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电炉炼钢工艺(一)_聚合硫酸铁生产厂家

发布时间:2018-06-06 19:51:27    

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、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、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30%~40%、中块料40%~50%、小块料或轻薄铁15%~25%。

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。

二、配料计算公式1.炉料成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0.60%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0.40%。

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0.30%,以免延缓熔池的沸腾时间。

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1.0%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0.20%,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或Mn等高合金钢结束后,接着需冶炼l~2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0.20%~0.50%;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0.5%~l.5%。

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85%~90%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50%~60%,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0.10%,残余铬量为0.15%,残余钼量为0.01%。

控制规格成分:C0.38%、Mn0.45%、Crl.55%、M00.20%、Al0.90%。

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4.00%,C返为0.30%,C杂为0.10%,炉料综合收得率为96%,38CrMoAl的相对密度系数为0.9872,矿石的铁含量为60%。

当配碳量为0.80%时,求配料量和配料组成 解:(1)出钢量=(3200×6+20×6+120+150) ×0.9872=19339.25(kg)(2) (kg)(3)配料量:铁合金总补加量=115.11+433.89+53.56+236.81=839.37(kg)矿石进铁量=(19339.25-839.37)×4%×60%×80%=355.20(kg).配料量=20145.O5=839.37—355.20=18950.48(kg) (4)配料组成: 令杂铁配比为20%,则: 杂铁配入量=l8950.48×20%=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3~5min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,l0~25kg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l5%~20%,中料占40%~50%,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,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.5%~2.0%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200~300mm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50%~60%。

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四个阶段。

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3~5min,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30%~40%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l/4,而温度为600~700℃时,可节省电能l/3,如果温度达到900℃,只需冷装料时的l/2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吹氧助熔外,就是利用氧—燃烧嘴加热。

氧—燃烧嘴是用氧气助燃,燃烧天然气或轻油,也有的使用煤粉,一般多用于炉内低温区的死角部位或炉温不高的熔化开始阶段。

熔化期的长短不仅与热源有直接关系,而且还取决于电力使用制度、装料方法、布料情况、炉料的化学成分、冶炼工艺、造渣制度及炉体的设计参数等。

变压器的有用功率越大,炉子的热损失越小,熔化期就越短。

在熔化初期,由于冷料能够吸收大量的热量,因此在穿井和电极回升阶段,使用大电流和最高级电压是有利的。

当炉中塌铁后,弧光不能被炉料包围,这时应更换2#电压较为合适(对备有4~6个常用的次级电压的普通功率变压器而言),因2#电压的弧光较l#电压的短,短的弧光容易被熔渣包围,这样就减少了热辐射造成的热耗,同时也有利于熔池内的热传导,从而缩短了炉料的熔化时间。

快速装料能减少热损失,充分利用炉中的余热来加热炉料。

如果等料、人工装料或因设备坏等原因不能及时装料,势必延长熔化时间。

合理的布料也是缩短熔化期的有效措施之一。

如炉料装得疏松或在上部装入大块难熔的低碳废钢等,在熔化时炉内容易形成料桥,极易延长熔化时间,如再出现塌铁而把电极打断,更拖延了熔化时间。

熔化速度也取决于炉料的化学成分。

碳含量为0.20%碳素钢的电阻是铜的电阻的6倍,而碳含量为0.90%碳素钢的电阻是铜的l4倍;炉料可看成是电流的二次线路,根据焦耳定律:Q=I2Rt 炉料的电阻越大,电流通过时所产生的热量越多。

更何况高碳钢的熔点比低碳钢的熔点低,所以高碳料比低碳料熔化得快。

另外,炉料中含Si、Al、P等易氧化元素能与氧发生放热反应,反应热可看成是炉料熔化的辅助热源,因此炉料中含有易氧化元素的含量越高越有利于炉料的熔化。

金属炉料的合理扩装也可缩短炉料熔化时间。

早期造渣有助于炉料的熔化。

早期造渣不仅可以防止钢液的吸气,同时也能减少热量的散失,如果采用泡沫渣埋弧操作,不仅可以减轻弧光对炉壁的热辐射,而且更有利于熔池的加热与升温。

采用留钢留渣操作,在装料后就可吹氧助熔,也可使熔化期明显缩短。

炉体的设计参数对炉料的熔化也有直接的影响。

当炉膛的直径与极心圆直径之比较大时,炉料熔化得较慢;如炉膛的直径与极心圆直径之比较小时,炉料熔化得就快。

对于熔池较深,炉膛直径略小的炉体,因散热面小,电极所走的行程长,炉料的熔化速度也是比较快的。

三、熔化期的物化反应炉料熔化的同时,熔池中也发生各种各样的物化反应,主要有元素的挥发和氧化、钢液的吸气、热量的传递与散失以及夹杂物的上浮等。

1.元素的挥发炉料熔化的同时,伴随着元素的部分挥发。

挥发有直接挥发和间接挥发两种形式。

直接挥发是因温度超过元素的沸点而产生的。

电弧的温度高达4000~6000℃,而最难熔元素W的沸点也仅为5900℃,至于低沸点的Zn、Pb等就更容易挥发了。

间接挥发是通过元素的氧化物进行的,即先形成氧化物,然后氧化物在高温下挥发逸出。

一般说来,多数金属氧化物的沸点低于该金属的沸点,如M0的沸点为4800℃,而M003。

的沸点仅为ll00℃,因此许多金属氧化物的挥发往往先于该元素的直接挥发。

熔化期从炉门或电极孔逸出的烟尘中含有许多金属氧化物,其中最多的还是Fe203,这是因为铁在炉料中占的比例最大,液态铁的蒸气压也较大,所以熔化期逸出的烟尘多为棕红色。

