[精选]电炉炼钢工艺课件9916.pptx

电炉炼钢工艺朱 荣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.GRobinson)提出电炉超高功率概念(UltraHighPower简称UHP)，电炉工业开始走向辉煌。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。世界电炉生产迅速发展动力 社会废钢积累的增长，环境压力。低生产成本的经济刺激，廉价废钢及廉价电力。对提高劳动生产率的追求。采用废钢作原料的电弧炉工艺，流程短，生产率高，全员劳动生产率高达27004000t/（人a），几乎是高炉转炉流程的34倍。我国钢铁行业2010年能耗构成的预测值，矿石经高炉/转炉流程而成粗钢的单位能耗高于600kgce/t，其中氧气转炉炼钢工序能耗仅为10kgce/t，主要能耗是高炉和炼焦工序。铁前系统烧结、炼焦和高炉炼铁是能耗大户，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。电炉炼钢的其它优势世界粗钢产量增长情况世界钢产量预测电弧炉技术的发展2电炉炼钢主体设备介绍机械设备 炉壳、炉门、出钢槽或偏心炉底出钢、炉盖，分水冷和耐材电极夹持器、电极升降装置炉盖提升旋转机构、炉体旋转或开出排烟除尘装置炉顶加料装置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3电炉炼钢的能量来源电能化学能。包括炉料带来的物理热及氧化带来的化学热、外来输入的燃料。传统电炉总能量平衡现代电炉总能量平衡(装铁水)3.1供电供电技术发展直流电弧炉 消除炉衬热点问题，减少电极消耗，搅拌熔池消除偏弧；减少对电网冲击高阻抗电弧炉利用泡沫渣埋弧操作、提高变压器水平，降低电极消耗提高功率因数，减轻对电网干扰无功功率静止式动态补偿消除或减弱电弧炉冶炼冶炼中电负荷造成的电压波动与谐波对电网的危害降低闪烁和谐波冶炼过程计算机自动化控制按冶金模型、热模型进行最佳配料、电热平衡、最佳控制功率等计算，实现控制、管理、决策合理电气工作点动态选择、保证合理供电制度执行智能电弧炉 利用人工智能，具有三相意识，也可进行电弧炉综合控制解决电弧炉供电三相不平衡问题，减少对电网冲击普通功率与超高功率电弧炉工作点 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。供电时间确定1.C 吨钢电耗，kWh/t2.W 钢水总重，t3.P电炉变压器容量，kV.A4.变压器利用率，5.非通电时间，min3.2供氧炉门人工吹氧 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;EBT氧枪解决偏心炉的冷区及成分均匀；炉壁氧气碳粉喷吹模块可伸入式及固定式；炉壁及烟道的二次燃烧氧枪利用余热、能量极限利用电炉供氧示意图北京科大电炉炼钢用氧专利技术内容电炉炉门多功能吹氧装置电炉炉壁氧燃助熔及二次燃烧氧枪电炉炉壁及EBT氧枪电炉炉顶氧枪电炉炉壁氧气及碳粉喷吹模块（集束氧枪）电炉泡沫渣技术电炉用氧诊断电炉用氧模块化控制技术在吹氧条件下，熔池中 各元素氧化1kg时所产生的理论热值 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。电炉用氧模块化控制技术4电炉炼钢的原料 传统的电弧炉炼钢是全废钢工艺以冷废钢为主，配加10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 电炉炼钢是一种铁资源回收再利用过程，也是一种处理污染的环保技术。仅就电炉炼钢工序而言，废钢是基本原料，废钢原料需进行鉴别、分类管理和打包、剪切等预处理。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积累。目前采用的对策主要有：加强废钢管理；在废钢预加工过程中挑选或分离；冶炼过程配加其他铁源，稀释残留元素的浓度。