电炉炼钢绪论

0 绪论钢铁材料是人类所使用的最主要的结构材料和最主要的功能材料，尤其是钢，更是被广泛应用于石油、化工、航天航空、交通运输、农业、国防等许多重要领域，人们的日常生活也离不开钢。

钢是碳、硅、锰及其他元素在铁中的固溶体。

钢与生铁的区别首先是在碳的含量中得到体现，理论上把碳含量小于2.11%的铁碳合金称之为钢，它的熔点为1450~1500℃；碳含量大于2.11%的铁碳合金称之为生铁，它的熔点为1100~1200℃。

在钢中，碳元素和铁元素形成Fe3C固溶体，随着碳含量的增加，其强度、硬度增加，而塑性和冲击韧性降低。

由于钢具有很好的物理化学性能与力学性能，可进行拉、压、轧、冲、拔等深加工，所以用途十分广泛，而且用途不同对钢的性能要求也不同，从而对钢的品种也提出了不同的要求。

钢中存在的非铁元素可大致分为两大类：碳、硅、锰等是用以改善钢的性能，以满足工程材料要求的有益元素；另一类如磷、硫、氧、氢、氮等，是从炉料或大气中进入钢中的，它们的存在会使大部分钢的性能变坏。

炼钢的工艺过程就是将铁水（或生铁）、废钢铁、直接还原铁经加热、熔化，通过化学反应去除金属液中的有害杂质元素，配加合金调整化学成分达到规定要求，最后浇铸成半成品—铸坯（锭）的过程。

钢的生产历史，也是近代工业的发展历史。

从1740年英国人亨茨曼（B.Huntsman）发明了坩埚炼钢法，到1856年英国人亨利•贝塞麦（H.Bessemer）发明的空气酸性底吹转炉炼钢法—贝塞麦法，再到1865年德国人马丁（Mar Tin）发明的酸性平炉炼钢法—马丁炉法，直到1899年法国人埃鲁（P.L.T.Héroult）发明的三相电极电弧炉炼钢法。

各种炼钢法相继的出现，带动了整个工业技术的发展，而相关产业的发展又更加促进了炼钢技术的进步。

应运而生的氧气转炉炼钢技术、连续铸钢技术、超高功率电弧炉炼钢技术、炉外精炼技术等，推动了炼钢工业业在产品、工艺、设备上的更新换代，使得炼钢技术在二战结束后得到了前所未有的高速发展。

进入21世纪的炼钢工艺和设备日趋完善，钢的产量大幅度提高，钢的质量不断改善，现代炼钢工业正朝着高效、低耗、清洁、优质的方向健康发展。

近代炼钢工艺主要有转炉炼钢工艺、平炉炼钢工艺和电炉炼钢工艺。

到上个世纪末，平炉炼钢工艺已基本被淘汰，则现代炼钢工艺主要有转炉炼钢工艺和电炉炼钢工艺。

转炉炼钢工艺和电炉炼钢工艺通常被分别描述为“从矿石到钢”的长流程工艺和“从废钢到钢”的短流程工艺，典型的长流程和短流程炼钢工艺见图0.1。

长流程：铁矿石（烧结矿和球团矿）→高炉→铁水预处理→氧气转炉→炉外精练→连铸机（模铸）→铸坯（锭）短流程：废钢铁、生铁或铁水以及直接还原铁→电弧炉→炉外精练→连铸机（模铸）→铸坯（锭）图0.1 典型的长流程和短流程炼钢工艺上述两大炼钢流程的特点比较见表0.1。

从上表比较可以看出：短流程炼钢工艺在投资、效率、环保以及工艺灵活性等方面具有明显的优势，而在钢的纯净度控制方面略逊于长流程工艺。

表0.1 长流程和短流程炼钢工艺的特点比较1 电弧炉炼钢工艺概论1.1 电弧炉炼钢工艺发展概论1.1.1 电弧炉炼钢技术发展概论电炉是采用电能作为热源进行炼钢的炉子的统称，电炉可分为：电渣重熔炉—利用电阻热，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，以及电弧炉—利用高温电弧等几种炼钢的电炉。

