1、冶金学冶金学炼钢篇炼钢篇电炉炼钢及炉外精炼电炉炼钢及炉外精炼阎立懿阎立懿东北大学钢铁冶金研究所东北大学钢铁冶金研究所2008年年10月月2911月月24日沈阳日沈阳（No7）2022-8-15东北大学/阎立懿2主要内容主要内容n电炉炼钢及其发展电炉炼钢及其发展n电炉炼钢设备及其电热特性电炉炼钢设备及其电热特性n电炉炼钢原料及冶炼工艺电炉炼钢原料及冶炼工艺n电炉新技术、新工艺电炉新技术、新工艺n炉外处理炉外处理n中国钢铁与大型电炉现状中国钢铁与大型电炉现状2022-8-15东北大学/阎立懿3 上次介绍第五章上次介绍第五章“现代电炉炼钢新技术现代电炉炼钢新技术”的内容的内容n现代电炉冶炼工艺要点：
2、快速熔化与升温，脱磷及脱碳操作等要点。现代电炉冶炼工艺要点：快速熔化与升温，脱磷及脱碳操作等要点。n钢液的合金化：合金的用途、种类以及合金加入时间的原则，给出钢液的合金化：合金的用途、种类以及合金加入时间的原则，给出“n元合金计算公式元合金计算公式”。nUHP电炉的发展背景，采用电炉的发展背景，采用UHP电炉的目的及其主要优点。电炉的目的及其主要优点。nUHP电炉的主要技术特征：功率水平要高、功率利用率要高、流程电炉的主要技术特征：功率水平要高、功率利用率要高、流程要优化，以及要优化，以及公害要进行抑制公害要进行抑制。2022-8-15东北大学/阎立懿4 5.1.3.4 电炉产生的公害要进行抑
3、制电炉产生的公害要进行抑制 （1）烟尘与噪音）烟尘与噪音 UHP电炉在炼钢过程中产生烟尘电炉在炼钢过程中产生烟尘20000mgm3，而国家对排放粉尘含量的现行标准而国家对排放粉尘含量的现行标准GB9078-1996为为100150mgNm3。因此，电炉必须配备排烟除尘装置，。因此，电炉必须配备排烟除尘装置，使排放粉尘含量达到标准要求。使排放粉尘含量达到标准要求。目前，较合理的办法是采用炉顶第四孔目前，较合理的办法是采用炉顶第四孔+封闭罩和屋封闭罩和屋顶大罩结合排烟法的三级排烟，除尘采用布袋除尘。以顶大罩结合排烟法的三级排烟，除尘采用布袋除尘。以满足即将出台的满足即将出台的新标准新标准更高的要求
4、。更高的要求。5.1.3 超高功率电炉技术特征超高功率电炉技术特征2022-8-15东北大学/阎立懿5 2007.9宝钢负责起草的宝钢负责起草的“钢铁工业大气污染物排放标钢铁工业大气污染物排放标准准”（征求意见稿）：其中就烟尘排放浓度限值，对不同（征求意见稿）：其中就烟尘排放浓度限值，对不同设备提出不同的要求，意见稿建议：转炉、电炉及精炼炉设备提出不同的要求，意见稿建议：转炉、电炉及精炼炉烟尘排放浓度限值分为：烟尘排放浓度限值分为：“现源现源”规定规定35mgm3，“新新源源”规定规定20mgm3；美国电炉（铸造）分别为：；美国电炉（铸造）分别为：11.45mg m3，4.58mgm3；欧盟、
5、英国、德国电炉炼钢控制水；欧盟、英国、德国电炉炼钢控制水平均在平均在15mgm3 。对二恶英对二恶英PCDD/Fs排放限值为：排放限值为：0.2ng-TEQ/m3 ，欧盟排放限值为：欧盟排放限值为：0.1ng-TEQ/m3；其他国家多为：；其他国家多为：0.20.4ng-TEQ/m3 。2022-8-15东北大学/阎立懿6 UHP电炉产生噪音高达电炉产生噪音高达110dB，要求设法降低。噪音，要求设法降低。噪音对环境的影响，据科学家证明如表对环境的影响，据科学家证明如表5-3。为此，许多国家都制订标准，如德国标准要求，距噪为此，许多国家都制订标准，如德国标准要求，距噪声源声源300m处的噪音强
