电炉炼钢(炼钢工艺学).ppt

5.电弧炉炼钢工艺,5.1 电弧炉炼钢技术概述5.2 电弧炉炼钢主要设备简介 5.3 碱性电弧炉炼钢工艺 5.4 电弧炉炼钢新技术简介5.5 直流电弧炉炼钢工艺及技术 5.6 电弧炉典型钢种的冶炼5.7 电弧炉炼钢自动控制技术,5.1 电弧炉炼钢技术概述,电炉炼钢的分类,按炉衬性质,碱性电弧炉脱除P、S低,酸性电弧炉原料P、S低，用于铸造,顶装料方式,炉门装料（人工）（HGM系列）,按装料方式,炉盖旋开式（HGX系列）,炉壳连接式,炉身开出式（HGT系列）,落地式（分列式）,共平台式（整体式）,5.1 电弧炉炼钢技术概述,按倾动机构,炉壳扇形齿轮水平齿座,滚轮或大托轮底座,侧倾,底倾（扇形摇架）,水平底座（液压）,弧形底座,按传动形式,电机（机械）,液压传动（10t）,按冶炼方法,氧化法,不氧化法（装入法）,返回吹氧法,按电源类型,交流（AC）,直流（DC）,5.1 电弧炉炼钢技术概述,按变压器输出功率,普通功率（RP）,高功率（HP）,超高功率（UHP）,按出钢方式,槽式（侧）出钢,中心出钢（CBT）,偏心底出钢（EBT）,按供热方式,EAF（电能）,EOF（燃油、煤、天然气等）,5.1 电弧炉炼钢技术概述,按废钢预热方式,一般,竖炉（Fuchs）,双炉壳,用废钢料蓝分批预热分批熔炼,运输机上料半连续废钢预热分批熔炼,第四孔废气炉外料蓝预热,竖井在炉顶一侧,Comelt,Consteel（连续加料）,Fuchs（指条式竖炉）,ConArc、ContiArc,IHI式双电极直流,运输机上料连续废钢预热连续熔炼,Mid-shaft EAF 竖炉（竖井在炉顶中央）,5.1 电弧炉炼钢技术概述,电弧炉炼钢的主要特征及特点以废钢铁或粗钢为主要固体料，不需要一套庞大的炼铁和炼焦系统；原料使用范围广，在生产调度上适于短时间、间歇式生产；利用电能使其熔化（重熔）及升温，易获得高温，调温方便而准确，有利于冶炼各类钢种；炉内气氛（氧化、还原、中性）、真空度、压力可调控；合金收得率高，成分易于调整且控制范围窄；品种适应性广、质量好，可冶炼含P、S、O低的各种类型的优质钢和合金钢；设备较简单，工艺流程短，占地面积小，基建费用低，投产快，易控制污染；消耗电能大，N、H高；生产率比转炉低，电极、耐材等消耗比其他冶炼方法高。,5.1 电弧炉炼钢技术概述,电弧炉炼钢的原理及任务以废钢铁为固体料，以交流电或直流电为电源，利用炉料与电极间产生电弧的高温加热炉料，使其熔化及升温；在炉内进行氧化、还原精炼，去除钢中有害元素、杂质及气体；调整化学成分到规格范围；使钢液在出钢时的温度满足浇铸要求。,5.1 电弧炉炼钢技术概述,电弧炉冶炼方法简介 氧化法工艺操作顺序：补炉装料熔化期氧化期 还原期出钢（浇铸成钢锭或钢坯）优点：氧化期用加矿或吹氧进行脱C和脱P，使熔池沸腾，可以去除钢中气体和杂质。还原期可以脱O、脱S及调整成分和温度。可得到含P、气体和夹杂物都很低的钢。可用廉价废钢为原料，适合冶炼P高、锈多、C较高的钢铁料，应用最广泛。缺点：若炉料中有合金返回料，则其中合金元素氧化烧损较大。,5.1 电弧炉炼钢技术概述,不氧化法（装入法）优点：能充分回收原料中的合金元素，因而炉料中可配入合金返回钢，减少铁合金消耗，降低钢成本。缩短冶炼时间，降低电能消耗提高生产率；炉料熔清后，经过还原调整钢液成份和温度后即可出钢。缺点：不能去P、去气和去夹杂物，对炉料要求高，须配入清洁无锈，含P低的钢铁料，并在冶炼中采取各种措施防止吸气。钢液化学成分基本上取决于配料的成分，要求配料成分和称量力求准确，低合金钢和部分高合金钢可用该法，应用较少。,5.1 电弧炉炼钢技术概述,返回吹氧法优点：炉料中配入大量合金返回料，熔清后吹氧进行脱碳沸腾。依据碳与氧的亲和力在一定温度条件下比某些合金元素与氧的亲和力大的理论，当钢液升到一定温度后，向返回钢液吹氧，强化冶炼过程，达到在脱C、沸腾、去气、去夹杂物的同时，又回收大量合金元素的目的；既降低了成本又提高了质量。主要用于回收合金元素，高速钢和不锈钢常采用此法冶炼。缺点：因冶炼中不能去P，要求炉料中含P低。