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1、第二节 炼钢工艺和炉外精炼,炼 钢 方 法（1）,最早出现的炼钢方法是1740年出现的坩埚法，它是将生铁和废铁装入由石墨和粘土制成的坩埚内，用火焰加热熔化炉料，之后将熔化的炉料浇成钢锭。此法几乎无杂质元素的氧化反应。,炼钢的发展历程,炼 钢 方 法（2）,1856年英国人亨利贝塞麦发明了酸性空气底吹转炉炼钢法，也称为贝塞麦法，第一次解决了用铁水直接冶炼钢水的难题，从而使炼钢的质量得到提高，但此法要求铁水的硅含量大于0.8%，而且不能脱硫。目前已淘汰。,炼 钢 方 法（3）,1865年德国人马丁利用蓄热室原理发明了以铁水、废钢为原料的酸性平炉炼钢法，即马丁炉法。1880年出现了第一座碱性平炉。由
2、于其成本低、炉容大，钢水质量优于转炉，同时原料的适应性强，平炉炼钢法仍一时成为的主要的炼钢法。,炼 钢 方 法（4）,1878年英国人托马斯发明了碱性炉衬的底吹转炉炼钢法，即托马斯法。他是在吹炼过程中加石灰造碱性渣，从而解决了高磷铁水的脱磷问题。当时，对西欧的一些国家特别适用，因为西欧的矿石普遍磷含量高。但托马斯法的缺点是炉子寿命低，钢水中氮的含量高。,炼 钢 方 法（5）,1899年出现了完全依靠废钢为原料的电弧炉炼钢法(EAF)，解决了充分利用废钢炼钢的问题，此炼钢法自问世以来，一直在不断发展，是当前主要的炼钢法之一，由电炉冶炼的钢目前占世界总的钢的产量的30-40%。,炼 钢 方 法（6
3、）,瑞典人罗伯特杜勒首先进行了氧气顶吹转炉炼钢的试验，并获得了成功。1952年奥地利的林茨城(Linz)和多纳维兹城(Donawitz)先后建成了30吨的氧气顶吹转炉车间并投入生产，所以此法也称为LD法。美国称为BOF法（Basic Oxygen Furnace）或BOP法。,LD/ BOF/ BOP,炼 钢 方 法（7）,1965年加拿大液化气公司研制成双层管氧气喷嘴，1967年西德马克西米利安钢铁公司引进此技术并成功开发了底吹氧转炉炼钢法，即OBM法(Oxygen Bottom Maxhuette) 。1971年美国钢铁公司引进OBM法，1972年建设了3座200吨底吹转炉，命名为Q-BO
4、P (Quiet BOP)。,炼 钢 方 法（8）,在顶吹氧气转炉炼钢发展的同时，1978-1979年成功开发了转炉顶底复合吹炼工艺，即从转炉上方供给氧气（顶吹氧），从转炉底部供给惰性气体或氧气，它不仅提高钢的质量，降低了消耗和吨钢成本，更适合供给连铸优质钢水。,炼 钢 方 法（9）,我国首先在1972-1973年在沈阳第一炼钢厂成功开发了全氧侧吹转炉炼钢工艺。并在唐钢等企业推广应用。,总之，炼钢技术经过200多年的发展，技术水平、自动化程度得到了很大的提高，21世纪炼钢技术会面临更大的挑战，相信会有不断的新技术涌现。,主要炼钢工艺： 平炉 转炉 电炉, 平炉 Open Hearth,碱性平炉
5、炼钢：以液态生铁或废钢为原料；利用炉气和矿石供氧；以气体或液体燃料供热。, 氧气顶吹转炉 Basic Oxygen Furnace,电弧炉 Electric-arc Furnace,2.1 氧气顶吹转炉炼钢工艺：,2.1.1 设备,炉体与倾动机构 吹氧设备 废气处理设备 供料设备,氧枪,2.1.2 氧气顶吹转炉炼钢工艺：, 装料 铁水、废钢下降氧枪加造渣料 吹炼 前期 温度低于1400-1500， Si, Mn, Fe, C开始氧化。 中期 温度高于1500，碳氧化速度高。 后期 超过1600，碳氧化速度比中期低。 测温、取样化验 脱氧出钢与合金化 溅渣护炉,氧枪位置的确定, 开吹时氧枪枪位采
