CN112708726A - 一种利用热态铁水进行预脱氧的电炉冶炼方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用热态铁水进行预脱氧的电炉冶炼方法，包括在冶炼终点时，在不加入合金的前提下，利用铁水中的碳、硅、猛元素在电炉内进行预脱氧和合金化，以降低炼钢过程中的合金消耗。本发明利用水平电炉加铁水的优势，冶炼终点时给电炉加入一定量的铁水进行预脱氧，增加钢水中的碳、硅、猛元素的含量，减少出钢过程的合金加入量，解决传统工艺中合金的收得率低、钢包和电炉耐材使用寿命低、钢包精炼炉的精炼工序脱氧难度大的问题。

Description

一种利用热态铁水进行预脱氧的电炉冶炼方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶金的技术领域，更具体地说，它涉及一种利用热态铁水进行预脱氧的电炉冶炼方法。

背景技术

短流程炼钢对比长流程炼钢，在成本控制方面有一定的差距，导致短流程钢铁产品的竞争力相对于长流程有一定的劣势，近些年来随着电炉炼钢技术的大幅进步，强化供氧技术、废钢预热技术已经非常成熟，在电炉中加入一定比例的铁水，有利于进一步降低电炉炼钢的成本。由于电炉炉型属于矮胖型，炉内化学反应的动力学条件不如转炉，钢水的成分和温度不均匀，高拉碳操作在电炉工艺中很难控制，所以冶炼终点时钢水的过氧化情况非常严重，钢中的气体以及夹杂物控制都不理想，具体反映在成本上主要是合金的收得率降低，钢包、电炉耐材使用寿命降低，钢包精炼炉的精炼工序脱氧难度加大等。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种利用热态铁水进行预脱氧的电炉冶炼方法。本发明利用水平电炉加铁水的优势，冶炼终点时给电炉加入一定量的铁水进行预脱氧，增加钢水中的碳、硅、猛元素的含量，减少出钢过程的合金加入量，解决传统工艺中合金的收得率低、钢包和电炉耐材使用寿命低、钢包精炼炉的精炼工序脱氧难度大的问题。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种利用热态铁水进行预脱氧的电炉冶炼方法，包括以下步骤：

生产准备：根据上一炉的留钢量及废钢的堆比重准备本炉的钢所需的废钢条件，准备铁水，并对现有的铁水进行成分和温度的检测；

冶炼过程：向本炉的钢中依次加入废钢和铁水，吹氧、升温以减少碳、磷、硅、猛元素；

预脱氧和合金化：对冶炼结束后的钢水进行测温和取样分析，根据测温和取样分析的结果，以及现有的铁水的成分和温度的检测结果，确定加入的铁水量A并加入到冶炼结束后的钢水中；

出钢：按要求出钢，本炉则预留留钢量并作为下一炉重新进入所述生产准备的步骤。

在其中一个实施例中，在所述预脱氧和合金化步骤中，确定加入的铁水量的方式为：根据目标钢种碳、硅、猛、硫、磷元素的成分含量要求，分别计算使冶炼结束后的钢水中的碳、硅、猛、硫、磷元素的含量达到要求而需要加入的铁水量，分别为A₁、A₂、A₃、A₄和A₅，以该五个值中的最小正值作为实际加入的铁水量A。

在其中一个实施例中，各条件下需要加入的铁水量A₁、A₂、A₃、A₄和A₅均分别根据以下公式计算获得：

X_n×A_n+Y_n×B＝Z_n×(A_n+B)n＝1,2,3,4,5；

其中，X₁为铁水中碳元素的百分比含量，X₂为铁水中硅元素的百分比含量，X₃为铁水中锰元素的百分比含量，X₄为铁水中硫元素的百分比含量，X₅为铁水中磷元素的百分比含量；

Y₁为冶炼结束后的钢水中碳元素的百分比含量，Y₂为冶炼结束后的钢水中硅元素的百分比含量，Y₃为冶炼结束后的钢水中锰元素的百分比含量，Y₄为冶炼结束后的钢水中硫元素的百分比含量，Y₅为冶炼结束后的钢水中磷元素的百分比含量；