2.元素的氧化炉料熔化时,除产生元素的挥发外,还存在着元素的氧化。

这是因炉中存在着氧的来源:一是炉料的表面铁锈;二是炉气;三是为了脱磷而加入的矿石或为了助熔而引入的氧等。

在炉料熔化过程中,元素氧化损失量与元素的特性、含量、冶炼方法、炉料表面质量及吹氧强度(压力、流量、时间)等因素有关。

Fe、C、Mn的氧化损失量在氧化法和返吹法中基本相似。

在一般情况下,Al、Ti、Si元素在氧化法中几乎全部氧化掉,P只能大部分氧化,但这些元素在返吹法中,因不使用矿石助熔,氧化损失略少些,而在不氧化法中为最少。

在冶炼高合金钢时,如炉料的配Si量大于1.0%,Si的氧化损失量约为50%~70%。

铁的氧化损失通常为2%~6%。

废钢质量越差,熔化时间越长,吹氧强度越大,铁的氧化损失也越大。

碳的氧化损失量一般为0.60%,但不用氧时碳的损失不太大。

而用氧时,碳的变化与钢液中的碳含量、吹氧强度有关。

当炉料中的配碳量小于0.30%时,碳的氧化损失不大,并可为电极增碳所弥补;配碳大于0.30%时,碳的氧化损失要多些。

吹氧助熔的氧气压力越大、流量越多、吹氧时间越长,碳的损失也越多。

碳的氧化损失还随炉料中硅含量的增高而降低,这是因为硅同氧的亲和力在1530℃以下时大于碳的缘故。

炉料熔化过程中,有时因塌铁而引起熔池沸腾,也会使碳的氧化损失增加,这主要是由于熔池中的金属液无熔渣覆盖,液面富集大量的Fe0与碳反应的结果。

3.钢液的吸气在一般情况下,气体在钢液中的溶解度随温度的升高而增加,被高温电弧分解出的氢和氮会因温度的升高直接或通过渣层溶解于钢液中。

在熔化期,钢液具有较好的吸气条件,这是因为除大气外,炉料中还含有一定的水分。

而且熔化初期的钢液液滴向下移动时是裸露的,而初期的熔池有时又无熔渣覆盖,液滴直接与炉气接触。

为了减少钢液的吸气量,应尽早造好熔化渣。

熔化期合理的吹氧助熔也能降低钢中的气体含量。

4.热量的传递与散失 热量的传递与散失属于物理过程。

熔化期熔池中主要进行着热传导。

炉料除了吸收炉衬的余热外,绝大部分热量是从电弧获取的,在起弧和穿井阶段热量由上向下传递;当熔池有熔渣覆盖后,热量通过熔渣传给钢液,这时的热量仍是由上向下传递,一般说来,熔渣的温度高于钢液的温度。

当然,在炉中还有热量的辐射与反射,但不是主要的。

关于辅助热源,由于提供的方式不同,传递方向也不同。

熔池出现后,初期如无熔渣覆盖或熔渣较少,热量散失严重。

为了减少散热,应尽早造好熔化渣。

5.熔化期非金属夹杂物的上浮熔池出现后,钢液中就存在着内在夹杂和外在夹杂,随着熔池的扩大,这些夹杂物也就有不同程度的上浮,它们是熔化渣的来源之一。

实践证明,合理的吹氧助熔和尽早造好熔化渣能促使夹杂充分上浮。

吹氧后,由于氧气流的作用,造成熔池局部沸腾,进而有助于夹杂物的碰撞和上浮;理想的熔化渣不仅对脱磷有利,而且还能很好地捕捉、吸附非金属夹杂物。

四、熔化期脱磷操作熔化期的正确操作,可以把钢中的磷去除50%~70%,剩余的残存磷在氧化期借助于渣钢间的界面反应、自动流渣、补造新渣或采用喷粉脱磷等办法继续去除。

因此,一个成熟的电炉炼钢工,应在熔化期紧紧地抓住脱磷操作。

熔化期提前造好熔化渣,并使之具有适当的碱度和较好的流动性,能为前期脱磷创造有利的条件。

另外,在条件允许的情况下,除加入助熔矿石外,还可在大半熔时分批加入料重l%的氧化铁皮或矿石粉,或在垫炉底灰的同时装入少量的铁矿石等,从中提高熔化渣的氧化能力;在炉料大半熔或全熔后扒除部分熔化渣,对于高磷炉料或磷规格要求较严的钢种,也可全部扒除,然后重造新渣,更是强化脱磷的行之有效的好办法,此时去磷效率可达50%~70%,而钢液中的剩余磷移到氧化初期去继续处理。

五、 熔化期操作 送电后应紧闭炉门,堵好出钢口,扣严炉盖与炉壁的接合处及加料孔等,以防冷空气进入炉内。

在起弧阶段结束后,还要调放电极长度,使一次穿井成功并能保证全炉冶炼的需要。

备有氧—燃烧嘴装置的炉子也应适时点燃,以使炉料能够同步熔化。

需多次装料时,在炉料每次塌铁后,熔炼室能容纳下一料筐中的料时再装入。

在炉料熔化过程中,还应适时地进行吹氧、推铁或加矿助熔及早期造渣与脱磷等操作。

熔化末期如果发现全熔碳不能满足工艺要求,一般应先进行增碳操作。

熔化渣的渣量一般为料重的2%~3%,电炉功率越高越取上限值。

炉料全熔并经搅拌后,取全分析样,然后扒除部分熔化渣,补造新渣。

如果认为脱磷困难或发现熔渣中含有大量的Mg0,也可进行全扒渣,重新造渣。

当熔池温度升到符合工艺要求时,方可转入下一阶段的冶炼。

第五节 氧化期及其操作 目前,氧化期主要是以控制冶炼温度为主,并以供氧和脱碳为手段,促进熔池激烈沸腾,迅速完成所指定的各项任务。

在这同时,也为还原精炼创造有利的条件。

不配备炉外精炼的电炉氧化期的主要任务如下: (1)继续并最终完成钢液的脱磷任务,使钢中磷降到规程规定的允许含量范围内; (2)去除钢液中的气体; (3)去除钢液中的非金属夹杂物;(4)加热并均匀钢液温度,使之满足工艺要求,一般是达到或高于出钢温度,为钢液的精炼创造条件。

在上述任务完成的同时,钢液中的C、Si、Mn、Cr等元素及其他杂质也发生不同程度的氧化。

配备炉外精炼装置的冶炼,电炉只是一个高效率的熔化、脱磷与升温的工具。

在这种条件下,钢液中的气体及非金属夹杂物的去除等,均移至炉外进行,而氧化期的任务也就得以减轻。

一、氧化方法 1.矿石氧化法 矿石氧化法属于间接方式的供氧,它主要是利用铁矿石或其他金属化矿石中的氧通过扩散转移来实现钢液中的C、Si、Mn等元素及其他杂质的氧化。

