铸造合金及其熔炼 第九章 电弧炉炼钢

为了促使脱碳反应进行，需要创造一定的温度条件。 在较低的钢液温度下，碳被氧化得少，铁被氧化得多，而 在较高的温度下，碳被氧化得多，铁被氧化得少。这种变 化是由于碳-氧亲和力与铁-氧亲和力随着温度的变化而改 变的结果。图9-8是碳的氧化反应和铁的氧化反应的生成 自由能图。由图可见，当温度超过一定值（1000℃）以后， 碳-氧的亲和力就超过铁-氧的亲和力。因此，在炼钢生产 上规定，在氧化期中，只有在钢液温度超过一定的温度 (热电偶温度为1530℃)时，才可以吹氧和加矿石脱碳。
1）炉渣的碱度和氧化性 ） 为了促使脱磷反应进行，应造高碱度和强氧化性的 炉渣。图9-5表明炉遭碱度和渣中FeO含量对磷在炉渣中和 钢液中的分配比值的影响。分配比值愈高，表明钢液中的 磷转移到炉渣中去的愈多，即脱磷效果愈好。由图可见， 随着炉渣碱度和氧化亚铁含量的提高 ，磷的分配比值也 增大，但是当碱度超过3. 0以上时，进一步提高碱度并不 能将磷的分配比提得更高。实际上。炉渣碱度太高时，使 得炉渣的粘度增大，反而会使脱磷效果降低。
4、电极升降机构 、
在炼钢过程中，为了使电极能灵敏地、频繁地上下 运动，以便随时调节通过电极的电流，达到稳定电弧的目 的。对电极的升降是实现自动控制的;由自动控制电器系 统操纵液压阀，以驱动使电极升降的液压缸，从而使电极 作向上或向下运动。
5、倾炉机构 、
在炼钢过程中，为了除渣和出钢，需要倾动电炉。倾 炉机构有两种驱动方式:机械驱动式和液压驱动式。图9-1 中所示为液压驱动式倾炉机构:炉体的下面装有月牙板以 支承炉体重力，月牙板可在支承轨道上滚动。而炉体 的倾动是由液压缸驱动的。
6、电气装置 、
三相电弧炉的主要电路示意如图9-4。高压供电线路的电压一般是10000V 或35000V，高压线路的电流经过空气断路器、高压油开关、塞流线圈、电压切换 开关而接在变压器的一次线圈上。经过降压以后，由变压器的二次线圈以低电压 （大约200-400V）供给电极。空气断路器是一个电源开关，它是经常闭合的，只 有在修理电炉需要停电时，方才断开。高压油开关是在炼钢过程中接通或切断电 源时使用的，它需要经常接通或切断，在炼一炉钢的过程中往往要开闭几次。塞 流线圈(电抗器)是一个带有铁芯的感应线圈，当电流通过时起阻抗和稳定电流的 作用。在炼钢中熔化炉料时，当炉料崩塌碰到电极时，发生短路，容易烧毁变压 器和其它电器，此时，塞流线圈产生反电动势，能限制电流过大，达到保护电器 设备的作用。此外，塞流线圈还起稳定电弧的作用。但是。塞流线圈本身要消耗 一定的电能，所以只有在熔化初期才使用塞流线圈。当熔化过程正常，不会再发 生短路以后，就用分流开关将塞流线圈从电路中切除掉。近年来随着电炉的电控 系统灵敏度的提高，已有可能在发生短路的瞬间，自动将电源切断，因而甚至在 熔化炉料的阶段中，也可以不用塞流线圈了。
2、配料和装料 、 为了炼好钢，需要事先配好炉料。电弧炉炼钢所用的 炉料应主要由碳素废钢和废碳钢铸件所组成。也可适当搭 配一部分炼钢生铁。配料的基本要求是要使炉料有适宜的 平均含碳量。此含碳量应是所炼钢种的规格含碳量加上为 了在氧化期中精炼钢液所需要的氧化脱碳量。氧化脱碳量 的数值一般为0.3%-0.4%，当炉料主要是由比较洁净的废 钢料组成时.氧化脱碳量取下限。而当炉料锈蚀比较严重， 或含有较多的薄钢皮和钢屑，以及生铁占比例较大时，氧 化脱碳量取下限。将配好的炉料装在开底式的料斗中备用。 补炉完毕后，往炉中装料以前先在炉底上铺一层石灰， 其质量约为炉料质量的用是在炉料熔化的过程中造渣脱磷， 此外在加料时能减小炉料对炉底的冲击作用，然后可将炉 料加入炉中。
