電弧爐單渣煉鋼

電弧爐煉鋼起源可上溯到1853年，法國人皮松(Pisson)用兩根水平電極在熔池上方發(fā)生電弧間接加熱熔池熔煉金屬成功。1879 年西門子(K. W. Siemens)改用一根直立電極與金屬熔池直接產(chǎn)生電弧而加熱熔池。1899年，美國有人曾試用兩根直立電極直接加熱熔池的方法，但使用的仍是直流電源，功率不足以熔化廢鋼，未能用于生產(chǎn)。近代電弧爐煉鋼 的雛型是 1907 年美國出現(xiàn)的埃魯(P.L.T.Heroult)式電弧爐—三相交流電弧爐。由于其功率大、工藝靈活、可用廢鋼為原料、產(chǎn)品質(zhì)量高而贏得市場，隨后推廣到各國。電弧爐煉鋼是生產(chǎn)中、高合金鋼和優(yōu)質(zhì)鋼的主要方法。在電能和廢鋼資源多且便宜的工業(yè)發(fā)達地區(qū)，電弧爐生產(chǎn)的普通碳素鋼，已在市場占有日益增大的份額。隨著工業(yè)和技術(shù)的發(fā)展對合金鋼、優(yōu)質(zhì)鋼需求量不斷增長，到20世紀80年代末，電弧爐鋼在世界粗鋼年總產(chǎn)量中已占30%左右(見表1)。由于各國資源、技術(shù)及社會條件不同，電爐鋼產(chǎn)量偶有起伏，但增長勢頭不變，表2為幾個主要工業(yè)國電爐鋼在粗鋼總產(chǎn)量中所占份額的變化情況。估計到20世紀末，世界電弧爐鋼所占比例將達35%。到20世紀80～90年代電弧爐容量多為40～120t，200t電爐亦屬常見，最大的電弧爐容量為400t，然而世界電爐鋼75%的產(chǎn)量出自所謂“小鋼廠”，即年產(chǎn)鋼量為5～25萬t、帶有連鑄機和小型軋機的鋼廠。

電弧爐單渣法煉鋼前沿研究的主要內(nèi)容是：用沉淀脫氧法為主的復(fù)合脫氧取代傳統(tǒng)還原期進行的擴散脫氧法；用固體碳料增碳代替生鐵增碳；用石灰石代替石灰脫硫；在預(yù)脫氧后合金化處理；以稀土元素為主組成的分級復(fù)合變質(zhì)；用復(fù)合脫氧劑終脫氧；全程大功率、大電流;以礦石 吹氧組成分級復(fù)合脫碳；施行不換渣，少流渣或不流渣操作。其綜合冶煉質(zhì)量指標可達到或超過用傳統(tǒng)三期熔煉法生產(chǎn)的鋼的品質(zhì)。2100433B

電弧爐單渣煉鋼起初是指以返回法冶煉合金鋼(如不銹鋼)時的單渣煉鋼。以返回廢鋼為主要爐料，熔化后期少量吹氧助熔，不扒除氧化渣，即進進還原期，用脫氧劑(硅鐵粉、硅粉或鋁粉等)還原渣中珍貴元素的氧化物，使這些元素返回鋼中，由于渣中的磷也會被還原進鋼液，故要求原料中磷含量低于成品鋼規(guī)格。這種單渣法可以脫硫，故不限制硫含量。為了減少合金元素的損失和快速形成還原渣，熔清后不進行脫碳沸騰，因此成品鋼中氫等氣體含量略高。應(yīng)避免加進大量石灰使鋼中氣體含量增高和扒渣過程的吸氣。有時冶煉一般鋼種也采用此法。另一種單渣法則是只有氧化精煉的電爐煉鋼工藝。20世紀80年代以來，電爐煉鋼鑒戒了平爐和轉(zhuǎn)爐都是在氧化渣下精煉和出鋼，除脫硫能力低外，仍能保證鋼的一定質(zhì)量的經(jīng)驗，改革電爐煉鋼工藝，取消還原期，采用只造氧化渣，不造還原渣的單渣法操縱工藝，在出鋼過程中進行脫氧和合金化，既能保證鋼的一定質(zhì)量，又降低了能量和材料的消耗?？s短冶煉時間。又相應(yīng)出現(xiàn)了電弧爐無渣出鋼技術(shù)，從而電爐工藝有了較大變革。碳素結(jié)構(gòu)鋼及低合金鋼都可用此法生產(chǎn)。

