电弧炉炼钢.ppt.ppt
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1、,第二篇 电弧炉炼钢,主要内容,电炉炼钢及其发展电弧炉的电器设备电弧炉炉体构造与炉衬电弧炉炼钢原材料碱性电弧炉冶炼工艺超高功率电弧炉和直流电弧炉典型钢种冶炼电炉新技术、新工艺,绪论:电弧炉炼钢及其发展,一、电弧炉 目前,世界上电炉钢产量的95%以上都是由电弧炉生产的,因此电炉炼钢主要指电弧炉。电炉炼钢是以废钢为主要原料,以三相交流电作电源,利用电流通过石墨电极与金属料之间产生电弧的高温,来加热、熔化炉料。电弧炉是用来生产特殊钢和高合金钢的主要方法(现在也用来生产普通钢)。,电弧炉炼钢至今有百年历史,最先使用的电弧炉为直流电弧炉,由于炉容的扩大,当时很难提供大功率整流电源,因此出现了三相交流电弧
2、炉,并长期占据主导地位。主要用于高合金钢和特殊钢,由于速度慢、能耗低,上世纪60年代后,首先采用吹氧代替矿石,使之可以利用废钢较低成本的生产线材、棒材用钢。,随着超高功及二次精炼、连铸技术的发展,至上世纪90年代,冶炼周期缩短至1h以下,电耗410KWh/t,电极消耗2.0kg左右,使“短流程”可与“长流程”相抗衡。并逐步开发了直流电弧炉技术,截止目前,大型直流电弧炉已成为短流程的主体设备。,2.直流电炉的发展,交流电弧炉的缺点:1)稳定性差、噪音大、功率因素低、引起电网闪烁;2)三相负荷不均匀,形成热点,造成耐火材料损失严重。因此,随着大功率闸管技术发展,重新开始直流电弧炉的研究。,2.直流
3、电炉的发展,交流电弧炉的缺点:1)稳定性差、噪音大、功率因素低、引起电网闪烁;2)三相负荷不均匀,形成热点,造成耐火材料损失严重。因此,随着大功率闸管技术发展,重新开始直流电弧炉的研究。,第一阶段:实验直流电弧炉的建造(7080年代);第二阶段:中小型电弧炉的建造(80年代中期);第三阶段:大型工业支流电弧炉的建造(90年代),直流电弧炉的优点:1)对电网冲击小,无需动态补充装置;2)石墨电极消耗低,是交流的1/2;3)冶炼周期短,熔化时间短1020%,电耗低50%;4)耐材与金属消耗低,环境污染小,投资回收周期短。,二、电弧炉炼钢的特点1、温度高而且容易控制2、可以制造还原性气氛,有利于去硫
4、3、热效率高,可达65%以上4、冶炼设备简单,投资少缺陷:1、耗电量大 500700kwh/t2、成品钢中H、N含量偏高3、炭质电极可能使钢液增碳,给低碳钢冶炼带来困难,三、长流程与短流程长流程:铁矿石 高炉 铁水 转炉 钢水 浇注 钢坯 轧钢 钢材短流程:废钢等 电炉 钢水 浇注 轧钢 钢材废钢电炉炼钢流程,具有流程短,设备布置、工艺衔接紧凑,投入产出快。,四、电炉“短流程”的优势:充足的废钢资源能源优势流程优势环保意识可持续发展,1)投资比高炉转炉流程减少l2以上。如美国、日本等国的薄板坯电炉短流程,实际费用约为传统流程的l4 2)生产成本低,劳动生产率高。钢铁联合企业从铁焦烧开始到热轧板
5、卷为止,吨钢能耗一般为23kJt,而以废钢为原料的电炉钢厂短流程工艺生产的产品能耗接近10kJt,能耗降低60左右。3)在世界每年废钢产量为3亿多吨的情况下,电炉短流程的发展对于促进环保,消化废钢,净化冶金工厂的环境起到了良好的推动作用。因此,发达国家把发展紧凑式电炉短流程作为重点。,五、电炉工艺流程图,第一章电弧炉的电器设备11 电弧概念与交流电弧特性,一.电弧基础 电弧炉热源电弧:决定炉内热工状况和设备的电器特性。1.电弧是一种气体放电现象。在两电极间加上一定的电压,就能自行放电。放电时两电极间的气体被电离,出现大量带电质点自由电子和正离子,电极间出现导电通道,电流密度达KAcm2,气体达
