铸造钢锭工艺的研究

现代制造技术与装备　２０１１第６期总第２０５期　铸造钢锭工艺的研究　高　菲　张　凯　李静生　宗国锋　孙锐锐　毛炳年　（山东能源机械集团乾泰公司，宁阳２７１４１３）　

摘　要：使用电弧炉熔炼生产钢锭的过程中，通过对材料准备、熔炼工艺过程中的注意事项以及具体操作　的描述，总结了一套成熟的工艺流程，应用此流程进行了多类铜种的钢锭生产，较高程度的满足锻造专业公司　的生产，在我公司范围内形成了一个自给自足的生产链。　关键词：熔炼工艺　铜液合金化　生产链　

１原材料准备　废钢是电弧炉炼钢的主要材料，废钢质量的好坏直接　影响钢液的质量、成本和生产率，因此，对废钢质量有如下　几点要求。　（１）废钢表面应清洁少锈，因废钢中沾有的泥沙等杂物　会降低炉料的导电性能，延长熔化时间，还会影响氧化期去　磷效果及侵蚀炉衬。废钢锈蚀严重或沾有油污时还会降低　钢和合金元素的收得率，并增加钢中的含氢量。　（２）废钢中不得混有铅、锡、砷、锌和铜等有色金属。铅　的密度大，熔点低，不溶于钢液，易沉积在炉底缝隙中造成　漏钢事故；锡、砷和铜易引起钢的热脆。　（３）废钢中不得混有密封容器，以及易燃、易爆物和有　毒物，以保证安全生产。　（４）废钢化学成分应明确，且需按成分分类存放，硫、磷　含量不宜过高。　（５）废钢外形尺寸不能过大（截面积不宜超过３００ｍｍ　Ｘ　３００ｒａｍ，最大长度不宜超过３５０ｒａｍ）。　２冶炼工艺要点及说明　其操作过程分为：补炉、装料、熔化、氧化、还原与出钢　六个阶段。因主要由熔化期、氧化期、还原期组成，俗称老三　期。　２．１补炉：影响炉衬寿命的“三要素”　（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；吹氧操作与钢渣等机　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，损坏情况　也不一样。炉衬损坏的主要部位如下：（１）炉壁渣线受到高　温电弧的辐射，钢渣的化学侵蚀与机械冲刷，以及吹氧操作　等损坏严重；（２）出钢口附近因受钢渣的冲刷也极易减薄；　（３）炉门两侧常受急冷急热的作用，流渣的冲刷以及操作与　工具的碰撞等，损坏也比较严重。　（３）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。补炉的原则是：高　温，快补，薄补。　（４）补炉材料主要用镁砂，白云石或两者的混合物，并　掺入磷酸盐或硅酸盐等粘结剂。　２．２装料　目前，广泛采用炉顶料罐和电磁吸盘装料，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，熔化　快，效率高。　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％一８０％。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　程基本可分为四个阶段，即点弧，穿井，主熔化及熔末升温。　点（起）弧期从送电起弧至电极端部下降到一定深度时为点　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。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，应注意保护炉底，办法是加　料前采取外加石灰垫底，重废钢以及合理的炉料。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。　（３）缩短熔化期的措施：１）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；２）强化用氧。　如吹氧助熔，氧一燃助熔，实现废钢同步熔化，提高废钢熔　化速度；３）提高变压器输入功率，加快废钢熔化速度；４）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。　２．４氧化期　工艺与装备　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５０～８０ｃＣ。　（１）氧化期的主要任务：脱磷——继续脱磷到要求；脱　碳——脱碳至规格下限；二去——去除气体、杂质；温　度——升温，提高钢液温度。　（２）氧化期操作　造渣与脱磷：传统冶炼方法中氧化期还要继续脱磷，２　ｆＰ１＋５（ＦｅＯ）＋４（ＣａＯ）＝（４ＣａＯＰ２０５）＋５【Ｆｅ】△Ｈ＜０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。　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　用如下：降低钢中的碳，利用碳一氧反应（一ｃ０）这个手段　来达到以下目的：搅动熔池，加速反应，均匀成分；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：【ｃ］＋【０】＝ＣＯ　Ｔ，△Ｈ一０．　２４ｋｃａｌ＝一２２ｋＪ＜０分析：该反应是在钢中进行的放热反应。高　氧化性，加强供氧，使【％０】实际＞［％０】平衡。高温加速Ｃ一０　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一０间的扩散，故高温有利脱碳的进行１。降低压强，如　充惰性气体（ＡＯＤ），抽气与真空处理（ＶＤ，ＶＯＤ）等降低ＰＣＯ　均有利于脱碳反应。　２．５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。　（１）还原期的主要任务脱氧、脱硫、调整成分、调整温　度。其中，脱氧是核心，温度是条件，造渣是保证。１）脱氧方　法：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，氧化末还原　前用沉淀脱氧进行预脱氧，还原期用扩散脱氧，出钢前用沉　淀脱氧进行终脱氧。其中沉淀脱氧反应式：ｘ［Ｍ］块＋ｙ【０］＝　（ＭｘＯｙ）Ｔ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，Ａ１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；当上浮时间短时脱氧产物易留在钢中。扩散脱氧　反应式：ｘ（Ｍ）粉＋ｙ（ＦｅＯ）＝（ＭｘＯｙ）＋ｙ［Ｆｅ】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Ｆｅ—Ｓｉ，Ｃａ—Ｓｉ，ＣａＣ，Ａ１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：该反应是在渣一钢界面上进行　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，减少化铁含量；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　渣一钢接触。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．Ｏ％，对脱硫特别有利。　（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（温度），Ｐ，Ｃ符合要求　２）加Ｆｅ—Ｍｎ，Ｆｅ—Ｓｉ块等预脱氧（沉淀脱氧）３）加石灰，萤石，　造稀薄渣４）还原，加Ｃ粉，Ｆｅ—ｓｉ粉等脱氧（扩散脱氧）５）搅　拌，取样，测温６）调整成分一合金化７）加Ａｌ或ｃａ—ｓｉ块等　终脱氧（沉淀脱氧）８）出钢　（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１００～１４０　ｏＣ。由于氧化期末期　控制钢液温度大于出钢温度２Ｏ　３０℃以上，所以扒渣后还　原期的温度控制总的来说是保温过程。若还原期大幅度升　温，则易造成钢液吸气严重，高温电弧加重对炉衬的侵蚀及　局部钢水过热。为此，应避免还原期后期升温操作。　２．６出钢　传统电炉冶炼工艺，钢液经氧化，还原，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。传统电炉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。　２．７钢液的合金化　（１）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。　合金化操作主要指合金加入的时间，加入的数量及加　入的方式。１）合金加入时间：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：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Ｃｒ，Ｍｎ等；容易氧化的元素一　般在还原末期加入，即在钢液和炉渣脱氧良好的情况下加　人，如Ｖ，Ｎｈ，ｓｉ，ｒｒｉ，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，如钛　铁等，有时稀土元素还在浇注的过程中加入。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。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或低碳铁合金。Ｄ）