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钢的冶炼之电弧炉炼钢与感应炉炼钢

     电弧炉炼钢自诞生以来,随着科学技术的进步,其钢产量及基比例始终在稳步增长。由于对合金钢和高质量钢材的需求增加,大型超高功率电炉技术的发展和炉外精炼持技术的采用,使电炉炼钢技术有了很大的进步。2001年世界电弧炉钢产比例达到35%。
     目前电弧炉的发展趋于超高功率化和大型化。较多的电弧炉容量为60-120t,世界最大容量的电弧炉达到415t。我国最大的电弧炉为150t,30t以下的小炉子还占有一定的比例。
     电弧炉炼钢以废钢为主要原料,根据炉衬材质和造渣材料不同,有碱性法和酸性法之分,最常用的是碱性法。
     传统碱性电炉炼钢方法较多,其中氧化法是最基本的冶炼方法,可分为补炉、装料、熔化、氧化、还原与出钢等六个阶段。电炉以废钢为原料,一般用炉顶料筐装料,碱性炉先用料重1%-2%的石灰垫底,再装入废钢,并随炉料装入难熔的铁合金和使用量大而与氧亲和力小于铁的元素,如镍、钴。然后起弧熔化,并及时吹氧助熔,熔化期占整个冶炼时间的50%左右。在溶化期生成的初期渣有一定的氧化性和较高的碱性,可脱除一部分磷。氧化期的主要任务是继续脱磷到要求,脱碳至规格下限,利用C-O反应,去气和去夹杂,提高钢液的温度,扒除氧化渣,造稀薄渣,然后进入还原期。还原期的主要任务是脱氧、脱硫、调整钢液成分进行合金化、调整钢液温度,然后出钢。出钢温度应比钢的熔点高出120℃左右,传统电炉冶炼周期很长,每炉冶炼需3-4h。这既难以保证对钢材越来越严格的质量要求,又限制了电炉生产率的提高。
     现代电弧炉炼钢冶炼工艺的主要特点是将电炉与炉外精炼相结合生产出成品钢液,电弧炉只是一个高效熔化器和氧化精炼器,还原期任务在炉外精炼过和中完成。合金化一般是在出钢过程中在钢包内完成,那些不易氧化、熔点又较高的合金,如Ni、W、Mo等铁合金可在熔化后加入炉内。出钢时钢包中合金化为预合金化,精确的合金成分调整最终是在精炼炉内完成的。现代电弧炉炼钢技术通过强化电弧炉本身的冶炼能力和发展炉外精炼技术,使冶炼周期缩短,使之与连铸匹配成为可能。
     强化电弧炉本身的冶炼能力,使冶炼周期缩短的主要措施:发展超高功率(UHP)电炉、无渣出钢技术、泡沫渣埋弧技术、氧燃烧嘴技术、电炉底吹搅拌技术、二次燃烧技术、铁水热装技术、废钢预热技术等。
     1964年美国开发出超高功率是弧炉。超高功率电弧是指电炉所匹配的炉用变压器功率化较大,容量一般在700-1000kV.A/t,而普通功率电弧炉小于400kV.A/t.UHP电弧炉主要优点是可能缩短熔化时间、提高生产率、提高电热效率、经济效果显著。20世纪70年代。全世界都大力发展UHP电弧炉,几乎不再建普通功率电弧炉。
     UHP电弧炉的功能是熔化和氧化,而将还原过和转移到炉外精炼中进行。因此,氧化渣就不能进入精炼炉,以满足炉外精炼的还原条件。为了避免氧化性炉渣进入钢包精练过程,出现了一些无渣出钢技术,其中,效果最好、应用最广泛的是偏心炉底出钢(eccentric bottom tapping,EBT)法。EBT这种电弧炉的结构是将传统电炉的出钢槽改成出钢箱。出钢时,电炉向出钢侧倾动少许,开启出钢机构,钢液流入钢包。当钢液出至要求的95%时,电炉迅速蜀犬吠日倾,以防止下渣。将少量钢水同钢渣一同留在炉中,有利于下一步炉料的融化和脱磷。这种方法出钢快、钢流短、降温少、吸气少,可缩短出钢时间、降低有耗。
     泡沫渣技术适用于大容量UHP电弧炉。它是利用向渣中喷碳粉和吹入的氧气产生的一氧化碳气泡,通过渣层而使炉渣泡沫化,生成很厚的泡沫渣,实现埋弧操作,因而提高了电弧对熔池的传热效率,加速反应,缩短冶炼时间。
     为了强化冶炼过程,还广泛使用氧燃烧嘴助熔,所用燃料有煤、油或天然气。为了改善电炉熔池搅拌状况,研究出电炉底吹搅拌技术,在电炉炉底安装供气元件,向炉内熔池吹Ar、N2搅拌钢液。
     在现代电弧炉炼钢过程中,由于钢水脱碳和采用泡沫渣操作,电弧炉内产生大量高温的CO,其总量的60%-70%未经炉内燃烧而直接进入除尘系统。二次燃烧技术是使用二次燃烧氧枪,将氧气吹送到溶池上方,将炉气中大部分的CO燃烧成CO2,放出大量的热量返回熔池,使炉气中潜在的化学能得到有效的利用。
     铁水热装技术可以大幅度降低热耗,提高钢水的纯净度,稀释废钢带入的有害元素,缩短冶炼周期。铁水加入量一般为炉料的30%-40%
     电炉采用超高功率化与强化用氧技术,使废气量增加,废气温度高达1200℃以上。利用电炉排出的高温废气将废钢在熔炼前预热,可以提高炉料带入的物理热。
     现代UHP电弧炉由于综合采用各种强化冶炼和节能技术,每炉钢的冶炼周期已缩短到45-60min,同时降低了成本。早期。特殊钢要用电弧炉生产,这是由于电弧炉可能利用废钢中的合金元素,冶炼过程中钢水温度可以长时间地精确控制。随着社会废钢的积累、直接还原技术的开发、电力工业的发展、电弧炉炼钢技术和炉外精炼技术的迅速发展,电弧炉钢厂越来越多地生产普通钢,而转炉钢厂越来越多的生产特殊钢。电弧炉炼钢、转炉炼钢两种方法,无论是炼特钢还是普通钢,从质量上、经济上越来越接近。
     感应炉炼钢
     感应炉炼钢是利用感应电热效应加热、熔化金属的炼钢方法,它特别适合于用优质原料(优质废钢、铁合金等)冶炼少量优质钢和合金。炼钢使用无芯感应炉,按电源频率的不同,可以分成高频(>50-104Hz)和工频(50-60Hz)三种,以中频炉为主。为坩埚材质常用碱性的氧化镁或含氧化镁高的铝镁坩埚,能承受碱性渣侵蚀 ,适于熔炼各种钢种和合金。感应炉一般不进行脱碳、脱磷、需选用好的原料。熔炼时没有氧化期,元素烧损很少,可精确配料。

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