钢液冶炼的工艺过程总结

    目前，世界各国炼钢的方法主要有转炉炼钢、电弧炉炼钢、感应炉炼钢和特殊炼钢等方法。各种方法所用原料、热源和炼钢炉构造有所不同。其中，转炉冶炼已成为目前炼钢的主流;电炉法多用于冶炼合金钢;感应炉适于用优质原料(优质废钢、铁合金等) 冶炼特殊钢与合金;特殊炼钢法如熔融还原法、连续炼钢法、等离子炼钢法、电子束冶炼法、电磁悬浮熔炼法等则应用较少。无论哪种炼钢方法，其工艺过程均为:装料一熔化一氧化一还原一脱氧一合金化一去除钢中气体夹杂一浇注，在不同阶段分别进行脱磷、脱硫、控温、去除气体夹杂、脱氧、控制钢中化学成分等任务。

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氧气顶吹转炉炼钢工艺过程

    氧气顶吹转炉 (见下图) 以铁水为主要原料，也可以添加多达30% 的废钢，废钢除了作炼钢的基本原料外，还可以作为调节炉温的冷却剂。

   装料时先加入造渣原料石灰石，然后兑入铁水，最后加装废钢。炼钢过程主要依靠铁水本身的物理热和氧化反应的化学热来进行，冶炼一炉钢在30min 左右，生产效率很高。前炉钢出钢结束后倒掉炉渣，并检查确定炉体是否需要溅渣补炉，然后进行装料。装料结束后进行吹氧冶炼。合理的吹氧制度决定了生产节奏和冶炼成本供氧时间一般仅有十几分钟，在此期间必须形成具有一定碱度和流动性的泡沫化炉渣，以去除磷和硫，保护炉衬，降低终点氧。造渣原料以石灰石为主，辅以适量的白云石、萤石、烧结矿和铁矿石等。造渣过程中必须防止喷溅，其措施有控制吹氧脱碳温度、控制氧枪枪位、控制渣量和渣中的 (FeO) 含量，使渣中(FeO)不出现明显的聚集现象，并保证合适的装料量 (炉容比)。为了提高炉内化学反应效率，发展了顶底复吹技术，即在顶吹氧的同时从炉底透气砖内向炉内吹入氩气或氮气进行搅拌以加速炼钢反应的进行。转炉吹炼末期还要注意终点成分和温度的控制，达到终点的具体标识是:

(1)钢中的碳含量达到所炼钢种的要求范围:

(2)钢的磷、硫含量低于规格下限的一定范围;

(3)出钢温度满足精炼、铸锭的要求;

(4)对于镇静钢要进行预脱氧，待炉外精炼后再终脱氧;对于沸腾钢，钢液要有一定的氧化性。

    因此，炼钢过程中要适时用热电偶测温，用红外碳硫分析仪和能谱仪快速测定各合金元素的含量，以便准确掌握铁合金的加人量及冶炼时间，保证温度和成分的“命中率”，尽量避免补吹。在出钢过程中要实行“挡渣出钢”，防止氧化性渣进入精炼炉中。

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电弧炉炼钢工艺过程

    电弧炉(见下图)包括直流电弧炉和交流电弧炉，其炼钢能源主要包括电能、化学能和物理热，三种能量可以相互配合，热效率较高。电弧炉炼钢具有熔化、精炼和合金化等功能，可以完成炉料的熔化和钢液脱磷、脱碳及升温的操作，还可以完成脱氧、脱硫、去气、去夹杂物、合金化和成分与温度的调整等任务，其冶炼周期长、生产率低，难以满足现代钢铁生产需求。因此，现代电弧炉采用超高功率冶炼，并辅以废钢预热和吹氧喷炭助熔，从而使冶炼时间大为缩短，电耗和石墨电极消耗大为降低，炼钢工艺过程只保留了熔化和脱磷、脱碳等操作，其他较低功率的精炼任务则转移到钢包精炼炉内进行，因而工艺流程缩短、高效、节能。一般冶炼一炉钢的时间由过去的几个小时缩短到40min 左右且冶炼效率还在进一步提高，冶炼周期在不断缩短。

