什么是电弧炉炼钢?

[拼音]：dianhulu liangang

[外文]：electric arc furnace steelmaking

通过石墨电极向电弧炼钢炉内输入电能，以电极端部和炉料之间发生的电弧为热源进行炼钢的方法。电弧炉以电能为热源，可调整炉内气氛，对熔炼含有易氧化元素较多的钢种极为有利，发明后不久，就用于冶炼合金钢。并得到较大的发展。随着电弧炉设备的改进以及冶炼技术的提高，电力工业的发展，电炉钢的成本不断降低，现在电炉不但用于生产合金钢，而且大量用来生产普通碳素钢，其产量在主要工业国家钢总产量中的比重，不断上升（见表）。

中国在20年代以后，一些主要工业城市陆续建了一些小电炉，直到1950年后才有较快的发展，主要用于生产优质钢和合金钢。1980年产量约占钢总产量的20％，最大的电弧炉容量为50吨。

电炉钢以废钢为主要原料，有些电弧炉采用直接还原的海绵铁来代替部分(30～70％)废钢。废钢经多次循环冶炼，会使某些对钢质有害而又不能在冶炼过程中除去的元素（如铜、铅等）富集。海绵铁比废钢纯净得多，掺和使用就可起“净化”的作用。冶炼合金钢时，大多数采用成分相近或相应的合金废钢为炉料，以节约昂贵的铁合金，不足之数在冶炼过程中再用铁合金补充。

上一炉的钢水和渣出净以后，立即把被侵蚀的炉衬补好。补炉动作要快，以便利用炉内的残余高温，将补炉料和原炉衬烧结在一起，并可减少热损失，节约电能。

补炉完毕后，移开炉盖，用料筐从炉子顶部把炉料装入炉内。不易氧化和难熔的合金料如镍、钼等可与废钢同时装入。炉料的块度应适当搭配，堆密度以1.6～2.0吨／米3为宜。

装好炉料，合上炉盖后，即降下电极到炉料面近处，接通主电路开关，将电极调节系统的转换开关放到自动控制位置，以次高级电压通电起弧。约5～10分钟，电弧伸入炉料熔成的“小井”后，改用最高电压，达到输入变压器的最大有效功率，加速熔化炉料。电极随“小井”底部的熔化而逐渐下降，直到电弧触到钢液，然后电极又随钢液面的升高而上提。当大部分炉料熔化，电弧就完全暴露在熔池面上，这时，为减少电弧对炉顶的强烈辐射，要改用较低电压，直到炉料完全熔化。炉子输入能量的制度，随炉子的容量、冶炼钢种和冶炼工艺而不同。附图是一座电弧炉冶炼的能量供给和温度制度示例。

电弧暴露在熔池面上并降低输入功率后，可即向熔池吹入氧气，以加速废钢的熔化。氧气压力为6～10公斤力／厘米2。吹氧不宜过早，否则所生成的氧化铁将积聚在温度尚低的熔池中，待温度上升时会发生急剧的氧化反应，引起爆炸式的大沸腾，导致恶性事故。

在炉料将近全部熔化，而被炉渣覆盖时，取样分析并根据分析结果调整钢和渣的成分。此时，炉内是氧化性气氛，加上熔池中有来自锈蚀废钢和在熔化过程中废钢氧化产生的氧化铁，或者来自炉料铁矿石的氧化铁，钢液中的硅、磷、锰等元素会大量氧化。如果熔池有足够高的温度尤其是在吹氧时，氧炬附近的钢水就可引起碳的氧化。

在熔化期，合金废钢中除了硅、磷、锰、碳等元素氧化外，铬、钒、钛、铝、硼等元素也会氧化，硫、铅有少量氧化，只有镍、钼、铜、锡不氧化。

精炼过程通过对各阶段钢样和渣样的分析、温度的测定来调整和控制。在精炼期，除碳的氧化物成为气态逸出外，其他元素的化合物为固态或液态，分别浮入渣中，或留在钢液内。精炼就是把对钢质有害的一些元素和化合物，尽可能地从钢液中排除掉。