6、度为处的噪音强度为.30060dB（白天），（白天），45dB（夜晚）。（夜晚）。GB12348-90规定为规定为4570dB。采用电炉封闭罩可以满足，罩外的噪音强度能达采用电炉封闭罩可以满足，罩外的噪音强度能达8090dB。噪音噪音/dB507090150影响影响程度程度影响睡眠影响睡眠与休息与休息干扰谈话干扰谈话影响工作影响工作影响听力，引起神经衰影响听力，引起神经衰弱、头疼、血压升高弱、头疼、血压升高鼓膜出血，鼓膜出血，失去听力失去听力2022-8-15东北大学/阎立懿7（2）电网公害）电网公害 电炉产生的电网公害主要包括电压闪烁与高次谐波。电炉产生的电网公害主要包括电压闪烁与高次谐波。
7、1）电压闪烁（或电压波动）电压闪烁（或电压波动）电压闪烁实质上是一种快速的电压波动。它是由较大电压闪烁实质上是一种快速的电压波动。它是由较大的的交变电流冲击而引起的电网扰动交变电流冲击而引起的电网扰动。电压波动可使白炽灯。电压波动可使白炽灯光和电视机萤屏高度闪烁，电压闪烁由此得名。光和电视机萤屏高度闪烁，电压闪烁由此得名。UHP电炉加剧了闪烁的发生。当闪烁超过一定值（限电炉加剧了闪烁的发生。当闪烁超过一定值（限度）时，如度）时，如0.130Hz，特别是，特别是110Hz闪烁，会使人感到闪烁，会使人感到烦躁，这属于一种公害，要加以抑制。烦躁，这属于一种公害，要加以抑制。2022-8-15东北大学
8、/阎立懿8 解决的办法有两种：解决的办法有两种：n一是要有足够大的电网，即电炉变压器要与足够大的电一是要有足够大的电网，即电炉变压器要与足够大的电压、短路容量的电网相联，德国规定：压、短路容量的电网相联，德国规定：nnPnPP80804网短 一般认为，若供电一般认为，若供电电网公共连接点电网公共连接点（PCC）的短路）的短路容量是变压器额定容量的容量是变压器额定容量的80倍，就可视为足够大。倍，就可视为足够大。n二是采取无功补偿装置进行抑制，二是采取无功补偿装置进行抑制，如采用晶体管控制如采用晶体管控制的电抗器（的电抗器（TCR）。（国家标准）。（国家标准GB12326-2000规定，规定，3
9、5kV时，电压波动限值时，电压波动限值2%）2022-8-15东北大学/阎立懿9 两种途径相比，途径一是治标的方法，因为电炉对电两种途径相比，途径一是治标的方法，因为电炉对电网和自身影响的各种量值并未消除，而是送到更高电压级网和自身影响的各种量值并未消除，而是送到更高电压级的电网去扩散。的电网去扩散。随着电炉及大容量用电设备的不断建设发展，这些量随着电炉及大容量用电设备的不断建设发展，这些量值在电网中增加积累、泛滥成灾，将会形成电网所不能接值在电网中增加积累、泛滥成灾，将会形成电网所不能接受的程度，而增加了对广大用户的影响，因此，使用范围受的程度，而增加了对广大用户的影响，因此，使用范围越来越
10、小。越来越小。途径二是治本的办法，它使电炉对电网和自身影响的途径二是治本的办法，它使电炉对电网和自身影响的各种量值大部分就地消除了，故其使用范围越来越大，前各种量值大部分就地消除了，故其使用范围越来越大，前途广阔。途广阔。2022-8-15东北大学/阎立懿10 2）高次谐波（或谐波电流）高次谐波（或谐波电流）由于电弧电阻的由于电弧电阻的非线性特性非线性特性等原因，使得等原因，使得电弧电流波电弧电流波形产生严重畸变形产生严重畸变，除基波电流外，还包含各高次谐波。，除基波电流外，还包含各高次谐波。谐波电流注入电网，将危害共网电气设备的正常运行，谐波电流注入电网，将危害共网电气设备的正常运行，如使发
