不同,有碱性法和酸性法之分。最常用的是碱性法。电弧炉炼钢以电能作热源,避免了气体热源所含硫分对钢的污染;操作工艺灵活,炉渣和炉气均可调控成氧化性或还原性;强还原性可使炉料中所含的贵重元素铬、镍、钨、钼、钒、钛等极少烧损;炉温高、易控制;产品质量高。

  Electric Arc Furnace Steelmaking Process

  电弧炉炼钢通过石墨电极向电弧炼钢炉内输入电能,以电极端部和炉料之间发生的电弧为热源进行炼钢的方法。电弧炉以电能为热源,可调整炉内气氛,对熔炼含有易氧化元素较多的钢种极为有利,发明后不久,就用于冶炼合金钢。并得到较大的发展。随着电弧炉设备的改进以及冶炼技术的提高,电力工业的发展,电炉钢的成本不断降低,现在电炉不但用于生产合金钢,而且大量用来生产普通碳素钢,其产量在主要工业国家钢总产量中的比重,不断上升。

  电弧炉炼钢起源可上溯到1853年,法国人皮松(Pisson)用两根水平电极在熔池上方发生电弧间接加热熔池熔炼金属成功。1879 年西门子(K. W. Siemens)改用一根直立电极与金属熔池直接产生电弧而加热熔池。1899年,美国有人曾试用两根直立电极直接加热熔池的方法,但使用的仍是直流电源,功率不足以熔化废钢,未能用于生产。近代电弧炉炼钢 的雏型是 1907 年美国出现的埃鲁(P.L.T.Heroult)式电弧炉—三相交流电弧炉。由于其功率大、工艺灵活、可用废钢为原料、产品质量高而赢得市场,随后推广到各国。

  电弧炉炼钢是生产中、高合金钢和优质钢的主要方法。在电能和废钢资源多且便宜的工业发达地区,电弧炉生产的普通碳素钢,已在市场占有日益增大的份额。随着工业和技术的发展对合金钢、优质钢需求量不断增长,到20世纪80年代末,电弧炉钢在世界粗钢年总产量中已占30%左右(见表1)。由于各国资源、技术及社会条件不同,电炉钢产量偶有起伏,但增长势头不变。到20世纪末,世界电弧炉钢所占比例将达35%。到20世纪80~90年代电弧炉容量多为40~120t,200t电炉亦属常见,最大的电弧炉容量为400t,然而世界电炉钢75%的产量出自所谓“小钢厂”,即年产钢量为5~25万t、带有连铸机和小型轧机的钢厂。

  电弧炉炼钢的基本工艺包括扒渣补炉、装入金属炉料、送电、熔化、氧化、还原精炼和出钢。按照所冶炼钢种特点的不同,可有不同的操作方法,传统的工艺主要是具有熔化、氧化、还原三个期的操作,还原期采用扩散脱氧和沉淀脱氧,需造白渣或电石渣,每炉冶炼要3~4h,电耗高达600~700kWh/t。随着技术的不断发展,电弧炉炼钢工艺也发生了很大变化,熔化期采用辅助能源加速熔化,如喷吹油—氧、天然气—氧或煤粉—氧,每炉熔化时间缩短了15~20min,电耗可减少50~60kWh/t;氧化期采取提前脱磷、强化用氧、喷粉造泡沫渣、快速升温等措施,可使氧化脱碳量从传统工艺的0.3%降低到0.1%~0.15%,从而氧化期可缩短时间50%以上。还原期则将传统工艺中的扩散脱氧为主改为沉淀脱氧为主,扩散脱氧为辅,不仅能达到预期的精炼效果,钢质量有保证且缩短还原时间60%以上。工艺的改进在钢水质量得到保证的同时,生产率亦随之提高20%左右,电耗降低10%~15%,电极消耗降低8%左右,取得可观的经济效益。