电弧炉冶炼分为单渣法和双渣法。一般如废钢含磷高，则采用双渣法，先加入氧化剂或向钢液中吹氧气，进行氧化，除去一部分碳、磷和其他杂质，扒去氧化渣再进行还原精炼。对含磷要求不高的钢种可采用不扒去氧化渣、直接用脱氧剂进行还原精炼的单渣法。冶炼高合金钢时，为避免炉料中合金元素的氧化损失，多采用以纯净废钢装料的单渣法。普碳钢和一般低合金钢可采用只造氧化渣的单渣法冶炼，许多生产普碳钢的大型电弧炉即采用此法；在氧化精炼末期，钢液成分和温度达到规定要求时出钢，同时加入铁合金到盛钢桶脱氧。为了充分利用变压器的容量，提高钢的质量和产量，降低电耗，近年采用炉外精炼，把电弧炉的双渣法中的还原期工作移到钢包或精炼炉中进行。

氧化精炼的主要目的是去磷、去气、去非金属夹杂物，并将温度均匀地提高到高于出钢温度。碳的氧化，使熔池沸腾，起强烈搅拌作用，增加钢液和渣液的接触面，促进渣中的氧向钢液传输，以氧化杂质，提高熔池温度并使非金属夹杂上浮，进入炉渣。钢液中的氢、氮等气体扩散到一氧化碳气泡中，一起逸入炉气。钢液经过氧化精炼，如果仍含较高的磷，则需除去部分炉渣，再造新渣去磷。

*** 作过程是在氧化期结束除净氧化渣后，加入铝等进行预脱氧。随后立即加石灰、火砖块（或砂子）、萤石等先造稀薄渣，然后按照冶炼钢种的要求再加还原渣料进行还原精炼。常用的还原渣有电石渣和白渣等几种，它们都是还原性强的强碱性渣（碱度CaO:SiO2=3～4）。与其他炼钢渣相比，它们可以更多更快地脱去钢液中的氧和硫。由于炉气也是还原性的，钢液不易氧化，所加入的易氧化元素损失也很少。

电石渣的大致成分为：CaO55～65％，SiO210～15％，MgO8～10％，Al2O32～3％，MnO＜1％，CaC21～4％，FeO＜0.5％。电石渣分强电石渣和弱电石渣两种。强电石渣含碳化钙(CaC2)2～4％，冷后呈黑色并夹有白色条纹，无光泽。弱电石渣含CaC21～2％，冷后呈灰色。制造电石渣的方法是向炉内的稀薄渣上加较多的炭粉、硅铁粉，密封炉子不使空气进入，使碳与钙在高温下生成碳化钙。这种炉渣脱氧能力强，碳化钙与渣中氧化物反应生成CO逸出，而氧化物被还原成金属进入钢液：(CaO)+3C─→(CaC2)+CO↑

(CaC2)+3(FeO)─→3[Fe]+(CaO)+2CO↑

为保持渣中有一定量的CaC2，需周期性地加入炭粉和石灰。由于形成CaC2所需的温度较高，所以造渣时间较长。这种渣易使钢液增碳，宜用于冶炼高碳钢种。还因它不易与钢液分离，会形成钢中的夹杂物，所以在出钢前要破坏电石渣，使它变成白渣。因为白渣与钢液之间界面张力大，不致污染钢液。

白渣的大致成分为：CaO60％， SiO220％，MgO8％，Al2O35％，MnO1％，FeO＜0.5％。造渣方法是向稀薄渣上加硅铁粉和适量的炭粉，使渣中 FeO还原成铁进入钢液，并形成SiO2，因此需追加石灰以保持渣液的碱度。2(FeO)+Si─→2[Fe]+(SiO2)

(FeO)+C─→[Fe]+CO↑

这种炉渣的形成时间较短，脱硫能力强。炉渣呈白色，冷却后自行碎裂成白色粉末，以此得名。有时为了提高脱氧能力，在还原开始时，先造一个短时间的弱电石渣，随即使之转变为白渣。

另有火砖渣，用石灰、萤石和废耐火砖块造成，是中性渣，主要用于冶炼不锈钢；特点是加热快，不易增碳，渣、钢容易分离，但脱硫能力低。

参考书目

C.E.Sims， Electric Furnace Steelmaking，AIME，1962.Electric Furnace Proceedings，AIME.1943～1981.