電弧爐煉鋼

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，鋼質量有保證且縮短還原時間60%以上。工藝的改進在鋼水質量得到保證的同時，生產率亦隨之提高20%左右，電耗降低10%～15%，電極消耗降低8%左右，取得可觀的經濟效益。

有堿性操作法和酸性操作法之分。堿性操作法 以堿性耐火材料作爐襯，冶煉過程造堿性渣，其特點是可脫除原料中的硫和磷，使成品鋼中硫、磷含量達(100～10)×10-4%以下。這種操作工藝對廢鋼中硫、磷含量原則上無限制，但從爐子生產率及鋼成本考慮，硫、磷含量應不高于0.05%;易沉于爐底的金屬雜質鉛、鋅、錫等和不易氧化除去的鎳、銅、鋅等均應盡量避免。所用鐵合金、造渣劑、煉鋼生鐵等原材料要求有效成分高且干燥。堿性操作在裝料期、熔化期以后進入精煉期，精煉期又分氧化和還原兩個精煉階段，根據精煉期是分別造氧化渣和還原渣來進行氧化精煉和還原精煉，抑或只造一次渣而兼顧兩種精煉需要，堿性操作又分雙渣法和單渣法。

電弧爐煉鋼堿性操作

(1)雙渣法。適用于爐料含磷高、氧化脫磷任務大的冶煉。爐料熔化后先造高堿度(CaO50%～60%，CaO/SiO₂=2～4)、高氧化性(FeO15%～20%)的渣，脫磷的同時脫碳、去氣并升溫至還原精煉所需的溫度。氧化精煉達到要求后，扒凈氧化渣，再造高堿度還原渣去硫、脫氧。還原渣有兩種：白渣和電石渣。前者含CaO60%、SiO₂15%～20%、FeO1%，呈白色，冷卻后易粉化，適用于冶煉含碳0.35%以下的鋼種;后者除FeO較低(0.5%)外，還含CaC₂2%～4%，故名電石渣，其還原性更強，適用于冶煉高碳鋼件。

(2)單渣法。只造一次渣，通過對渣成分的調整來滿足兩種精煉的要求。此法只適用爐料含磷低，脫磷任務輕的冶煉，由于脫磷后渣中含磷低，可不換渣而直接脫碳、升溫轉入還原精煉。有些高合金廢鋼的返回冶煉，為避免合金元素氧化損失，也可不作氧化而只做還原精煉。對一些還原精煉沒有高要求的普碳鋼，亦可只作氧化精煉，當成分合格、升溫后即可出鋼，二者均屬單渣法。

電弧爐煉鋼酸性操作法

電弧爐以酸性耐火材料為爐襯，冶煉過程造SiO₂飽和的酸性渣。該渣不具有脫硫、脫磷的能力，要求廢鋼含硫、磷在所煉鋼種規(guī)格以下。因此類廢鋼來源少、價格高，限制了酸性操作的發(fā)展。酸性操作特點是：爐渣導電率低、升溫快、電效率高。酸性渣和爐襯中的SiO₂在煉鋼溫度下活性高，極易被爐料中的碳、鋁、鈦、鋯等還原。還原期主要依靠渣中SiO₂還原來脫氧，稱為硅還原脫氧。酸性法煉鋼周期比堿性法短，多用于鑄鋼車間。

電弧爐煉鋼通過石墨電極向電弧煉鋼爐內輸入電能，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，可調整爐內氣氛，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。隨著電弧爐設備的改進以及冶煉技術的提高，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合金鋼，而且大量用來生產普通碳素鋼，其產量在主要工業(yè)國家鋼總產量中的比重，不斷上升。

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。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、產品質量高而贏得市場，隨后推廣到各國。

電弧爐煉鋼是生產中、高合金鋼和優(yōu)質鋼的主要方法。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，電爐鋼產量偶有起伏，但增長勢頭不變。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%的產量出自所謂“小鋼廠”，即年產鋼量為5～25萬t、帶有連鑄機和小型軋機的鋼廠。