该法的特点是渣中(FeO)浓度高,脱磷效果好。

碳和[FeO]的反应是脱碳过程的主要反应,但[FeO]必须通过(FeO)的扩散转移来实现,因此脱碳速度慢,氧化时间长。

而铁矿石的分解是吸热反应,会降低熔池温度,所以矿石加入前炉中应具有足够高的冶炼温度。

矿石氧化法的钢液中容易带进其他夹杂。

因渣中(FeO)含量高,所以熔渣的流动性较好。

2.氧气氧化法氧气氧化法又称纯氧氧化法。

它主要是利用氧气和钢中的C、Si、Mn等元素及其他杂质的直接作用来完成钢液的氧化。

除此之外,吹氧后,熔池中还发生下述反应:O2+2[Fe]=2[FeO] [FeO]=(FeO) 氧气氧化和矿石氧化存在着本质的不同。

氧气氧化时,由于纯氧对钢液的直接作用,各元素氧化的动力学条件好,在供氧强度较高的情况下,更有利于低碳钢或超低碳钢的冶炼。

氧气氧化属于放热反应,进而也有利于提高和均匀熔池温度而减少电能消耗。

此外,氧气氧化后,钢液纯洁,带进其他杂质少,且吹氧后,钢液中的氧含量也少,所以又有利于后步钢液的脱氧。

但由于(FeO)含量不高,因此脱磷效果差,熔渣的流动性也差。

3.矿、氧综合氧化法在电炉钢生产过程中,矿石氧化和氧气氧化经常交替穿插或同时并用,这就是所谓的矿、氧综合氧化。

其特点是脱碳、升温速度快,既不影响钢液的脱磷,又能显著缩短冶炼时间。

但该法如不熟练,难以准确地控制终脱碳。

二、脱碳操作 1.钢液的加矿脱碳 由于矿石的熔化与分解及Fe0的扩散转移均吸热,所以脱碳反应的总过程是吸热。

钢液的加矿脱碳开始时必须要有足够高的温度,一般应大于1530℃。

为了避免熔池急剧降温,矿石应分批加入,每批的加入量约为钢液重量的1.0%~l.5%,而在前一批矿石反应开始减弱时,再加下一批矿石,间隔时间为5~7min。

熔池的均匀激烈沸腾主要通过对矿石的加入速度和保持合适的间隔时间来控制,当熔池温度较高时,矿石的加入速度也不能太快,如在炉门及电极孔冒出猛烈的火焰,则应停止加矿,以避免发生喷溅或跑钢事故。

钢液的加矿脱碳原则上是在高温、薄渣下进行。

但考虑到钢液的继续脱磷与升温,温度控制是先慢后快,渣量是先大后薄,且还要有足够的碱度及良好的流动性。

粘稠的熔渣不仅不利于脱磷,也不利于(FeO)的扩散及CO气泡的排除,特别是在钢液温度不太高的情况下,熔池容易出现“寂静”的现象,加矿后熔池不沸腾,这时应立即停止加矿,而要用萤石调整熔渣的流动性并升温。

脱碳初期,流动性良好的熔渣在C0气泡的作用下呈泡沫状,并经炉门能自动流出,如不能流出应进行调整,否则以后也难以作到高温、薄渣脱碳。

为了加速矿石的熔化与分解,且又不过多地降低熔池温度,当条件允许时,矿石应预先在大于800℃的高温下烘烤4h后使用。

矿石的加入量由脱碳量决定,理论计算及经验告诉我们,每氧化C 0.01%,每吨钢液约用矿石lkg。

理想的全熔碳应满足工艺的要求,但因装料贻误或助熔不当,有时出现脱碳量过大或不足。

脱碳量过大不仅增加了各种原材料的消耗,而且也延长冶炼时间,脱碳量不足需进行增碳,这两种情况对操作不利,应尽量避免。

2.钢液的吹氧脱碳 钢液的吹氧脱碳有碳的直接氧化和碳的间接氧化两种情况。

吹入钢液中的氧直接与钢液中的碳发生反应属于碳的直接氧化,而吹入钢液中的氧先与钢液中的铁反应,然后生成的[Fe0]再与钢液中的碳进行反应,属于碳的间接氧化。

吹入钢液中的高压氧气流以大量弥散的气泡形式在钢液中捕捉气泡周围的碳,并在气泡表面进行反应。

与此同时,氧气泡周围形成的[FeO]与钢液中的碳作用,反应产物也进入气泡中。

而[Fe0]的出现与扩散,又提高了钢液中的氧含量,因此碳的氧化不仅可以在直接吹氧的地方进行,而且也能在熔池中的其他部位进行。

吹氧脱碳最大的特点是脱碳速度快,一般约为(0.03~0.05)%/min,而且钢液温度越高、供氧量越大、钢中的碳含量越高,脱碳速度越快。

当钢液中的碳含量降低到0.10%以下时,钢液中所需与碳平衡的氧量将急剧上升,而与钢液中碳平衡所需渣中的氧量也是上升的,这时要保持脱碳速度,就必须增加供氧量,加矿脱碳受到炉温下降的影响,一次不能加得太多,且渣中(FeO)向钢中的扩散转移又是限制环节,而吹氧脱碳不受这种限制,因此当钢液中的碳含量降到0.10%以下时,吹氧脱碳优于加矿脱碳,且两者的速度也有显著的差别。

生产实践也证明,在冶炼低碳或超低碳钢时,吹氧容易把碳很快降到很低,而且合金元素的氧化损失比矿石氧化要少,这使得利用返吹法冶炼高合金钢并回收炉料中的贵重合金元素成为可能。

在其他条件相同的情况下,吹氧脱碳和加矿脱碳相比,渣中(FeO)的含量少,且钢液中[FeO]的最终含量也少,这样可减轻钢液精炼的脱氧负担。

然而脱磷条件却恶化了,所以脱磷任务必须在熔化末期或氧化初期且当钢液的温度处于不太高的情况下就已完成。

吹氧脱碳冶炼时间短,可提高产量20%以上,电耗降低l5%~30%,电极消耗降低l5%~30%,总成本约降低6%~8%,且钢的质量也大有改善。

吹氧降碳时,最好选用较高的氧压。

因为氧压高,氧气流在钢液内可吹入到更深的部位,并能分裂成更多的小气泡,从而提高氧的利用率。

此外,氧压高还可减少氧管的消耗,这是由于提高了脱碳速度,缩短了吹氧时间,提高了氧的流速,强化了对管壁端的冷却作用。

3.钢液的矿、氧综合脱碳矿、氧综合脱碳加大了向熔池供氧的速度,扩大了矿氧反应区,同时也减少了钢中氧向渣中的转移,又由于氧气流的搅动作用,使FeO的扩散速度加快,所以这种脱碳方法能使钢液的脱碳速度成倍的高于单独加矿或吹氧的脱碳速度。

