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电弧炉炼钢讲义1电弧炉炼钢概述1．1电弧炉炼钢的发展概况：⼤致可分为三个阶段（1）研究阶段（从1800年⾄1900年）1800年，英国⼈戴维（Humphrey Davy）发明了碳电极；1849年，法国⼈德布莱兹（Deprez）研究⽤电极熔化⾦属；1866年，德国⼈冯·西门⼦（Werner Von Siemens）发明了电能发⽣器；1879年，德国⼈威廉姆斯·西门⼦（C Williams Siemens）采⽤⽔冷⾦属电极进⾏了实验室规模的炼钢试验，但电耗太⾼，⽆法投⼊⼤⽣产；1885年，瑞典ASEA（即瑞典通⽤电⽓）公司设计了⼀台直流电弧炉；1888年，法国⼈海劳尔特（Paul Heroult）⽤间接电阻加热炉进⾏熔炼⾦属实验；1889～1891年，同步发电机和变压器推⼴应⽤；1899年，海劳尔特研制成功交流电弧炉；1900年，海劳尔特开始⽤交流电弧炉冶炼铁合⾦；（2）初级阶段（从1900年⾄1960年）1905年，德国⼈林登堡（R.Lindenberg）建成第⼀台炼钢⽤⼆相交流电弧炉（海劳尔特式），该炉特点是采⽤⽅形电极，电极⼿动升降，炉盖固定不可移动，加料从炉门⼝⼈⼯加⼊；1906年，林登堡成功地炼出了第⼀炉钢⽔，浇注成钢锭，从此开创了电弧炉炼钢的新纪元；1909～1910年，德国和美国分别制成了6t和5t的三相交流电弧炉投产；1920年，采⽤了电极⾃动升降调节器，提⾼了电极升降速度；1926年，德国德马克公司将炉盖改为移出式，⾸次实现了顶装料；1930年，出现了炉体开出式电弧炉；1936年，德国⼈制造了18t炉盖旋转式电弧炉；1939年，瑞典⼈特勒福斯提出了电弧炉电磁搅拌的思想；1960年，为使三相电抗平衡，美国出现了短⽹等边三⾓形布置；此阶段由于电⼒、电极、⽤氧⽔平、炉容量等的限制，故炼钢成本⼤⼤⾼于平炉，因⽽只适合于冶炼合⾦钢、特殊钢。
随着第⼆次世界⼤战的爆发，电炉钢的产量迅速增长。
【本章学习要点】本章学习电炉炼钢的配料计算，装料方法及操作，电炉熔化期、氧化期、还原期的任务及其操作，出钢操作等。
电炉炼钢，主要是指电弧炉炼钢，是目前国内外生产特殊钢的主要方法。
目前，世界上90%以上的电炉钢是电弧炉生产的，还有少量电炉钢是由感应炉、电渣炉等生产的。
通常所说的电弧炉，是指碱性电弧炉。
电弧炉主要是利用电极与炉料之间放电产生电弧发出的热量来炼钢。
其优点是：（1）热效率高，废气带走的热量相对较少，其热效率可达65%以上。
（2）温度高，电弧区温度高达3000℃以上，可以快速熔化各种炉料。
（3）温度容易调整和控制，可以满足冶炼不同钢种的要求。
（4）炉内气氛可以控制，可去磷、硫，还可脱氧。
（5）设备简单，占地少，投资省。
第一节冶炼方法的分类根据炉料的入炉状态分，有热装和冷装两种。
热装没有熔化期，冶炼时间短，生产率高，但需转炉或其他形式的混铁炉配合；冷装主要使用固体钢铁料或海绵铁等。
根据冶炼过程中的造渣次数分，有单渣法和双渣法。
根据冶炼过程中用氧与不用氧来分，有氧化法和不氧化法。
氧化法多采用双渣冶炼，但也有采用单渣冶炼的，如电炉钢的快速冶炼，而不氧化法均采用单渣冶炼。
此外，还有返回吹氧法。
根据氧化期供氧方式的不同，有矿石氧化法、氧气氧化法和矿、氧综合氧化法及氩氧混吹法。
冶炼方法的确定主要取决于炉料的组成以及对成品钢的质量要求，下面我们扼要介绍几种冶炼方法：(1)氧化法。
氧化法冶炼的特点是有氧化期，在冶炼过程中采用氧化剂用来氧化钢液中的Si、Mn、P等超规格的元素及其他杂质。
因此，该法虽是采用粗料却能冶炼出高级优质钢，所以应用极为广泛。
