電弧爐單渣煉鋼

電弧爐單渣煉鋼通常指電弧爐煉鋼過程不扒除氧化渣即進行還原的一種操作方法。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，由於脫磷後渣中含磷低，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、升溫後即可出鋼，二者均屬單渣法。

基本介紹

• 中文名：電弧爐單渣煉鋼
• 外文名：single-slag of EAF
• 類別：電弧爐煉鋼
• 學科：冶金工程
• 工藝流程：裝料、熔化、調整
• 套用：鋼鐵冶煉

介紹

電弧爐單渣煉鋼起初是指以返回法冶煉合金鋼(如不鏽鋼)時的單渣煉鋼。以返回廢鋼為主要爐料，熔化後期少量吹氧助熔，不扒除氧化渣，即進進還原期，用脫氧劑(矽鐵粉、矽粉或鋁粉等)還原渣中珍貴元素的氧化物，使這些元素返回鋼中，由於渣中的磷也會被還原進鋼液，故要求原料中磷含量低於成品鋼規格。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，熔清後不進行脫碳沸騰，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採用此法。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，電爐煉鋼鑑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量的經驗，改革電爐煉鋼工藝，取消還原期，採用只造氧化渣，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量，又降低了能量和材料的消耗。縮短冶煉時間。又相應出現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。

簡史

電弧爐煉鋼起源可上溯到1853年，法國人皮鬆(Pisson)用兩根水平電極在熔池上方發生電弧間接加熱熔池熔鍊金屬成功。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，未能用於生產。近代電弧爐煉鋼 的雛型是 1907 年美國出現的埃魯(P.L.T.Heroult)式電弧爐—三相交流電弧爐。由於其功率大、工藝靈活、可用廢鋼為原料、產品質量高而贏得市場，隨後推廣到各國。電弧爐煉鋼是生產中、高合金鋼和優質鋼的主要方法。在電能和廢鋼資源多且便宜的工業發達地區，電弧爐生產的普通碳素鋼，已在市場占有日益增大的份額。隨著工業和技術的發展對合金鋼、優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)。由於各國資源、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，表2為幾個主要工業國電爐鋼在粗鋼總產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。

工藝原理

單渣法煉鋼依工藝流程分為三個階段：

裝料階段

用石灰石+礦石+炭粉做墊料，上面按常規布金屬爐料。石灰石用作墊底熔劑，通過高溫分解出來的CaO較純淨，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、脫磷反應能力。隨著溫度的升高，CaCO₃→CaO+CO₂反應加劇，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的動力學條件，明顯加快了其反應速度。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。這種複合造渣墊料在熔化期(主要在初、中期)將產生的化學反應還有:
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計的合理性。

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(不吹氧操作應補加礦石)，並通電吹氧助熔。為了有效利用氧氣，宜吹高溫區，並不斷地用耙子把低溫處的料推向高溫區。氧壓以(0.4～ 0.8)kPa為宜，熔渣後調整氧壓開始吹氧脫碳，適時掌握脫碳程度後，停吹。快速升溫至要求達到的工藝溫度時取樣分析。

調整階段

從扒渣開始到澆注前為調整階段。這階段主要任務是通過對鋼液的成分、溫度、液態結構的調整保證單渣鋼的熔煉品質。取樣後扒渣，同時應檢查爐底是否有殘料。扒渣畢，即投少許碳化矽、矽鋁鐵合金進行複合預脫氧，輕度攪拌液面片刻後，迅即視液面渣況可酌情撒一稀薄層珍珠岩粉，然後加入合金爐料及其它微量材料並埋弧快速升溫到出鋼溫度。出鋼前，將經預熱的矽鋁鐵合金和稀土矽鐵合金置於包底，在鋼液出爐時用矽鈣合金在出流槽處沖鋼水。若用鋼包轉澆注包澆注，則稀土合金可放在轉包內處理效果更佳。經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，尚有相當的硫、磷、碳化合物存在於渣相中。在隨後的預脫氧過程中，碳化矽、矽鋁鐵與鋼液的比重差會造成浮在鋼渣上燒損的現象，故應扒掉全渣。

為防止鋼液大面積氧化，應迅即進行SiC+ Si₂₀Al₅₀Fe的預脫氧。Si₂₀Al₅₀Fe在脫氧過程中生成矽鋁酸鹽複合氧
化物，從而降低了鋁的活度，使脫氧產物順利上浮到渣中，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於反應；SiC在脫氧過程中，碳和矽是在同一熔池層面上，同時按[SiC]+ 3[O]= SiO2+CO進行脫氧反應，脫氧產物CO氣體的排出過程穩定地促進著矽的脫氧反應，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，產生一定程度的泡沫渣，既可減少弧光對爐襯的輻射，穩定爐渣組成，也改善了爐內傳熱條件，這些都有利於脫硫。用Si-Ca+ Si₂₀Al₅₀Fe+ 1#稀土矽鐵合金進行澆注前的鋼液終端複合處理，其主要目的是:獲得高純淨鋼液；改變非金屬夾雜量、尺寸形態及分布狀況。

這些變質合金的非均質生核能的大小是按SiO₂，Al₂O₃和Ce₂O₃的順序增大，這樣分級複合處理的最佳效果應是最後加稀土合金。如生產上澆注不用轉包，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複合處理時採用小顆粒Si₂₀Al₅₀Fe+大顆粒1#稀土矽鐵合金+小顆粒Si-Ca。上述具體工藝參數，往往部分靠經驗得出;有的在實驗室作出後還需再用調優設計(Evolutionary operation)確定其最佳工藝參數。

單渣法煉鋼新工藝的設計思想主要體現於：快速熔煉、減少吸氣、熔氧結合、早期精煉、強化脫硫、複合處理,重視靜置、高溫出爐。

發展前沿

電弧爐單渣法煉鋼前沿研究的主要內容是：用沉澱脫氧法為主的複合脫氧取代傳統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；在預脫氧後合金化處理；以稀土元素為主組成的分級複合變質；用複合脫氧劑終脫氧；全程大功率、大電流;以礦石+吹氧組成分級複合脫碳；施行不換渣，少流渣或不流渣操作。其綜合冶煉質量指標可達到或超過用傳統三期熔煉法生產的鋼的品質。