1、电弧炉讲义【本章学习要点】本章学习电炉炼钢的配料计算，装料方法及操作，电炉熔化期、氧化期、还原期的任务及其操作，出钢操作等。电炉炼钢，主要是指电弧炉炼钢，是目前国内外生产特殊钢的主要方法。目前，世界上 90%以上的电炉钢是电弧炉生产的，还有少量电炉钢是由感应炉、电渣炉等生产的。通常所说的电弧炉，是指碱性电弧炉。电弧炉主要是利用电极与炉料之间放电产生电弧发出的热量来炼钢。其优点是：（1）热效率高，废气带走的热量相对较少，其热效率可达 65%以上。（2）温度高，电弧区温度高达 3000以上，可以快速熔化各种炉料。（3）温度容易调整和控制，可以满足冶炼不同钢种的要求。（4）炉内气氛可以控制，可去磷、
2、硫，还可脱氧。（5）设备简单，占地少，投资省。第一节 冶炼方法的分类根据炉料的入炉状态分，有热装和冷装两种。热装没有熔化期，冶炼时间短，生产率高，但需转炉或其他形式的混铁炉配合；冷装主要使用固体钢铁料或海绵铁等。根据冶炼过程中的造渣次数分，有单渣法和双渣法。根据冶炼过程中用氧与不用氧来分，有氧化法和不氧化法。氧化法多采用双渣冶炼，但也有采用单渣冶炼的，如电炉钢的快速冶炼，而不氧化法均采用单渣冶炼。此外，还有返回吹氧法。根据氧化期供氧方式的不同，有矿石氧化法、氧气氧化法和矿、氧综合氧化法及氩氧混吹法。冶炼方法的确定主要取决于炉料的组成以及对成品钢的质量要求，下面我们扼要介绍几种冶炼方法：(1)氧
3、化法。氧化法冶炼的特点是有氧化期，在冶炼过程中采用氧化剂用来氧化钢液中的 Si、Mn、P 等超规格的元素及其他杂质。因此，该法虽是采用粗料却能冶炼出高级优质钢，所以应用极为广泛。缺点是冶炼时间长，易氧化元素烧损大。(2)不氧化法。不氧化法冶炼的特点是没有氧化期，一般全用精料，如本钢种或类似本钢种返回废钢以及软钢等，要求磷及其他杂质含量越低越好，配入的合金元素含量应进入或接近于成品钢规格的中限或下限。不氧化法冶炼可回收大量贵重合金元素和缩短冶炼时间。在缺少本钢种或类似本钢种返回废钢时，炉料中可配入铁合金，这种冶炼方法又叫做装入法，用“入”字表示，多用于冶炼高合金钢等钢种上。不氧化法冶炼如果不采取
4、其他有效措施相配合，则成品钢中的氢、氮含量容易偏高。为了消除这种缺点，从而出现了返回吹氧法。(3)返回吹氧法。返回吹氧法简称返吹法，用“返”字表示。该法主要使用返回废钢并在冶炼过程中用氧气进行稍许的氧化沸腾，既可有利于回收贵重的合金元素，又能降低钢中氢、氮及其他杂质的含量。因此，该法多用于冶炼铬镍钨或铬镍不锈钢等钢种。(4)氩氧混吹法。炉料全熔后，按比例将混合好的氩、氧气体从炉门或从炉底吹入，即相当于一台电炉又带一台 AOD 精炼炉。该法主要用于不锈钢的冶炼上，特点是铬的回收率高，成本低，操作灵活简便，且钢的质量好。第二节 配 料配料的首要任务是保证冶炼的顺利进行。科学的配料既要准确，又要合理
5、地使用钢铁料，同时还要确保缩短冶炼时间、节约合金材料并降低金属及其他辅助材料的消耗。一、对配料的基本要求1准确配料一般是根据冶炼的钢种、设备条件、现有的原材料和不同的冶炼方法进行配料。配料的准确性包括炉料重量及配料成分两个方面。配料重量不准，容易导致冶炼过程化学成分控制不当或造成钢锭缺支短尺废品，也可能出现过量的注余增加消耗。炉料化学成分配得不准，会给冶炼操作带来极大的困难，严重时将使冶炼无法进行。以氧化法冶炼为例，如配碳量过高，会增加矿石用量或延长用氧时间；配碳量过低，熔清后势必进行增碳；配入不氧化元素的含量如果高于冶炼钢种的规格，需加入其他金属料撤掉多余的含量或进行改钢处理，既延长了冶炼时