單渣法煉鋼依工藝流程分為三個階段：

電弧爐單渣煉鋼裝料階段

用石灰石 礦石 炭粉做墊料，上面按常規(guī)布金屬爐料。石灰石用作墊底熔劑，通過高溫分解出來的CaO較純凈，比表面積大，氣孔率高，活性好，在低溫下就具有一定的液相間和固相間的脫硫、脫磷反應(yīng)能力。隨著溫度的升高，CaCO₃→CaO CO₂反應(yīng)加劇，熔池強烈沸騰(其運動均為自下而上)，從而改善了早期精煉反應(yīng)的動力學條件，明顯加快了其反應(yīng)速度。墊料中加入一定量的炭粉之類的固體燃料不僅是為充分利用化學能降電耗的工藝創(chuàng)造條件而且含有碳粒的渣相能在高溫吹氧時保持渣的弱氧化性。這種復(fù)合造渣墊料在熔化期(主要在初、中期)將產(chǎn)生的化學反應(yīng)還有:

2P 5FeO 4CaO=4CaO·P₂O₅ 5Fe;

C FeO= CO Fe;

C(固) FeO= CO Fe;

FeS CaO=(CaS FeO;

FeS→FeS;

FeS CaO=CaS FeO;

這些都清楚地說明了墊料組合設(shè)計的合理性。

電弧爐單渣煉鋼熔化階段

從熔煉開始到取樣分析止為熔化階段，全程大功率、大電流操作。當爐料熔化60%～ 80%時，補加石灰石(不吹氧操作應(yīng)補加礦石)，并通電吹氧助熔。為了有效利用氧氣，宜吹高溫區(qū)，并不斷地用耙子把低溫處的料推向高溫區(qū)。氧壓以(0.4～ 0.8)kPa為宜，熔渣后調(diào)整氧壓開始吹氧脫碳，適時掌握脫碳程度后，停吹。快速升溫至要求達到的工藝溫度時取樣分析。

電弧爐單渣煉鋼調(diào)整階段

從扒渣開始到澆注前為調(diào)整階段。這階段主要任務(wù)是通過對鋼液的成分、溫度、液態(tài)結(jié)構(gòu)的調(diào)整保證單渣鋼的熔煉品質(zhì)。取樣后扒渣，同時應(yīng)檢查爐底是否有殘料。扒渣畢，即投少許碳化硅、硅鋁鐵合金進行復(fù)合預(yù)脫氧，輕度攪拌液面片刻后，迅即視液面渣況可酌情撒一稀薄層珍珠巖粉，然后加入合金爐料及其它微量材料并埋弧快速升溫到出鋼溫度。出鋼前，將經(jīng)預(yù)熱的硅鋁鐵合金和稀土硅鐵合金置于包底，在鋼液出爐時用硅鈣合金在出流槽處沖鋼水。若用鋼包轉(zhuǎn)澆注包澆注，則稀土合金可放在轉(zhuǎn)包內(nèi)處理效果更佳。經(jīng)過整個熔煉期的熔渣，除在高溫期逸走的高硫、高磷、高碳的廢氣外，尚有相當?shù)牧?、磷、碳化合物存在于渣相中。在隨后的預(yù)脫氧過程中，碳化硅、硅鋁鐵與鋼液的比重差會造成浮在鋼渣上燒損的現(xiàn)象，故應(yīng)扒掉全渣。

為防止鋼液大面積氧化，應(yīng)迅即進行SiC Si₂₀Al₅₀Fe的預(yù)脫氧。Si₂₀Al₅₀Fe在脫氧過程中生成硅鋁酸鹽復(fù)合氧

化物，從而降低了鋁的活度，使脫氧產(chǎn)物順利上浮到渣中，另外，其比重為4.5 g/cm³，與鋁比重2.7g/cm³相比，使其最終在液相中平衡位置有所下降而有利于反應(yīng)；SiC在脫氧過程中，碳和硅是在同一熔池層面上，同時按[SiC] 3[O]= SiO2 CO進行脫氧反應(yīng)，脫氧產(chǎn)物CO氣體的排出過程穩(wěn)定地促進著硅的脫氧反應(yīng)，即強化了脫氧過程，改善了脫氧效果。另一方面，SiC脫氧所生成的CO氣泡上浮排出時引起鋼-渣攪動，擴大了相界面，改善了硫離子向渣中遷移的條件；其次，SiC脫氧時，產(chǎn)生一定程度的泡沫渣，既可減少弧光對爐襯的輻射，穩(wěn)定爐渣組成，也改善了爐內(nèi)傳熱條件，這些都有利于脫硫。用Si-Ca Si₂₀Al₅₀Fe 1#稀土硅鐵合金進行澆注前的鋼液終端復(fù)合處理，其主要目的是:獲得高純凈鋼液；改變非金屬夾雜量、尺寸形態(tài)及分布狀況。