電弧爐煉鋼是在與氧氣轉爐煉鋼并立且競爭中取得其地位的。20世紀80年代初，氧氣轉爐已能煉出電弧爐能煉的多數鋼種，但它消耗的廢鋼量卻不高于廢鋼產量的30%，其余的均為煉鋼電弧爐耗用，隨著世界總體工業(yè)化程度的提高，必然伴以廢鋼資源增加，再加上核電的普及，使電弧爐煉鋼具有長遠發(fā)展的物質保證。電弧爐煉鋼技術發(fā)展的重點則隨各國電弧爐煉鋼發(fā)展程度不同而異，總的方向是：繼續(xù)推廣高功率電弧爐和超高功率電弧爐，擴大爐容，提高生產率;采用水冷爐壁、水冷爐頂，減少爐襯費用;繼續(xù)發(fā)展爐外精煉，使電弧爐的功能變成單純的熔化廢鋼，從而充分利用變壓器功率;發(fā)展鐵礦石直接還原技術，以其產品代替廢鋼，擴大金屬料來源，全直接還原料冶煉可采用連續(xù)裝料而無須啟、閉爐頂，以節(jié)省電能;開發(fā)新的電爐鋼種以及在配料、供電、操作、爐前分析等方面采用電腦自動控制等技術。

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

本書參照冶金行業(yè)職業(yè)技能標準和技能鑒定規(guī)范，根據冶金企業(yè)的生產實際和崗位群的技能要求，內容涵蓋了電弧爐煉鋼工所必須掌握的基本知識和技能。主要包括電弧爐煉鋼技術概述、電弧爐熱工基礎和電弧爐設備、電弧爐煉鋼原料和耐火材料、電弧爐煉鋼冶煉工藝及操作、電弧爐用氧技術和輔助燃燒技術、現(xiàn)代電弧爐煉鋼的基本工藝特點和配料計算、合金鋼冶煉等。理論聯(lián)系實際，知識全面，工藝特點突出，具有很強的實用性和指導性。本書可作為電弧爐煉鋼工的培訓教材，也可供冶金專業(yè)技術人員、企業(yè)技術工人提高專業(yè)知識和工作技能參考，還可供職業(yè)院校冶金專業(yè)學生閱讀。