目前，世界上电炉钢产量的95%以上是由电弧炉生产的，因此人们通常所说的电炉炼钢，主要是指电弧炉炼钢。

电弧炉炼钢是靠电流通过石墨电极与金属料之间放电产生电弧，使电能在弧光中转变为热能，借助辐射和电弧的直接作用来加热、熔化炉料，冶炼出各种成分的钢和合金的一种炼钢方法。

1800年．英格兰人戴维（H.Davy）发现了碳电极。

1894年，法国人德布莱兹（Deprez）研究用电极来熔化金属。

1866年，冯·西门子（W.Siemens）发明电能发生器。

1879年，威廉姆斯·西门子（C.W. Siemens）获得了几个不同类型实用电弧炉的专利。

虽然采用两支水冷金属电极炼出了钢，但因耗电高，而电费又十分昂贵，故无法推广。

之后还先后出现了6种不同形式的电弧炉，其容量均很小且多为直流供电，也因同样原因而无法推广。

1885年，瑞典ASEA公司设计了一台直流电弧炉。

1888年，法国人埃鲁（P.L.T.Héroult）用间接电阻加热炉进行熔炼金属实验。

1889~1891年，同步发电机和变压器推广应用。

1899年，埃鲁接受了一系列直接加热电弧炉的专利，研制成功炼钢用三相交流电弧炉。

用三根碳电极将三相交流电输入炉内，利用碳电极和金属料间产生的电弧将金属炉料熔化并进行熔炼。

在1900~1903年，埃鲁在拉巴斯（L.P.Savoy）用该炉熔炼铁合金，该炉成为现代炼钢电弧炉的雏形。

20世纪初，发电成本下降，高压输电线路技术推广应用，为炼钢用三相交流电弧炉的推广应用奠定了必要的基础。

1905年，德国人林登堡（R.Lindenberg）建成第一台二相埃鲁电弧炉。

1906年，林登堡在雷姆沙伊德（Remscheid）进行了第一炉钢水的铸锭，开创了用电弧炉进行钢的生产的先河。

1909~1910年，在德国和美国分别首次有容量为6吨和5吨的炼钢生产用埃鲁型三相交流电弧炉建成投产，并首次把继电器与接触式调节器用于三相交流电弧炉的电极升降系统。