吹氧-矿石脱碳法 吹氧 矿石脱碳法 用矿石脱碳的优点是过程比较平缓，易于控制，但 过程较长，耗电较多。用氧气脱碳的优缺点则与此相反， 故目前电弧炉炼钢多采用吹氧加矿石相结合的脱碳法。在 吹氧-矿石脱碳法中，一般分2-3批加矿石，在两批矿石之 间吹氧，以提高钢液温度，促进钢液脱碳反应的进行。采 用吹氧-矿石脱碳方法时，所用矿石和氧气的量应比单独 使用矿石或单独使用氧气时相应减少。
2、炉盖 、
炉盖是用钢板制成炉 盖圈（空心的，内部通水 冷却），圈内砌耐火砖。 碱性炉一般是用高硅砖砌 筑炉盖。图9-3是用高铝砖 砌成的炉盖。电弧炉炉盖 也有用耐火水泥捣制或整 体为钢板焊制、中空通水 冷却的。
3、装料机构 、
机械化装料是将配好的全部炉料，预先用电磁吊车 装入开底式加料罐内备用。在加料时，先将沪盖升起并旋 转，以露出炉膛，用吊车将加料罐吊到炉体上方，打开料 罐底，将炉料卸在炉中。
钢液经过在白渣或电石渣下充分地还原以后，含氧量 和含硫量都已降到合格的程度。这时可以测量钢液温度。 当钢液温度达到出钢温度要求时，可以调整钢液的化学成 分。冶炼碳钢时，加入适量的硅铁和锰铁来调整含硅量和 含锰量。冶炼合金钢时，除了调整含硅量和含锰量以外， 还要调整合金元素含量。 化学成分调整好后，即可用铝脱氧(最后的脱氧，称 为“终脱氧”)。用铝脱氧有两种方法:插铝法和冲铝法。 插铝法是在临出钢以前，用钢钎将铝块插到钢液中进行脱 氧。冲铝法是在出钢时，将铝块放在出钢槽上，利用钢液 将铝冲熔进行脱氧。在这两种方法中，以插铝法效果较好。 冲铝法的操作比较简便，但有时会发生铝块被炉渣裹住， 不能起到脱氧作用的情况。插铝时应停电操作。擂铝后， 升起电极，倾炉出钢。钢液在钢水包中镇静5min以上后 开始浇注。
2）炉渣的粘度 ） 脱磷在炉渣-钢液的界面进行，粘度大，不利扩散的 进行，不利脱磷。 3）渣量 ） 渣量大有利脱磷，但消耗大量的能源
4）温度 ） 脱磷是放热反应，பைடு நூலகம்度低，有利脱磷进行，温度高， 会出现“返磷现象”，所以，氧化终期及时除渣。
3、脱碳 、 脱碳反应是炼钢生产上最重要的反应。在脱碳的过 程中，产生大量的一氧化碳气泡，使熔池受到强烈的搅动 (图9-7)，使得钢液温度和化学成分均匀，并能有效地清除 钢液中的气体和非金属夹杂物。由于脱碳反应能够起到这 样重要的作用，所以在炼钢时，总是使炉料的平均含碳量 超过钢的规格含碳量，以便在氧化期中将这部分多余的碳 分氧化掉。因此可以说，在炼钢过程中脱碳是手段而不是 目的。
矿石脱碳法 采用矿石脱碳法时，应将铁矿石分批加入。这是因为 矿石溶解于钢液中时会吸收热量，使钢液降温，从而影响 钢液的沸腾，因此一般是将矿石分三批加入，加两批矿石 之间应有大约l0min的间隔时间。加入矿石的批量按每吨 钢液加入10KG计算。每批矿石能使钢液脱碳约0. 1%。 吹氧脱碳法 采用吹氧脱碳法时，用吹氧管将氧气吹入钢液中。吹 氧前钢液温度应达到1550℃以上，吹氧压力一般为0. 6-0.8 Mpa。为了使钢液脱碳0. 3%左右，每吨钢液的平均耗氧量 大致为4-6m3左右。
第二节 三相电弧炉的构造和工作 原理