,中国电炉炼钢的发展情况,5.2 电弧炉炼钢主要设备简介,机械设备,炉体的金属构件,电极夹持器及电极升降装置,炉体倾动机构,炉盖提升和旋转装置等,炉体,炉衬（耐材砌筑）,金属构件,炉壳,炉门、出钢槽,炉盖圈、电极密封圈,加固圈,炉身壳,炉壳底,偏心底出钢电弧炉,槽式出钢电弧炉,5.2 电弧炉炼钢主要设备简介,电气设备,主电路,电极升降自动调节系统,电路,主电路,保护和信号回路,检测计量显示回路,电极升降自动调节回路,电弧炉机械设备供电线路,（电磁搅拌线路）,由高压电缆至电极的电路,高压电源隔离开关高压断路器电抗器电炉变压器低压短网电极,调解电弧电流和电压的大小，调整电极和炉料之间的电弧长度，,电炉机械三维示意图,30t超高功率电弧炉,75t电弧炉,中国辽宁抚顺钢厂的电弧炉,交流电弧炉系列,6.3 碱性电弧炉炼钢工艺,传统氧化法冶炼工艺是电炉炼钢法的基础。操作过程分为：补炉、装料、熔化、氧化、还原与出钢六个阶段。主要由熔化、氧化、还原期组成，俗称老三期。一、补炉1）影响炉衬寿命的“三要素”炉衬的种类、性质和质量；高温电弧辐射和熔渣的化学浸蚀；吹氧操作与渣、钢等机械冲刷以及装料的冲击。,2）补炉部位炉衬损坏的主要部位如下：炉壁渣线受到高温电弧的辐射，渣、钢的化学侵蚀与机械冲刷，以及吹氧操作等损坏严重；渣线热点区尤其当热点区受到电弧功率大、偏弧等影响侵蚀严重，该点的损坏程度常常成为换炉的依据；出钢口附近因受渣钢的冲刷也极易减薄；炉门两侧常受急冷急热的作用、流渣的冲刷及操作与工具的碰撞等损坏也比较严重。,5.3 碱性电弧炉炼钢工艺,槽出钢电炉炉衬,EBT电炉炉衬,3）补炉方法 补炉方法分为人工投补和机械喷补，根据选用材料的混合方式不同，又分为干补和湿补两种。大型电炉上多采用机械喷补，机械喷补设备有炉门喷补机、炉内旋转补炉机，机械喷补补炉速度快、效果好。补炉的原则是：高温、快补、薄补4）补炉材料 机械喷补材料主要用镁砂、白云石或两者的混合物，并掺入磷酸盐或硅酸盐等粘结剂。,5.3 碱性电弧炉炼钢工艺,5.3 碱性电弧炉炼钢工艺,二、装料广泛采用炉顶料罐（或叫料篮、料筐）装料，每炉钢的炉料分13次加入。装料的好坏影响炉衬寿命、冶炼时间、电耗、电极消耗以及合金元素的烧损等。要求合理装料，主要取决于炉料在料罐中的布料合理与否。现场布料（装料）经验：下致密、上疏松、中间高、四周低、炉门口无大料，穿井快、不搭桥，熔化快、效率高。,电炉装料情况,5.3 碱性电弧炉炼钢工艺,料篮布料情况,料斗布料示意图,5.3 碱性电弧炉炼钢工艺,三、熔化期 传统冶炼工艺的熔化期占整个冶炼时间的50%70%，电耗占70%80%。因此熔化期的长短影响生产率和电耗，熔化期的操作影响氧化期、还原期的顺利与否。1.熔化期的主要任务将块状的固体炉料快速熔化，并加热到氧化温度；提前造渣，早期去磷，减少钢液吸气与挥发。2.熔化期的操作合理供电，及时吹氧，提前造渣。,3.炉料熔化过程及供电基本可分为四个阶段（期），即点弧、穿井、主熔化及熔末升温。,5.3 碱性电弧炉炼钢工艺,点(起)弧期,从送电起弧至电极端部下降到深度为d电极为点弧期。此期电流不稳定，电弧在炉顶附近燃烧辐射，二次电压越高，电弧越长，对炉顶辐射越厉害，并且热量损失也越多。为保护炉顶，在炉上部布一些轻薄料，以便让电极快速进入料中，减少电弧对炉顶的辐射。供电上采用较低电压、较低电流。,穿井期,点弧结束至电极端部下降到炉底为穿井期。此期虽然电弧被炉料所遮蔽，但因不断出现塌料现象，电弧燃烧也不稳定。加料前采取外加石灰垫底，炉中部布置大、重废钢以及合理的炉型，达到保护炉底的目的。供电上采取较大的二次电压、较大电流，以增加穿井的直径与穿井的速度。,主熔化期,电极下降至炉底后开始回升时，主熔化期开始。随着炉料不断的熔化，电极渐渐上升，至炉料基本熔化，仅炉坡、渣线附近存在少量炉料，电弧开始暴露时主熔化期结束。主熔化期由于电弧埋入炉料中，电弧稳定、热效率高、传热条件好，应以最大功率供电，即采用最高电压、最大电流供电。主熔化期时间占整个熔化期的70以上。,熔末升温期,电弧开始暴露给炉壁至炉料全部熔化为熔末升温期。此阶段因炉壁暴露，尤其是炉壁热点区的暴露受到电弧的强烈辐射。应注意保护炉壁，即提前造好泡沫渣进行埋弧操作，否则应采取低电压、大电流供电。,炉料熔化过程与操作,典型的供电曲线,4.及时吹氧与元素氧化熔化期吹氧助熔，初期以切割为主，当炉料基本熔化形成熔池时，则以向钢液中吹氧为主。当固体料发红（900）开始吹氧最为合适，吹氧过早浪费氧气，过迟延长熔化时间。一般情况下，熔化期钢中的Si、Al、Ti、V等几乎全部氧化，Mn、氧化40%50%，这与渣的碱度和氧化性等有关；而在吹氧时氧化10%30%、Fe氧化2%3%。,6.3 碱性电弧炉炼钢工艺,5.提前造渣用2%3%石灰垫炉底或利用前炉留下的钢、渣，实现提前造渣。