冶金行業(yè)電爐原料工藝

1、冶金行業(yè)電爐原料工藝主要內(nèi)容電爐煉鋼及其開(kāi)展電爐煉鋼設(shè)備及其電熱特性電爐煉鋼原料及冶煉工藝電爐新技術(shù)、新工藝爐外處理中國(guó)鋼鐵與大型電爐現(xiàn)狀8/22/20222 上次介紹第二章的后半局部?jī)?nèi)容如下：電爐主電路設(shè)備：組成、作用及特點(diǎn)；電爐的電控設(shè)備：高壓控制、低壓控制，以及電極自動(dòng)調(diào)節(jié)器；電氣特性：電爐的電氣特性主要研究某一電壓下，電爐的各個(gè)電氣量值隨電弧電流變化的規(guī)律性。通過(guò)電爐的等值電路給出阻抗三角形得到電氣量值表達(dá)式用電氣特性曲線形式來(lái)表現(xiàn)。用電標(biāo)準(zhǔn)的討論8/22/20223圖2-15 電爐理論電氣特性曲線圖2-15 電爐理論電氣特性曲線8/22/20224 4短路I = Id 這相當(dāng)石墨電極

2、與金屬料接觸或插入鋼水中，即發(fā)生短路，此時(shí)，Rarc=，短路電流為： 討論： 因?yàn)镻arc=，所以Pa=Pr=3I2 r，即有功功率全部消耗在裝置電阻上，爐內(nèi)無(wú)熱量輸入； Parc、=，但cos0； Rarc =，使短路電流很大，Id / In24，極易損壞電器，故要求短路電流要小、短路時(shí)間要短。 短路分為送電起弧短路與過(guò)程操作短路： 起弧短路 短路的目的是要起弧，這要求時(shí)間短，即做瞬間短路； 過(guò)程操作短路 應(yīng)加以限制，通過(guò)提高電路電抗可以限制短路電流，同時(shí)使電弧燃燒連續(xù)、穩(wěn)定。8/22/20225 5耐火材料磨損指數(shù)最大 用“RE表示 用以上類似的數(shù)學(xué)分析方法可求出，當(dāng)電弧電阻為下面公式時(shí)，

3、耐火材料磨損指數(shù)有最大值，此時(shí)電流及對(duì)應(yīng)的最大耐火材料磨損指數(shù)分別為下左、右式，右式中d為電極側(cè)部至爐壁襯最短距離。 8/22/202262.5.3 供電制度確實(shí)定 在一定設(shè)備條件下，供電制度合理與否，不但影響冶煉過(guò)程的順利，還影響爐襯壽命、冶煉時(shí)間、電能消耗以及設(shè)備利用等。 何謂供電制度？供電制度指某一特定的電弧爐，當(dāng)能量供給制度確定之后，在確定的某一電壓下工作電流的選擇。 供電制度如何確定？在傳統(tǒng)確實(shí)定方法中，最重要的是遵守電氣特性所表達(dá)的規(guī)律性，即以“經(jīng)濟(jì)電流概念來(lái)確定工作電流。 下面從“經(jīng)濟(jì)電流概念出發(fā)，討論工作電流確定。8/22/202271經(jīng)濟(jì)電流確實(shí)定 觀察特性曲線圖2-15可以

4、發(fā)現(xiàn)：在電流較小時(shí)電弧功率隨電流增長(zhǎng)較快，而電損功率隨電流增長(zhǎng)緩慢；當(dāng)電流增加到較大區(qū)域內(nèi)時(shí)，情況恰好相反。這說(shuō)明在特性曲線上有一點(diǎn)電流能使電弧功率與電損功率隨電流的變化率相等dParc/dI=dPr /dI，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流叫“經(jīng)濟(jì)電流，用經(jīng)濟(jì)表示。 因電流小于經(jīng)濟(jì)時(shí)，電弧功率小，熔化得慢；大于經(jīng)濟(jì)時(shí)，電弧功率增加不多，電損失功率增加不少，故經(jīng)濟(jì)得名“經(jīng)濟(jì)電流。另外，在經(jīng)濟(jì)附近的cos、也較理想。8/22/20228 由電弧功率、電損功率及電弧電流表達(dá)式表2-3，有關(guān)系： Parc =f(Rarc)或Pr=f(Rarc)Parc、Pr分別對(duì)Rarc求復(fù)合函數(shù)的導(dǎo)數(shù)，并聯(lián)立求解得Rarc值及對(duì)應(yīng)