第1章電弧爐煉鋼技術概述1

11電弧爐煉鋼的基礎1

111鋼與生鐵的區(qū)別2

112堿性電弧爐與酸性電弧爐3

113傳統(tǒng)堿性電弧爐煉鋼過程3

12電弧爐煉鋼技術的發(fā)展6

121大型電弧爐的發(fā)展6

122超高功率電弧爐供電系統(tǒng)的進步7

123電弧爐輔助裝置的進步12

124爐門氧槍12

125爐壁氧槍13

126測溫定碳等裝備的發(fā)展15

127余熱鍋爐利用16

128智能化電弧爐17

13電弧爐煉鋼的技術經濟指標19

131電弧爐煉鋼主要技術經濟指標19

132提高技術經濟指標的主要途徑22

第2章電弧爐熱工基礎和電弧爐設備24

21冶煉過程的能量供給與熱交換24

211電弧爐煉鋼過程中的能量供給制度24

212冶煉過程中的熱交換26

22電弧爐的基本構造28

23電弧爐本體結構30

231爐體的金屬構件30

232爐缸39

233爐膛39

234爐頂拱度39

235爐墻與爐門40

236爐襯40

237電極位置42

24電弧爐機械設備42

241電極夾持器43

242電極升降機構44

243爐體傾動機構46

244爐蓋旋出或開出機構47

245廢鋼預熱裝置48

246水冷裝置48

247偏心爐底出鋼機構50

248補爐機51

249排煙除塵裝置系統(tǒng)53

2410底吹系統(tǒng)59

25電弧爐主要電氣設備59

251電氣設備的組成59

252配電操作62

26基本電參數和電熱特性的計算64

27電氣設備的維護和相關常識66

271供電曲線的制定66

272變壓器的正常使用67

第3章電弧爐煉鋼原料和耐火材料69

31直接還原鐵69

311直接還原鐵的理化指標70

312電弧爐煉鋼對直接還原鐵的性能要求71

313直接還原鐵的加入方式71

314直接還原鐵配加鐵水冶煉的操作要點分析73

315直接還原鐵配加生鐵冶煉的操作要點分析74

316使用直接還原鐵后金屬收得率的基本分析方法75

32冷生鐵75

321加入冷生鐵的電弧爐冶煉特點76

322高比例配加冷生鐵冶煉操作的關鍵技術77

33碳化鐵82

331碳化鐵的加入方式83

332碳化鐵的加入量或噴吹量的控制83

34脫碳粒鐵和Corex鐵85

341脫碳粒鐵85

342Corex鐵85

35熱裝鐵水技術86

351熱裝鐵水的方式86

352熱裝鐵水的時間88

353熱裝鐵水對渣料的要求89

354熱裝鐵水對冶煉電耗的影響89

355提高熱裝鐵水比例的主要方法91

36廢鋼95

361對于廢鋼質量的要求95

362對于廢鋼尺寸的要求98

363一些特殊廢鋼的消化和處理方法99

37合金材料102

371常用的合金材料102

372合金材料的管理工作103

38電弧爐的造渣材料105

381造渣材料105

382氧化劑107

383脫氧劑和增碳劑108

384電極110

39電弧爐的耐火材料113

391耐火材料的主要性能和分類113

392電弧爐用耐火材料115

393電弧爐用絕熱材料和黏結劑119

第4章電弧爐煉鋼冶煉工藝及操作121

41傳統(tǒng)電弧爐煉鋼工藝流程配置121

42冶煉前的準備工作123

421配料操作及注意事項123

422裝料操作及裝料方法124

423烘爐的操作131

424補爐操作134

43熔化期的操作及特征判斷136

431爐料的熔化過程136

432爐料熔化時物化反應138

433縮短熔化期的途徑139

434熔化期造渣及去磷操作143

44氧化期的操作及特征判斷145

441控制脫磷操作147

442控制脫碳操作153

443氧化期的造渣操作160

444氧化期的操作要點170

45還原期的操作及特征判斷174

451還原期的目的174

452還原期的造渣操作191

453還原期溫度控制操作195

454還原期的操作工藝200

46電弧爐冶煉的泡沫渣控制技術208

461石灰的溶解機理208

462電弧爐煉鋼對熔渣的要求與泡沫渣的功能211

463泡沫渣原理213

464泡沫渣的性能指標216

465影響泡沫渣質量的因素217

466自耗式氧槍吹煉條件下的泡沫渣操作221

467超聲速氧槍控制下的泡沫渣技術226

468超聲速集束氧槍吹煉條件下的泡沫渣控制232

469不同類型泡沫渣的冶煉效果分析233

4610氧化鐵皮、泡沫渣改進劑在泡沫渣工藝中的應用235

47電弧爐冶煉過程脫碳留碳操作技術239

471脫碳反應的作用和配碳量的確定239

472配碳方式分析241

473工藝條件對脫碳反應的影響242

474電弧爐生產中提高脫碳速度的方法246

475電弧爐冶煉過程的留碳操作技術248

48電弧爐冶煉過程脫除有害雜質技術249

481脫磷操作技術249

482脫硫操作技術252

483脫氮操作技術253

484脫氫操作技術258

485脫鉛、脫鋅操作技術259

49電弧爐出鋼技術259

491留鋼留渣操作技術259

492偏心爐底出鋼技術——EBT技術266

第5章電弧爐用氧技術和輔助燃燒技術273

51電弧爐用氧技術273

511爐門自耗式氧槍及其操作273

512水冷超聲速氧槍及其操作276

513超聲速集束射流氧槍及其操作280

52輔助能源輸入技術287

521燒嘴的用途287

522燒嘴的結構288

523燒嘴的布置290

524燒嘴的使用291

53二次燃燒技術291

531二次燃燒技術概述291

532二次燃燒噴槍的使用293

第6章現(xiàn)代電弧爐煉鋼的基本工藝特點295

61現(xiàn)代超高功率電弧爐煉鋼的特點295

611超高功率電弧爐煉鋼的優(yōu)勢295

612超高功率電弧爐煉鋼生產線的主要特點297

62現(xiàn)代電弧爐煉鋼先進技術299

621廢鋼預熱技術299

622強化用氧技術303

623電弧爐底吹氣技術305

624密封罩技術和高效除塵技術306

63現(xiàn)代電弧爐煉鋼的基本工藝操作過程307

631工藝準備307

632進料操作309

633冶煉操作309

634出鋼操作310

64直流電弧爐冶煉工藝操作要點310

第7章配料計算和合金鋼冶煉312

71裝料前的配料計算312

711裝料前的配料方法312

712配料計算313

72熔化期的配料計算317

721每噸鋼的墊底石灰加入量計算法317

722加礦后補加石灰量計算318

73氧化期進行配料計算318

74還原期進行配料計算322

741合金加入量的計算322

742單元高合金鋼合金加入量計算326

743多元高合金鋼合金加入量計算327

744鋼液分析成分高于計算成分時的計算334

75合金鋼的冶煉和操作337

751合金結構鋼的冶煉337

752滾動軸承鋼的冶煉346

753高速工具鋼的冶煉353

754不銹鋼的冶煉361

附錄1電弧爐煉鋼工復習題371

附錄2電弧爐煉鋼工復習題參考答案377

附錄3電弧爐煉鋼工實際操作內容及評分標準380

參考文獻388 2100433B