在操作过程中,矿石的加入是分批进行,且先多后少,最后全用氧气。

吹氧停止后,再进行清洁沸腾或保持锰等操作。

4.碳含量的经验判断 钢液的碳含量主要依靠化学分析、光谱分析及其他仪器来确定。

但在实际操作中,为了缩短冶炼时间,电炉炼钢工也常用经验进行准确的判断,方法介绍如下: (1)根据用氧参数来估计钢中的碳含量。

在冶炼过程中,依据吹氧时间、吹氧压力、氧管插入深度、耗氧量或矿石的加入量、钢液温度、全熔碳含量等,先估算lmin或一段时间内的脱碳量,然后再估计钢中的碳含量。

因这个办法使用方便,所以应用的时候较多。

(2)根据吹氧时炉内冒出的黄烟多少来估计钢中的碳含量。

炉内冒出的黄烟浓、多,说明碳含量高,反之较低。

当碳含量小于0.30%时,黄烟相当淡了。

这个办法只能大概地估计钢中碳含量,难以作到准确的判断。

(3)根据吹氧时炉门口喷出的火星估计钢中的碳含量。

吹氧时炉门口喷出的火星粗密且分叉多则碳高,反之则低。

(4)根据吹氧时电极孔冒出的火焰状况判断钢中的碳含量。

常用于返吹法冶炼高合金钢上。

一般是碳含量高则火焰长,反之则火焰短。

当棕白色的火焰收缩,且熔渣与渣线接触部分有一沸腾圈,这时的碳含量一般小于0.10%。

在返吹法冶炼铬镍不锈钢时,当棕白色的火焰收缩并带有紫红色火焰冒出且炉膛中烟气不大,可见到渣面沸腾微弱,这时的碳含量约为0.06%~0.08%;如果熔渣突然变稀,这是过吹的象征,碳含量一般小于0.03%。

碳低熔渣变稀,这种现象在冶炼超低碳钢时经常遇到。

(5)根据表面张力的大小进行粗略的判断。

当碳含量位于0.30%~0.40%和碳含量小于0.10%时,钢的表面张力较大,取样时,样勺的背面在钢液面上打滑。

(6)根据试样断口的特征判断钢中的碳含量。

这种方法是把钢液不经脱氧倒入长方形样模内,凝固后取出放入水中冷却,然后再打断,我们可利用试样断口的结晶大小和气泡形状来估计钢中的碳含量。

(7)根据钢饼表面特征估计钢中的碳含量。

这种方法主要用于低碳钢的冶炼上。

一般是舀取钢液不经脱氧即轻轻倒在铁板上,然后根据形成钢饼的表面特征来估计碳含量。

(8)根据火花的特征鉴别钢中的碳含量。

利用火花的特征鉴别钢中的碳含量应具备砂轮机一台,但该法偏差大,这主要是砂轮打磨出的火花与砂轮机的转数及砂轮的砂粒粗细等有关,在炉前并不常用。

(9)根据碳花的特征判断钢中的碳含量,该法简称碳花观察法。

由于该法简便、迅速、准确,因此获得普遍的应用。

未经脱氧的钢液在样勺内冷却时,能够继续进行碳氧反应,当气泡逸出时,表面附有一薄层钢液的液衣,宛如空心钢珠,这就是火星。

又因为气泡是连续逸出的,所以迸发出来的火星往往形成火线。

如果钢中的游离碳较多,有时在火星的表面上还附有碳粒。

当气泡的压力较大而珠壁的强度不足时,迸发出来的火星破裂,进而形成所谓的碳花。

然而,CO气泡压力随

钢液碳含量的降低而降低,碳花的数目和大小也依次递减,火星的迸发力量也是由强到弱。

有经验的炼钢工可根据火星(碳花)的数量、大小与破裂情况及迸发力量的强弱、火线的断续情况或发出的声音等进行判断,碳含量越低判断得越准确,误差常常只有±0.01%~0.02%,而碳含量越高,碳花越大,分叉越多,跳跃越猛烈,也越缺乏规律性,因此碳含量很高时难以准确的判断。

当碳含量超过0.80%以上时,碳花在跳跃破裂过程中还发出吱吱的响声。

碳花的具体观察方法有两种:一种是直接观察从勺内迸发出来的火星(碳花)情况;另一种是观察火星(碳花)落地后的破裂情况。

一般碳钢的碳含量与碳花特征的关系见表12—2。

表12-2碳钢的碳含量与碳花特征的关系碳含量/% 火星或碳花的颜色 火星与碳花的多少等 迸发力量或破裂的情况 备注 0.O5~0.10 棕白色 全是火星构成的火线无花 迸发无力 火线稀疏时有时无0.1~0.20 白色 火星构成的火线中略有小花 迸发无力 火线稀疏时有时无0.3~0.40 带红 火星2/3,小花1/3 迸发稍有力 火线细而稍密0.50~0.60 红色 火线2/3,小花1/3间带2~3朵大花 迸发有力 火线粗而密0.70~0.80 红色 火线l/3,小花2/3大花3~5朵 迸发有力,花内分叉,呈现二次破裂 0.90~1.O0 红色 火星少,小花多,大花7~10朵 迸发有力、很强,花有圈呈现三次破裂 碳含量大于0.08%以上时,碳花在跳跃破裂过程中有吱的响声1.1~1.20 红色 大花很多、很乱略有火星 花跳跃频繁有力,花有圈呈现三次破裂 1.30~1.40 红色 大花l/3,紫花2/3 花跳跃短而有力,多次破裂 1.50~1.80 红色 几乎全是紫花 花跳跃短雨有力,多次破裂 利用碳花的特征判断钢中的碳含量,还应考虑以下一些因素的影响。

温度过低,容易低看,而实际碳含量不是那么低;温度过高,容易高看,而实际碳含量又没有那么高。

合金钢的碳花与碳钢基本相似,但形状因其他元素的影响而有所不同。

与碳含量相同的碳钢比较:当Mn、Cr、V等元素含量较高时,碳花较大、分叉又多,容易估的偏高;当W、Ni、Si、Mo等元素含量较高时,碳花分叉较少,容易估的偏低。

除此之外,如钢中的氧含量低于碳氧的平衡值时,碳花较少或无碳花,如经脱氧或真空处理的钢液就是如此。

三、铁、硅、锰、铬等元素的氧化 在脱磷、脱碳反应进行的同时,钢液中其他元素和杂质也发生氧化。

这些元素的氧化及氧化程度取决于:与铁比较该元素对氧的亲和力大小、该元素在钢液中的浓度、熔渣组成与该元素氧化物的化学性质(酸性或碱性)及冶炼温度等。

除此之外,在实际冶炼中,钢液中各元素的氧化程度还受各元素氧化反应速度的影响,而这速度又与熔渣的物理性质(粘度、表面张力)及熔池的物理状态有关。

铝对氧的亲和力很强,钛次之,钢液经熔化和氧化后,它们几乎全部氧化掉,而Fe、Si、Mn、Cr等元素与铝和钛的情况不一样。

下面我们分别进行介绍。

1.铁的氧化 铁与氧的亲和力比其他元素(Cu、Ni、CO除外)小,只要有别的元素存在,它就很难与氧结合,但在铁基钢液中,由于铁的浓度最大,所以它还是首先被氧化。

当钢中的C、Si、Mn、P等元素进行氧化反应时,氧的主要来源是FeO,因此铁的氧化能为其他元素的氧化贮存氧,这也说明FeO对氧的传递起着重要作用。

2.硅的氧化 Si与O的亲和力较大,但次于Al和Ti,而强于V、Mn、Cr。

因此,钢液中的Si在熔化期将被氧化掉70%,少量的残余Si在氧化初期也能降低到最低限度。

硅的氧化反应式如下: [Si]+2(FeO)=(SiO2)+2[Fe] [Si]+O2=SiO2(固) 硅的氧化是放热反应,并随着温度的升高氧化程度减弱,且在碱性渣下比在酸性渣下氧化完全。