这样在熔池形成的同时就有炉渣覆盖，使电弧稳定，有利于炉料的熔化与升温，并可减少热损失，防止吸气和金属的挥发。由于初期渣具有一定的氧化性和较高的碱度，可脱除一部分磷；当磷高时，可采取自动流渣、换新渣操作，脱磷效果更好，为氧化期创造条件。,5.3 碱性电弧炉炼钢工艺,缩短熔化期的措施,减少热停工时间，如提高机械化、自动化程度，减少装料次数与时间等；强化用氧，如吹氧助熔、氧-燃助熔，实现废钢同步熔化，提高废钢熔化速度；提高变压器输入功率，加快废钢熔化速度；废钢预热，利用电炉冶炼过程产生的高温废气进行废钢预热等。,5.3 碱性电弧炉炼钢工艺,四、氧化期是氧化法冶炼的主要过程，能够去除钢中的磷、气体和夹杂物。当废钢料完全熔化，并达到氧化温度，磷脱除7080%以上进入氧化期。为保证冶金反应的进行，氧化开始温度高于钢液熔点5080。氧化期的主要任务 继续脱磷到要求脱磷；脱碳至规格下限脱碳；去除气、去夹杂二去；提高钢液温度升温。,氧化期的温度控制要兼顾脱磷与脱碳二者的需要，并优先去磷。氧化前期应适当控制升温速度，待磷达到要求后再放手提温。一般要求氧化末期的温度略高于出钢温度2030，以弥补扒渣、造新渣以及加合金造成的钢液降温。当钢液的温度、磷、碳等符合要求，扒除氧化渣、造稀薄渣进入还原期。,氧化期的温度控制,金属料（固/液体）升温曲线,5.3 碱性电弧炉炼钢工艺,五、还原期传统电炉冶炼工艺中，特点是还原期的存在。而现代电炉冶炼工艺的主要差别是将还原期移至炉外进行。还原期的主要任务 脱氧、脱硫、合金化、调温 其中：脱氧是核心，温度是条件，造渣是保证。电炉炼钢采用沉淀脱氧法与扩散脱氧法交替进行的综合脱氧法，即氧化末、还原前用沉淀脱氧预脱氧，还原期用扩散脱氧，出钢前用沉淀脱氧终脱氧。,还原操作脱氧操作,电炉常用综合脱氧法，其还原操作以脱氧为核心.1）当钢液的T、P、C符合要求，扒渣95；2）加Fe-Mn、Fe-Si块等预脱氧（沉淀脱氧）；3）加石灰、萤石、火砖块，造稀薄渣；4）还原，加C粉、Fe-Si粉等脱氧（扩散脱氧），分35批，710min批；5）搅拌，取样、测温；6）调整成分合金化；7）加Al或Ca-Si块等终脱氧（沉淀脱氧）；8）出钢,5.3 碱性电弧炉炼钢工艺,六、出钢传统电炉冶炼工艺，钢液经氧化、还原后，当化学成分合格，温度符合要求，钢液脱氧良好，炉渣碱度与流动性合适时即可出钢。因出钢过程的渣-钢接触可进一步脱氧与脱硫，故要求采取“大口、深冲、渣-钢混合”的出钢方式。,5.3 碱性电弧炉炼钢工艺,七、钢液的合金化传统电炉冶炼工艺的合金化一般是在氧化末、还原初进行预合金化，在还原末、出钢前或出钢过程进行合金成分微调。而现代电炉炼钢合金化一般是在出钢过程中在钢包内完成，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。不易氧化的元素，可在装料时、氧化期或还原期加入，如Ni、Co、Mo，W等；较易氧化的元素，一般在还原初期加入，如P、Cr、Mn等；容易氧化的元素一般在还原末期加入，即在钢液和炉渣脱氧良好的情况下加入，如V、Nb、Si、Ti、Al、B、稀土元素（La、Ce等）。,合金化操作具体原则,易氧化的元素后加原则比重大的加强搅拌原则便宜的先加原则贵重的控制下限原则,5.4 电弧炉炼钢新技术简介,超高功率电弧炉炉底出钢电弧炉废钢预热技术,超高功率电弧炉,主要技术特点单位功率水平高；高的变压器最大功率利用率（功率0.7）和时间利用率（时间 0.7）；较高的电效率（平均e0.9）和热效率（平均t0.7）；较低的短网电阻和电抗，且短网电抗平衡。,低功率 100-200KVA/t中等功率 200-400KVA/t高功率 400-700KVA/t超高功率 700-1000KVA/t,超高功率电弧炉,相关技术高变压器容量（已高达1100KVA/t）长弧泡沫渣操作水冷炉壁（盖）强化用氧和氧燃烧嘴（总耗氧量30Nm3/t）偏心底出钢废钢预热电极水冷技术（水冷复合电极）吹氧喷煤粉喷补机械直接导电电极臂计算机自动控制、三铁芯变压器、控制闪烁的功率补偿器等,水冷炉壁结构图,短网三角型布线方式,炉门碳-氧枪示意图,炉门碳-氧枪运行情况,炉门自耗式氧枪,超高功率电弧炉配套相关技术的功能及效果概况,炉底出钢电弧炉,偏心底出钢（EBT，Eccentric Bottom Tapping）是由德国曼内斯曼德马克公司和蒂森公司于1978年共同开发成功的新技术。