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