6、间，降低了炉衬的使用寿命，增加了各种原材料的消耗，又影响钢的质量，如果配得过高而又无其他钢种可更改时，只有终止冶炼。为了杜绝以上情况的发生，配料前掌握有关钢铁料及铁合金的化学成分是十分必要的。实际上，影响配料准确性的因素较多，除与计划、计算及计量有关外，还与收得率、炉体情况、钢铁料及铁合金的科学管理、装料工和炼钢工的操作水平等有关。2钢铁料的使用原则钢铁料的使用原则主要应考虑冶炼方法、装料方法、钢种的化学成分以及产品对质量的要求等。根据冶炼方法的不同特点使用钢铁料，钢铁料的化学成分必须符合冶炼钢种的需要。氧化法有较好的脱磷、去气、除夹杂的能力，应多使用普通的粗料；返吹法和不氧化法因脱磷、去气、
7、除夹杂能力不强，但能回收贵重的合金元素，所以应尽量使用优质的返回精料。由于对轴承钢、曲轴钢以及高标准的结构钢等的质量与使用性能要求较高，无论采用何种方法冶炼，最好多用一些精料。此外，在配料时，还应预先掌握钢铁料的块度和单位体积重量。一般炉料中应配入大块料 3040、中块料 4050、小块料或轻薄铁 1525。当然，料源不好或采用炉外精炼时，轻薄杂铁也可多配。人工装料时，钢铁料的块度及重量必须与炉门的尺寸和人力相适应，轻薄料也不宜过多，以免延长装料时间。炉顶机械装料时，由于采用机械设备且能充分利用熔炼室空间，可使用较大的重料及较多的轻薄料。表 l2-1 常见钢种的密度系数二、配料计算公式1炉料成
8、分的配定原则配料过程中，炉料化学成分的配定主要考虑钢种规格成分、冶炼方法、元素特性及工艺的具体要求等。具体为：(1)碳的配定。炉料中碳的配定主要考虑钢种规格成分、熔化期碳的烧损及氧化期的脱碳量，还应考虑还原期补加合金和造渣制度对钢液的增碳。熔化期碳元素的烧损与助熔方式有关，可根据实际生产的具体条件，总结固有规律，一般波动在 060左右。氧化期的脱碳量应根据工艺的具体要求而定，对于新炉时的第一炉，脱碳量应大于 040。不氧化法碳的配定应保证全熔碳位于钢种规格要求的下限附近。(2)硅的配定。在一般情况下，氧化法冶炼钢铁料的硅主要是由生铁和废钢带入，全熔后的硅不应大于 030，以免延缓熔池的沸腾时间
9、。返吹法冶炼为了提高合金元素的收得率，根据工艺要求可配入硅废钢或硅铁，但也不宜超过10以上，对于特殊情况也可不配。(3)锰的配定。用氧化法冶炼的钢种，如锰的规格含量较高，配料时一般不予以考虑；如锰的规格含量较低，配料时应严格控制，尽量避免炼钢工进行脱锰操作。对于一些用途重要的钢种，为了使钢中的非金属夹杂物能够充分上浮，熔清后钢液中的锰含量不应低于 020，但也不宜过高，以免影响熔池的沸腾及脱磷。由于不氧化法或返吹法冶炼脱锰操作困难，因此配锰量不得超过钢种规格的中限。高速钢中锰影响钢的晶粒度，配入量应越低越好。(4)铬的配定。用氧化法冶炼的钢种，钢中的铬含量应尽可能的低。冶炼高铬钢时，配铬量不氧