11、电机过热，使仪器、仪表、电器误操作等。如使发电机过热，使仪器、仪表、电器误操作等。抑制的措施是：采取并联谐波滤波器，即采取、抑制的措施是：采取并联谐波滤波器，即采取、串联电路。串联电路。实际上，电网公害的抑制常采取实际上，电网公害的抑制常采取闪烁、谐波综合抑制闪烁、谐波综合抑制，即静止式动态无功补偿装置即静止式动态无功补偿装置SVC装置，见图装置，见图5-2。但。但SVC装置价格很贵，使得电炉投资成本大为提高装置价格很贵，使得电炉投资成本大为提高。2022-8-15东北大学/阎立懿11图图5-2 静止式动态无功补偿装置静止式动态无功补偿装置2022-8-15东北大学/阎立懿125.1.4 超高
12、功率电炉技术效果超高功率电炉技术效果 UHP电炉冶炼工艺的基本指导思想是高效、节能、低消耗。而应电炉冶炼工艺的基本指导思想是高效、节能、低消耗。而应用于用于UHP电炉的各项技术，如电炉的各项技术，如UHP供电，强化吹氧（含氧供电，强化吹氧（含氧-燃助熔），燃助熔），水冷炉壁与水冷炉盖，底吹搅拌，长弧泡沫渣，无渣出钢及废钢预热水冷炉壁与水冷炉盖，底吹搅拌，长弧泡沫渣，无渣出钢及废钢预热等都是在这种思想指导下开发出来的。等都是在这种思想指导下开发出来的。综合应用这些技术，与计算机控制、管理和炉外精炼相配合，已综合应用这些技术，与计算机控制、管理和炉外精炼相配合，已经使得电炉的平均冶炼周期达到经使得
13、电炉的平均冶炼周期达到60min，电耗达到，电耗达到400kWh/t，电极消，电极消耗达到耗达到2kgt的高水平，即的高水平，即“642”，有的看见，有的看见“531”的高水平。的高水平。直流电弧炉、新式废钢预热及二次燃烧等技术的实施又使电炉技直流电弧炉、新式废钢预热及二次燃烧等技术的实施又使电炉技术水平达到了一个新的高度，进一步缩短了冶炼周期，降低了电耗和术水平达到了一个新的高度，进一步缩短了冶炼周期，降低了电耗和电极消耗，见图电极消耗，见图5-3，而且闪烁、噪声、耐材消耗都明显得到改善。，而且闪烁、噪声、耐材消耗都明显得到改善。2022-8-15东北大学/阎立懿13图5-3 电炉炼钢技术的
14、发展2022-8-15东北大学/阎立懿145.1.5 结语结语 UHP电炉不仅变压器额定功率要高，功率水平要高，电炉不仅变压器额定功率要高，功率水平要高，而且功率利用率要高，工艺及工艺流程要优化，电炉产而且功率利用率要高，工艺及工艺流程要优化，电炉产生的公害要得到有效的抑制。生的公害要得到有效的抑制。UHP电炉工艺突出一个电炉工艺突出一个“快快”字，即快速熔化、提字，即快速熔化、提前脱磷以及强化脱碳，而不是简单地将原有工艺一分为前脱磷以及强化脱碳，而不是简单地将原有工艺一分为二。二。从提高生产率和降低消耗方面考虑，要求从提高生产率和降低消耗方面考虑，要求UHP电炉电炉具有最短的熔化时间和最快的
15、升温速度以及最少的辅助具有最短的熔化时间和最快的升温速度以及最少的辅助时间，以期达到最佳经济效益。时间，以期达到最佳经济效益。2022-8-15东北大学/阎立懿155.2 超高功率电炉相关技术超高功率电炉相关技术 5.2.1 概述概述 UHP电炉的出现和发展伴随着新技术的广泛采用。电炉的出现和发展伴随着新技术的广泛采用。这些新技术包括这些新技术包括UHP电炉生产必须解决的问题，否则将限制生产电炉生产必须解决的问题，否则将限制生产的的关键技术关键技术，如电极、耐火材料等，又包括高效、节能进一步降低成，如电极、耐火材料等，又包括高效、节能进一步降低成本的本的深化技术深化技术。5.2.2 相关名词术
