[科普中国]-电弧炉单渣炼钢

介绍

电弧炉单渣炼钢起初是指以返回法冶炼合金钢(如不锈钢)时的单渣炼钢。以返回废钢为主要炉料，熔化后期少量吹氧助熔，不扒除氧化渣，即进进还原期，用脱氧剂(硅铁粉、硅粉或铝粉等)还原渣中珍贵元素的氧化物，使这些元素返回钢中，由于渣中的磷也会被还原进钢液，故要求原料中磷含量低于成品钢规格。这种单渣法可以脱硫，故不限制硫含量。为了减少合金元素的损失和快速形成还原渣，熔清后不进行脱碳沸腾，因此成品钢中氢等气体含量略高。应避免加进大量石灰使钢中气体含量增高和扒渣过程的吸气。有时冶炼一般钢种也采用此法。另一种单渣法则是只有氧化精炼的电炉炼钢工艺。20世纪80年代以来，电炉炼钢鉴戒了平炉和转炉都是在氧化渣下精炼和出钢，除脱硫能力低外，仍能保证钢的一定质量的经验，改革电炉炼钢工艺，取消还原期，采用只造氧化渣，不造还原渣的单渣法操纵工艺，在出钢过程中进行脱氧和合金化，既能保证钢的一定质量，又降低了能量和材料的消耗。缩短冶炼时间。又相应出现了电弧炉无渣出钢技术，从而电炉工艺有了较大变革。碳素结构钢及低合金钢都可用此法生产。

简史电弧炉炼钢起源可上溯到1853年，法国人皮松(Pisson)用两根水平电极在熔池上方发生电弧间接加热熔池熔炼金属成功。1879 年西门子(K. W. Siemens)改用一根直立电极与金属熔池直接产生电弧而加热熔池。1899年，美国有人曾试用两根直立电极直接加热熔池的方法，但使用的仍是直流电源，功率不足以熔化废钢，未能用于生产。近代电弧炉炼钢 的雏型是 1907 年美国出现的埃鲁(P.L.T.Heroult)式电弧炉—三相交流电弧炉。由于其功率大、工艺灵活、可用废钢为原料、产品质量高而赢得市场，随后推广到各国。电弧炉炼钢是生产中、高合金钢和优质钢的主要方法。在电能和废钢资源多且便宜的工业发达地区，电弧炉生产的普通碳素钢，已在市场占有日益增大的份额。随着工业和技术的发展对合金钢、优质钢需求量不断增长，到20世纪80年代末，电弧炉钢在世界粗钢年总产量中已占30%左右(见表1)。由于各国资源、技术及社会条件不同，电炉钢产量偶有起伏，但增长势头不变，表2为几个主要工业国电炉钢在粗钢总产量中所占份额的变化情况。估计到20世纪末，世界电弧炉钢所占比例将达35%。到20世纪80～90年代电弧炉容量多为40～120t，200t电炉亦属常见，最大的电弧炉容量为400t，然而世界电炉钢75%的产量出自所谓“小钢厂”，即年产钢量为5～25万t、带有连铸机和小型轧机的钢厂。1

工艺原理单渣法炼钢依工艺流程分为三个阶段：

装料阶段用石灰石+矿石+炭粉做垫料，上面按常规布金属炉料。石灰石用作垫底熔剂，通过高温分解出来的CaO较纯净，比表面积大，气孔率高，活性好，在低温下就具有一定的液相间和固相间的脱硫、脱磷反应能力。随着温度的升高，CaCO3→CaO+CO2反应加剧，熔池强烈沸腾(其运动均为自下而上)，从而改善了早期精炼反应的动力学条件，明显加快了其反应速度。垫料中加入一定量的炭粉之类的固体燃料不仅是为充分利用化学能降电耗的工艺创造条件而且含有碳粒的渣相能在高温吹氧时保持渣的弱氧化性。这种复合造渣垫料在熔化期(主要在初、中期)将产生的化学反应还有:
2P+ 5FeO+ 4CaO=4CaO·P2O5+ 5Fe;

C+FeO= CO+Fe;

C(固)+FeO= CO+Fe;

FeS+CaO=(CaS+FeO;

FeS→FeS;

FeS+CaO=CaS+FeO;