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25kwh/t-steel，（而氧耗67m3/t-steel）碳化铁(Fe3C)：技术问题，不能大量生产5电炉冶炼工艺n 传统冶炼工艺(三段工艺)熔化期、氧化期、还原期n 现代冶炼工艺(二段工艺)熔化期、氧化期、加炉外处理；或称熔氧脱磷期、脱碳升温期n 操作步骤：补炉、装料（配料）、熔化期、氧化期、精炼(或还原期)、出钢5.1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)；靠电极(最容易跑钢的地方)；电弧的辐射；补炉用大铲或喷枪。5.2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。5.3废钢熔化阶段操作 熔化期是电炉工艺中能源消耗的大头，冶炼时间的50-80%，因此，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。优化的供电曲线5.4 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Fe2O3+3C=2Fe+3CO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。矿石加吹氧氧化期操作熔清、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2.5-3.0，总渣量在24。磷的控制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)+2.5lg%(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 喷粉技术的应用氧化期喷粉脱磷碳的控制作用：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。5.5冶炼过程造泡沫渣泡沫渣是指在不增大渣量的情况下，使炉渣呈很厚的泡沫状泡沫渣的作用1.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；2.降低电炉冶炼电耗，缩短了冶炼时间；3.减少了电弧热辐射对炉壁及炉盖的热损失；4.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对炉渣泡沫渣高度的影响泡沫渣新工艺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。5.6电炉还原期还原期是转炉炼钢没有的。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。传统电炉需扒渣。传统出钢虹吸出钢还原期操作 扒除氧化渣后加石灰和莹石 化渣、加碳粉造白渣或电石渣 还原5-10分钟推渣，取样全分析、测温 补加渣料加C粉 成份温度合格、加合金测温度、看脱氧、出钢。还原白渣及电石渣白渣：是用C粉和Si粉还原的炉渣，冷却后呈白色，过一会儿会粉化；电石渣：过量的C粉（或加CaC2），在渣中有大量存在，冷却后呈灰色；白渣与电石渣的比较：电石渣的脱氧、脱S能力强（在S、O高时，采用）电石渣增C。增Si 电石渣和钢液性湿润性较好，钢水，中易产生夹杂，所以，不能电石渣出钢，如何破电石渣：加渣料炉盖留一条线 6近年主要电炉炼钢新工艺竖式电炉双壳电炉consteel电炉铁水热装及强化供氧竖炉电弧炉 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NipponSteel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：n电弧非常平稳，闪烁、谐波和噪音很低n过程连续进行，非通电操作时间减至最少n不必周期性加料，热损失和排放大大减少n便于稳定控制生产过程和产品质量冶金学院 朱 荣炉外精炼1炉外精炼的产生半世纪以来迅速发展的钢铁冶金重要技术；提高生产率的需要；提高钢质量的需要；满足不同钢种的特殊要求。炉外精炼发展历程20世纪3040年代，合成渣洗、真空模铸50年代，大功率蒸汽喷射泵技术的突破，发明了钢包提升脱气法(DH)及循环脱气法(RH)6070年代，高质量钢种的要求，产生了各种精炼方法8090年代，连铸的发展，连铸坯对质量的要求及炼钢炉与连铸的衔接21世纪，更高节奏及超级钢的生产。炉外精炼的内容脱氧、脱硫去气、去除夹杂调整钢液成分及温度2炉外精炼的手段渣洗 最简单的精炼手段；真空 目前应用的高质量钢的精炼手段；搅拌 最基本的精炼手段；喷吹 将反应剂直接加入熔体的手段；调温 加热是调节温度的一项常用手段。