1920年，杠杆平衡式调节器用于电弧炉，提高了电极升降速度。

这期间，炉盖均为固定式，炉料从炉门加入。

1926年，德国德马克公司制造了两台容量为6吨的炉盖开出式电弧炉，首次实现了用料斗从炉顶加料。

1927年，美国蒂姆肯（Timken Roller Bearing）公司一台100吨电弧炉投入运行。

1930年，出现炉体开出式电弧炉。

1936年，德国制造了18吨炉盖旋转式电弧炉，进一步缩短加料时间，提高了热效率。

至此，普通三相交流电弧炉已成形。

之后，电弧炉的结构、工艺逐渐得到完善，炉容量进一步扩大。

在这一时期，由于电站的输电能力低，早期的埃鲁型三相交流电弧炉的公称额定容量只有170~230kV·A/吨钢。

后来，随着电力供应的改善，电弧炉就装备了较大容量的变压器，其额定容量增至250~350kV·A/吨钢。

而由于碳质电极和用电价格高昂，同时熔炼效率低，直到20世纪的30年代末电弧炉通常只熔炼合金钢。

用电弧炉熔炼普通低碳钢，价格实在很昂贵。

二次大战期间，由于对合金钢和更昂贵的高质量钢材需求的增加。

电炉钢的的产量大幅度增大。

但电弧炉的装料量一般都不超过35吨。

只是在二次大战结束后，才建造了熔炼容量为150吨的电弧炉。

但其变压器公称容量仍然只有250~350kV·A/吨钢。

二次大战结束以后，由于对合金钢的需求大大减少，同时电渣重熔和真空熔炼炉的推广应用，给合金钢的熔炼增加了新的炉种，迫使电弧炉冶炼品种向普通钢渗透和转移。

而当时电力工业的发展，用电低廉且电网容量普遍有较大的提高，废钢资源丰富，因而进入20世纪的50年代，即便是最大的炉子也逐渐装备较高容量的变压器。

同时，返回吹氧法和吹氧助熔技术在60年代初推广应用。

与此同时，电弧炉的机械和电气设备也得到了不断的改进。

如1936年瑞典人特勒福斯提出电弧炉电磁搅拌的想法，并在苏哈拉尔钢厂的10吨电弧炉进行了试验。

1947年，瑞典ASEA公司发明了工业生产用电磁搅拌电弧炉，炉壳采用非磁性钢制造。

在大电流供电线路的改进方面，瑞典人提出了修正平面法，1960年美国出现了等边三角形布置，以提高三相电路的对称性，使三相电抗平衡。

因此，熔炼时间和生产成本，特别是非合金钢成本大幅度下降，电弧炉钢成本终于可以与平炉钢相比肩。

为进一步提高电弧炉炼钢的生产效率和降低成本，1964年在美国矿冶石油工程师协会的电炉会议上，美国碳化物公司施瓦伯（W.E.Schwabe）和西北钢线材公司罗宾逊（C.G.Robinson）根据有关试验结果，共同提出电弧炉超高功率概念（Ultra High Power），简称UHP），并在两台135吨电弧炉上采用不同的功率水平进行进一步深入的运行试验。

随后，瑞典、德国和日本等国也相继采用了这项技术，并取得了很好的效果，不久就在世界各国推广开来。

这时期，超高功率电弧炉的一个根本特征就是：100吨以下的电弧炉其变压器容量至少500kV·A/吨钢。

相应地，要采用高电流低电压，以降低炉衬的侵蚀。

采用UHP技术使得电弧炉冶炼周期由3~8小时缩短到2小时。

此后的工作主要集中在如何解决电弧炉超高功率化以后出现的设备、工艺、消耗等方面存在的问题，继续提高变压器的最大功率利用率和时间利用率，提高电弧炉炼钢生产率，降低能耗和冶炼成本上。

各种重要的相关技术的出现与发展不仅解决了电弧炉超高功率化带来的问题，而且反过来有推动了电弧炉功率水平的进一步提高。

到了21世纪初，电弧炉功率水平已达到800~1000 kV·A/吨钢，冶炼周期缩短到50min以下，生产效率达到8000~10000吨钢/（吨公称容量·年），电极消耗下降到1kg/吨钢以下，电弧炉冶炼电耗下降到300kwh/吨钢以下。

现代电弧炉已经成为一个低成本的快速熔炼设备，以电弧炉为核心的短流程炼钢工艺也成为现代炼钢生产两大流程之一，正朝着低成本、低消耗、高效率、高质量、环保型的方向发展。

图1.1为1965~2001年现代电弧炉技术发展情况。

1.1.2 炉外精炼技术发展概论炉外精炼，也叫二次精炼，是在初炼炉（转炉或电弧炉）以外的钢包或专用容器中，对钢水进行炉外处理的方法。

炉外精炼把传统的炼钢方法分为两步，即初炼加精炼。

初炼—在氧化气氛下进行炉料熔化、脱磷、脱碳和主合金化。

精炼—在真空、惰性气体或可控气氛的条件下进行深脱碳、脱气（H、N）、脱氧、脱硫、去夹杂物、控制夹杂物的形态、调整成分及温度等。

炉外精炼的主要手段有：渣洗、真空、搅拌、喷粉、加热等五种。

采用炉外精炼技术可以提高钢的质量，扩大品种，缩短冶炼时间，提高生产率，调节炼钢炉与连铸的生产节奏，并可降低炼钢成本、提高经济效益。

1933年，法国人波林（R.Perrin）应用专门配制的高碱度合成渣，在出钢过程中，对钢水进行“渣洗脱硫”，这是炉外精炼技术的萌芽。

到了20世纪50年代，由于真空技术的发展和大型蒸汽喷射泵的研制成功，为钢水的大规模真空处理提供了条件，开发出了各种钢水真空处理方法，如1957年，前联邦德国的多特蒙德（Dortmund）和豪特尔（Horder）两公司开发的提升脱气法（DH法），德国鲁尔钢铁公司（Ruhrstahl）和海拉斯公司（Heraeus）图1.1 1965~2001年现代电弧炉技术发展情况共同发明的钢水真空循环脱气法（RH法）。