10、化法按出钢量的中下限控制，返吹法则低于下限。(5)镍、钼元素的配定。钢中镍、钼含量较高时，镍、钼含量按钢种规格的中下限配入，并同炉料一起装炉。冶炼无镍钢时，钢铁料中的镍含量应低于该钢种规定的残余成分。高速钢中的镍对硬度有害无利，因此要求残余含量越低越好。(6)钨的配定。钨是弱还原剂，在钢的冶炼过程中，因用氧方式的不同而有不同的损失。矿石法冶炼，任何钢种均不人为配钨，且要求残余钨越低越好。不氧化法和返吹法冶炼时，应按钢种规格含量的中下限配入，并同炉料一起装炉。许多钨钢中的钼在成分上可代替部分钨，配料过程中应严加注意。(7)刷锅钢种炉料成分的配定原则。在电炉炼钢车间，在冶炼含Cr、Ni、M0、W
11、或 Mn 等高合金钢结束后，接着需冶炼 l2 炉含同种元素含量相应较低的合金钢，对上一炉使用的炉衬和钢包进行清洗，这样的钢种被称为刷锅钢种。刷锅钢种如采用返吹法冶炼，被刷元素的含量应低于该钢种规格下限的 020050；如用氧化法冶炼，被刷元素的含量还要低一些。另外，出钢温度越高的钢种，被刷元素的含量应配得越低。(8)磷、硫的配定。除磷、硫钢外，一般钢中的磷、硫含量均是配得越低越好，但顾及钢铁料的实际情况，在配料过程中，磷、硫含量的配定小于工艺或规程要求所允许的值即可。(9)铝、钛的配定。在电炉钢冶炼中，除镍基合金外，铝、钛元素的烧损均较大，因此无论采用何种方法冶炼，一般都不人为配入。(10)铜
12、的配定。在钢的冶炼过程中，铜无法去除，且钢中的铜在氧化气氛中加热时存在着选择性的氧化，影响钢的热加工质量，因此一般钢中的铜含量应配得越低越好，而铜钢中的铜多随用随加。2配料计算公式出钢量出钢量=产量+汤道量+中注管钢量+注余量产量=标准钢锭(钢坯)单重支数相对密度系数汤道量=标准汤道单重根数相对密度系数中注管钢量=标准中注管单重根数相对密度系数注余量是浇注帽口充填后的剩余钢水量，一般为出钢量的05l5。对于容量小、浇注盘数多、生产小锭时，取上限值；反之取下限值。配料过程中，不可不考虑钢的相对密度系数。 装入量炉料综合收得率是根据炉料中杂质和元素烧损的总量而确定的，烧损越大，配比越高，综合收得率
13、越低。炉料综合收得率=各种钢铁料配料比各种钢铁料收得率+各种铁合金加入比例各种铁合金收得率钢铁料的收得率一般分为三级。一级钢铁料的收得率按 98考虑，主要包括返回废钢、软钢、平钢、洗炉钢、锻头、生铁以及中间合余料等，这级钢铁料表面无锈或少锈。二级钢铁料的收得率按 94考虑，主要包括低质钢、铁路建筑废器材、弹簧钢、车轮等。三级钢铁料的收得率波动较大，一般按 8590考虑，主要包括轻薄杂铁、链板、渣钢铁等，这级钢铁料表面锈蚀严重，灰尘杂质较多。对于新炉衬(第一炉)，因镁质耐火材料吸附铁的能力较强，钢铁料的收得率更低，一般还需多配装入量的 l左右。配料量配料量=装入量铁合金总补加量矿石进铁量矿石进铁
14、量=矿石加入量矿石含铁量铁的收得率矿石的加入量一般按出钢量的 4%算，如果铁合金的总补加量较大，需在出钢量中扣除铁合金的总补加量，然后再计算矿石进铁量。矿石中的铁含量约为5060，铁的收得率按 80考虑，非氧化法冶炼因不用矿石，故无此项。各种材料配料量各种材料配料量=配料量各种材料配料比三、配料计算举例例 1 用矿石氧化法冶炼 38CrMoAl 钢，浇注一盘 3.2t 钢锭 6 支，每根汤道重 20kg，中注管钢重 l20kg，注余重 l50kg，其他已知条件如下：炉中残余锰量为 010，残余铬量为 015，残余钼量为 001。控制规格成分：C038、Mn045、Crl55、M0020、Al0