在冶炼高铬不锈钢或返吹其他钢种时,炉料中往往配入一定量的硅,以保证钢液的快速升温及减少铬的烧损。

反应生成物SiO2不溶于钢液中,除一部分能上浮到渣中外,还有一部分呈细小颗粒夹杂悬浮于钢液中,SiO2可与其他夹杂物结合生成硅酸盐,如果去除不当而残留在钢中能成为夹杂。

在熔渣中,(SiO2)与(FeO)发生下述反应: (SiO2)+2(FeO) = (2 FeO?SiO2) 在碱性渣中,(FeO)能被更强的碱性氧化物(CaO)从硅酸铁中置换出来,即: 由于生成的正硅酸钙(2CaO?SiO2)是稳定的化合物,使Si02分解压力变得更低,渣中a(SiO2)变得更小,所以在碱性渣下,硅的氧化较完全。

3.锰的氧化锰与氧的亲和力比硅小,到了熔化末期锰大约烧损50%左右。

如果熔化期渣中(FeO)含量和碱度较低时,烧损可能还要少些。

在氧化期,钢液中的锰继续氧化,锰的氧化反应如下: 锰的氧化也是放热反应,且随着温度的升高氧化程度减弱。

当钢液的温度升高到一定程度时,锰的氧化反应趋于平衡。

因此,全熔后钢液中的锰含量较高时,可在氧化初期在较低的温度下进行氧化,并采取自动流渣或换渣的方式去除。

通常在电炉钢的实际冶炼过程中,锰含量的变化被看成是钢液温度高低的标志。

这是因为熔池温度升高后,由于碳的氧化反应使渣中的(FeO)含量不断降低,溶于熔渣中呈游离状态的(MnO)就要参与碳的氧化反应,这时已趋于平衡的锰的氧化反应被破坏,而转变为锰的还原,反应式如下: 如果氧化末期钢液中的锰含量比前期高或氧化过程中锰元素没有损失,说明氧化沸腾是在高温下进行的。

如果氧化末期钢液中的锰含量损失较多,说明氧化沸腾有可能是在较低的温度下进行的。

锰的氧化反应生成物(MnO)在钢液中的溶解度很小,将上浮进入渣中,其中一部分在上浮途中与悬浮在钢液中的细小不易上浮的Si02、Al2O3结合成硅酸锰和铝酸锰即: 这些硅酸锰和铝酸锰属于颗粒大、熔点低并易于上浮的化合物。

为了更好地去除钢中夹杂,在冶炼用途重要或碳含量较低的钢种时,在氧化末期建立了保持锰的工艺制度。

当熔渣具有足够的碱度时,(CaO)能将(MnO)从硅酸锰或铝酸锰中置换出来而形成比较稳定不易分解的复合化合物,即:4.铬的氧化Cr比Fe易氧化,但不如Al、Ti、Si等,铬的氧化反应式如下: 在碱性渣下的氧化,第二个反应是主要的。