6、几千摄氏度。,2.电弧柱中气体电离的原因 阴极斑点的热电子发射。电场电离。热电离。3.消电离的两种形式 扩散。复合。,二.交流电弧特性,1.交流电弧的不连续性2.炼钢炉中电弧 在熔化期,电弧长度较小(1020mm),电弧不断地从一块炉料跳向另一块炉料,因而电弧电压和电流的波形无规则地剧烈变动。当有炉渣形成后,电弧增长并变得稳定些,电弧被炉渣包围的部分越大时,电弧电压和电流的波形越接近于正弦形。实际炼钢炉中电弧的阴极和阳极轮流位于石墨和金属上。在三相炼钢电弧炉中,每相电弧受到其它两相电弧所建立磁场的作用,于是被地磁力移至电极端靠近炉衬的外侧电弧外吹。电极末端形状也随之改变。,12 电弧炉的主电路
7、及主电路上的电器设备,一.电弧炉的主电路由高压电缆线至电极的电路称为电弧炉的主电路。1.主电路组成隔离开关、高压断路器、电抗器、电炉变压器、低压短网等。2.主电路作用 从高压电网取得高压电能,转变为低电压、大电流输送到电极。,二.主电路上的电器设备,1.隔离开关作用:电炉设备检修时断开高压电源,或进行切换操作。结构:三相刀闸开关。特点:无灭弧装置,必须在无负载时接通或切断电路。开关操作顺序:送电时先合上隔离开关,后合上高压断路器;停电时先断开高压断路器,后断开隔离开关。操作机构:手动、电动、气动三种。,2.高压断路器作用:是电弧炉的操作开关,用以切断电炉变压器的空载电流、工作电流和炉中发生短路
8、时的工作短路电流。工作特点:操作次数频繁,要求操作断路器能经受5000次操作而无需维修。种类:高压油开关、电磁式空气断路器、真空断路器。3.电抗器作用:串连在变压器的高压侧,增加电路的电抗,限制短路电流和稳定电弧。,4.电炉变压器 作用:将高电压低电流转变为低电压大电流供给电弧炉。5.短网从电弧炉变压器低压侧的出线开始到电极这一段线路。结构:主要由硬铜母线(铜排)、软电缆和炉顶水冷铜管三部分组成。影响:电炉电效率;功率因素;三相电功率平衡。,第二章 电弧炉炉体构造与炉衬21 电弧炉炉体构造,一.炉壳二.炉门三.出钢口与流钢槽四.炉盖圈五.电极密封圈,22 炉型尺寸与炉衬,一.电弧炉炉型尺寸1.
9、熔池的形状与尺寸熔池是指电弧炉渣线以下部分的空间。池形状:圆台形、圆台加球缺形。主要尺寸:A.熔池直径:炉门坎水平面的直径,D。B.熔池深度:炉门坎水平面到炉底中心处的深度。H。一般推荐:DH4.55。,2.熔炼室的形状和尺寸熔炼室是指熔池上部的空间。主要由炉子的容量决定。内壁表面常砌成上薄下厚的斜形,斜角:68。3.炉盖的形状和尺寸关键尺寸:拱高。,二.电弧炉炉衬,由炉底、炉壁和炉盖三部分组成。1.炉底结构绝热层:是炉底的最下层,其作用是减少通过炉底的热损失。保护层:其作用是保证熔池部分的坚固性,防止漏钢。工作层:直接与钢液和炉渣接触,热负荷高,化学侵蚀严重,机械冲刷激烈。,2.炉壁结构由外
10、向内第一层以石棉板作绝热层,第二层用硅藻土或粘土砖立砌作保温层,第三层用沥青镁砂砖环砌作工作层。3.水冷挂渣炉壁可装置在渣线以上炉壁热点区和易损区局部使用;也可在渣线以上做成全水冷挂渣炉壁。4.炉盖结构:一般用一、二级高铝砖或铝镁砖砌筑。5.水冷炉盖,第三章 电弧炉炼钢用原材料,一.钢铁料1.废钢A.普通废钢来源广泛,成分和规格较复杂。B.返回废钢 来自钢铁厂的冶炼和加工车间。,对废钢的要求 废钢表面清洁少锈。废钢中不得混有铜、铅、锌、锡、锑、砷等有色金属。废钢中不得混有爆炸物、易燃物、封闭器皿和毒品。废钢要有明确的化学成分。废钢要有合适的块度和外形尺寸。2.生铁一般用于提高炉料的配碳量或代替
