電弧爐無渣出鋼技術

為了擴大爐壁水冷面積，提高爐體壽命，德國曼內(nèi)斯曼—德馬克公司(MANNES-MANN-DEMAG AG)和蒂森特殊鋼公司(ThyssenEdelstahlwerke AG)合作開發(fā)了中心底出鋼技術并獲成功，第1座中心底出鋼(CBT)電弧爐于1979年投入生產(chǎn)。它的出鋼口設在爐底中心部位，取消了原出鋼槽，并且出鋼口向下，從而使出鋼時的水平拋物線鋼流改變?yōu)樨Q直向下的鋼流。這一技術是電弧爐出鋼法的重大改進。盡管出鋼時不需搖動爐體，爐壁的水冷面積得到最大值，但卻由于出鋼時產(chǎn)生渦流而不能實現(xiàn)完全無渣出鋼，故應用不廣。

隨著冶金技術的不斷發(fā)展，電弧爐煉鋼法逐步由電爐獨立冶煉發(fā)展成電弧爐—爐外精煉爐雙聯(lián)的兩步煉鋼工藝。在電弧爐內(nèi)完成熔化、氧化甚至只完成熔化、升溫任務，即將初煉鋼液倒入精煉爐(鋼包)內(nèi)，由精煉爐完成脫氧、脫硫及合金化等任務。在這里，出鋼是兩步化煉鋼的中間環(huán)節(jié)，氧化性爐渣不宜隨鋼液帶入精煉爐。也即傳統(tǒng)的鋼渣混出的出鋼法不能滿足爐外精煉技術的要求，由此引發(fā)了多種電弧爐無渣出鋼技術的開發(fā)和應用。較重要的有虹吸出鋼法、中心底出鋼法和偏心底出鋼法3種，其中又以偏心底出鋼應用最為廣泛。

20世紀70年代末期，聯(lián)邦德國克虜伯鋼公司(Krupp Stahl AG)開發(fā)了一種簡易的鋼渣分離技術，即根據(jù)虹吸原理，把電弧爐原水平出鋼口改為傾斜式，出鋼口爐內(nèi)端埋入鋼液內(nèi)一定的深度，爐外端高于鋼液面，如圖1所示。出鋼口與水平面成18°～30°傾角，出鋼時爐體傾倒約20°～30°，工藝上采用留鋼留渣操作，留鋼量約為10%左右，留渣效果普遍可達90%以上。80年代虹吸出鋼技術在歐洲得到了較為廣泛的應用。

各種無渣出鋼技術在生產(chǎn)上的應用效果不盡相同，但其主要效果可概括為6個方面：(1)因爐渣留在爐內(nèi)，加入鋼包中的合金元素的收得率高，Mn可達95%，Si可達90%，鋼包渣線部位耐材壽命提高5%;(2)精煉爐的精煉效果加強，鋼液成分均勻、穩(wěn)定，雜質(zhì)元素、氣體及非金屬夾雜物含量大大降低;(3)出鋼快、鋼流集中，出鋼時，鋼流垂直向下，鋼包接受鋼水時可用帶孔的鋼包蓋蓋住，使出鋼時熱損失減少，因此出鋼溫度也可以降低;(4)出鋼時電爐傾爐角減小，爐壁水冷面積增加，耐火材料消耗降低。并且軟電纜的長度可以縮短;(5)因留鋼留渣操作，熔化期電弧穩(wěn)定;并因提前形成熔池，縮短了冶煉時間;(6)因留渣操作，降低了渣料消耗和化渣能耗。2100433B

(1)美國懷汀(Whiting)公司側面爐底出鋼系統(tǒng)(SBT)，類似于虹吸出鋼法，但出鋼口是采用塞桿開閉的;

(2)加拿大恩普科(Empco)公司開發(fā)的水平無渣出鋼系統(tǒng)(SF—HOT)，類似于偏心爐底出鋼系統(tǒng)，但出鋼口采用水平布置，出鋼鋼流控制借助于滑動水口進行控制;

(3)美國富奇(Fuch)公司開發(fā)的一種偏心爐底出鋼系統(tǒng)(OBT)，類似于中心底出鋼法，但出鋼口偏離爐底中心線一定距離，出鋼口布置相當于在EBT電爐出鋼箱與爐底接觸處，但沒有出鋼箱。

利用電弧的熱效應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。

曼內(nèi)斯曼—德馬克和蒂森兩公司與丹麥特殊鋼廠合作，在中心底出鋼的基礎上，開發(fā)了偏心底出鋼(EBT)技術。即在爐底后部增加一個鼻狀出鋼箱，把出鋼口系統(tǒng)置于出鋼箱的下部(如圖2)。第1座偏心爐底出鋼電弧爐于1983年在丹麥特殊鋼廠投產(chǎn)。因偏心爐底出鋼電弧爐具有搖爐角度小(約12°)，留鋼量控制準確，留渣效果最佳等特點，立即得到了廣泛的應用。到1990年世界上采用這一技術的電爐已超過50座。

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。又相應出現(xiàn)了電弧爐無渣出鋼技術，從而電爐工藝有了較大變革。碳素結構鋼及低合金鋼都可用此法生產(chǎn)。

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；在預脫氧后合金化處理；以稀土元素為主組成的分級復合變質(zhì)；用復合脫氧劑終脫氧；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