EBT方式的特点是出钢时电炉的倾动角度很小，钢液从炉底偏心位置的出钢孔中流出，起到以下作用：可以扩大炉壁水冷范围；实现无渣出钢；缩短出钢时间，减少温度下降；由于倾动角度变小，水冷电缆就可缩短，有利于提高功率因数，有利于电炉节电。,EBT电炉设备布置,废钢预热技术,1）概述2）废钢预热法的分类3）料罐式废钢预热法4）双壳电弧炉预热法5）竖窑式电炉预热法6）炉料连续预热电炉,概 述,当电炉采用超高功率化与强化用氧技术，使废气量大大增加，废气温度高达1200以上，废气带走的热量占总热量支出的15%20%，折合成电能相当于80120kWh/t。为了降低能耗、回收能量，在废钢熔炼前，利用电炉产生的高温废气进行废钢预热，节能效果明显。到目前为止，世界范围废钢预热方法主要有料罐预热法、双壳电炉法、竖窑电炉法以及炉料连续预热法等。,废钢预热法的分类,按其结构类型分为：分体式与一体式，即预热与熔炼分开或者合在一起；分批预热式与连续预热式。按使用的热源分为：外加热源预热燃料烧咀预热；利用电炉排出的高温废气预热。,料罐式废钢预热,世界上第一套料罐式废钢预热装置是日本于1980年用在50吨电炉上，1981年又将这种废钢预热装置用在100吨电炉上。料罐式废钢预热装置及其工作原理，见图。料罐预热法的工作原理及预热效果电炉产生的高温废气（1200）由第四孔水冷烟道经燃烧室后进入装有废钢的预热室内进行预热。废气进入预热室的温度一般为700800，排出时为150200，每罐料预热3040min，可使废钢预热至200250。每炉钢的第一篮（约60%）废钢可以得到预热。料罐预热法能回收废气带走热量的20%30%，可节电2030kWht，同时节约电极、提高生产率。,料篮式废钢预热装置示意图,料罐预热法的问题及改进措施,该种废钢预热存在的主要问题：产生白烟、臭气新的公害；高温废气使料篮局部过烧，降低其使用寿命；预热温度低，废钢装料过程温降大等。迫于这些问题采取了再循环方式、加压方式、多段预热方式、喷雾冷却方式以及后燃方式等措施对付白烟与臭气；采取水冷料罐以及限制预热时间、温度等措施来提高料罐的寿命。但废钢预热温度不高，综合效益甚微。促使欧、美和日本积极开发新的废钢预热工艺，提高利用电炉产生的高温废气预热废钢的效率。,双壳电弧炉预热法,双壳电炉法早在二十世纪70年代双壳炉就存在，但它是外加热源（氧-燃烧咀）预热；而新式双壳炉是利用电炉产生的高温废气进行预热的。新式双壳炉具有一套供电系统、两个炉体，即“一电双炉”。一套电极升降装置交替对两个炉体进行供热熔化废钢，双壳炉运行与工作原理图。双壳炉的工作原理：当熔化炉1#进行熔化时，所产生的高温废气由炉顶排烟孔经燃烧室后进入预热炉2#中进行预热废钢，预热（热交换）后的废气由出钢箱顶部排出、冷却与除尘。每炉钢的第一篮（约60%）废钢可以得到预热。,双壳炉运行,双壳炉工作原理图,双壳炉的主要优点提高变压器的时间利用率，由70%提高到80%以上；缩短冶炼时间，提高生产率10%15%；可回收废气带走热量的30%以上，节电4050kWh/t。新式双壳炉自1992年日本首先开发第一座，到目前世界范围已有近30座投产，其中大部分为直流双壳炉。为了增加预热废钢的比例，增加第一次料重量，如由60%增加至70%，日本钢管公司（NKK）采取增加电炉熔化室高度，并采用氧-燃烧咀预热助熔，以进一步降低能耗、提高生产率。,双壳电弧炉预热法,竖窑式电炉(shaft furnace)预热法,进入二十世纪90年代，德国的Fuchs公司研制出新一代电炉竖窑式电炉（简称竖炉）。从1992年首座竖炉在英国的希尔内斯钢厂投产，到目前为止，Fuchs公司投产的竖炉已超过40座。竖炉炉体为椭圆形，在炉体相当炉顶第四孔（直流炉为第二孔）的位置配置一竖窑烟道，并与熔化室连通。在竖窑烟道的下部与熔化室之间有一水冷活动托架（指形阀也叫手指式竖炉），将竖炉与熔化室隔开，废钢分批加入竖窑中，废钢经预热后，打开托架加入炉中，可实现100%废钢预热，竖炉运行与工作原理图。,竖炉的结构示意图,竖炉的工作原理,竖炉的工作原理,新开炉的第一篮废钢直接加入炉中，余下的由受料斗加入竖窑中。送电熔化时，炉中产生的高温废气12001600，直接对竖窑中废钢料进行预热。当炉膛中的废钢基本熔化后，竖窑中废钢温度经预热温度高达600700时，打开托架将预热好的废钢加入高温炉膛中。随后关闭托架，再由受料斗将废钢加入竖窑中进行预热。周而复始，使废钢料分批、分期地，100%地进行预热。