电弧炉炼钢通常采用三相电弧炉，其构造如图 9-1所示。 电弧炉主要由炉体、炉盖、装料机构、电极升 降机构、倾炉机构、炉盖旋转机构、电气装置和水 冷装置所构成。
1、炉体 、
炉体是用钢板制成外壳，内部用耐火材料砌筑而成。 酸性电弧炉的炉体内部是用硅砖砌筑。硅砖的内面用水玻 璃硅砂打结炉衬。碱性电弧炉的炉体内部是用粘土砖和镁 砖砌筑，镁砖的内面用卤水镁砂打结炉衬。砌好的碱性 电炉炉体的剖面见图9-2。
7、水冷装置 水冷装置
为了保证电炉变压器的安全工作，需要有强力 冷却，大部分的电炉变压器采用循环水流冷却。除 此以外，电炉上还有一些部分，包括电极夹持器 (电极卡子)、炉盖圈、炉门框和炉门也都需要采取 循环水流冷却。
我国生产的HX型系列三相电弧炉的主要技术参数见表9-1
第三节 碱性电弧炉氧化法炼钢
第九章
电弧炉炼钢
第一节 概述
一、炼钢的重要性、目的、要求 炼钢的重要性、目的、
1）熔化钢液，达到温度 2）控制成分，碳、硅、锰 3）降低硫、磷，达到要求 4）纯净钢液，清除杂质、气体
2、电弧炉炼钢的特点、应用 、电弧炉炼钢的特点、
特点：1）成分控制容易：不用燃料，炉气容易控制。 特点 2）热效率高 3）易于实现自动控制 4）成本高 应用：大多数应用 应用
4 、 氧化期 氧化期的任务是脱磷，去除钢液中的气体和夹杂物， 并提高钢液的温度。在氧化期的前一阶段，钢液温度较低， 主要是造渣脱磷。在氧化期进行的过程中提高钢液的温度。 待钢液温度提高(一般要求热电偶温度在1550℃以上)后， 进入后一阶段，进行氧化脱碳沸腾精炼，以去除钢的 中的气体和夹杂物。 有不同的氧化脱碳方法:矿石脱碳法、吹氧脱碳法和吹 氧-矿石脱碳法。
一、炼钢工艺要点
工艺过程： 补炉、装料、熔化期、氧化期、还原期、出钢。
1、补炉 、 一般的情况下，在每炼完一炉钢以后，装入下一炉的 炉料以前，照例要进行补炉。其目的是修补炉底和炉壁被 侵蚀和被碰坏的部位。对采用卤水镁砂打结的炉衬，其损 坏处也采用以卤水作粘结剂的镁砂来修补。 补炉操作的要点是:炉温高、操作快、补层薄。这 样作有利于补层的烧结。
在炼钢工艺上有两种基本方法，即氧化法和不氧化 法。两种方法的区别在于炼钢过程中是否有氧化期。 碱性电弧炉氧化法炼钢是我国当前普遍采用的炼钢 方法。由于炼钢过程中造碱性炉渣，能有效地除去钢液中 的磷和硫，又在炼钢的氧化期中通过碳的氧化而形成钢液 沸腾。能有效地清除钢液中的气体和夹杂物。因此，碱性 电弧炉氧化法炼钢，不仅对炉料的适应性强，而且炼得的 钢液比较纯净。从炼钢学的角度来看，碱性电弧炉氧化法 炼钢的冶金反应过程也是最完整的。
二、炼钢过程的物理化学分析
1、硅锰的氧化 、 Si+FeO—Fe+SiO2 Si+O2—SiO2 Mn+O2—MnO2 Mn+FeO—Fe+MnO2 熔化结束后，大部分硅锰氧化掉了 熔化中期，炉温低，有利硅锰氧化 2、脱磷 、 Fe2P+FeO+CaO—(CaO)4P2O5+Fe 条件：高碱度、强氧化性、粘度小的炉渣、较大的渣 量和较低的温度
5、还原期 、 还原期的任务是脱氧、脱硫和调整钢液温度及化学成 分。 扒除氧化渣后，首先往熔池中加入锰铁进行预脱氧。 通过预脱氧可以快速除去钢液中的部分氧化亚铁。这样就 能减轻后来通过炉渣进行脱氧的任务，加速整个还原期的 过程。 在还原的过程中进行钢液的脱氧和脱硫。脱氧和脱硫 是同时进行的。还原渣有两种:白渣和电石渣。 白渣：石灰、氟石、碳粉 电石渣：石灰、氟石、碳粉