该反应式也表明了渣中(FeO)能使铬的收得率降低,且当炉料中的铬含量很高时,转入熔渣中的铬损失也多。

高铬的熔渣很粘,能影响其他元素氧化反应(如脱磷)的正常进行。

因此,为了减少铬的损失及保证冶炼的正常进行,矿石法氧化不宜使用含高铬的炉料。

铬的氧化也能放出大量的热,而铬的氧化损失又与温度有关。

除此之外,在高温时还将发生下述反应: 高温下脱碳能抑制铬的氧化损失,这一点对于采用返吹法冶炼低碳高铬钢具有极其特殊的意义。

换言之,高温不利于铬的氧化,所以为了降低钢中的铬含量,一般均采用偏低的温度并选用矿石氧化的方式进行。

5.钒的氧化钒对氧的亲和力较大,当熔池中(FeO)的含量很高时,它几乎全部氧化。

钒的氧化也是放热反应,因此偏低的氧化温度可使钒的氧化损失增加。

反应式如下: 温度升高后,由于碳的激烈氧化夺取了大量的(FeO),从而也能抑制钒的氧化。

钒既易氧化,产物(V2O3)、(V2O5)也极易还原。

如果炉中剩留的含钒氧化渣较多,或炉壁和炉盖处悬挂的含钒氧化渣较多,在电炉炼钢的还原气氛下,将有一部分的钒被还原回钢中。

这种情况在利用含钒炉料冶炼钒钢时尤要注意,以避免钒的成分超出规格。

6.钨的氧化钨是一种弱还原剂,它比铁容易氧化。

在电炉钢的氧化过程中,当(FeO)的含量很高时,钨的氧化烧损也很严重。

其中,WO3为酸性氧化物,除有一部分能被还原外,当渣中碱度达到足够高时,又能发生下述反应: 因此,相对比较而言,酸性熔炼钨几乎不受损失,而碱性熔炼损失较大。

此外(WO3)的沸点约为1850℃,所以还有一部分的(WO3)可能在电弧的光柱下升华而使钨挥发。

不难得出,矿石法氧化能使钢液中的钨蒙受损失,且碱性熔炼损失更大。

因钨铁的生产比较困难,价格较高,所以矿石法冶炼不应使用含钨的炉料。

然而钨的熔点高,密度大,易沉积炉底,如果[FeO]的含量不高时,钨的氧化损失也是有限的,这样就为我们利用装入法或返吹法冶炼高钨钢提供了可能。

7.钼、镍、钴、铜等元素的氧化钼对氧的亲和力几乎与铁一样,在电炉钢的冶炼过程中,如含量不高,它的氧化损失很微小,一般可忽略不计。

但在冶炼高钼钢(Mo>4%以上)时,氧化损失必须予以考虑,这是因为钼的氧化与氧化程度是随钢中钼含量的增加而增加,即钼的氧化损失与钼在钢液中的浓度有关。

Ni、CO、Cu对氧的亲和力比铁小很多,在炼钢条件下不会被氧化,但Ni有时也有损失,那是在电弧高温区挥发的结果。

通过氧化方式,As、Sb、Sn元素在氧化期一般是很难去除的。

四、冶炼温度制度的制订和钢液的升温 电炉炼钢十分讲究冶炼温度,因为它规定和影响着反应的方向与限度,直接关系到钢的质量、产量及各项技术经济指标。

因此,正确掌握冶炼温度历来都是电炉炼钢工操作的一项主要任务。

1.冶炼温度制度的制订 由于温度对电炉炼钢的影响很大,因此它是冶炼工艺中的一个重要的参数。

为了确保冶炼的顺利进行,针对具体情况制订合适的冶炼温度制度是十分必要的。

温度制度的制订主要应考虑以下诸因素: (1)掌握钢的熔点与钢液的粘度。

大量的科学试验和生产实践证明,只有冶炼温度超过熔点的一定范围时,渣钢间的各种物化反应才能得以充分进行,因此钢的熔点是制订冶炼温度制度的基础。

而冶炼过程中钢液的成分是不断变化的,所以在制订冶炼温度制度时,必须依据不同时期的钢液成分,并运用有关的经验式对熔点进行近似计算。

不同的钢种在相同的温度下粘度相差较大,如l8CrMnTi和12CrNi3A的熔点均为1510℃,但当温度升高100℃时,l2CrNi3A的粘度变化不大,而18CrMnTi的粘度却降低33%。

由于在相同的温度下,钢液的粘度不同,元素的扩散与传质及各种物化反应速度等也不同,因此为了保证冶金过程的顺利进行,在制订冶炼温度制度时就必须考虑钢液粘度的影响。

(2)熟知各种物化反应的温度范围。

冶炼温度制度的制订除了要掌握钢的熔点和钢液的粘度外,就是要熟知各种物化反应的温度范围。

例如,氧化期的脱磷和脱碳:前期主要是脱磷,温度应中等偏低;后期主要是脱碳,温度应逐渐升高。

另外,钢的熔点因碳的氧化而逐渐上升,氧化期的脱碳量一般大于0.30%,对于碳含量小于1.0%的钢液,熔点相应提高20℃以上,因此氧化后期的温度应更高些。

电炉炼钢的还原期主要进行脱氧、脱硫反应,其中脱氧是关键,考虑脱氧工艺特点及钢中原始硫含量,冶炼应在较高的温度下进行。

但是,钢液还原后,由于大量脱氧剂和合金元素的不断引入,钢的熔点是降低的,因而还原期的冶炼温度又理应是由高逐渐降低的。

如ZGMn13的熔点低,流动性较好,但当冶炼温度在1600℃以上时,钢中的锰将与耐火材料中的SiO2发生反应,易使炉衬损坏严重或造成漏炉事故,所以在制订ZGMn13钢冶炼温度制度时,不可不考虑这一特殊反应的温度范围。

(3)了解钢种的特性和易产生的冶金缺陷。

不同的钢种有不同的特性,易产生不同的冶金缺陷,对冶炼温度的要求也不一样。

一般对于碳含量低、熔点高、粘度大的钢种,确定的冶炼温度要略高一些,而对于含碳或含硅或含锰高、流动性好的钢种应稍低些。

对于白点、偏析、层状断口敏感的钢种,确定的冶炼温度要适当低一些,而对于要求检查发纹的钢种要适当高一些。

(4)考虑冶炼过程中的各种生成热和温度降。

冶炼温度制度的制订应考虑冶炼过程中的各种生成热。

如熔化期的吹氧助熔或C、Si、Mn等元素的氧化,均使熔池的温度升高;还原期许多脱氧元素与氧发生的反应也是放热反应,当用量较多时,如果不考虑,容易出现高温钢并浪费大量的热量。

此外,在制订冶炼温度制度时,还应考虑冶炼过程中的各种温度降,如氧化末期的全扒渣降温、造渣材料和各种铁合金从常温加热到熔点,再由固态转变为液态的吸热降温、中间出钢法的降温、出钢过程及包中精炼或采用固体合成渣的降温,镇静与浇注过程的降温等,如果忽视,易使冶炼出现低温钢或后升温。

2.钢液的升温由于脱磷,熔化末期至氧化前期,钢液的温度多是中等偏低的。

但为了保证熔池的激烈沸腾,脱碳反应在高温下进行,矿石的熔化也需要消耗一定是热量,随着碳含量的降低而钢的熔点提高,要求氧化期的钢液必须不断地进行升温。

此外,氧化期钢液的升温也为还原期造渣、脱氧、脱硫及合金化等创造了有利条件。

从熔体的加热条件上分析,氧化期钢液的升温比还原期有利,这是因为激烈的碳氧反应引起的沸腾火舌加速了热量的传递,可在短时间内迅速提高钢液温度以及使钢液温度变得更加均匀。

而还原期的熔池比较平静,钢液中因合金元素与脱氧剂的引入,粘度增加,不利于分子的热振动或自由电子的穿过。

另外,还原性钢液和氧化性钢液及还原渣和氧化渣的热导率不一样。

在还原性钢液中,合金元素和杂质的总含量比氧化性钢液中的高,在其他条件相同的情况下,还原性钢液的热导率不如氧化性钢液的高。

同理,还原渣的导热能力也不如氧化渣的好。

一般说来,静止熔渣的热导率要比沸腾熔渣的热导率低20~40倍。

电炉炼钢的弧光热是通过熔渣传给钢液的,尽管还原期引入了大量的合金元素与脱氧剂,钢的熔点虽然下降了,但总的情况仍然是不利于钢液的升温与加热。

钢液在还原后期的升温俗称后升温。

由于熔体的导热性能不好,后升温的速度极为缓慢且熔池中温度分布也不均匀,既延长了还原时间,又往往造成脱氧效果差,进而使钢中气体和夹杂物含量增加,也降低炉衬的使用寿命。

既不利于操作,又影响钢的质量。

因此,在冶炼过程中要求氧化末期钢液的温度要高于或至少应等于出钢温度。

然而,钢液的升温又不能无止境的过高,因过高的冶炼温度不仅浪费大量的原材料与电能,而且侵蚀炉衬严重,对于容量大的电炉炉台,由于热焓高,降温困难,易出现高温钢或影响还原操作及钢的浇注。