出钢时，炉盖与竖窑一起提升800mm左右、炉体倾动，由偏心底出钢口出钢。,竖窑式电炉(shaft furnace)预热法,竖炉（手指式竖炉）的主要优点：节能效果明显，可回收废气带走热量的 60%70%，节电6080 kWh/t；提高生产率15%以上；减少环境污染；与其它预热法相比，还具有占地面积小、投资省等优点。竖炉同样有交流、直流，单壳、双壳之分。,炉料连续预热电炉,就其综合效果来说该种预热法最有发展前途。手指式竖炉实现炉料半连续预热，而炉料连续预热电炉，实现炉料连续预热。该形式电炉二十世纪80年代由意大利得兴（TECHINT）公司开发，称为CONSTEEL Furnace译成“康斯迪电炉”。1987年最先在美国的纽柯公司达林顿钢厂进行试生产，90年代开始流行。获得成功后在美、日、意及中国等推广使用。到目前为止，世界上已投产的康斯迪电炉已超过20台，其中一半在中国。,康斯迪电炉工艺布置,CONSTEEL电弧炉,康斯迪电炉的优点,降低电耗60 100kWh/t，缩短冶炼周期；减少电极断裂，降低电极消耗；减少氧气用量，不需要氧-燃烧咀；渣中的氧化铁含量少，且氧化铁灰尘得到有效回收，提高金属收得率1%2%；变压器时间利用率高，高达90%以上，可以采用容量较小的变压器，即较低的功率水平；由于废钢炉料在预热过程碳氢化合物全部烧掉，冶炼过程熔池始终保持沸腾，降低了钢中气体含量，提高钢的质量；容易与连铸相配合，实现多炉连浇；电弧始终处于泡沫渣埋弧状态，电弧特别稳定，电网干扰大大减少，甚至可以不需要用“SVC”装置等。,闪烁降低,噪音降低,谐波降低,康斯迪电炉有交流、直流，不使用氧-燃烧咀，废钢预热不用燃料，并且实现了100%连装废钢。炉料连续预热式电炉是高效、节能，及环保型的电炉炼钢设备。,5.5 直流电弧炉炼钢工艺及技术,1.直流电弧炉发展的必然趋势 在19世纪70年代，电弧炉萌芽阶段是采用直流发电机组供电，但在19世纪末三相交流电弧炉问世，以压倒优势发展和运行了近百年，水冷炉壁的发展使超高功率、采用长弧操作，提高生产力和电效率成为现实。尽管交流电弧炉采用了如水冷炉盖、壁，导电横臂，偏心底出钢，氧燃烧嘴，造泡沫渣和底吹搅拌技术等新技术，但多方改进的交流超高功率电弧炉（UHP ACEAF）仍有三个致命弱点：电弧不稳定，噪音大，闪烁效应使电网受干扰和过度的炉壁烧损；热效率不高，电力传输损失大；石墨电极消耗大，相当于电耗费用的30%。直流电弧炉基于自身的特性，能克服上述弊端，70年代 大功率可控硅整流装置日趋完善，直流电弧炉重新获得发展。,5.5 直流电弧炉炼钢工艺及技术,2.直流电弧炉设备结构特点 直流电弧炉设备由5个部分组成，即炉体、电源、控制系统、短网、炉底阳极。典型的直流电弧炉如图所示。2.1直流电弧炉电源 由整流用变压器、整流器、电抗器及高频滤波器四个部分组成。变压器可超载工作，其输出功率可比额定容量提高20%。2.2直流电弧炉控制系统 包括以电极为控制的电压回路和以可控硅为控制的电流控制回路。,直流电弧炉设备简图,30t直流电弧炉,50t直流电弧炉,50t直流电弧炉,5.5 直流电弧炉炼钢工艺及技术,2.3 短网结构 单相直流电弧炉只有一相短网。不存在集肤效应和临近效应，在铜排、铜管、水冷电缆、电极上电损失较小。石墨电极的颤动小，也没有集肤效应，石墨电极电流密度比交流电弧炉高得多。2.4 炉底阳极 直流电弧炉因底电极与钢水接触，同时又作电路，它比炉床承受更大的热负荷，炉底阳极是直流电弧炉的关键设备。目前，使用的炉底阳极分为三类：1）导电炉底型（ABB型）瑞士ABB公司设计，常用镁质石墨砖（含C20%）。优缺点：优点是导电面积大，采用强制风冷安全可靠；不足是导电率高、导热率低的耐材较贵，装卸不便，维修困难。,炉底导电板风冷式底阳极图,1-可动电极2-熔渣3-钢液4-碳砖5-固定具6-冷空气入口7-出口8-扇形集电板9-绝缘层10-钢板11-铁柱,5.5 直流电弧炉炼钢工艺及技术,2）金属触针型(Un-arc型)德国MAN-GHH公司开发，根据炉子容量在炉底中心区安置80-200根直径为30mm的低碳钢触针，触针连接在炉底集电板上，炉底用镁砂打结。优缺点：具有导电面积大，易于起弧，安全可靠的优点，适用于大容量的直流电弧炉。其缺点是：炉底更换时间长，劳动繁重，且引弧初期某一触针导通时，大电流流过可使触针全部熔化，严重损坏炉底。