  有碱性操作法和酸性操作法之分。碱性操作法 以碱性耐火材料作炉衬,冶炼过程造碱性渣,其特点是可脱除原料中的硫和磷,使成品钢中硫、磷含量达(100~10)×10-4%以下。这种操作工艺对废钢中硫、磷含量原则上无限制,但从炉子生产率及钢成本考虑,硫、磷含量应不高于0.05%;易沉于炉底的金属杂质铅、锌、锡等和不易氧化除去的镍、铜、锌等均应尽量避免。所用铁合金、造渣剂、炼钢生铁等原材料要求有效成分高且干燥。碱性操作在装料期、熔化期以后进入精炼期,精炼期又分氧化和还原两个精炼阶段,根据精炼期是分别造氧化渣和还原渣来进行氧化精炼和还原精炼,抑或只造一次渣而兼顾两种精炼需要,碱性操作又分双渣法和单渣法。

  (1)双渣法。适用于炉料含磷高、氧化脱磷任务大的冶炼。炉料熔化后先造高碱度(CaO50%~60%,CaO/SiO

  =2~4)、高氧化性(FeO15%~20%)的渣,脱磷的同时脱碳、去气并升温至还原精炼所需的温度。氧化精炼达到要求后,扒净氧化渣,再造高碱度还原渣去硫、脱氧。还原渣有两种:白渣和电石渣。前者含CaO60%、SiO

  15%~20%、FeO1%,呈白色,冷却后易粉化,适用于冶炼含碳0.35%以下的钢种;后者除FeO较低(0.5%)外,还含CaC

  (2)单渣法。只造一次渣,通过对渣成分的调整来满足两种精炼的要求。此法只适用炉料含磷低,脱磷任务轻的冶炼,由于脱磷后渣中含磷低,可不换渣而直接脱碳、升温转入还原精炼。有些高合金废钢的返回冶炼,为避免合金元素氧化损失,也可不作氧化而只做还原精炼。对一些还原精炼没有高要求的普碳钢,亦可只作氧化精炼,当成分合格、升温后即可出钢,二者均属单渣法。

  饱和的酸性渣。该渣不具有脱硫、脱磷的能力,要求废钢含硫、磷在所炼钢种规格以下。因此类废钢来源少、价格高,限制了酸性操作的发展。酸性操作特点是:炉渣导电率低、升温快、电效率高。酸性渣和炉衬中的SiO

  在炼钢温度下活性高,极易被炉料中的碳、铝、钛、锆等还原。还原期主要依靠渣中SiO

  还原来脱氧,称为硅还原脱氧。酸性法炼钢周期比碱性法短,多用于铸钢车间。

  电弧炉炼钢是在与氧气转炉炼钢并立且竞争中取得其地位的。20世纪80年代初,氧气转炉已能炼出电弧炉能炼的多数钢种,但它消耗的废钢量却不高于废钢产量的30%,其余的均为炼钢电弧炉耗用,随着世界总体工业化程度的提高,必然伴以废钢资源增加,再加上核电的普及,使电弧炉炼钢具有长远发展的物质保证。电弧炉炼钢技术发展的重点则随各国电弧炉炼钢发展程度不同而异,总的方向是:继续推广高功率电弧炉和超高功率电弧炉,扩大炉容,提高生产率;采用水冷炉壁、水冷炉顶,减少炉衬费用;继续发展炉外精炼,使电弧炉的功能变成单纯的熔化废钢,从而充分利用变压器功率;发展铁矿石直接还原技术,以其产品代替废钢,扩大金属料来源,全直接还原料冶炼可采用连续装料而无须启、闭炉顶,以节省电能;开发新的电炉钢种以及在配料、供电、操作、炉前分析等方面采用电脑自动控制等技术。

  中国冶金百科全书总编辑委员会《钢铁冶金》卷编辑委员会,冶金工业出版社《中国冶金百科全书》编辑部 编.中国冶金百科全书·钢铁冶金.北京:冶金工业出版社.2001.第66-67页.

  殷瑞钰 关于新世纪发展现代电炉流程工程的认识. 中国冶金 ,2005,(06)

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