缺点是冶炼时间长，易氧化元素烧损大。
(2)不氧化法。
不氧化法冶炼的特点是没有氧化期，一般全用精料，如本钢种或类似本钢种返回废钢以及软钢等，要求磷及其他杂质含量越低越好，配入的合金元素含量应进入或接近于成品钢规格的中限或下限。
不氧化法冶炼可回收大量贵重合金元素和缩短冶炼时间。
1电弧炉炼钢概述1．1电弧炉炼钢的发展概况：大致可分为三个阶段（1）研究阶段（从1800年至1900年）1800年，英国人戴维（Humphrey Davy）发明了碳电极；1849年，法国人德布莱兹（Deprez）研究用电极熔化金属；1866年，德国人冯·西门子（Werner Von Siemens）发明了电能发生器；1879年，德国人威廉姆斯·西门子（C Williams Siemens）采用水冷金属电极进行了实验室规模的炼钢试验，但电耗太高，无法投入大生产；1885年，瑞典ASEA（即瑞典通用电气）公司设计了一台直流电弧炉；1888年，法国人海劳尔特（Paul Heroult）用间接电阻加热炉进行熔炼金属实验；1889～1891年，同步发电机和变压器推广应用；1899年，海劳尔特研制成功交流电弧炉；1900年，海劳尔特开始用交流电弧炉冶炼铁合金；（2）初级阶段（从1900年至1960年）1905年，德国人林登堡（R.Lindenberg）建成第一台炼钢用二相交流电弧炉（海劳尔特式），该炉特点是采用方形电极，电极手动升降，炉盖固定不可移动，加料从炉门口人工加入；1906年，林登堡成功地炼出了第一炉钢水，浇注成钢锭，从此开创了电弧炉炼钢的新纪元；1909～1910年，德国和美国分别制成了6t和5t的三相交流电弧炉投产；1920年，采用了电极自动升降调节器，提高了电极升降速度；1926年，德国德马克公司将炉盖改为移出式，首次实现了顶装料；1930年，出现了炉体开出式电弧炉；1936年，德国人制造了18t炉盖旋转式电弧炉；1939年，瑞典人特勒福斯提出了电弧炉电磁搅拌的思想；1960年，为使三相电抗平衡，美国出现了短网等边三角形布置；此阶段由于电力、电极、用氧水平、炉容量等的限制，故炼钢成本大大高于平炉，因而只适合于冶炼合金钢、特殊钢。
随着第二次世界大战的爆发，电炉钢的产量迅速增长。
（3）大发展阶段（从1960年至今）由于钢铁工业内部结构在50年代中期发生了重大变化，及LD转炉取代了OH平炉的炼钢龙头地位，但是LD炉不能象平炉那样100%地采用废钢为原料，故伴随着平炉的逐步退出炼钢舞台，废钢过剩的问题就日益突出，因此就要求EAF电炉在冶炼合金钢的同时，还要担负起一部分冶炼普通钢种的任务。
这样就对EAF提出了如何大幅度提高生产率和降低生产成本的发展方向。
1964年，美国碳化物公司的施瓦伯（W.E.Schwabe）和西北钢线材公司的罗宾逊（C.G.Robinson）共同提出了电弧炉超高功率的概念，并在两台135t的电弧炉上采用不同功率水平进行试验；不久就在世界各国推广UHP操作，使冶炼时间大大缩短，从3～4小时减少到2小时（功率水平500kVA/t）。
从七十年代开始，为了最大限度地利用变压器的工作效率，围绕着如何进一步提高功率利用率和时间利用率，各国相继发展了一系列的相关技术，例如：炉壁、炉盖水冷化、长弧泡沫渣操作、氧燃烧嘴、偏心炉底出钢、废钢预热、炉底吹气、双炉壳电弧炉等等。
因此，变压器的功率水平达到800～1100kVA/t，冶炼时间进一步降低至1小时以下，电耗降至400kWh/t以下。
并逐步在特殊钢厂推广运行“废钢预热—电弧炉—炉外精炼—连铸—热送轧制或连轧”的工艺模式，把电弧炉演变成了单纯的废钢快速熔化设备。