五、全扒渣与增碳 1.全扒渣 全扒渣就是将熔融炉渣全部扒除。

氧化结束后,熔池即将转入还原期,但为了迅速克服炉内的氧化状态以及防止熔渣中有害杂质的还原,需将氧化渣全部扒除。

全扒渣是氧化与还原的分界线。

熔化末期为了脱磷或去铬,出钢前为了脱硫或降温或使某些易氧化元素收得率高且又稳定,有时也需要进行全扒渣,我们这里指的是氧化末期的全扒渣。

A.氧化末期的全扒渣条件 氧化期各项任务完成后,钢液需要继续留在炉内进行精炼,这时只有具备下述条件方可进行全扒渣操作: (1)足够高的扒渣温度。

氧化末期钢液温度一般均高于出钢温度20~30℃,至少也应等于出钢温度(稀薄渣下加入大量铁合金的例外),这主要是考虑到扒渣时和扒渣后加入大量的造渣材料与铁合金以及抬电报扒渣等都会降低钢液温度。

此外,为了尽快形成稀薄渣和防止还原期后升温及保证脱氧、脱硫等冶金反应的顺利进行,也要求钢液要有足够高的扒渣温度。

(2)合适的化学成分。

钢中的碳含量应达到所需要的范围:一般碳素钢应达到规格下限附近;碳素工具钢应达到规格的中下限,合金钢全扒渣的碳含量应加上铁合金带入的碳含量、再加上造渣材料和脱氧工艺的增碳量达到规格下限附近。

磷含量在还原期只能增加,不能降低,这是由于全扒渣不彻底或飞扬悬挂在炉壁、炉盖处的渣中磷发生还原所致。

另外,加入铁合金中的磷也被带入钢中。

因此,氧化末期全扒渣前钢液中的磷含量应越低越好。

一般扒渣前对各种规格的磷含量应符合表表l2—3中的规定。

对于锰含量,在冶炼含锰低的钢种(如Tl0等钢)时,全扒渣前的锰含量应按表12—4的要求控制。

对于用途重要的高级结构钢或碳含量低于0.20%的钢液,在氧化末期应保持锰,并将锰的含量调到0.20%以上。

对于含Ni、Mo、W的钢种应将成分调到规格下限或中下限附近,其他残余元素的含量也应符合规格要求。

(3)调整好熔渣的流动性。

扒渣前要调整好熔渣的流动性。

因过稀的熔渣会从耙头两侧溜开,也容易带出钢水;过稠的熔渣操作费力,也不易扒出。

两者都延长扒渣时间,且又不易扒净。

因此,扒渣前调整好熔渣的流动性也是十分必要的。

B.氧化末期对全扒渣的要求及操作 因为氧化渣中(FeO)和磷含量很高,如果不扒净,还原期脱氧困难,脱氧剂用量增加,脱氧时间延长,同时钢中也回磷,所以氧化末期的全扒渣要求干净彻底,又因为扒渣过程中,钢水裸露,钢液急剧降温且吸气严重,所以又要求扒渣迅速。

为此,扒渣前要撬掉炉门残渣并垫好炉门(中小型炉台的除渣一般都通过炉门),提前准备好耙子和渣罐等。

扒渣多用木制或水冷的耙子。

扒时应首先带电扒去大部分,然后方可略抬电极进行,以免钢液降温太多。

也可根据需要向炉门一侧倾动炉体,以利于熔渣的快速扒除。

此外,在装有电磁搅拌的大型炉台上,可利用搅拌作用,把熔渣聚集到炉门中处,使扒渣操作易于进行。

2.增碳 增碳多是脱碳量不足或终脱碳过低所致,它是一种不正常的操作。

因为增碳过程易使钢中气体和夹杂含量增加,既浪费原材料,又延长冶炼时间,所以应尽量避免。

常见的增碳方法有四种: (1)补加生铁增碳。

由于该法降低钢液温度且又要求装入量在熔池允许的条件下进行,因此增碳量受到了限制,一般不大于0.05%。

(2)停电下电极增碳,但增加电极消耗,一般不提倡。

(3)扒渣增碳。

该法虽然收得率不够准确,但经济方便,因而比较多见。

(4)喷粉增碳。

该法操作迅速、简便,且准确而又不降低熔池温度,所以是目前最理想的增碳方法。

增碳应考虑加入铁含量带入的碳量以及还原工艺的增碳量(如电石渣)。

常用的增碳剂除生铁外,还有电极粉或焦炭粉等,它们的收得率不仅与增碳剂的质量和增碳数量及增碳方法有关,而且与所炼钢种、冶炼方法、钢液温度和炉龄情况有关.一般电极粉比焦炭粉收得率高;增碳量越多收得率越低;中碳钢比高碳钢和低碳钢的收得率要高;氧化法比不氧化法收得率要高;炉龄中期比炉龄初期和末期要低一些;钢液温度越高收得率越高;喷粉增碳的收得率比扒渣增碳高。

对于扒渣增碳,为了稳定增碳剂的收得率,必须将熔渣扒净,增碳剂加入后要用耙子在钢液面上进行充分地推擀,促进钢液对炭粉的吸收,然后加入造渣材料。

扒渣增碳过程中,为了减少吸气和避免增碳剂的回收不准,最好不通电。

六、氧化期操作1.判断氧化期进行程度的主要标志对于不配备炉外精炼的电炉炼钢,为了更好地去除钢中的气体和非金属夹杂物,氧化期必须保证熔池要有一定的激烈沸腾时间,因此在脱碳过程中要求要有一定的脱碳量和脱碳速度。

从现象上看,脱碳量、脱碳速度、激烈沸腾时间就是判断氧化期进行程度的主要标志。

(1)脱碳量 在电炉钢生产过程中,氧化期的脱碳量是根据所炼钢种和技术条件的要求,冶炼方法和炉料的质量等因素来确定。

一般说来,炉料质量越差或对钢的质量要求越严,要求脱碳量要相应高些。

生产实践证明,脱碳量过少,达不到去除钢中一定量气体和夹杂物的目的;而脱碳量过大,对钢的质量并没有明显的改善,相反会延长冶炼时间及加重对炉衬的侵蚀,浪费人力物力,因此脱碳量过大也是没有必要的。

一般认为,氧化法冶炼的脱碳量为0.20%~0.40%,返吹法则要求大于0.10%,而小炉台因脱碳速度快,可规定略高一些。

(2)脱碳速度 生产实践证明,脱碳速度过慢,熔池沸腾缓慢,起不到充分去气除夹杂的作用;而脱碳速度过快,在短时间内结束脱碳,必然造成熔池猛烈的沸腾,易使钢液裸露,吸气严重,且对炉衬侵蚀加重,这不仅对去气除夹杂不利,还会造成喷溅、跑钢等事故。