這些變質(zhì)合金的非均質(zhì)生核能的大小是按SiO₂，Al₂O₃和Ce₂O₃的順序增大，這樣分級復(fù)合處理的最佳效果應(yīng)是最后加稀土合金。如生產(chǎn)上澆注不用轉(zhuǎn)包，則為了達到或接近這一較為理想的分級效果可在鋼液終端復(fù)合處理時采用小顆粒Si₂₀Al₅₀Fe 大顆粒1#稀土硅鐵合金 小顆粒Si-Ca。上述具體工藝參數(shù)，往往部分靠經(jīng)驗得出;有的在實驗室作出后還需再用調(diào)優(yōu)設(shè)計(Evolutionary operation)確定其最佳工藝參數(shù)。

單渣法煉鋼新工藝的設(shè)計思想主要體現(xiàn)于：快速熔煉、減少吸氣、熔氧結(jié)合、早期精煉、強化脫硫、復(fù)合處理,重視靜置、高溫出爐。

利用電弧的熱效應(yīng)加熱爐料進行熔煉的煉鋼方法。交流電通過3個石墨電極輸入爐內(nèi)，在電極下端與金屬料之間產(chǎn)生電弧，利用電弧的高溫直接加熱爐料，使煉鋼過程得以進行。電弧爐煉鋼以廢鋼為主要原料，根據(jù)爐襯材質(zhì)和造渣材料不同，有堿性法和酸性法之分。最常用的是堿性法。電弧爐煉鋼以電能作熱源，避免了氣體熱源所含硫分對鋼的污染;操作工藝靈活，爐渣和爐氣均可調(diào)控成氧化性或還原性;強還原性可使爐料中所含的貴重元素鉻、鎳、鎢、鉬、釩、鈦等極少燒損;爐溫高、易控制;產(chǎn)品質(zhì)量高。

電弧爐煉鋼的基本工藝包括扒渣補爐、裝入金屬爐料、送電、熔化、氧化、還原精煉和出鋼。按照所冶煉鋼種特點的不同，可有不同的操作方法，傳統(tǒng)的工藝主要是具有熔化、氧化、還原三個期的操作，還原期采用擴散脫氧和沉淀脫氧，需造白渣或電石渣，每爐冶煉要3～4h，電耗高達600～700kWh/t。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，電弧爐煉鋼工藝也發(fā)生了很大變化，熔化期采用輔助能源加速熔化，如噴吹油—氧、天然氣—氧或煤粉—氧，每爐熔化時間縮短了15～20min，電耗可減少50～60kWh/t;氧化期采取提前脫磷、強化用氧、噴粉造泡沫渣、快速升溫等措施，可使氧化脫碳量從傳統(tǒng)工藝的0.3%降低到0.1%～0.15%，從而氧化期可縮短時間50%以上。還原期則將傳統(tǒng)工藝中的擴散脫氧為主改為沉淀脫氧為主，擴散脫氧為輔，不僅能達到預(yù)期的精煉效果，鋼質(zhì)量有保證且縮短還原時間60%以上。工藝的改進在鋼水質(zhì)量得到保證的同時，生產(chǎn)率亦隨之提高20%左右，電耗降低10%～15%，電極消耗降低8%左右，取得可觀的經(jīng)濟效益。

電弧爐煉鋼通過石墨電極向電弧煉鋼爐內(nèi)輸入電能，以電極端部和爐料之間發(fā)生的電弧為熱源進行煉鋼的方法。電弧爐以電能為熱源，可調(diào)整爐內(nèi)氣氛，對熔煉含有易氧化元素較多的鋼種極為有利，發(fā)明后不久，就用于冶煉合金鋼。并得到較大的發(fā)展。隨著電弧爐設(shè)備的改進以及冶煉技術(shù)的提高，電力工業(yè)的發(fā)展，電爐鋼的成本不斷降低，現(xiàn)在電爐不但用于生產(chǎn)合金鋼，而且大量用來生產(chǎn)普通碳素鋼，其產(chǎn)量在主要工業(yè)國家鋼總產(chǎn)量中的比重，不斷上升。

本書闡述了最近30余年日本電弧爐煉鋼技術(shù)的發(fā)展歷史和成果，重點介紹了電弧爐煉鋼的原料、電弧爐鋼的質(zhì)量、電弧爐的設(shè)備等內(nèi)容。