     电弧炉炼钢工艺以废钢为主要原料，有的工厂也会兑一定量的铁水，加入石灰为主要造渣原料。现代电炉炼钢多采用留钢 (10%~15%) 留 (90% 以上)操作，因而采用底出钢方式，使熔化初始便有少量熔池，以提前吹氧助熔和造渣，有利于缩短熔化时间、降低电耗和成本。熔化期占整个冶炼时间的 50%左右，其电能消耗占总耗电量的 65%左右，因而缩短熔化时间是提高电炉炼钢效率、节省能耗的关键。造渣时将氧枪降至渣钢界面以下较浅部位进行吹氧，而脱碳时需将氧枪浸入熔池较深部位。对于超高功率电弧炉，可以采用泡沫渣埋弧加热技术。剧烈的 C-0 反应和大渣量可以促使渣内产生大量的 CO 气泡，有利于吸收电弧辐射能传递给熔池和保护炉衬。脱碳时熔池内的 C-反应致使钢液沸腾，可以增大渣-钢界面积，加快脱磷反应;同时，促使了溶解在钢液中的氮和氢不断向 CO 气泡内扩散并生成 H,和 N，最后上浮进入炉气而去除;强烈的沸腾使夹杂物更容易碰撞、聚集长大而上浮至炉渣中。当磷含量满足要求时控制升温，以便为还原期做好准备。还原期内，脱氧是核心，温度是条件，造渣是保证。扒渣后加人 Mn -Fe、Si-Fe 等预脱氧，以石灰、萤石、火砖块等造白渣,另加炭粉和 Fe-Si 等进行扩散脱氧，然后取样、测温和调整成分，一般加人 AI或Ca -Si 块进行终脱氧，最后出钢。需要注意的是:脱氧与合金化并非一定按先后顺序进行，贵重的合金元素最好在钢液脱氧良好情况下加入。

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感应炉炼钢工艺过程

    感应炉分为工频(50Hz)感应炉、中频 (10~10Hz)感应炉、高频(10°Hz以上)感应炉、真空感应炉、等离子感应炉和增压感应炉等。其中以铸造钢锭为主的相关企业采用中频感应炉或真空感应炉为主。感应炉炼钢能是由交变磁场在炉料中感生电流带来的焦耳热，冶炼一炉钢的时间在20~60min 范围内。目前，中频炉炼钢已成为高速钢、不锈钢、模具钢、耐热钢等特种钢和高温合金、电热合金等合金生产的重要冶炼方法。

     中频感应炉(见下图)炼钢炉料多以废钢、铁合金等为主，且对原料的要求比电弧炉严格，尤其是对原料的化学成分必须准确掌握，另外还要尽量做到废钢清洁无油污和少锈蚀。炉渣对于中频感应炉炼钢同样很重要。碱性渣中含CaO和 CaF2最多可达80%和30%，冶炼铁基镍铬不锈钢时可加人25%左右的Al2O3。中性渣含 CaO和 CaF2一般不超过50%和15%，并可添加石英砂等提高渣的流动性或添加镁砂等降低流动性。冶炼高铬钢和高硅钢时加人50%左右的SiO2。冶炼高硫、高锰易切钢时除加人SiO2外，还需添加15%左右Al2O3。酸性渣中 CaO比例一般不超过10%，不含 CaF2，加 SiO2 75%左右。总之，最终目的均为获得低熔点、流动性良好的炉渣。中频炉炼钢过程中炉渣的热量由钢液提供，在脱氧和去磷、硫能力方面不及电弧炉。但是炼钢过程中由于电磁搅拌作用带来的钢液运动条件明显优于电弧炉，可加人矿石、吹入氧气脱除少量碳。感应炉中常用的脱氧剂有铝粉、硅铁粉、硅钙粉、炭粉、铝石灰粉等，分批均匀地洒向渣面进行扩散脱氧。中频感应炉炼钢，由于炉内氧化性气氛低，又没有电弧产生的高温，故合金元素收得率也明显高于电弧炉，如硼的收得率可达 85%，而电弧炉对硼元素的收得率不足60%。

    真空感应炉冶炼是在真空负压条件下实现炉料的加热、熔化、精炼、合金化和浇注的，其特点是显著提高冶炼钢液纯度和钢的化学成分控制的准确度。冶炼过程中真空度的变化随炉子容量、冶炼钢种的不同而有所变化，精炼期真空度最高。需要注意的是:真空度并非越高越好，过高的真空度不仅会增加合金元素的挥发，还会促进钢液与坩埚衬间的反应，使钢液增氧。下图为真空感应炉熔炼一铸锭示意图。