15、90。铬铁含铬量为 65，收得率为 96；锰铁含锰量为 60，收得率为98；钼铁含钼量为 70，收得率为 98；铝锭含铝量为 98，收得率为75。C 生为 400，C 返为 030，C 杂为 010，炉料综合收得率为96，38CrMoAl 的相对密度系数为 09872，矿石的铁含量为 60。当配碳量为 080时，求配料量和配料组成?解：(1)出钢量=(32006+206+120+150) 0.9872=19339.25(kg)(2) (kg)(3)配料量：(kg)(kg)(kg)(kg)铁合金总补加量=11511+43389+5356+23681=839.37(kg)矿石进铁量=(19339.
16、25-839.37)46080=35520(kg)配料量=20145O5=839.37355.20=18950.48(kg)(4)配料组成：令杂铁配比为 20，则：杂铁配入量=l8950.4820=3790.10(kg)=2765.5(kg)返回废钢配入量=l8950.48-3790.10-2765.75=12394.63(kg)第三节 装料方法及操作装料操作是电炉冶炼过程中重要的一环，它对炉料的熔化、合金元素的烧损以及炉衬的使用寿命等都有很大的影响。一、装料方法电炉炼钢最常见的是冷装料，而冷装按钢铁料的入炉方式不同可分为人工装料和机械装料；机械装料因采用设备不同又分为料槽、料斗、料筐装料等多
17、种。目前，广泛采用的还是料筐顶装料。其装料过程是：将炉料按一定要求装在用铁链销住底部的料筐中。装料时，先抬起炉盖，并将其旋转到炉子的后侧或将炉体开出；然后再用天车将料筐从炉顶吊入炉内，而后拉开销子卸料入炉。人工装料多用于公称容量小于 3t 的电炉，缺点是装料时间长，生产率低，热量损失大，电能消耗高，劳动强度大且炉料的块度和单重受炉门尺寸及人的体力限制。料槽或料斗装料虽能减轻劳动强度，能弥补人工装料的一些缺点，但装料时间仍较长，且易剐碰炉门。料筐顶装料是目前最理想的装料方法，炉料入炉速度快，只需 35min 就可完成，热量损失小，节约电能，能提高炉衬的使用寿命，还能充分利用熔炼室的空间。另外，料
18、筐中的料可在原料跨间或贮料场上提前装好，时间充裕、布料合理，装入炉内的炉料仍能保持它在料筐中的布料位置，如炉料质量好，一次即可完成装料。二、对装料的要求为了缩短时间，保证合金元素的收得率，降低电耗和提高炉衬的使用寿命，装料时要求做到：准确无误、快速入炉、装得致密、布料合理。操作时应注意以下几点：(1)防止错装。首先是原料工段装料时，要严格按配料单进行装料，严禁装错炉料；其次是炉前吊筐时，要认真检查随料筐单的炉号、冶炼钢种及冶炼方法等与炉前的生产计划单是否相符，防止吊错料筐。(2)快速装料。刚出完钢时，炉膛温度高达 1500以上，但此时散热很快，几分钟内便可降到 800以下。因此应预先做好装料前