为了根本上克服交流超高功率电弧炉的电弧不稳定、三相功率不平衡带来的炉壁热点问题，对前级电网造成的剧烈冲击（闪烁问题），70年代开始了直流电弧炉的研究，并于80年代中期投入工业生产，从此电弧炉又在交流和直流两方面同时发展。
综上所述，在电弧炉炼钢诞生起至今的约100多年的时间里，从开始时的小型电弧炉专门冶炼合金钢种，到后来变化为大型电弧炉兼炼合金钢和普碳钢，直至近来的超高功率大型（交、直流）电弧炉仅仅作为废钢熔化设备。
1．2 电弧炉炼钢的特点优点：靠电弧加热，热效率高，能调节炉内气氛，与平炉、转炉相比，基建投资少，占地面积小缺点：电弧是点热源，电力、电极、耐材消耗高，生产率较低，成本比转炉高1．3 传统碱性电弧炉炼钢方法及工艺流程介绍1.3.1 常用冶炼方法：一般可分为氧化法、不氧化法和返回吹氧法三种。
氧化法：在炉料熔清后，通过向钢液中加矿或吹氧进行脱P、脱C操作，并造成熔池沸腾，去除钢中[H]、[N]气体及非金属夹杂物，再经过还原期脱O、脱S、调整钢液化学成分及温度后出钢。
此法的特点在于可使钢中[P]、[S]、[H]、[N]、[O]等都可降低至规格范围内，达到纯洁钢液的目的，因此大多数钢种均采用此法冶炼。
而此法不足之处在于钢中若含有大量合金元素时，则会造成其氧化损失，并对操作带来不良影响，故一般配料时多用碳素废钢，这又造成后期合金化的困难。
不氧化法：冶炼过程中没有氧化期，能充分回收原料中的合金元素。
炉料熔清后，经还原调整成分及温度后即可出钢。
优点是可在炉料中配入大量合金钢切头、切尾、废钢锭、注余、汤道、切屑等，减少铁合金的消耗量，降低钢的成本。
缺点是冶炼过程中不能去P、去气去夹杂，因此要求配入清洁无锈、无油污的低P且C含量合适的钢铁料，并在冶炼中防止钢液吸气过多。
返回吹氧法：在炉料中配入大量的合金钢返回料，根据C和O的亲和力在一定温度下大于某些合金元素与O的亲和力的理论，当钢液温度升高至一定温度后，向钢液中吹氧，达到在脱C以便去气去夹杂的同时，又能够避免钢中合金元素氧化损失的目的。
这样做，既降低了成本，又提高了质量。
1．3．2 碱性电弧炉氧化法冶炼工艺流程介绍上炉出钢→补炉（fettling）→装料(charging)→熔化期(melting)→氧化期(oxidizing)→还原期(reducing)→出钢(tapping)补炉：上炉出钢毕，迅速将炉体损坏部位进行修补，以保证下一炉钢的冶炼。
新炉子在炉役期的前几炉可不补炉。
装料：将配好的炉料（burden）按一定规律装入料罐（bucket）中，然后将料罐吊至炉前，打开炉盖，将炉料一次卸入炉内。
一炉钢可视情况一次装料或多次装料。
熔化期：从通电至炉料完全熔清称为熔化期。
其主要任务是迅速熔化全部炉料，并及早形成一定的炉渣，起到稳定电弧、防止金属挥发与吸气，提早脱P等作用。
氧化期：待炉料全部熔清后，取样分析，进入氧化期。
其主要任务是最大限度地脱P （dephosphorization）、去除钢中气体（[H]、[N]）和非金属夹杂物（non-metallic inclusions），并升温至稍高于出钢温度。
还原期：氧化期任务完成后，停电扒除氧化渣，重新造新渣，进入还原期。
其主要任务是脱O（deoxidization）、脱S（desulphurization），调整钢液的成分和温度。
出钢：当钢液成分和温度均符合出钢要求，则打开出钢口，摇炉出钢。
出钢时要做到钢渣混冲，利用钢渣在钢包（ladle）中激烈运动，最大限度地脱S，并防止二次氧化、二次吸气。
2、电弧炉的电气设备2．1 电弧的概念与交流电弧的特性2．1．1 电弧：电弧是电流通过两极间气体时使之电离的一种放电现象。