11、一部分废钢。通常配入量为1020。3.直接还原铁,在低于矿石熔化温度下,通过固态还原,把铁矿石炼制成铁的工艺过程。这种铁保留了失氧时形成的大量微气孔,在显微镜下观察形似海绵,所以也称为海绵铁;用球团矿制成的海绵铁也称为金属化球团。直接还原铁的特点是碳、硅含量低,成分类似钢,实际上也代替废钢使用于炼钢。习惯上把铁矿石在高炉中先还原冶炼成含碳高的生铁。而后在炼钢炉内氧化,降低含碳量并精炼成钢,这项传统工艺,称作间接炼钢方法;而把炼制海绵铁的工艺称作直接还原法,或称直接炼铁(钢)法。,直接还原原理与早期的炼铁法(见块炼铁)基本相同。高炉法取代原始炼铁法后,生产效率大幅度提高,是钢铁冶金技术的重大进步
12、。但随着钢铁工业大规模发展,适合高炉使用的冶金焦的供应日趋紧张。为了摆脱冶金焦的羁绊,18世纪末提出了直接还原法的设想。20世纪60年代,直接还原法得到发展,其原因是:5070年代,石油及天然气大量开发,为发展直接还原法提供了方便的能源。电炉炼钢迅速发展,海绵铁能代替供应紧缺的优质废钢,用作电炉原料,开辟了海绵铁的广阔市场。选矿技术提高,能提供高品位精矿,使脉石含量可以降得很低,简化了直接还原工艺。1980年全世界直接还原炼铁生产量为713万吨,占全世界生铁产量的1.4。最大的直接还原工厂规模达到年产百万吨,在钢铁工业中已占有一定的位置。,海绵铁中能氧化发热的元素如硅、碳、锰的含量很少,不能用
13、于转炉炼钢,但适用于电弧炉炼钢。这样就形成一个直接还原炉电炉的钢铁生产新流程。经过电炉内的简单熔化过程,从海绵铁中分离出少量脉石,就炼成了钢,免除了氧化、精炼及脱氧操作,使新流程具有作业程序少和能耗低的优点。其缺点是:成熟的直接还原法需用天然气作能源,而用煤炭作能源的直接还原法尚不完善,70年代后期,石油供应不足,天然气短缺,都限制了直接还原法的发展。直接还原炉电炉炼钢流程,生产一吨钢的电耗不少于600千瓦时,不适于电力短缺地区使用。海绵铁的活性大、易氧化,长途运输和长期保存困难。目前,只有一些中小型钢铁厂采用此法。,二.氧化剂1.铁矿石要求铁矿石的含铁量高,比重大。2.氧化铁皮要求与转炉炼钢
14、相同。3.氧气 是最主要的氧化剂。要求含O299,水分3gm3,熔化期氧压为0.30.7MPa,氧化期氧压为0.71.2MPa。,三.脱氧剂和铁合金 要求:1.脱氧剂和铁合金中的有用元素含量要高,以减少熔化时的热能消耗。2.块度大小应适当,难熔化的块度要小些,易熔的可大些。3.非金属夹杂物、P、S和气体以及炉渣等杂质含量应尽量低些。4.在许可范围内尽量先使用高碳铁合金,然后中、低碳铁合金。5.不易氧化且难熔化的铁合金在使用前应加热。,四.造渣材料1.石灰 CaO85,SiO22,S0.5,宜采用活性石灰。2.萤石 CaF28595,应在100200的低温干燥后使用。3.粘土砖块SiO260,A
15、l2O335,改善炉渣流动性。,五.增碳剂1.碳粉2.电极粉(碎电极块)是最好的增碳材料,其比重大(碎电极块),S、P低,灰分少。六.电极1.石墨电极性能 石墨加热后,直接由固态升华为气态,升华温度高达3800。它与大部分材料不同,在温度上升时,其机械强度上升,在2000时石墨强度是室温下的1.6倍。,石墨的电阻系数和温度变动的相依关系较复杂。在1400下的电阻系数和室温下的相同,而金属的电阻系数却总是随温度升高而增大的。石墨的导热性能好而热膨胀系数较低,使石墨抗热震性能较好,降低了电极中的热应力。在石墨表面温度大于400后会和氧气结合。氧化量与气体中的氧含量、气体流速和暴露时间有关。在温度大