Z₁为目标钢种中碳元素的百分比含量要求，Z₂为目标钢种中硅元素的百分比含量要求，Z₃为目标钢种中锰元素的百分比含量要求，Z₄为目标钢种中硫元素的百分比含量要求，Z₅为目标钢种中磷元素的百分比含量要求；

B为冶炼结束后准备出钢的钢水量。

在其中一个实施例中，还包括在把确定加入的铁水量A加入到冶炼结束后的钢水中前，根据实际加入的铁水量A对钢水温度变化进行预算复核。

在其中一个实施例中，所述预算复核的方式为根据以下公式计算加入铁水量A后钢水的温度，并判断是否满足目标钢种的温度变化要求：

Q₁+Q₂＝Q₃，

Q_m＝C_mM_mT_m m＝1,2,3；

其中，Q₁为铁水的热量，Q₂为钢水的热量，Q₃为目标钢种的热量；

C₁为铁水的比热容，C₂为钢水的比热容，C₃为目标钢种的比热容；

M₁为铁水的质量，M₂为钢水的质量，M₃为目标钢种的质量；

T₁为铁水的温度，T₂为钢水的温度，T₃为需要计算得出的目标钢种的温度。

在其中一个实施例中，在所述冶炼过程的步骤中，所述废钢和铁水的加入量总和为留钢量的2～4倍。

在其中一个实施例中，在所述冶炼过程的步骤中，所述废钢的加入量与所述铁水的加入量的比例为3:7～1:9。

在其中一个实施例中，在所述出钢的步骤中，所述留钢量为钢水总量的30％～50％。

在其中一个实施例中，还包括精炼的步骤：在目标钢种出钢后，转入钢包精炼炉精炼以精准调整钢的成分和温度。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用水平电炉加铁水的优势，冶炼终点时给电炉加入一定量的铁水进行预脱氧，增加钢水中的碳、硅、猛元素的含量，减少出钢过程的合金加入量，解决传统工艺中合金的收得率低、钢包和电炉耐材使用寿命低、钢包精炼炉的精炼工序脱氧难度大的问题。

2、加入前置步骤中使用的铁水不会增加其他不必要的成分，而且由于电炉的特点，加入铁水的比例可以比废钢多得多，那么冶炼后再加入铁水也不会影响其出钢质量或出现排斥等情况，还能利用铁水中的碳、硅、猛元素，完成合金对电炉内钢水进行预脱氧和合金化的作用。

附图说明

图1是本发明一种利用热态铁水进行预脱氧的电炉冶炼方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。

值得注意的是，本文所涉及的“上”“下”等方位词均相对于附图视角而定，仅仅只是为了便于描述，不能够理解为对技术方案的限制。

如图1所示，一种利用热态铁水进行预脱氧的电炉冶炼方法，包括以下步骤：

生产准备：根据上一炉的留钢量及废钢的堆比重准备本炉的钢所需的废钢条件，准备铁水，并对现有的铁水进行成分和温度的检测；堆比重是指一堆正常堆放的物料的单位体积的重量，包含物料之间空隙体积，即物料自然堆放时的平均密度，以此更加方便地确定所需要的废钢量；

冶炼过程：向本炉的钢中依次加入废钢和铁水，吹氧、升温以减少碳、磷、硅、猛元素；电炉冶炼的目的就是把未处理的铁水逐步变成钢，把相应的少量甚至是微量元素进行氧化等化学反应，以逐步形成所需要的钢种材料，电炉炼钢主要利用电弧热，在电弧作用区，温度高达4000℃，冶炼过程一般分为熔化期、氧化期和还原期，在炉内不仅能造成氧化气氛，还能造成还原气氛，因此脱磷、脱硫的效率很高；