5、的電流經(jīng)濟(jì)電流經(jīng)濟(jì)：8/22/20229討論： 比較有經(jīng)濟(jì) I1 ，只有當(dāng)xr很大時(shí)，經(jīng)濟(jì)才接近I1；實(shí)際設(shè)計(jì)中，比值xr35，對(duì)應(yīng)cos=0.830.88，0.820.86，而經(jīng)濟(jì)/ I10.810.89，應(yīng)該說(shuō)比較理想，這比I1 時(shí)還要好。8/22/202210 2工作電流確實(shí)定 I經(jīng)濟(jì)的求出似乎就給出工作電流，即I工作 I經(jīng)濟(jì)。但假設(shè)將耐材磨損指數(shù)的關(guān)系也表示在 圖2-15的電氣特性曲線中，可以看出，I= I經(jīng)濟(jì) 恰好在RE最大值附近右側(cè) 。 對(duì)于小型普通功率電爐，RE較低400 MWV/m2 (一般RE400450 為平安值)，此時(shí)爐襯熱點(diǎn)損耗不劇烈。8/22/202211 但對(duì)于大型

6、電爐功率水平大幅度提高，爐壁熱點(diǎn)磨損極為嚴(yán)重，RE的峰值將超過(guò)800 MWV/m2以上，此時(shí)工作電流的選擇必須避開(kāi)RE峰值，所選的工作電流不再是在I1 左面接近I經(jīng)濟(jì)的區(qū)域，而是接近I1 或超過(guò)I1 ，即I工作 I1。 此種情況，Parc增加了，雖然r 增加、cos降低，但由于低電壓、大電流電弧的狀態(tài)發(fā)生了變化，成為“粗短弧使電爐傳熱效率提高，更主要是爐襯壽命得到保證，RE減小。8/22/202212 當(dāng)采用泡沫渣時(shí)，可實(shí)現(xiàn)埋弧操作，以及主熔化期電弧被廢鋼遮蔽，因此不用顧及RE的影響，而采用高電壓、小電流的細(xì)長(zhǎng)弧供電操作，那么確定工作電流的原那么不變，仍為I工作 經(jīng)濟(jì) I1 。 當(dāng)然I工作 經(jīng)

7、濟(jì)是有條件的，不能一味地追求，還必須考慮變壓器額定電流In允許值。在電爐變壓器選擇正確時(shí)，應(yīng)能保證In接近經(jīng)濟(jì)。 考慮諸因素，工作電流選擇原那么應(yīng)該是：在考慮變壓器額定電流的情況下，滿足I工作 經(jīng)濟(jì)條件。典型的大型電爐供電曲線如圖2-16。8/22/202213圖2-16 電爐供電的Pt圖8/22/202214第三章 電爐煉鋼原材料 煉鋼原材料：分為金屬材料和輔助材料兩大類。 3.1 金屬材料 包括廢鋼鐵料、廢鋼代用品以及鐵合金等。 3.1.1 廢鋼鐵料 廢鋼是電爐煉鋼的主要原料100%，噸鋼消耗約 1150kg。8/22/202215 1廢鋼資源情況 可以說(shuō)世界范圍可利用的廢鋼量是不缺乏，且