阴极放电：热电子发射，强电场发射。
电子自阴极发射后，以极高速度向阳极冲击，在运动中与极间气体碰撞，使其电离成正、负离子，形成电弧。
电弧中的电子数目或者电弧电流大小与两极间电功率、阴极材质、气体种类等都有关系。
2．1．2 交流电弧的特性2．1．2．1 不连续性：由于交流电弧电压与电流的周期性变化，故当电弧电压未达到燃弧电压时，电流为0，电弧就会熄灭。
但当电路中有感抗存在时，则即使电弧电压V a小于燃弧电压，电弧电流I a≠0。
当感抗增加到一定值时，则可保证电弧连续燃烧而不熄灭。
2．1．2．2 压缩效应：电弧周围空间存在磁场，电弧便在磁场力作用下沿轴向产生径向压力，并由外向内逐渐增大，使电弧下的钢液呈弯月面下凹，加强了钢液的搅动和传热。
2．1．2．3 外偏效应：一相电弧受到其他两相的磁场作用，或受到炉子周围铁磁性物质的作用，使三相电弧不同程度地偏向炉衬。
2．2 电弧炉的主电路：主电路主要由隔离开关、高压断路器、电抗器、电炉变压器、低压短网2．3 主电路上的电气设备2．3．1 隔离开关：也称空气断路开关，无灭弧装置。
开关操作顺序：送电时，先合上隔离开关，后合上高压断路器；断电时，先断开高压断路器，后断开隔离开关。
为防止误操作，常在隔离开关与高压断路器间设置连锁装置。
2．3．2 高压断路器：具有灭弧装置。
根据灭弧装置的不同设计，电弧炉使用的高压断路器有：油开关、空气断路器、真空断路器灭弧手段油吹气抽真空2．3．3 电抗器：串联在变压器的高压侧（小炉子直接设计在变压器箱体内），目的是增加电路中的感抗，达到稳定电弧和限制短路电流的作用。
但它却使无功功率消耗增加，降低功率因素（cosϕ=有功功率输入功率）。
一旦电弧燃烧稳定后，就应立即切断电抗器。
2．3．4 电炉变压器：把几千或几万伏的高电压变为100～400V低电压、大电流的电气设备称为变压器。
它可以说是电弧炉的心脏。
变压原理：改变铁芯上原边绕组的匝数。
①、原边绕组的接法从⊿→Y 时，211 3U U =例如：12380220U V U V==，②、原边绕组带有若干抽头，通过抽头的变化来变压。
为了减少热停工时间，希望不停电转换电压，因此设计了有载调压开关。
有载调压开关工作原理，如下图所示：它由选择开关m和n、“T”形转换开关K和限流电阻R组成。
转换开关K和电阻装于绝缘筒作成的小箱内，小箱内装有灭弧用的油。
变压器的冷却采用油冷（辅助强制油循环或水冷来加强变压器的冷却）。
一般应确保油面最高温升为50℃。
（即变压器油面温度低于85℃，因环境温度一般为35℃）2．3．5 低压短网：从变压器副边引出线至电极这一段线路称为短网。
构成：硬铜母线（busbar）+软电缆（flexible power cable）+水冷铜管（water-cooled bus tube）三相功率不平衡问题：当三相导体采用共平面布置时，即使变压器三相的二次电压和电流均相等，三相电弧的输出功率也是不相等的。
因为三相阻抗不相等。
三相阻抗不相等的原因：①、中间相短网长度较其他两相短；②、边缘两相也因感抗不同使电弧功率不同，电弧功率大的一相称为“增强相”，另一相则称为“减弱相”。
应对措施：①、改平面布置为三角形布置；②、中间相安装电感补偿器；③、要求通过相序变换装置，使炉门一侧为强相，而使出钢口一侧为弱相；④、将中间相电极向炉子中心移动一点；⑤、采用倾斜电极；⑥、热点区域采用优质耐材，而非热点采用一般耐材；⑦、短网线路改为双线布置法。
2．4 电极升降自动调节装置目的：维持恒定的弧长，保证电弧稳定，保持输入功率恒定。
分类：①、电机放大机—直流电动机式自动调节器；属于20世纪40年代的控制系统。