预脱氧和合金化：对冶炼结束后的钢水进行测温和取样分析，根据测温和取样分析的结果，以及现有的铁水的成分和温度的检测结果，确定加入的铁水量A并加入到冶炼结束后的钢水中；计算好合理的加入的铁水量A，按照一定速度向冶炼结束的钢水加入该铁水量A，过程中即可使钢水逐步完成预脱氧和合金化，铁水中的碳、硅、猛元素会与冶炼过程时钢水中的过量的氧气进行反应，减少氧气含量并进一步使钢水合金化；

出钢：按要求出钢，本炉则预留留钢量并作为下一炉重新进入生产准备的步骤；电炉炼钢一般是一个或若干个电炉同步运作，并循环利用进行冶炼的，预留留钢量作为下一炉冶炼前准备阶段的根据，留钢量的大小取决于电炉循环利用的生产频率，要想快速冶炼完成出钢，留钢量可适当增大；反之则减少留钢量。而且在直流电炉中，留钢作为底电极的一部分，帮助导电起弧，其主要作用有:

1、留钢留渣对炉底和炉衬有积极的保护作用，可减少加料时废钢对炉底的冲击以及炉膛温度迅速下降对耐火材料热稳定性的影响。对减少炉底的龟裂和提高炉衬的使用寿命有积极的意义。

2、留钢留渣有利于氧枪及早的投入工作，对于提高吹氧效率、节省电耗、缩短冶炼周期都有积极的促进作用。

3、由于留钢留渣在炉料入炉后可以预热废钢，所以可以加快电极穿井的速度，对于减少电极的消耗有明显的作用。

4、由于电炉填料的自流率取决于填料上部高粘度液相出现的时间和中部烧结层的厚度，所以，合适的留钢留渣有利于提高电炉的自流率。

5、留钢留渣在热兑铁水生产时，可以迅速氧化铁水中的硅、锰、磷、碳，增强石灰的溶解，加快成渣速度覆盖熔池表而，减少铁耗，减轻氧化期的脱磷，效果非常显著。

6、合适的留渣和合理的增大留钢量有利于出钢过程中减少出钢口部位的钢水产生涡流现象，对于减少出钢带渣的作用十分显著。

本发明利用水平电炉加铁水的优势，冶炼终点时给电炉加入一定量的铁水进行预脱氧，增加钢水中的碳、硅、猛元素的含量，减少出钢过程的合金加入量，解决传统工艺中合金的收得率低、钢包和电炉耐材使用寿命低、钢包精炼炉的精炼工序脱氧难度大的问题。合金化是通过加入元素，使金属成为在一定的工艺条件下具有预期性能的合金，是为保证钢的各种物理、化学性能，向钢中加入合金添加剂将其成分调整到规定范围的操作。在生产至冶炼终点的步骤时，现有技术中为了解决后续的精炼工序脱氧难度大的问题，是需要提前进行预脱氧和合金化处理，以方便后续进一步地对钢的成分和温度进行精确调整，而且会在出钢前增加合金来解决这个问题。但加入合金的量不好计算和控制，同时也明显需要消耗大量的已经制作完成的合金。因此，本申请人发现，根据电炉的特点，不同于转炉内的化学反应动力学条件，要解决这一问题，同时完成预脱氧和合金化处理，可以使用在前置步骤中加入的铁水来完成。首先，加入前置步骤中使用的铁水不会增加其他不必要的成分，而且由于电炉的特点，加入铁水的比例可以比废钢多得多，那么冶炼后再加入铁水也不会影响其出钢质量或出现排斥等情况，还能利用铁水中的碳、硅、猛元素，完成合金对电炉内钢水进行预脱氧和合金化的作用。

具体的，在预脱氧和合金化步骤中，确定加入的铁水量的方式为：根据目标钢种碳、硅、猛、硫、磷元素的成分含量要求，分别计算使冶炼结束后的钢水中的碳、硅、猛、硫、磷元素的含量达到要求而需要加入的铁水量，分别为A₁、A₂、A₃、A₄和A₅，以该五个值中的最小正值作为实际加入的铁水量A。根据成分比较，铁水中除了铁元素外主要含有碳、硅、猛、硫、磷元素，而实际上，对钢水成分影响最大的基本是碳元素，但为了避免这些元素中某种元素过量，避免到了精炼工序中时该元素难以调整或除去，应当尽量满足最低要求，使其中一种元素补充到位，即目标钢种对应元素的含量符合标准即可，那么后续精炼只需要调整其他元素的量，而且只需要通过增加来调整，使后续的精炼工序更加方便完成。