16、语相关名词术语 1）电炉的热点与冷点（图）电炉的热点与冷点（图5-4）在渣线水平面上，距电极最近点叫热点（区），而距电极最远点在渣线水平面上，距电极最近点叫热点（区），而距电极最远点叫冷点（区）。其中叫冷点（区）。其中2#热点区炉衬的损坏最严重，炉体的更换也常常热点区炉衬的损坏最严重，炉体的更换也常常以以2#热点区炉衬的损坏程度作为依据的。电炉炉衬的侵蚀状况与主要热点区炉衬的损坏程度作为依据的。电炉炉衬的侵蚀状况与主要原因见表原因见表5-4。2022-8-15东北大学/阎立懿16图图5-4 热点及冷点热点及冷点侵蚀程度侵蚀程度 侵蚀部位侵蚀部位渣线渣线热点热点2#热点热点主要原因主要原因钢、渣
17、、弧的钢、渣、弧的作用作用与操作的影响与操作的影响左同，左同，且距电弧近且距电弧近左同，左同，且为热区、功率且为热区、功率大及偏弧严重大及偏弧严重2022-8-15东北大学/阎立懿17 2）耐火材料侵蚀（磨损）指数）耐火材料侵蚀（磨损）指数 是描述由于电弧辐射引起耐火材料损坏的指标，并以它的大小是描述由于电弧辐射引起耐火材料损坏的指标，并以它的大小来反映耐火材料损坏的外部条件。来反映耐火材料损坏的外部条件。当电弧暴露后当电弧暴露后RE应加以限制，一般认为它安全值在应加以限制，一般认为它安全值在400450 MWV/m2。UHP电炉因电弧功率电炉因电弧功率Parc成倍增加，而使成倍增加，而使RE
18、达到达到8001000 以上，此时必须采取措施。以上，此时必须采取措施。3）粗短弧与细长弧）粗短弧与细长弧 电位梯度在熔化期大于电位梯度在熔化期大于25，而在平熔池期约为，而在平熔池期约为1。当功率一定时，低电压、大电流，电弧的状态粗而短；反之电弧当功率一定时，低电压、大电流，电弧的状态粗而短；反之电弧细而长。（细而长。（ParcUarcI，LarcUarc40 及及 DarcI）mmaaULarcarc,)(2022-8-15东北大学/阎立懿184）三相电弧功率不平衡度）三相电弧功率不平衡度 当功率一定时，低电压、大电流，将使三相电弧功率不平衡度增大，当功率一定时，低电压、大电流，将使三相电
19、弧功率不平衡度增大，反之减小。（即有关系：反之减小。（即有关系：KI/U）5）电抗百分数与功率因数）电抗百分数与功率因数 电抗百分数，即电炉装置电抗的相对值，当电抗百分数，即电炉装置电抗的相对值，当x一定时，低电压，大一定时，低电压，大电流，使电流，使X%增加，增加，cos降低，反之降低，反之cos提高。提高。,sin%UxIZxX%100minmaxmeanParcPPPK2%)(1cosX2022-8-15东北大学/阎立懿195.2.3 超高功率电炉相关技术超高功率电炉相关技术n电炉合理供电技术电炉合理供电技术n降低电极消耗技术降低电极消耗技术n电炉短网改造技术电炉短网改造技术n水冷炉壁炉
20、盖技术水冷炉壁炉盖技术n氧气燃料助熔技术氧气燃料助熔技术n细长弧泡沫渣技术细长弧泡沫渣技术n二二 次次 燃燃 烧烧 技术技术n偏心炉底出钢技术偏心炉底出钢技术n电炉底吹搅拌技术电炉底吹搅拌技术2022-8-15东北大学/阎立懿20 5.2.3.1 合理供电技术合理供电技术 UHP电炉投入初期，由于输入功率成倍提高，电炉投入初期，由于输入功率成倍提高，RE增加增加许多，炉衬热点区损坏严重，许多，炉衬热点区损坏严重，炉衬寿命大幅度降低炉衬寿命大幅度降低。为此，。为此，首先在供电上采用低电压、大电流的粗短弧供电。首先在供电上采用低电压、大电流的粗短弧供电。粗短弧供电的优点：粗短弧供电的优点：n减少电