19、的准备工作，进行必要的补炉之后快速将炉料装入炉内，以便充分利用炉内的余热，这对于加速炉料熔化、降低电耗等有很大意义。(3)合理布料。合理布料包括以下两方面的含义：首先，各种炉料的搭配要合理。装入炉内的炉料要足够密实，以保证一次装完；同时，增加炉料的导电性，以加速熔化。为此，必须大、中、小料合理搭配。一般料块重量小于 lOkg 的为小料，l025kg 的为中料，大于 50kg 而小于炉料总重五十分之一的为大料。根据生产经验，合理的配比是小料占l520，中料占 4050，大料占 40。其次，各种炉料的分布要合理。根据电炉内温度分布的特点，各种炉料在炉内亦即筐内的合理位置是：底部装一些小料，用量为小
20、料总量的一半，以缓冲装料时对炉底的冲击，同时有利于尽早在炉底形成熔池；然后在料筐的下部中心装全部大料，此处温度高，有利于大料的熔化，同时还可防止电极在炉底尚未积存足够深的钢液前降至炉底而烧坏炉衬；在大料之间填充小料，以保证炉料密实；中型炉料装在大料的上面及四周；最上面放上剩余的小料，以便送电后电极能很快“穿井”，埋弧于炉料之中，减轻电弧对炉盖的热辐射。如果炉料中配有生铁，应装在大料的上面或电极下面，以便利用它的渗碳作用降低大料的熔点，加速其熔化。若炉料中配有合金，熔点高的钨铁、钼铁等应装在电弧周围的高温区，但不能在电弧的正下方；高温下易挥发的铁合金如锰铁、镍板等应装在高温区以外，即靠近炉坡处，
21、以减少其挥发损失；容易增碳的铬铁合金也不要直接放在电极下面。(4)保护炉衬。装料时，还应尽量减轻炉料对炉衬的损害。为此，装料前，在炉底上先铺一层为炉料重量 l.52.0的石灰，以缓解炉料的冲击；同时，炉底铺石灰还可以提前造渣，有利于早期去磷、加速升温和钢液的吸气等。卸料时，料筐的底部与炉底的距离在满足操作的条件下尽量小些，一般为200300mm 左右。第四节 炉料入炉与送电一、炉料入炉料筐顶装料要有专人指挥，抽炉或旋转炉盖时，炉盖要完全抬起，电极要升到顶点且下端脱离炉膛、以防剐坏炉盖或电极，同时又要求电极下端不许超出炉盖的水冷圈或绝缘圈，避免摇晃摆动时将电极折断而滚落到它处砸坏设备或砸伤人。炉
22、膛裸露后，应迅速将料筐吊入炉内的中心位置，不得过高、过偏与过低。过高容易砸坏炉底，且吊车震动大；过偏将使炉料在炉中布局偏倚，抬料筐时也容易带剐炉壁；过低易粘坏料筐的链板。采用留钢留渣操作时，装料时应多垫些杂铁，并允许料筐抬得略高些。对于多次装料，每次均要切电，因炉内存有大量的钢液，料筐应抬得再高些，这样既可避免粘坏料筐，又可减少火焰与钢液的任意喷射与飞溅，同时还要防止爆炸，潮湿的炉料严禁装入多次装料的料筐中。炉料入炉后，对于过高的炉料应压平或吊出，以免影响抽炉或炉盖的旋转与扣合。二、送电炉料入炉后并在送电前，电炉炼钢工和设备维护人员应对炉盖、电极、水冷系统、机械传动系统、电气设备等进行检查，如
23、发现故障要及时处理，以免在冶炼过程中造成停工；还应检查炉料与炉门或水冷系统是否接触，如有接触要立即排除，以免送电后被击穿。如电极不够长时，最好在送电前更换，以利于一次穿井成功。在冶炼低碳高合金钢时应注意电极的接尾或接头，如发现不牢固或有毛刺要打掉，避免冶炼过程中增碳。新换电极下端应无泥土或其他绝缘物质，以免影响起弧。当完成上述工作并确认无误后，方可正常送电转入熔化期。第五节 熔化期及其操作熔化期的主要任务是在保证炉体寿命的前提下，以最少的电耗将固体炉料迅速熔化为均匀的液体。在这同时，炉中还伴随着发生一些物化反应，如去除钢液中的大部分磷和其他杂质以及减少或限制钢液的吸气与元素的挥发等。此外，有目