各条件下需要加入的铁水量A₁、A₂、A₃、A₄和A₅均分别根据以下公式计算获得：

X_n×A_n+Y_n×B＝Z_n×(A_n+B)n＝1,2,3,4,5；

其中，X₁为铁水中碳元素的百分比含量，X₂为铁水中硅元素的百分比含量，X₃为铁水中锰元素的百分比含量，X₄为铁水中硫元素的百分比含量，X₅为铁水中磷元素的百分比含量；

Y₁为冶炼结束后的钢水中碳元素的百分比含量，Y₂为冶炼结束后的钢水中硅元素的百分比含量，Y₃为冶炼结束后的钢水中锰元素的百分比含量，Y₄为冶炼结束后的钢水中硫元素的百分比含量，Y₅为冶炼结束后的钢水中磷元素的百分比含量；

Z₁为目标钢种中碳元素的百分比含量要求，Z₂为目标钢种中硅元素的百分比含量要求，Z₃为目标钢种中锰元素的百分比含量要求，Z₄为目标钢种中硫元素的百分比含量要求，Z₅为目标钢种中磷元素的百分比含量要求；

B为冶炼结束后准备出钢的钢水量。

根据上述公式，把各条件下对应的数值填入，并对应求出A₁、A₂、A₃、A₄和A₅，进而比较五个数值之间的大小关系，取最小的值作为实际加入的铁水量A，由于碳元素的含量应该是在铁水中占比较大的，一般实际加入的铁水量A的取值会是碳元素对应的取值A₁。

进一步地，本控制方法还包括在把确定加入的铁水量A加入到冶炼结束后的钢水中前，根据实际加入的铁水量A对钢水温度变化进行预算复核。该预算复核其实是对上述计算结果进行验算，验证加入铁水量A后，对钢水温度变化的影响是否过大，其变化后的值是否会超出目标钢种的要求，正常情况下温度的变化不超过10°，应当符合温度变化要求；若变化过大或出现异常情况，重新检查上述加入的铁水量A的计算是否出错，若没发现错误那就需要重新调整冶炼开始时的废钢和铁水的加入量，以及冶炼过程中的条件控制，或者重新加入合金元素来代替铁水。

具体的，预算复核的方式为根据以下公式计算加入铁水量A后钢水的温度，并判断是否满足目标钢种的温度变化要求：

Q₁+Q₂＝Q₃，

Q_m＝C_mM_mT_m m＝1,2,3；

其中，Q₁为铁水的热量，Q₂为钢水的热量，Q₃为目标钢种的热量；

C₁为铁水的比热容，C₂为钢水的比热容，C₃为目标钢种的比热容；

M₁为铁水的质量，M₂为钢水的质量，M₃为目标钢种的质量；

T₁为铁水的温度，T₂为钢水的温度，T₃为需要计算得出的目标钢种的温度。该计算方式就是根据热平衡公式，先计算出目标钢种的热量Q₃，再进一步根据目标钢种的热量Q₃计算出目标钢种的温度T₃，从而把该温度值与预设目标钢种的温度变化要求进行对比，判断是否在合理的变化范围内以及最终温度是否符合出钢要求。

在冶炼过程的步骤中，废钢和铁水的加入量总和为留钢量的2～4倍，这是较为理想的冶炼状态，合适的留钢量在直流电炉中，可更好地作为底电极的一部分，帮助导电起弧。废钢的加入量与铁水的加入量的比例为3:7～1:9。电炉相对于转炉，不同的就在于电炉可以使铁水量大于废钢的量，由于大容量的电炉热效率高，可使每吨钢的电耗减少，同时，也使每吨钢的平均设备投资大大降低，钢的成本下降，劳动生产率提高。在出钢的步骤中，留钢量为钢水总量的30％～50％。由于电炉是需要循环使用的，为下一炉冶炼生产作准备，优选的留钢量即为钢水总量的30％～50％。