这些都清楚地说明了垫料组合设计的合理性。

熔化阶段从熔炼开始到取样分析止为熔化阶段，全程大功率、大电流操作。当炉料熔化60%～ 80%时，补加石灰石(不吹氧操作应补加矿石)，并通电吹氧助熔。为了有效利用氧气，宜吹高温区，并不断地用耙子把低温处的料推向高温区。氧压以(0.4～ 0.8)kPa为宜，熔渣后调整氧压开始吹氧脱碳，适时掌握脱碳程度后，停吹。快速升温至要求达到的工艺温度时取样分析。

调整阶段从扒渣开始到浇注前为调整阶段。这阶段主要任务是通过对钢液的成分、温度、液态结构的调整保证单渣钢的熔炼品质。取样后扒渣，同时应检查炉底是否有残料。扒渣毕，即投少许碳化硅、硅铝铁合金进行复合预脱氧，轻度搅拌液面片刻后，迅即视液面渣况可酌情撒一稀薄层珍珠岩粉，然后加入合金炉料及其它微量材料并埋弧快速升温到出钢温度。出钢前，将经预热的硅铝铁合金和稀土硅铁合金置于包底，在钢液出炉时用硅钙合金在出流槽处冲钢水。若用钢包转浇注包浇注，则稀土合金可放在转包内处理效果更佳。经过整个熔炼期的熔渣，除在高温期逸走的高硫、高磷、高碳的废气外，尚有相当的硫、磷、碳化合物存在于渣相中。在随后的预脱氧过程中，碳化硅、硅铝铁与钢液的比重差会造成浮在钢渣上烧损的现象，故应扒掉全渣。

为防止钢液大面积氧化，应迅即进行SiC+ Si20Al50Fe的预脱氧。Si20Al50Fe在脱氧过程中生成硅铝酸盐复合氧
化物，从而降低了铝的活度，使脱氧产物顺利上浮到渣中，另外，其比重为4.5 g/cm3，与铝比重2.7g/cm3相比，使其最终在液相中平衡位置有所下降而有利于反应；SiC在脱氧过程中，碳和硅是在同一熔池层面上，同时按[SiC]+ 3[O]= SiO2+CO进行脱氧反应，脱氧产物CO气体的排出过程稳定地促进着硅的脱氧反应，即强化了脱氧过程，改善了脱氧效果。另一方面，SiC脱氧所生成的CO气泡上浮排出时引起钢-渣搅动，扩大了相界面，改善了硫离子向渣中迁移的条件；其次，SiC脱氧时，产生一定程度的泡沫渣，既可减少弧光对炉衬的辐射，稳定炉渣组成，也改善了炉内传热条件，这些都有利于脱硫。用Si-Ca+ Si20Al50Fe+ 1#稀土硅铁合金进行浇注前的钢液终端复合处理，其主要目的是:获得高纯净钢液；改变非金属夹杂量、尺寸形态及分布状况。

这些变质合金的非均质生核能的大小是按SiO2，Al2O3和Ce2O3的顺序增大，这样分级复合处理的最佳效果应是最后加稀土合金。如生产上浇注不用转包，则为了达到或接近这一较为理想的分级效果可在钢液终端复合处理时采用小颗粒Si20Al50Fe+大颗粒1#稀土硅铁合金+小颗粒Si-Ca。上述具体工艺参数，往往部分靠经验得出;有的在实验室作出后还需再用调优设计(Evolutionary operation)确定其最佳工艺参数。

单渣法炼钢新工艺的设计思想主要体现于：快速熔炼、减少吸气、熔氧结合、早期精炼、强化脱硫、复合处理,重视静置、高温出炉。2

发展前沿电弧炉单渣法炼钢前沿研究的主要内容是：用沉淀脱氧法为主的复合脱氧取代传统还原期进行的扩散脱氧法；用固体碳料增碳代替生铁增碳；用石灰石代替石灰脱硫；在预脱氧后合金化处理；以稀土元素为主组成的分级复合变质；用复合脱氧剂终脱氧；全程大功率、大电流;以矿石+吹氧组成分级复合脱碳；施行不换渣，少流渣或不流渣操作。其综合冶炼质量指标可达到或超过用传统三期熔炼法生产的钢的品质。