16、于600后,氧化过程激烈。石墨易于加工,电极两端螺纹接头有较高的加工精度,接头处接触良好,机械应力分布较好,且价格不贵。,2.石墨电极的消耗 原因:电极端面消耗A.升华。B.热应力导致剥落。C.熔解。电极侧面消耗电极折断高位断裂残端消耗低位断裂,3.降低电极消耗的措施 减少由机械外力和电磁力引起电极折断和破损。电极应存放在干燥处,严防受潮。减少电极接头的电损失。减少电极周界的氧化消耗。降低电极端部的消耗。提高电极调整器自动升降的灵敏度,有利于降低电极消耗。强化管理,严格执行配电、配料、装料等关键操作制度,以减少非正常消耗。,第四章 碱性电弧炉氧化法冶炼工艺41 补炉和装料,一.炉衬及补炉1.炉
17、衬炉衬指炉壁、炉底和炉顶。寿命最低的是炉壁,它的工作条件最差,距电弧近,温度高,又受炉渣的严重侵蚀。炉衬损坏对冶炼操作的影响A.炉龄后期渣线处侵蚀严重时,易造成跑钢事故,最易从二号电极对应的炉壁跑钢,烧坏设备。,B.内衬侵蚀严重时由于炉壁薄而热损失大,升温困难,不易控制钢液的温度。C.炉衬严重损坏或补炉镁砂未烧结而往渣中上浮时,渣中MgO颗粒大量增加,渣的流动性变坏,延缓渣钢间的化学反应,钢中夹杂物增加,钢质量严重降低。D.炉底有深坑时成分不易稳定,如冶炼含钨的钢加FeW时易于沉入坑底,造成W含量偏低。E.炉顶温度过高时(由于炉渣太稀反射热量大或供电功率太大辐射到炉顶的热量增加),会产生淌炉顶
18、的现象,炉顶表面粘附着氧化渣,熔化滴落后增加了渣中(FeO),影响还原期炉渣的碱度和脱氧、脱硫能力。,影响炉衬寿命的因素A.炉渣对炉衬的侵蚀炉渣在冶炼各期均侵蚀炉衬,形成“渣线”带,侵蚀的程度视炉渣的碱度和流动性而定。B.冶炼温度对炉衬寿命的影响炉衬温度太高也是降低炉衬寿命的主要原因之一,应该有一合理的供电制度。C.装料不当损坏炉衬。,2.补炉 补炉材料镁砂或熟白云石,用沥青或卤水作粘结剂。补炉的原则高温、快补、薄补;先外后里;先坏后好。补炉操作 补炉方法人工补炉;机械补炉。,二.装料1.装料前的炉料计算 例题:2.装料操作 要求:速度快、密实、布料合理,尽可能一次装完,或采用先多加后补加的方
19、法装料。装料次序和炉料在炉中的分布:,装料,42 熔化期,一.熔化期的主要任务1.合理供电,迅速将固体炉料熔化成为均匀的钢液。2.尽早造好熔渣以利去P,并减少和防止钢液吸气和金属的挥发和氧化损失。3.准确控制熔毕结束时钢液的化学成分(特别是熔毕碳)。,二.炉料的熔化过程1.起弧阶段从通电起弧至电极开始插入炉内称为起弧.电极下降接触炉料,产生极大的短路电流,电极与炉料间的空气被电离,当电极与金属炉料分开时形成电弧。电极下的金属料受到高温而发生爆裂,瞬时短路电流引起炉料之间、短网系统和变压器机械振动产生的声响,造成很大的噪音。起弧阶段的电压和电流波动大,电弧燃烧不稳定,短路和断弧现象时有发生。为使
20、电弧稳定,通电前应在变压器高压侧串上电抗器进行工作。,2.穿井阶段 主要是电极穿井和熔化电极下面炉料的过程。由于自动功率调节器的作用,电极始终要与炉料保持一定距离,所以电极随着炉料的熔化而不断下降。在炉料中形成三个比电极直径大3040的深坑,称为电极“穿井”。3.电极回升阶段主要靠电弧热辐射使电极周围的炉料熔化。熔化的金属聚集在炉底,使钢液面不断上升,为维持一定的电弧长度,电极也相应回升,直到炉料熔化80以上,最后仅剩下远离电弧低温区附近的炉料时,回升阶段即告结束。,4.熔清阶段主要任务是熔化靠近炉坡、出钢口及炉门两侧等低温区的炉料。炉料全熔后,将金属加热到开始氧化精炼所需的温度。在整个熔化过