24、的的升高熔池温度，为下一阶段冶炼的顺利进行创造条件，也是熔化期的另一重要任务。传统的电炉炼钢熔化期约占全炉冶炼时间的一半，电能消耗占总电耗的5060。因此，快速化料，缩短冶炼时间，对改善电炉炼钢的技术经济指标具有很大的实际意义，这也是电炉炼钢工作者长期研究的又一课题。一、 炉料的熔化过程送电开始后，就是熔化期的开始，炉料的熔化过程大体上分为如图 121 所示的四个阶段。图 121 炉料熔化过程示意图a-起弧阶段；b-穿井阶段；c-电极回升阶段；d-低温区炉料熔化阶段第一阶段：起弧阶段。送电后，电极下降，当电极端部距炉料有一定的距离时，由于强大电流的作用，中间的空气被电离成离子，并放出大量的电子
25、而形成导电的电弧，随之产生大量的光和热。起弧阶段的时间较短，约为35min，但常出现瞬时短路电流，所以电流一般不稳定并造成了对电网的冲击，从而产生了灯光闪烁或电视图像干扰等现象。第二阶段：穿井阶段。起弧后，在电弧的作用下，电极下的炉料首先熔化，随着炉料的熔化，电极逐渐下降并到达它的最低位置，这就是穿井阶段。一般说来，极心圆较大的电炉往往在炉料中央部位，电极把炉料穿成比电极直径大3040的三口小井，而极心圆较小的电炉三相电极间的炉料几乎同时熔化，一开始便容易形成一口大井。在穿井阶段，电极下熔化的金属液滴顺着料块间隙向下流动，开始时炉温较低，液滴边流动边凝结在冷料上，当炉温升高后，熔化的液滴便落在
26、炉底上积存下来形成熔池并逐渐扩大。第三阶段：电极回升阶段。这个阶段主要是熔化电极周围的炉料，并逐渐向外扩大。随着熔化继续的进行，中央部分的炉料跟着熔化，三口小井汇合成一口大井，熔池面不断扩大上升，电极也相应向上抬起，这就是电极回升阶段。在电极回升过程中，周围炉料被熔化。当炉内只剩下炉坡、渣线和其他低温区附近的炉料时，该阶段即告结束。第四阶段：熔化低温区炉料阶段。三相电弧近似于点热源，各相的热辐射不均匀，所以炉内的温度分布也不均匀。一般情况，在电极下边和靠 2#电极热点区的炉料熔化较快，而炉门、出钢口两侧及靠 l#炉壁处低温区的炉料熔化较慢，第四阶段主要是熔化这些部位的炉料。在此过程中，电极虽然
27、也继续稍有回升，但不明显。二、影响炉料熔化的主要因素电炉炼钢的能源主要是把电能转换成热能，目前发展趋势之一是加大电炉输入功率，从而有利于炉料的熔化，因此一些高功率、超高功率电炉相继投入生产；其次是利用外界辅助热源，如炉料预热、氧气及氧燃烧嘴等助熔。据资料介绍，废钢铁料入炉前的预热温度为 500时，可节省电能 l4，而温度为 600700时，可节省电能 l3，如果温度达到 900，只需冷装料时的l2 左右的电能。这就意味着，变压器输入功率不变，熔化期将按相应的比例缩短。此外，热的炉料入炉还可增加电弧的稳定性和提前吹氧助熔，也促使熔化期的缩短。为了减少电能消耗和加速废钢铁料的熔化，在炉内除及时合理地
