电炉冶炼工艺简介

电炉冶炼工艺简介一、分类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、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（图5-1、图5-2）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。

图5-1 槽出钢电炉炉衬情况图5-2 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，广泛采用炉顶料罐（或叫料篮、料筐）装料（图5-3），每炉钢的炉料分1～3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。

图5-3 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。

炉料熔化过程见图5-4，基本可分为四个阶段（期），即点弧、穿井、主熔化及熔末升温。

图5-4 炉料熔化过程◆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（图5-4）。

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（图5-4）。

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5-1。

典型的供电曲线如图5-5。

表5-1 炉料熔化过程与操作图5-5 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、Ｐ氧化40%～50%，这与渣的碱度和氧化性等有关；而在吹氧时Ｃ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：2［P］＋5(FeO)＋4(CaO)＝(4CaO·P2O5)＋5［Fe］, △H＜0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。

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。

三、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70％～80%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50～80℃。

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［P］＋5(FeO)＋4(CaO)＝(4CaO·P2O5)＋5［Fe］△H＜0（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（Ｃ＋Ｏ2 →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；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：[C]＋[O] =CO↑ ,△HCO＝－0.24kcal=－22kJ＜0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＞［％O］平衡。

高温，加速Ｃ-Ｏ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Ｃ-Ｏ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、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：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2FeO·SiO2、2FeO·Al2O3及2FeO·TiO2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20～30℃，以弥补扒渣、造新渣以及加合金造成的钢液降温，见图5-6。

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。

图5-6 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。

（一）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—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：x[M]块＋y[O]＝(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)+y[Fe] [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。

2）脱硫反应及脱硫条件[FeS]+（CaO）=（CaS）+（FeO），△H＞0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。