21、程中,穿井和回升阶段占全部熔化时间的7080,是缩短熔化时间、降低熔化电耗的重点阶段。,三.熔化过程的主要物化反应1.元素的挥发电弧柱温度33006000,导致:直接挥发;间接挥发(氧化物挥发)。特征:红色烟雾(Fe2O3挥发)。2.元素的氧化 Si:绝大部分被氧化掉。Mn:部分氧化。S:氧化不明显。P:氧化量4050,取决于熔化期炉渣成分、温度。Fe:氧化35。C:氧化1030,3.钢液的吸气 生锈或吸潮的炉料以及炉气中的水分在电弧的高温作用下被分解为N、O、H原子,随着固体炉料的熔化和钢液温度的升高,N、H、O会直接或间接通过炉渣而溶解于钢液中,使熔化后期钢液中的气体含量逐渐增加。在熔化期
22、,被熔化的金属液滴自上而下移动时,与炉气接触面积大,时间长,为金属吸气创造了有利条件。防止吸气的措施:A.尽量造好熔化渣,以覆盖钢液面。B.及时做好吹氧助熔工作,借助碳氧反应使钢液沸腾,有利于快速降低钢液中的气体含量。,四.熔化期的造渣及去磷1.熔化期炉渣的来源 炉料带入的泥沙和耐火材料。炉料中Si、Mn、Al、P、Fe等氧化生成的氧化物。向熔池加入的石灰。2.熔化期脱磷 创造去磷的热力学条件:A.碱度:2.02.5。B.(FeO):1520。C.温度:15001540D.渣量:35。创造去磷的动力学条件:熔化中后期吹氧助熔,使熔池沸腾。,五.熔化期工艺操作1.合理供电2.适时吹氧在炉料熔化6
23、0%左右时吹氧为宜。3.尽快造渣4.操作5.取样分析,6.缩短熔化期,W1钢铁料质量,t。W2渣料质量,t。Q1熔化一吨钢铁料的电能消耗,约为340KWh。Q2熔化一吨渣料所需热量。约540KWh。P变压器功率。即熔化期向炉内输入的平均功率(不小于额定功率)。,c功率因数和电效率之积,称为实际输出系数,约为0.7650.81。电效率是电能转化为真正用于熔化炉料的热量的分数。P1单位时间的热损失,即熔化期内的平均电能损失。,加速炉料熔化的措施:提高变压器输出功率。采用强制循环油冷却的方法,以及双水内冷变压器,降低变压器油温度,提高其过负载的能力。缩短短网长度,有效地减少线路上的电能消耗,提高电效
24、率。随着输出电流的增大改用大直径和高导电能力的电极。利用吹氧的化学反应热加速熔化炉料,熔化到炉料的1312时传氧助熔。采用炉料预热的方法(应考虑到炉前操作的方便)。提高电极自动调节器的灵敏度,提高电极的升降速度,减少跳闸次数。减少热损失,缩短装料时间,及时关闭炉门,提高冷却水的出水温度到3040,注意密封圈的密闭性等。,43 氧化期,氧化期通常是指从炉料熔清、取样分析到扒完氧化渣这一阶段。一.氧化期的任务1.去除钢液中的磷到规定的限度 在氧化末期扒除氧化渣时,钢液中的磷含量低于钢种成分规定的含量。2.去除钢液中的气体(氢、氮)在氧化末期把溶解在钢液中的氢降到2.54ml100g,氮降低到0.0
25、040.006范围。3.去除钢液中的氧化物夹杂,氧化期钢液中氧化物夹杂来源:A.在熔化和氧化过程中,炉料中的Mn、Si、Al、Cr、Ti、V等被氧化生成的非金属夹杂物。B.炉料耐火材料因侵蚀而到钢液中的氧化物夹杂,补炉材料MgO等。C.炉料中含有和夹带的SiO2、Al2O3等杂质。氧化期钢液沸腾时大部分夹杂物被炉渣吸收,在氧化期可去除7590,很小一部分留到还原期继续脱除。,4.升高钢液温度在氧化末期把钢液温度升高到高于出钢温度1020,原因是:A.还原期一开始就需要高的温度才能更快地造还原渣,更好地完成还原期的任务。B.氧化期炉渣因沸腾起泡有包住电弧的趋势,所以钢液的升温快,温度很均匀,炉衬
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