6、用高枪位，目前是为了早化渣，多去磷，保护炉衬； 在吹炼过程中适当降低枪位的保证炉渣不“返干”，不喷溅，快速脱碳与脱硫，熔池均匀升温为原则； 在吹炼末期要降枪，主要目的是熔池钢水成分和温度均匀，加强熔池搅拌，稳定火焰，便于判断终点，同时使降低渣中Fe含量，减少铁损，达到溅渣的要求。,吹炼一炉钢过程中金属、炉渣成分的变化,顶吹转炉吹炼各期的特点,思考：分析顶吹转炉吹炼各期脱P、S的特点？,磷的变化规律,前期不利于脱磷的因素是炉渣碱度比较低，因此，为及早形成碱度较高的炉渣，是前期脱磷的关键。 中期不利于脱磷的因素是（FeO）较低，因此，如何控制渣中(FeO)达10%-20%，避免炉渣“返干”是中期脱
7、磷的关键。 后期不利于脱磷的热力学因素是熔池温度高。,硫的变化规律,吹炼前期，由于温度和碱度较低，（FeO）较高，渣的流动性差，因此脱硫能力较低，脱硫速度很慢； 吹炼中期，熔池温度逐渐升高，（FeO）比前期有所降低，碱度因大量石灰熔化而增大，熔池乳化比较好，是脱硫的最好时期； 吹炼后期，熔池温度已升至出钢温度，（FeO）回升，比中期高，碱度高熔池搅拌不如中期，因此，脱硫速度低于或稍低于中期。,LD/ BOF/ BOP,OBM/ Q-BOP,LD- Q- BOP,2.2 电炉炼钢及其发展,电炉是采用电能作为热源进行炼钢的炉子的统称。 按电能转换热能方式的差异，电炉可分为： 电渣重熔炉利用电阻热；
8、 感应熔炼炉利用电磁感应； 电 子 束 炉依靠电子碰撞； 等 离 子 炉利用等离子弧； 电 弧 炉利用高温电弧，不包括加热炉、热处理炉等。,2.2.1 前言,钢的品种结构实现“全方位竞争”,电炉钢不但在传统的特殊钢和高合金钢领域继续保持其相对优势，而且正在普钢领域表现出强劲的竞争态势。 在产品结构上，电炉钢几乎覆盖了整个长材生产领域，诸如圆钢、钢筋、线材、小型钢、无缝管，甚至部分中型钢材等。并且正在与转炉钢争夺板材（热轧板）市场。 总之，电炉的发展使得平炉完成它的使命，并与转炉形成竞争，此格局将在较长时期内存在。,电炉生产流程,当今钢铁工业所采用的炼钢流程，经150年来的发展竞争，目前基本形成
9、了两类流程： 以铁矿石、煤炭为源头的“高炉转炉炼钢流程”； 以废钢、电力为源头的“废钢电炉炼钢流程”。 废钢电炉炼钢流程，具有流程短，设备布置、工艺衔接紧凑，投入产出快，故称其为“短流程”。 “短流程”的特征：该流程必须是高效、节能，是世界上流行的“三位一体”或者“四个一”。也正是由于这种高效、节能的短流程才赋予给电炉炼钢强大的生命力。,“短流程”的优越性：,投资省1/31/2：每吨钢的投资长流程为10001500美元/t，短流程为500800美元/t ； 建设周期短1/2：长流程为24年，短流程为12年； 生产能耗低1/2； 操作成本低1/4；,“短流程”的优越性：,劳动生产率高13倍：长流
10、程为500900t/a.p，短流程为10003000 t/a.p ； 占地面积小1/23/5； 环境污染少： 可减少冶金渣40%、减少废弃物97%、减少废气86%、减轻水污染76%，在人类生存环境日益恶化的今天，使用废钢炼钢意义深远。J,表1-8 流程物质、能源及环境负荷情况比较,后语,综上分析可见，充足的废钢资源与环保意识的加强，以及能源与流程的优势，有利于钢铁工业的可持续发展，使得以废钢为主要原料的电炉炼钢前途光明。 近年电炉短流程的发展及电炉钢产量的高速增长，也正是由于电炉短流程的经济效益与环境优势。, 之一废钢暂时短缺，北科大黄务涤指出：印度、韩国废钢存储量远不如中国，他们采取部分进口
11、弥补不足，以发展电炉，即废钢不足不是理由； 之二是中国电价高的不合理，宝钢周渝生指出：美国电炉用电价格合0.25元/kWh，韩国从中国内地运煤去发电，电炉用电价格却比我们低，这才是问题的症结所在。还有不少国家对电炉用电出于环保原因，还有优惠政策等。 之三废钢铁价格高，国家税收政策有待改进，如大力开发国外资源，废钢铁进口实现零税制。,我国电炉钢成本高的原因：,2.2 电炉炼钢设备,电弧炉,主要包括机械结构和电气设备两部分 电炉大小与分类 电炉的机械结构 电炉排烟与除尘 电炉的电气设备 电炉电气特性与供电制度,2.2.1 电炉的大小,电炉的大小可以用其熔池的额定容钢量来表示常称为额定容量、公称容量