8、隨著積累鋼產(chǎn)量的增加，廢鋼利用率的提高，可利用的廢鋼量將會(huì)繼續(xù)增加。 不過(guò)不同地區(qū)和國(guó)家是不均衡的，比方美、英、法、德及前蘇聯(lián)，每年出口廢鋼3001000萬(wàn)噸不等。其中美國(guó)是最大的廢鋼凈出口量國(guó)，平均每年出口約1000萬(wàn)噸，2004年凈出口714萬(wàn)噸；就連資源缺乏的日本從1992年也開(kāi)始出口廢鋼，其主要原因是汽車業(yè)的開(kāi)展，2004年凈出口654萬(wàn)噸。 同時(shí)土耳其、西班牙、意大利、韓國(guó)、印度、印尼以及中國(guó)每年需要進(jìn)口廢鋼1001000萬(wàn)噸不等。8/22/202216 中國(guó)解放前的鋼產(chǎn)量很少，歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì)鋼的蓄積量也不過(guò)幾百萬(wàn)噸。1949年才15.8萬(wàn)噸，鋼材產(chǎn)量?jī)H14萬(wàn)噸。自1949年至2007

9、年，積累鋼產(chǎn)量約40億噸，加之鋼產(chǎn)品變?yōu)閺U鋼的折舊期很長(zhǎng)大多3040多年還在使用，廢鋼利用率也很低，造成我國(guó)廢鋼短缺。 此現(xiàn)象將隨著每年5億噸鋼產(chǎn)量的增加，大量鋼鐵設(shè)備、流程改造更新，使得廢鋼循環(huán)進(jìn)入動(dòng)態(tài)平衡等，到2021年以后將會(huì)隨著廢鋼再生流程的正常啟動(dòng)而得到明顯好轉(zhuǎn)。 但目前，中國(guó)還是個(gè)廢鋼缺乏、質(zhì)量低劣的國(guó)家，解決途徑有二：進(jìn)口廢鋼；使用直接復(fù)原鐵等廢鋼代用品。8/22/202217 2廢鋼分類 按來(lái)源可分為以下三種：自產(chǎn)廢鋼，即鋼鐵廠內(nèi)返回廢鋼，質(zhì)量好、成分易控制；加工廠廢鋼，即制造廠內(nèi)邊角余料等，質(zhì)量較好，但回收后注意分類；循環(huán)廢鋼，即外購(gòu)廢鋼，數(shù)量最大、成分復(fù)雜、質(zhì)量最差。它是從

10、廢舊鋼制品中回收的，包括機(jī)械與建筑結(jié)構(gòu)、廢舊車輛、儀器儀表、家電炊具以及軍火兵器等。它們不可防止地存在其它金屬和有害元素，其中有些越循環(huán)是越多，尤其有害剩余元素Sn、Pb、As 、Sb、 Bi 、Cu 、Zn 等的存在，使得生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼的難度增加。 國(guó)際范圍解決廢鋼質(zhì)量的措施： 配一局部直接復(fù)原鐵等稀釋；去除廢鋼中有害剩余元素。 R8/22/202218Filename.ppt193.1.2 廢鋼代用品 廢鋼代用品，美國(guó)最先提出的，原文Steel Scrap Substitude，簡(jiǎn)稱3S。目前用于生產(chǎn)中的廢鋼代用品有： 生鐵與鐵水、直接復(fù)原鐵與熱壓塊鐵等，見(jiàn)圖3-1。 它們具有共同的優(yōu)點(diǎn)：雜質(zhì)

11、元素含量極低，其中微量元素Cu 、Zn、 Sn、Pb、Ni、Mo等均為痕量，可以對(duì)廢鋼中的剩余元素進(jìn)行稀釋；去氮效果好，因其碳含量高，熔化過(guò)程產(chǎn)生大量的CO，去氣效果好。 廢鋼代用品的使用，不僅可以彌補(bǔ)廢鋼的缺乏，而且能夠提高鋼水的清潔度，生產(chǎn)高質(zhì)量的鋼材。8/22/202220圖3-18/22/2022211生鐵/鐵水 傳統(tǒng)的作法是用生鐵來(lái)提高爐料中的配碳量，同時(shí)解決廢鋼的缺乏。電爐復(fù)原期碳低時(shí)，常用優(yōu)質(zhì)生鐵增碳。 目前，中國(guó)鐵/鋼比大于1不合理,世界平均0.7,巴西0.9，生鐵較富裕，且價(jià)格與優(yōu)質(zhì)廢鋼相當(dāng)，加之廢鋼質(zhì)與量不佳，故可用生鐵/鐵水補(bǔ)充廢鋼的缺乏，生產(chǎn)高質(zhì)量的鋼材。 寶鋼、天管等