,5.5 直流电弧炉炼钢工艺及技术,3）水冷金属棒型 由法国钢铁研究院开发，炉子底电极是圆形的金属水冷电极，低碳钢芯棒穿过炉底直接与钢水接触，钢芯下部装有铜质水套，可使钢芯得到充分冷却。依电流大小，一座炉子可装1-4根底阳极，顶阴极数与底阳极相同。优缺点：布置适当可有效控制弧偏吹，消除炉内热点和冷点，由于使用过程底电极上端高出炉衬，有利于冷起动时废钢与底电极良好接触。其缺点是导电面积小。,5.5 直流电弧炉炼钢工艺及技术,3.直流电弧的特性热分布：底阳极区发热占电弧热量的43%，阴极区占36%。且72%的热量集中于炉料和熔池上，而交流只有65%。无集肤效应和临近效应，导电截面电流分布均匀，通过的电流可增加20-30%。,超出部分,5.5 直流电弧炉炼钢工艺及技术,可采用长弧作业,电流和电压均高于交流。在电流电压相同的条件下，直流电弧炉与交流电弧炉的功率分布，如图所示。,直流电弧炉的电弧电流所产 生的电动力，使电弧下钢液沿其炉底向外侧炉壁运动，然后沿钢液表面返回电弧下。这种电动力运动方式强烈，因此，直流电弧炉钢液成分、温度比交流电弧炉钢液成分更均匀。,5.5 直流电弧炉炼钢工艺及技术,交流电弧炉的电弧电压与电弧电流的关系为:,直流电弧炉的电弧电压与电弧电流的关系仍是线性关系:,可以看出，由于直流稳弧性好，可使用更高的电弧电压。在直流电弧供电操作条件下，电弧电流是交流的1.22倍；电弧电压是交流的2.34倍；电弧阻抗是交流的1.9倍，所以直流电弧炉是长弧作业。,5.5 直流电弧炉炼钢工艺及技术,4.直流电弧炉的优点 1）对电网的冲击-闪烁小 为了使闪烁控制在允许水平，电网必须有足够大的容量，应满足以下条件：,电网的短路容量应大于炉子变压器额定功率的80倍。对大容量超高功率电弧炉，电网很难满足这一要求，必须增设功率动态补偿装置（相当于炼钢厂总投资的15%）对于直流电弧炉，当炉子出现短路时，电抗器抑制电流升高并且可控硅整流器降低电流值。直流电弧炉所需的短路容量仅为交流电弧炉的,5.5 直流电弧炉炼钢工艺及技术,2）石墨电极消耗减少 直流电弧炉大多使用一根电极，交流电弧炉用三根电极，总面积相对小，石墨氧化损失减少。此外，直流电极为顶阴极，利于导电，温度不高，因此直流电弧炉石墨电极消耗比交流电弧炉降低50-60%。3）耐火材料消耗减少 因直流电弧炉电弧直指炉底阳极，向炉壁辐射热量远比交流电弧炉低，保护炉壁耐火材料。一般直流电弧炉耐火材料比交流电弧炉减少30%。4）提高生产率，降低电耗 直流电弧炉有阳极效应，热效率高，与交流电弧炉相比熔化期可缩短10-20%，电耗降低5-10%。5）减少环境污染，平均噪音减少10dB 6）降低金属消耗 7）投资回收周期短,5.5 直流电弧炉炼钢工艺及技术,5.直流电弧的不足与改进 1)功率受电极制造技术的限制 最大的石墨电极直径为700mm，容许直流电流为100KA，单电极功率达75MVA，限制炉容量的扩大。因此，开发制造800-1000mm的石墨电极技术是当务之急。2）直流电弧炉未能有效利用直流电化学反应 直流电熔炼，渣-金属界面发生电化学反应，反应的方向取决于极性，反应的强度决定于电压与电流的密度。直流电弧炉考虑到石墨电极的消耗及炉料上的热分配，炉底为阳极，即金属熔池为阳极。对有价合金元素（Cr、Mn、Ca、Mg、Fe）损失加大，并吸收渣相中有害元素（N、O、S、P），因此建议精炼后期进行一次极性转换，有利于钢中有害元素的去除，又有利于渣中有益元素氧化物电解进入钢液。,直流熔炼渣-金属界面电化学反应,阳极反应,阴极反应,5.5 直流电弧炉炼钢工艺及技术,3）直流电弧熔炼，钢-渣界面没有交流电的电毛细振荡 交流电通过液态金属与液态炉渣分界面时，金属-炉渣界面发生振荡，通称“电毛细效应”。如图：电毛细振荡强化钢渣反应，促使炉渣吸收及溶解钢中非金属夹杂物，促使气体由钢中向渣相转移。,渣作为阳极时，相界面张力增加，界面呈凸起弯月形,渣变为阴极时相界面变成下凹弯月形,5.6 电弧炉典型钢种的冶炼,合金结构钢的冶炼高速工具钢的冶炼不锈钢的冶炼轴承钢的冶炼,1）特点、用途及性能要求 合金结构钢是合金钢中应用最广泛的一类钢，其品种多且产量高。目前世界上合金结构钢的产量已达总产钢量的15，约占合金钢产量一半。合金结构钢的特点是在碳素结构钢的基础上适当地加入一种或数种合金元素，如Cr、Mn、Si、Ni、Mo、W、V、Ti等。合金结构钢主要用来制造各类机械零件，要求具有良好的综合机械性能，即具有较高的强度和足够的韧性，从而保证零件安全可靠使用。