合成渣洗根据要求将各种渣料配置成满足某种冶金功能的合成炉渣；通过在专门的炼渣炉中熔炼，出钢时钢液与炉渣混合，实现脱硫及脱氧去夹杂功能；不能去除钢中气体；必须将原炉渣去除；同炉渣洗、异炉渣洗。真空处理脱气的主要方法 提高真空度可将钢中C、H、O降低；日本真空技术，真空度到1 torr；C10ppm,H1ppm,O5ppm中国真空技术，真空度到3 torr；C20ppm,H2ppm，O15ppm。新开发了脱硫功能：KTB 代表性装置：RH、VD、VOD。喷吹技术喷吹实现脱碳、脱硫、脱氧、合金化、控制夹杂物形态；单一气体喷吹 VOD；混合气体喷吹 AOD；粉气流的喷吹 TN；固体物加入 喂线。升温工艺提高生产率的需要；升温装置：LF加热 CAS化学加热。3主要的精炼工艺LF(LadleFurnaceprocess)；AOD(Argon-oxygendecaburizitionprocess);VOD(Vacuumoxygendecreaseprocess);RH(RuhrstahlHeraeusprocess);CAS-OB(Compositionadjustmentsbysealedargon-oxygenblowingprocess)；喂线(Insertthread)；钢包吹氩搅拌(Ladleargonstirring)；喷粉(powderinjection)。3.1 LF炉最常用的精炼方法取代电炉还原期解决了转炉冶炼优钢问题具有加热及搅拌功能脱氧、脱硫、合金化LF炉精炼原理1-电极；2-合金料斗；3-透气砖；4-滑动水口1-电极；2-合金料斗；3-透气砖；4-滑动水口l精炼功能强，适宜生产超低硫、超低氧钢；l具备电弧加热功能，热效率高，升温幅度大，温度控制精度高；l 具备搅拌和合金化功能，易于实现窄成分控制，提高产品的稳定性；l 采用渣钢精炼工艺，精炼成本较低；l设备简单，投资较少。工艺优点常规 LF炉工艺操作电炉EBT出钢，出钢过程加合金、加渣料(石灰、萤石等2%)，底吹氩、通电升温、化渣，10分钟取样分析，加渣料(1)，测温取样，加合金看脱氧，准备出钢。一般3050分钟，电耗5080kwh/t；现代转炉、电炉与连铸联系的纽带。3.2 AOD 炉目的：主要是冶炼高质量的不锈钢(C20ppm,S,P50ppm)使用更廉价的原料(采用高碳铬代低碳铬)；使用情况：6070的不锈钢产量；我国太钢有国内第一台AOD;不锈钢的冶炼方法 电炉；电炉或转炉AOD；电炉或转炉VOD.AOD工艺过程炉料：废钢、不锈钢返回料、高碳铬铁、高碳镍铁吹炼过程温度及氩氧比的控制分不同温度及碳含量控制吹炼氩氧比:O2：Ar=4:1(3:1)，C下降为0.2%、T1680；O2：Ar=2:1，C下降为0.1%、T1700；O2：Ar=1:2，C下降为0.02%、T1730；O2：Ar=1:3，C下降为0.01%、T1750；3.3 VD/VOD炉VD 的功能仅是真空加搅拌，VOD 是Vacuum and stir and injection oxygen；VD主要应用于轴承钢脱氧；VOD 主要用于不锈钢冶炼；VD工艺轴承钢最重要的性能指标是疲劳寿命。影响轴承钢寿命的重要指标是钢中氧含量，钢中O控制在10ppm为好。最好水平O 35ppm。国内10ppm左右。控制钢中非金属夹杂物和碳化物级别。GCr15是最常用轴承钢：%C：0.95-1.05%Mn:0.9-1.20%Si:0.40-0.65%Cr:1.30-1.65 S,P0.020以轴承钢冶炼为例冶炼工艺：UHPLF+VD（或RH）+CC：LF出钢后，扒渣（倒渣）2/3，渣层厚度应保持4070mm，扒渣时间3min。扒渣完毕LF钢包入VD处理工位，接通氩气，调节流量5080NL/min，同时测温、取样，加入硅石2 kg/mm，调整炉渣碱度R=1.21.5。测温、取样后VD加盖密封，抽真空。真空泵启动期间，调整氩气流量保持30 40NL/min。VD工艺以轴承钢冶炼为例真空保持时间：真空启动后，工作压力达到67 Pa时，保持时间15min。真空保持期间调整氩气流量 70NL/min左右，并通过观察孔观察钢水沸腾情况，及时调整，保持均匀沸腾。终脱氧后解除真空、开盖、测温，软吹1525min，氩气流量 70-100NL/min左右，控制渣面微动为宜。软吹结束后，测温、取样，加保温剂出钢，出钢温度15301540。