此外，出钢后目标钢种还要经过精炼的步骤：在目标钢种出钢后，转入钢包精炼炉精炼以精准调整钢的成分和温度。该步骤中由于经过上述的预脱氧和合金化调整，尤其是已经针对碳元素进行调整后，只需要对其他元素进行调整，而且其他元素的影响不大，加上进一步对温度调整即可，该工序步骤相对现有技术更容易完成。

以下结合实施例作进一步描述：

以某牌号钢种的各元素占比要求，碳元素的质量分数为0.23％,硅元素的质量分数为0.40％，锰元素的质量分数为1.35％,硫元素的质量分数为≤0.045％，磷元素的质量分数为≤0.045％，冶炼终点时在不加入合金的前提下，利用铁水中的碳、硅、锰元素进行预脱氧和合金化。

生产准备：废钢准备：按工艺要求的堆比重准备本炉钢所需的废钢条件；铁水准备：对现有的铁水进行成分和温度的检测；电炉：公称容量100t，留钢30t。

过程方法：

本炉钢开始生产，留钢30t；

加入20t的废钢；

加入80t的铁水；

开始吹氧、升温，即为脱碳、磷、硅、锰元素的化学反应；

冶炼结束，对钢水进行测温和取样分析；

根据测温和取样分析结果按照一定速度加入铁水进行预脱氧和合金化。

表1是铁水、冶炼终点的钢水和目标钢种的成分含量对比

根据成分比较，若补加铁水，钢水成分影响最大的因素为碳元素。

因此，根据公式：X_n×A_n+Y_n×B＝Z_n×(A_n+B)n＝1,2,3,4,5，分别计算对应的A₁、A₂、A₃、A₄和A₅，即：

1、预算加铁水后的碳元素含量的影响公式：

4％×A₁+0.05％×100＝0.22％×(A₁+100)，

经计算，加入铁水量A₁为4.5吨；

2、预算加铁水后的硅元素含量的影响公式：

0.5％×A₂+0.01％×100＝0.35％×(A₂+100)，

经计算，加入铁水量A₂为226吨；

3、预算加铁水后的锰元素含量的影响公式：

0.8％×A₃+0.1％×100＝1.35％×(A₃+100)，

经计算，加入铁水量A₃为负数，不符合要求；

4、预算加铁水后的硫元素含量的影响公式：

0.02％×A₄+0.03％×100＝0.04％×(A₄+100)，

经计算，加入铁水量A₄为负数，不符合要求；

5、预算加铁水后的磷元素含量的影响公式：

0.1％×A₅+0.02％×100＝0.03％×(A₅+100)，

经计算，加入铁水量A₅为33.3吨；

由于其中两项计算得出是负数，即无论如何加铁水都不会达到或者超过该元素在目标钢种中的含量要求，因此，考虑成分影响的最佳铁水加入量A为4.5吨。

根据最低加入量对钢水温度变化复核如下：

热平衡公式：

Q₁+Q₂＝Q₃，

Q_m＝C_mM_mT_m m＝1,2,3；

经计算，加入4.5吨铁水后，钢水温度降低约8℃，满足目标出钢温度1590℃工艺要求。

结论：综合考虑成分及温度后的最佳铁水加入量为4.5吨。

加入铁水后进行出钢操作，并转入钢包精炼炉精炼精准调整成分和温度。

实例结果表明铁水中的碳、硅、锰元素均被有效利用，采用本方法后，在保证钢水质量的条件下，可降低成本15元/吨，按年产100万吨可降低成本1500万元。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种利用热态铁水进行预脱氧的电炉冶炼方法，其特征在于，包括以下步骤：