2）主要质量问题白点马氏体钢和中碳的Cr-Ni，Cr-Ni-Mo，Cr-Ni-W合金结构钢的白点敏感性最大。发纹（裂纹）30CrMnSi等合金结构钢常见的缺陷，非金属夹杂物与气体是形成发纹的主因。,合金结构钢的冶炼,纵裂含Cr或Cr-Ni合金结构钢，如40Cr、40CrNi等钢种有较大的钢锭纵裂倾向。中碳珠光体和马氏体钢的纵裂敏感性尤强。低倍夹杂含Ti、Al的合金结构钢，如20CrMnTi，38CrMoAl等钢种常见。3）合金结构钢冶炼注意事项冶炼操作时做到高温氧化，沸腾良好，严格控制脱碳量（0.30），确保去气和减少夹杂。原材料必须干燥或烘烤红热，废钢优质少锈，注意浇注系统的干燥。采用真空处理或炉外精炼。热加工后的钢材进行缓冷或退火处理，使氢能扩散除去。做好还原期的预脱氧和脱氧工作，严格控制出钢温度。,合金结构钢的冶炼,4）合全结构钢的冶炼铬锰钛结构钢（以20CrMnTi为例）此钢种含磷量低又含钛，其成分与冲击韧性关系密切，冶炼工艺的关键是钛的合金化、控制成分和去气去夹杂等。为此必须在炉体情况良好的条件下冶炼，采用氧化法冶炼。含硼结构钢硼能提高钢的淬透性，冶炼硼钢的关键是最大限度地降低钢中氧和氮的含量，防止硼的氧化与氮化（脱氧固氮保硼）。为此应采用氧化法冶炼为宜，较好地对钢液去气和脱氧。,合金结构钢的冶炼,1）特点、用途及性能要求 高速钢是除了含有07以上的碳外，含有大量W、Mo、Cr、V和Co等元素的高合金工具钢。经过适当的热处理后比一般的合金工具钢具有更好的红硬性和回火稳定性。高速工具钢是机械工业中制造切削刀具的重要金属之一，被广泛用来制造生产率高、耐磨性好、在高温下（一般在600左右）仍能保持切削性能的、较高切速的刀具，如车刀、钻头、铣刀、拉刀、插齿刀、铰刀、丝锥、锯条等。2）高速钢的主要性能要求高的常温硬度高的红硬性良好的耐磨性和可磨削性足够的冲击韧性和抗弯强度良好的工艺性能,高速工具钢的冶炼,3）高速钢的主要质量问题碳化物不均匀性(碳化物偏析程度)大块角状碳化物断口夹杂4)高速钢的冶炼方法高速钢不宜采用氧化法冶炼。因为钢中大量的W、Cr、V等合金料（约占炉料总量三分之一）都必须在还原期加入，这就会使还原期操作困难，温度下降，钢液吸气；另一方面后期加入大量钨铁等由于它们熔点高，密度大，极易沉入炉底而不能充分熔化，均匀，容易造成成分出格。高速钢一般宜采用装入法或返回吹氧法冶炼，但以返回吹氧法为主。,高速工具钢的冶炼,1）概述 随着科学技术的不断发展，一般的合金钢材料已经不能满足需要。而不锈钢由于在抗腐蚀、高温抗氧化、抗蠕变等方面具有化学稳定性和热稳定性，从而在合金钢生产中得到了不断发展产量逐年增长。不锈钢是重要的耐腐蚀材料。自1912年研制不锈钢成功以后，随着科技的不断发展，不锈钢的生产，使用范围、品种、质量都有了很大的发展。尤其是原子能、宇航、海洋开发等尖端科技以及石油、化工等面的迅速发展，对不锈钢的需求量日益增加，不仅要求有更高的耐蚀性，而且还要有高强度、耐高温高压、防辐照、耐低温以及防磁等性能。,不锈钢的冶炼,2）不锈钢的主要质量问题发纹（裂纹）孔洞a相（奥氏体不锈钢中的残余铁素体组织称为a相）晶间腐蚀（贫铬现象的形成使晶界失去抗介质腐蚀的能力，腐蚀逐渐向晶界内部延伸，引起晶间腐蚀。此外，由于贫铬区与富铬区之间形成了微小的电位差，产生微电池电化学腐蚀作用，在腐蚀介质作用下晶间腐蚀迅速发展）钢锭表面质量,不锈钢的冶炼,3）不锈钢的冶炼方法通常的方法有电弧炉冶炼，感应炉冶炼、电渣重熔，在转炉中用氩氧混合气体吹炼的AOD法。从生产、原料、成本及综合利用方面来看AOD法是最经济的。我国目前仍以电弧炉返回吹氧法为主要生产方法。电弧炉冶炼不锈钢 根据炉料组成和氧气供应情况，在电弧炉中可用返回吹氧法、氧化法和装入法冶炼不锈钢。返回吹氧法最合理。用装入法，需要添加大量的低碳铁和纯铁等昂贵的原材料。氧化法可用于超低碳不锈钢冶炼，但成本高，后期补加料多，温度与成分都难把握。含铬量高于13以上的高铬不锈钢返回吹氧法，在一般的炼钢温度下（1600左右）吹氧，会造成铬的大量氧化。因此，在吹氧脱碳的过程中如何保证铬的回收，降低铬损是返回吹氧法冶炼工艺的关键问题。,不锈钢的冶炼,1）用途及性能要求 轴承是现代各种机械设备、仪表和交通工具必不可少的重要部件之一，各种机械的转动部分都少不了它。滚动轴承钢主要用来制造滚动轴承的滚珠、滚柱、滚筒、滚针及内外套圈，少部分用来制造油泵、油嘴及其他工具、模具等。