21、弧对炉衬辐射，降低减少电弧对炉衬辐射，降低RE值，保证炉衬寿命；值，保证炉衬寿命；n增加熔池的搅拌与传热效率；增加熔池的搅拌与传热效率；n稳定电弧，提高实际输入功率。稳定电弧，提高实际输入功率。当时把这种供电叫作当时把这种供电叫作“UHP供电供电”、“合理供电合理供电”。2022-8-15东北大学/阎立懿21 但这种早期但这种早期“UHP供电供电”，相当于牺牲电气方面的利，相当于牺牲电气方面的利益，换取热工方面的改善。益，换取热工方面的改善。它存在诸多不足：它存在诸多不足：n超高功率、大电流，使电极消耗大为增加，超高功率、大电流，使电极消耗大为增加，Wdj I2；n大电流，使电损失功率增加，大
22、电流，使电损失功率增加，Pr I2r；n低电压、大电流，使低电压、大电流，使X%增加，增加，cos大为降低大为降低；n低电压、大电流，使三相电弧功率不平衡严重，低电压、大电流，使三相电弧功率不平衡严重，KI/U。,sin%UxIZxX2%)(1cosX2022-8-15东北大学/阎立懿225.2.3.2 降低电极消耗技术降低电极消耗技术 电极消耗主要分为端部和侧部消耗：电极消耗主要分为端部和侧部消耗：n端部消耗主要高温升华与剥落；端部消耗主要高温升华与剥落；n侧部消耗主要高温氧化。侧部消耗主要高温氧化。扣除折损消耗后，端部与侧部消耗比例大体上如表扣除折损消耗后，端部与侧部消耗比例大体上如表5-
23、5。影响因素影响因素端部端部侧部侧部折损折损RP/%UHP/%35 4060 6560 6535 402022-8-15东北大学/阎立懿23 为了降低电极消耗，先后开发出涂层电极、浸渍电极为了降低电极消耗，先后开发出涂层电极、浸渍电极及水冷电极，其中及水冷电极，其中1987年德国的喷淋水冷电极效果最佳年德国的喷淋水冷电极效果最佳（图（图5-5）。）。这些技术效果明显，均可以降低电极消耗这些技术效果明显，均可以降低电极消耗5%10%以以上，但这些措施只能减少占电极总消耗的上，但这些措施只能减少占电极总消耗的35%40%的侧的侧部氧化消耗，而对端部消耗的降低则无能为力。部氧化消耗，而对端部消耗的降
24、低则无能为力。图图5-5 喷淋水冷电极喷淋水冷电极2022-8-15东北大学/阎立懿255.2.3.3 短网改造技术短网改造技术n降低电阻，减少损失功率，提高输入功率，如增加导体截降低电阻，减少损失功率，提高输入功率，如增加导体截面，减少长度，改善接触等；面，减少长度，改善接触等；n降低电抗，增加功率因数，提高功率输入，如增加导体截降低电抗，增加功率因数，提高功率输入，如增加导体截面，减少长度，合理布线（面，减少长度，合理布线（图图5-6）等；）等；n改进短网布线，平衡三相电弧功率，如三相导体采取空间改进短网布线，平衡三相电弧功率，如三相导体采取空间三角形布置（三角形布置（图图5-7）或修正平
25、面法等。）或修正平面法等。,32rIPr%100minmaxmeanParcPPPK2022-8-15东北大学/阎立懿26图5-6 短网的几种布线方式2022-8-15东北大学/阎立懿27图图5-7 短网三角型布线方式短网三角型布线方式2022-8-15东北大学/阎立懿285.2.3.4 水冷炉壁、水冷炉盖技术水冷炉壁、水冷炉盖技术 超高功率使炉衬寿命大为降低，为了从根本上解决炉衬寿命，必超高功率使炉衬寿命大为降低，为了从根本上解决炉衬寿命，必须寻求新的耐火炉衬，接着水冷炉壁、炉盖应运而生，须寻求新的耐火炉衬，接着水冷炉壁、炉盖应运而生，见图见图5-7。1972年日本开发的水冷挂渣炉壁（耐久炉