12、或标准容量，也常用炉壳直径表示。电炉的公称容量/炉壳直径一般在1.6t/1.8m350t/9.0m范围。 随着电炉超高功率化、大型化的发展，炉子大与小的区分界限也在改变，通常把40t4.6m以下的电炉看作小炉子，把50t5.2m以上的电炉看作大炉子。,电炉生产技术经济指标大幅度提高,我国不少钢厂在冶炼周期、电耗及电炉利用系数等方面已进入国际先进，甚至国际领先行列，50%以上的大型超高功率电炉的生产率超过6000吨/（t.a），有的甚至超过8000吨/（t.a）。 大多数电炉的冶炼周期、电耗及电极消耗均突破642，即冶炼周期60min，电耗400kWh/t，电极消耗2kg/t的水平；或看见531
13、的高水平。,2.2.2 电炉的机械结构,主要由四部分组成： 炉 体 装 置； 炉子倾动机构； 电极升降机构； 炉盖升转机构。,水冷炉壁与水冷炉盖的形式,大型电炉高功率电炉要采用水冷炉壁与水冷炉盖，其形式有板式、管式及喷淋式等，但比较普遍的是管式。 水冷炉壁的材质主要为钢质的，也有将水冷炉壁下面靠近渣线附近水冷块换成铜质的，以增加冷却强度。整个水冷炉壁由 6 12个水冷构件组成，布置在距渣线350mm 以上的炉壁上，占炉壁面积的80%以上，见图2-4。采用水冷炉壁后炉容积扩大，增加了废钢一次装入量，提高炉衬寿命。 水冷炉盖的材质均为钢质的。整个炉盖可由一个或5 6个水冷构件组成，,2.2.3 排
14、烟与除尘 排烟方法：,目前，世界范围电炉采用的排烟方法有：炉顶开孔排烟法（第四孔或第二孔）、车间屋顶大罩法、电炉封闭罩法，以及它们之间的结合法等，电炉排烟除尘方法见图2-8。 宝山钢铁公司150t双壳电炉则采取三级排烟，即炉顶第二孔排烟（为单电极直流电炉）电炉封闭罩车间屋顶大罩，使之成为“无烟”车间，并采用炉顶第二孔排出的高温废气进行废钢预热。四孔排烟与封闭罩结合法见,图2-8 电炉排烟除尘方法,1）除尘方法与特点 大多数电炉的除尘均采用布袋除尘法。它是用多孔编织物制成的过滤布袋，有玻璃纤维的，工作温度260，但寿命低为12年；大多数用聚脂纤维，即涤纶的，工作温度低135，但涤纶耐化学腐蚀性能
15、好、耐磨，其寿命高为35年。近年也有一些新材料的出现。其特点是： 价格便宜、设备简单、运行可靠、操作容易以及便于增容； 布袋工作温度低和除尘系统占空间较大。,2）布袋除尘器结构与工作原理,若干条数米长的布袋布置在除尘室中，当烟尘经冷却后（135）进入除尘室中，经布袋过滤后的净气离开除尘室进入排气筒（烟囱）排空； 当布袋中灰尘（外壁或内壁）聚积至一定厚度时，对气流的阻力加大，布袋的内外压差增大，将触发一个信号，启动空气反吹或振打装置，使灰尘由布袋外壁（或内壁）下落，进入到布袋除尘器下部的灰仓中，再经铰笼运送至储灰室，灰尘定期进行清理。,电弧 电炉是利用电弧产生的高温（其温度高达30008000）
16、进行熔炼金属的。 电弧是气体放电（导电）现象的一种形态。 气体放电的形式：按气体放电时产生的光辉亮度不同可分为：无声放电弱，辉光放电明亮，电弧放电炫目三种 。 电弧产生过程：按直流讨论交流的瞬间。从电炉操作的表面现象看，合闸后，首先使电极与钢铁料做瞬间接触，而后拉开一定距离，电弧便开始燃烧起弧。,电弧产生过程：,实质上，当两极接触时，产生非常大的短路电流，在接触处，由于焦耳热而产生赤热点，于是在阴极将有电子逸出。 当两极拉开一定距离后（形成气隙），极间就是一个电场。 在电场作用下，电子向阳极加速运动，在运动过程中与气体分子、原子碰撞，使气体发生电离。这些电子与新产生的离子、电子在电场中做定向加速运动的过程，又使另外的气体电离。 这样电极间隙中的带电质点数目会突然增加，并快速向两极移动，气体导电形成电弧。 电流方向由阳极向阴极。,由此可见，电弧产生过程大致分四步： 短路热电子放出；