12、電爐兌30%40%鐵水生產(chǎn)石油管，改善廢鋼質(zhì)量的缺乏；國(guó)內(nèi)還有局部電爐兌30%50%鐵水，提高生產(chǎn)率、降低電耗。 但從長(zhǎng)遠(yuǎn)觀點(diǎn)看，新建高爐向電爐提供鐵水煉鋼，不但能耗和本錢高于轉(zhuǎn)爐流程，還將破壞生態(tài)環(huán)境。 8/22/2022222直接復(fù)原鐵與熱壓塊鐵 直接復(fù)原鐵DRI與熱壓塊鐵HBI都是鐵礦石粉在低于熔化溫度下進(jìn)行復(fù)原得到的直接復(fù)原品種，見(jiàn)圖3-2、圖3-3及實(shí)物。其中HBI可以由DRI熱壓成形，HBI堆比重大，不易氧化、破碎。 DRI與HBI的生產(chǎn)方法有氣基法與煤基法，以氣基法為主。 最初，DRI/HBI只是作為廢鋼的代用品，補(bǔ)充廢鋼的缺乏?，F(xiàn)在成為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼材必需配入的精料，以降低鋼中雜質(zhì)

13、元素，一般配入量在 15% 60% 。8/22/202223圖3-28/22/2022248/22/202225 煉鋼用DRI/HBI具有以下特點(diǎn)： 1化學(xué)成分穩(wěn)定，雜質(zhì)含量極低 擴(kuò)大廢鋼資源，提高鋼材質(zhì)量， DRI 的化學(xué)成分見(jiàn)表3-1?；瘜W(xué)成分金屬化率全鐵脈石SPDRIHBI93.4093.0892.9093.663.603.390.0010.0020.0370.032 2DRI/HBI的價(jià)格較高 噸價(jià)與優(yōu)質(zhì)廢鋼價(jià)格相當(dāng)，但假設(shè)單純用DRI/HBI代替廢鋼，按含鐵量折算的話，其價(jià)格高于優(yōu)質(zhì)廢鋼。8/22/202226 3渣量大、能耗高 能耗高是DRI最大的缺點(diǎn)，因脈石含量高SiO2+Al2

14、O3，引起渣量增加，石灰用量大，使電耗、電極消耗增加，耐火材料消耗提高，冶煉周期延長(zhǎng)等，增加操作本錢。 能耗比較如下：全廢鋼/440kWh/t，50%廢鋼+50% DRI/485kWh/t，20%廢鋼+80% DRI/593kWh/t。 綜上，目前生產(chǎn)一般鋼種用DRI/HBI還不合算，但生產(chǎn)某些優(yōu)質(zhì)鋼是必要的，如天津鋼管公司150噸電爐配50% DRI生產(chǎn)高質(zhì)量的石油套管，市場(chǎng)很好。8/22/2022273.1.3 鐵合金 鐵合金按用途分為脫氧劑與合金劑。脫氧劑：用來(lái)脫除鋼中的多余的氧，常用的有：Fe-Mn、Fe-Si、Al、Fe-V、Mn-Si、Ca-Si等。合金劑：用來(lái)調(diào)整鋼液的化學(xué)成分，

15、種類取決于鋼種的要求，有近40余種。常用的有：Fe-Mn、Fe-Si、Al、Fe-V 、Fe-Cr、Mn、Cr、Ni、Co、Fe-Co、Fe-Ti、Fe-B等。 由上可見(jiàn)，有些合金如，F(xiàn)e-Mn、Fe-Si、Al等即可作脫氧劑，也可作合金劑。這主要取決于參加爐內(nèi)的時(shí)間，其原那么是： 作為脫氧劑的合金要先加，作為合金劑調(diào)整成分要在鋼液脫氧良好的情況下參加，以提高合金的收得率。8/22/2022283.2 輔助材料 1氧化劑 氧氣為主要氧源，氧化鐵皮脫磷效果好。 2造渣劑石灰CaO是主要的造渣劑，用來(lái)提高爐渣的堿度，石灰在造渣劑中的用量最大、效果最好；螢石CaF2用于化渣，降低氧化鈣的熔點(diǎn)、改善爐