所以,电炉炼钢的脱碳要求要有一定的速度。

合适的脱碳速度应保证单位时间内钢液的去气量大于吸气量,并能使夹杂物充分排出。

一般正常的矿石脱碳速度要求为0.008~0.015%/min,而吹氧脱碳速度要求为0.03~0.05%/min。

(3)激烈沸腾时间 氧化期的脱碳量和脱碳速度往往还不能真实地反映钢液沸腾的好坏,必须再考虑熔池的激烈沸腾时间,只有这样才能全面地表明钢中去气除夹杂及钢液温度的均匀情况等。

然而熔池的激烈沸腾时间取决于氧化的开始温度、渣况及供氧速度等,即熔池的激烈沸腾时间与脱碳量和脱碳速度有直接关系。

但即使上述因素不完全具备,电炉炼钢工也可通过直接向熔池吹入氩气或CO气体等,保证熔池具有足够的激烈沸腾时间。

这里必须指出,向熔池中吹入氩气或CO气体,虽能制造良好的激烈沸腾,但它不能解决钢中杂质的氧化,而许多杂质的氧化是离不开氧的。

因此,在氧化期如果不向熔池中供氧,单凭吹氩或吹CO气体,最终也不能获得较为理想的纯净钢液。

在电炉钢生产过程中,氧化期熔池的激烈沸腾时间不应过短或过长,一般约在15~20min就可满足要求。

2.氧化期操作(1)氧化期操作的原则氧化期的各项任务主要是通过脱碳来完成。

单就脱磷和脱碳来说,两者均要求熔渣具有较强的氧化能力,可是脱磷要求中等偏低的温度、大渣量且流动性良好,而脱碳要求高温、薄渣,所以熔池的温度是逐渐上升的,根据这些特点,我们将氧化期总的操作原则归纳如下: 在氧化顺序上,先磷后碳;在温度控制上,先慢后快;在造渣上,先大渣量去磷,后薄渣脱碳;在供氧上,可先进行矿石或综合氧化,最后以吹氧为主。

(2)氧化期的一般操作 炉料全熔经搅拌后,取样分析C、Mn、S、P、Ni、Cr、Si、Cu,如钢中含有MO、W等元素也要进行分析。

然后扒渣并补造新渣,使氧化渣的渣量达到料重的3%~4%。

为了加速造渣材料的熔化可用氧气吹拂渣层,流动性不好时要用萤石调整,当温度达到l530℃以上开始用矿石氧化。

在氧化过程中,应控制脱碳速度,并掌握熔池的激烈沸腾时间;脱碳量要满足工艺要求,如果不足应选择适当时机进行增碳。

在氧化过程中,最好能够做到自动流渣,这样既有利于脱磷,又有利于后期的薄渣降碳。

为了掌握脱碳、脱磷情况及准确地知道不氧化元素的成分,在氧化中途还应分析有关的含量。

当加完矿或停吹后,熔池进入清洁沸腾,有的还要保持锰,在这同时,根据需要还要调整一些不氧化元素的成分,如Ni、MO等,使之达到规格的中下限,然后再取样分析C、Mn、P等及其他有关元素的成分。

当熔池具备扒渣条件时,即可进行全扒渣操作,而后转入还原期。

在氧化过程中,应正确控制熔渣的成分、流动性和渣量,无论是脱磷还是脱碳,都要求熔渣具有较高的氧化能力和良好的流动性。

理想的脱磷碱度应保持为2.5~3.0,而脱碳的碱度为2.0左右。

在冶炼过程中,有的因炉壁倒塌或炉底大块镁砂上浮,使氧化渣的流动性变坏,这时应及时地扒出。

良好的氧化渣应是泡沫渣,可包围住弧光,从而有利于钢液的升温和保护炉衬,冷却后表面呈油黑色,断口致密而松脱,这表明(FeO)含量较高、碱度合适。

氧化末期有时氧化渣发稠,这主要是炉衬粉化的镁砂和大量的非金属夹杂物上浮造成的。

冶炼高碳钢时,如熔渣发干,表面粗糙且呈浅棕色,表明(FeO)含量低,氧化性能差,这种现象在返吹法冶炼或纯氧氧化时出现较多。

冶炼低碳钢时,如氧化渣表面呈黑亮色,渣又很薄,表明(FeO)含量高,碱度低,这时应补加石灰。

(3)氧化期常见的几种典型操作 氧化期是在确知熔清成分和温度合适的条件下开始的,但有时熔清成分不是那么理想,常见的有碳高、磷高;碳高、磷低;碳低、磷高;碳低、磷低等几种典型情况,现分述如下: a.碳高、磷高。

此时应在氧化初期,利用熔池温度偏低的机会集中力量脱磷,并在脱磷过程中,逐渐升温,为后期脱碳创造条件。

具体操作是:全熔扒渣后制造较大的渣量,可吹氧化渣并升温,然后加入矿石粉或氧化铁皮及适量的矿石,以利于脱磷。

在这同时,要保证熔渣流动性良好,当温度合适后,再分批加入矿石制造脱碳沸腾,并自动流渣,补充新渣或进行换渣操作,这样很快就能使磷满足扒渣的许可条件。

如果全熔换渣后改用喷粉脱磷效果更好。

在碳高、磷高的情况下,氧化前期的操作以脱磷为主,后期以脱碳为主。

当然,高水平的操作也可两者兼顾,直至全面满足工艺要求为止。

b.碳高、磷低。

如果没有满足扒渣的许可条件,这时的操作除采用喷粉脱磷外,还可利用脱碳沸腾,并在脱碳过程中去磷。

具体操作是:全熔扒渣后制造较大的渣量,用氧气化渣升温,当温度合适后开始降碳,并适时地加入矿石或氧化铁皮等,使其自动流渣、并补选新渣,这样很快就能将磷降到扒渣许可的条件,最后采用高温、薄渣脱碳直至满足工艺要求为止。

如果已满足扒渣的许可条件,这时的操作主要是制造熔池沸腾和降碳,与此同时升温。

具体操作是:全熔扒渣后制造合适的渣量,用氧气快速化渣与升温,当温度合适后,可采用矿氧并用或纯氧脱碳,直至满足工艺要求为止。

c.碳低、磷高。

这时应集中力量去磷,然后增碳,当温度上来后,再制造脱碳沸腾直至满足工艺要求为止。

d.碳低、磷低。

这时的操作主要是增碳,然后再脱碳激烈沸腾,与此同时快速升温。

如果炉料质量较好,即杂质较少,而激烈沸腾时间不够时,也可借助于直接吹入氩气或吹CO气体来弥补熔池的沸腾,以满足工艺要求。