以轴承钢冶炼为例VD工艺VOD 工艺初炼炉将碳控制在0.20.5，P0.03%以下；钢液温度为1630；初炼炉除渣后，将VOD钢包吊入真空室，接底吹氩，开始抽真空，此时温度1550-1580;当真空度达到1320kpa时，开始吹氧脱碳；碳含量降低的同时，提高真空度，保铬不氧化；当碳合格时，停止吹氧，加大真空到100Pa以下，并加大搅拌，进一步脱碳，钢液温度达到16701750；加合金、微调成分、加铝吹氩搅拌几分钟后，破真空浇铸。以冶炼超低碳不锈钢为例3.4 RH真空精炼 Ruhrstahl 公司和Heraeus公司1957年开发的。也称钢液循环脱气法，将钢液提升到一容器内处理。主要冶炼高质量产品，如轴承钢、LF钢、硅钢、不锈钢、齿轮钢等。国内RH设备主要依靠进口。RH工艺特点反应速度快，表观脱碳速度常数kC可达到3.5min-1。处理周期短，生产效率高，常与转炉配套使用。反应效率高，钢水直接在真空室内进行反应，可生产H0.510-6，N2510-6，C1010-6的超纯净钢。可进行吹氧脱碳和二次燃烧进行热补偿，减少处理温降；可进行喷粉脱硫，生产S510-6的超低硫钢。RH工艺参数处理容量：大炉子比小炉子好(50t以上)；处理时间：钢包在真空位的停留时间；Tc/Vt Tc允许温降，Vt平均温降/min；循环因数：C(t/min).t(min)/Q(ton)循环流量、t脱气时间、Q处理容量循环流量：主要由上升管与驱动气体流量决定；真空度：60100pa；抽气能力。RH真空工艺过程出钢后，钢包测温取样；下降真空室，插入深度为150-200mm；起动真空泵，一根插入管输入驱动气体；当真空室的压力降到2610kpa后，循环加剧；钢水上升速度为5m/s、下降速度为12m/s；气泡在钢液中将气体及夹杂带出。RH的发展-OB(OxygenBlowing)，真空室下部吹氧-KTB(KawasakiTopBlowing)日本川崎，顶吹氧-PB(PowderBlowing)，真空室下部喷粉脱P、S。工艺优点：钢液升温和精确控制钢水温度 促进夹杂物上浮，提高钢水纯净度 精确控制钢液成分，实现窄成分控制 均匀钢水成分和温度 与喂线配合，可进行夹杂物的变性处理 冶炼节奏快，适合转炉的冶炼节奏。3.5 CAS、CASOB精炼工艺CASOB的冶炼效果加热；升温速度56/min；钢液成分：吹氧前后变化不大；钢水洁净度：O基本不变，可降低N含量。CAS工艺的操作过程CAS-OB工艺的操作过程3.6喷粉工艺效果最好投资及使用成本最低也是最不好掌握的技术；可脱硫、脱磷、合金化、夹杂变性；工艺参数：喷枪插入深度；h=H(钢液深)-hc(喷入深)；喷吹压力：大于钢液、炉渣及大气压；喷吹时间：喷粉设备及钢液容纳粉剂的能力；供料速度：设备能力及钢液化学反应速度；载气能力与粉气比。4典型精炼设备的功能冶金效果典型精炼方法达到的洁净度5 洁净钢(purity steel)60年代：S+P+N+O+H900ppm；70年代：S+P+N+O+H800ppm；80年代：S+P+N+O+H600ppm；90年代：S+P+N+O+H100ppm；2000年代：S+P+N+O+H50ppm。洁净钢除S+P+N+O+H五大元素外，随废钢量的增加。还包括Cu、Zr、Sn、Bi、Pb等伴生元素。洁净钢是一个相对概念某一杂质含量降低到什么水平决定于钢种和产品用途不同的年代，对洁净钢有不同的要求有害元素降低程度决定于装备和工艺现代化水平。高附加值产品对洁净度的要求是：TO要低20ppm；夹杂物数量要少；夹杂物尺寸要小50m；夹杂物形态要合适。洁净钢的定义洁净钢生产技术 初炼炉低氧钢精炼技术 出钢炉渣改质与预脱硫工艺 出钢挡渣技术与下渣检测 渣洗精炼工艺 夹杂物改性技术 Ca处理技术 超低碳钢冶炼技术 低N钢冶炼技术 夹杂物控制技术 钢水保护技术 无缺陷连铸坯生产工艺 连铸坯表面质量的控制 大型夹杂物的控制 铁 水 预 处 理 工 艺 朱 荣铁水预处理技术 铁水预处理是指铁水兑入炼钢炉之前进行的各种处理。分为普通铁水预处理和特殊铁水预处理两大类。普通铁水预处理包括：铁水脱硫、铁水脱硅和铁水脱P。特殊铁水预处理一般是针对铁水中含有的特殊元素进行提纯精炼或资源综合利用，如铁水提钒、提铌、脱铬等预处理工艺。铁水预处理容器的选择根据铁水预处理容器的选择，脱硫工艺可分为：混铁车喷吹法 铁水罐法 铁水包法 发展趋势：采用铁水包作为铁水脱硫预处理的容器