16、渣的流動(dòng)性；火磚塊 Al2O 3+SiO2 ，是澆鑄系統(tǒng)用的廢舊耐火磚，用于改善爐渣的流動(dòng)性。 3增碳劑焦炭粉 是主要的、也是最普通的增碳劑；石墨電極塊 增碳效果最好，但價(jià)格貴；生鐵 配料時(shí)常用來(lái)配碳，精煉期增碳要求用優(yōu)質(zhì)生鐵；國(guó)內(nèi)也曾使用過(guò)煤來(lái)代替生鐵增碳，以補(bǔ)充生鐵的缺乏。8/22/2022293.3 配料 電爐煉鋼的配料是根據(jù)冶煉鋼種及其冶煉操作方法進(jìn)行的。 配料力求準(zhǔn)確，配料不準(zhǔn)指重量或和成分不準(zhǔn)。重量不準(zhǔn)導(dǎo)致合金參加不準(zhǔn)，成分不易控制；而成分不準(zhǔn)增加操作上的難度，嚴(yán)重使鋼報(bào)廢。即配料不準(zhǔn)影響過(guò)程操作及鋼的產(chǎn)量、質(zhì)量以及消耗等，故應(yīng)予以重視。 電爐氧化法的配料計(jì)算主要指廢鋼鐵配入量與配

17、碳量的計(jì)算70 8/22/202230第四章 電爐煉鋼冶煉工藝電爐冶煉操作方法電爐煉鋼冶煉工藝鋼 液 的 合 金 化8/22/2022314.1 電爐冶煉操作方法 一般是按造渣工藝特點(diǎn)來(lái)劃分的，目前普遍采用雙渣復(fù)原法與雙渣氧化法。 1雙渣復(fù)原法 又稱返回吹氧法，其特點(diǎn)是冶煉過(guò)程中有較短的氧化期10min，造氧化渣，又造復(fù)原渣，能吹氧脫碳，去氣、夾雜。但由于該種方法脫磷較難，故要求爐料應(yīng)由含低磷的返回廢鋼組成。 由于它采取了小脫碳量、短氧化期，不但能去除有害元素，還可以回收返回廢鋼中大量的合金元素。因此，此法適合冶煉不銹鋼、高速鋼等含Cr、W高的鋼種。8/22/202232 2雙渣氧化法 雙渣氧

18、化法又稱氧化法，它的特點(diǎn)是冶煉過(guò)程有正常的氧化期，能脫碳、脫磷，去氣、夾雜，對(duì)爐料也無(wú)特殊要求；還有復(fù)原期，可以冶煉高質(zhì)量鋼。 目前，幾乎所有的鋼種都可以用氧化法冶煉，以下主要介紹氧化法冶煉工藝。8/22/202233 4.2 電爐傳統(tǒng)冶煉工藝 傳統(tǒng)氧化法冶煉工藝是電爐煉鋼法的根底。 其操作過(guò)程分為：補(bǔ)爐、裝料、熔化、氧化、復(fù)原與出鋼六個(gè)階段。因主要由熔化、氧化、復(fù)原期組成，俗稱老三期。 4.2.1 補(bǔ)爐 1影響爐襯壽命的“三要素爐襯的種類、性質(zhì)和質(zhì)量；高溫電弧輻射和熔渣的化學(xué)浸蝕；吹氧操作與渣、鋼等機(jī)械沖刷以及裝料的沖擊。8/22/202234 2補(bǔ)爐部位爐襯各部位的工作條件不同圖4-1損壞情況也不一樣。爐襯損壞的主要部位如下：爐壁渣線 受到高溫電弧的輻射，渣、鋼的化學(xué)侵蝕與機(jī)械