26、壁），率先在日本采用，年日本开发的水冷挂渣炉壁（耐久炉壁），率先在日本采用，后推广到美国、西欧等，发展非常迅速。后推广到美国、西欧等，发展非常迅速。目前，目前，UHP电炉普遍采用电炉普遍采用：n炉壁水冷面积可达炉壁水冷面积可达7080%，块寿命达，块寿命达6000次；次；n炉盖水冷面积可达炉盖水冷面积可达80 85%，块寿命达，块寿命达4000次以上。次以上。炉壁采用水冷后，炉壁采用水冷后，热点区问题得到基本解决，炉衬寿命得到一定热点区问题得到基本解决，炉衬寿命得到一定的提高的提高。虽然冷却水带走一些热量。虽然冷却水带走一些热量5%10%，但由于提高炉衬寿命，但由于提高炉衬寿命，减少冶炼时间等
27、综合效果明显。减少冶炼时间等综合效果明显。END！2022-8-15东北大学/阎立懿295.2.3.5 电炉底吹搅拌技术电炉底吹搅拌技术 1）问题的提出）问题的提出 电炉熔池的加热方式与感应炉不同，更比不上转炉。它属于传电炉熔池的加热方式与感应炉不同，更比不上转炉。它属于传导传热，即由炉渣传给表层金属，再传给深层金属，它的搅拌作用极导传热，即由炉渣传给表层金属，再传给深层金属，它的搅拌作用极其微弱，仅限于电弧附近的镜面层内，这就造成熔池内的温度差和浓其微弱，仅限于电弧附近的镜面层内，这就造成熔池内的温度差和浓度差大。这也是将电炉度差大。这也是将电炉熔池设计成浅碟型熔池设计成浅碟型，而且操作上要
28、求加强搅拌，而且操作上要求加强搅拌的原因。的原因。为解决上述问题，受底吹转炉的启发，在二十世纪为解决上述问题，受底吹转炉的启发，在二十世纪80年代日本、年代日本、美国等先后研究出电炉底吹气搅拌工艺，由于经济效果显著，发展很美国等先后研究出电炉底吹气搅拌工艺，由于经济效果显著，发展很快。快。电炉底吹气体加强了熔池的搅拌，这对电炉炉型来说将是一场革电炉底吹气体加强了熔池的搅拌，这对电炉炉型来说将是一场革命，使电炉炉型命，使电炉炉型由浅碟形变成桶形由浅碟形变成桶形，近似成转炉炉型。，近似成转炉炉型。2022-8-15东北大学/阎立懿302）底吹搅拌系统及冶金效果）底吹搅拌系统及冶金效果 电炉底吹搅拌
29、工艺，即在电炉炉底安装供气元件，向炉内熔池电炉底吹搅拌工艺，即在电炉炉底安装供气元件，向炉内熔池中吹中吹Ar、N2、CH4及及CO2搅拌钢液。搅拌钢液。底吹系统的关键是供气元件，供气元件有单孔透气塞（图底吹系统的关键是供气元件，供气元件有单孔透气塞（图5-8）、）、多孔透气塞及埋入式透气塞多种。多孔透气塞及埋入式透气塞多种。电炉底吹气体加强熔池的搅拌、强化冶炼过程，产生冶金效果电炉底吹气体加强熔池的搅拌、强化冶炼过程，产生冶金效果如下：如下：n加速废钢与合金熔化，均匀钢液成分及温度；加速废钢与合金熔化，均匀钢液成分及温度；n增加渣增加渣-钢接触，提高脱钢接触，提高脱P、S等效果；等效果；n提高金属与合金的收得率；提高金属与合金的收得率；n缩短冶炼时间，降低电耗。缩短冶炼时间，降低电耗。2022-8-15东北大学/阎立懿31图图5-8 复合型单孔透气塞复合型单孔透气塞2022-8-15东北大学/阎立懿32课后思考题课后思考题719）早期）早期UHP电炉供电存在哪些不足。电炉供电存在哪些不足。20）电炉底吹气体搅拌技术的冶金效果。）电炉底吹气体搅拌技术的冶金效果。