2）滚动轴承钢的性能要求保证轴承有高的抗疲劳强度，尤其是抗接触疲劳强度，高的弹性极限，高的耐磨性和一定的冲击韧性。保证轴承有高的淬硬性和淬透性、良好的尺寸稳定性和一定的抗腐蚀性能。,轴承钢的冶炼,3）主要冶金质量指标轴承钢的冶金质量指标主要包括钢中非金属夹杂物、碳化物的均匀性、基体强度和残余奥氏体量等。目前影响轴承寿命进一步提高的关键仍然是钢的纯净度和均匀性。在生产过程中，既要尽量减少夹杂物的含量，又要尽力控制夹杂物的成分、形态和分布，避免因夹杂物不均匀而构成潜在危险。4）轴承钢的冶炼方法滚动轴承钢是属于“白点”敏感的钢种，对夹杂物要求又极为严格，所以采用氧化法冶炼，冶炼任务是尽可能获得纯洁的钢材。从工艺上采取措施防止和减轻二次氧化，提高耐火材料的质量，规定合理镇静时间等，都非常必要。,轴承钢的冶炼,5.7 电弧炉炼钢自动控制技术,1.人工智能神经网络基本概念人工智能（Artificial Intelligence）是计算机科学一个重要分支，它主要研究用各种自动机或智能机来模仿人脑所从事的认识、学习、推理、思考、规划等一系列思维活动。“专家系统”，主要是指特定领域内，具有相当于人类专家的知识和经验，以及解决专门问题能力的计算机程序系统。神经网络（Neural Networks）也称为人工神经网络（Artificial Neural Networks），专家系统与神经网络同样都是人工智能处理技术的主要分支。在冶金领域，人工智能神经网络已应用于高炉数据模式识别、连铸机漏钢预报、转炉静态控制模型、板形控制及电弧炉控制等。,5.7 电弧炉炼钢自动控制技术,神经网络的五个显著特点：以分布存储知识。知识不是存储在特定的存储单元中，而是分布在整个系统中。以并行方式处理，即神经网络的计算功能是分布在多个处理单元中，从而提高了信息处理的运算速度。有很强的容错能力。即指可以根据不完全的、有错误的信息做出正确而完整的结论的能力。神经网络的这一特点就像大脑一样，部分处理单元损坏，不影响网络的整体功能，它可从不完整的数据和图形通过学习做出判断。可以逼近任何非线性系统。具有良好的自学习、自适应和联想智能，可以适应系统复杂多变的动态特性。,5.7 电弧炉炼钢自动控制技术,2.电弧炉的神经网络控制系统 控制系统包括控制电弧炉的通用程序、学习分析电弧炉条件和做出决策的软件神经原网络，以及帮助网络识别、判断各种输入信息的算法。控制系统有三个神经网络模式：电弧炉仿真模式（FE-Furnace Emulator）用于预报操作；调节器仿真模式（RE-Regulator Emulator）用于复制传统控制器的各种响应；神经电炉控制模式（NFC-Neural Furnace Controller）用于综合两个仿真模式的输出，优化电炉操作。,智能电弧炉控制系统原理图,调节器和时间状态值,神经网络调节器,实际电弧炉,神经网络电弧炉,期望的电炉状态,模式误差,Sn+1,Sn+1,REGn+1,神经电弧炉控制器,调节误差,人工智能控制,1、控制电弧炉参数 要控制电弧炉，必须运用数据采集系统（Data Acquisition System）收集电炉所有三相的信息：初级相间电压（Primary Phase-to-phase Volts）；初级相电流（Primary Phase Current）；二次相间电压（Secondary Phase-to-phase Volts）；二次相对炉底电压（Secondary Phase-to-hearth Volts）；二次相电流（Secondary Phase Current）；调节器信号（Regulator Singnal）。上述变量的数学关系极复杂，且非线性。在控制电弧炉时还必须控制以下三因素：电弧长度变化，当电弧长度变长时，电弧电流下降，功率因素提高。,人工智能控制,电特性变化。装入料熔化初期，电炉呈现出大的电抗。废钢熔化进入熔池后，电炉的工作电抗接近短路值。三相不可分离。传统控制系统假定电炉可以模拟为三个分离的单相系统。而实际三根电极之间的关系并非线性关系，因此控制必须按三相实际计算值进行。2、LAFTM技术 LAFTM使用3个神经网模拟：炉子模拟调节器模拟神经控制模拟。由200多个相互联结的神经元组成，全部使用扩展的-Bar-自适应算法。,LAFTM的神经网络模型,LAFTM的数据采集系统,作业,1、电弧炉炼钢的主要特征及特点是什么？2、电弧炉冶炼氧化法和不氧化法各有何优缺点？3、电弧炉设备包括哪几大部分？4、传统