生产准备：根据上一炉的留钢量及废钢的堆比重准备本炉的钢所需的废钢条件，准备铁水，并对现有的铁水进行成分和温度的检测；

冶炼过程：向本炉的钢中依次加入废钢和铁水，吹氧、升温以减少碳、磷、硅、猛元素；

预脱氧和合金化：对冶炼结束后的钢水进行测温和取样分析，根据测温和取样分析的结果，以及现有的铁水的成分和温度的检测结果，确定加入的铁水量A并加入到冶炼结束后的钢水中；

出钢：按要求出钢，本炉则预留留钢量并作为下一炉重新进入所述生产准备的步骤。

2.如权利要求1所述利用热态铁水进行预脱氧的电炉冶炼方法，其特征在于，在所述预脱氧和合金化步骤中，确定加入的铁水量的方式为：根据目标钢种碳、硅、猛、硫、磷元素的成分含量要求，分别计算使冶炼结束后的钢水中的碳、硅、猛、硫、磷元素的含量达到要求而需要加入的铁水量，分别为A₁、A₂、A₃、A₄和A₅，以该五个值中的最小正值作为实际加入的铁水量A。

3.如权利要求2所述利用热态铁水进行预脱氧的电炉冶炼方法，其特征在于，各条件下需要加入的铁水量A₁、A₂、A₃、A₄和A₅均分别根据以下公式计算获得：

X_n×A_n+Y_n×B＝Z_n×(A_n+B) n＝1,2,3,4,5；

其中，X₁为铁水中碳元素的百分比含量，X₂为铁水中硅元素的百分比含量，X₃为铁水中锰元素的百分比含量，X₄为铁水中硫元素的百分比含量，X₅为铁水中磷元素的百分比含量；

Y₁为冶炼结束后的钢水中碳元素的百分比含量，Y₂为冶炼结束后的钢水中硅元素的百分比含量，Y₃为冶炼结束后的钢水中锰元素的百分比含量，Y₄为冶炼结束后的钢水中硫元素的百分比含量，Y₅为冶炼结束后的钢水中磷元素的百分比含量；

Z₁为目标钢种中碳元素的百分比含量要求，Z₂为目标钢种中硅元素的百分比含量要求，Z₃为目标钢种中锰元素的百分比含量要求，Z₄为目标钢种中硫元素的百分比含量要求，Z₅为目标钢种中磷元素的百分比含量要求；

B为冶炼结束后准备出钢的钢水量。

4.如权利要求3所述利用热态铁水进行预脱氧的电炉冶炼方法，其特征在于，还包括在把确定加入的铁水量A加入到冶炼结束后的钢水中前，根据实际加入的铁水量A对钢水温度变化进行预算复核。

5.如权利要求4所述利用热态铁水进行预脱氧的电炉冶炼方法，其特征在于，所述预算复核的方式为根据以下公式计算加入铁水量A后钢水的温度，并判断是否满足目标钢种的温度变化要求：

Q₁+Q₂＝Q₃，

Q_m＝C_mM_mT_m m＝1,2,3；

其中，Q₁为铁水的热量，Q₂为钢水的热量，Q₃为目标钢种的热量；

C₁为铁水的比热容，C₂为钢水的比热容，C₃为目标钢种的比热容；

M₁为铁水的质量，M₂为钢水的质量，M₃为目标钢种的质量；

T₁为铁水的温度，T₂为钢水的温度，T₃为需要计算得出的目标钢种的温度。

6.如权利要求1-5任意一项所述利用热态铁水进行预脱氧的电炉冶炼方法，其特征在于，在所述冶炼过程的步骤中，所述废钢和铁水的加入量总和为留钢量的2～4倍。

7.如权利要求6所述利用热态铁水进行预脱氧的电炉冶炼方法，其特征在于，在所述冶炼过程的步骤中，所述废钢的加入量与所述铁水的加入量的比例为3:7～1:9。

8.如权利要求7所述利用热态铁水进行预脱氧的电炉冶炼方法，其特征在于，在所述出钢的步骤中，所述留钢量为钢水总量的30％～50％。

9.如权利要求8所述利用热态铁水进行预脱氧的电炉冶炼方法，其特征在于，还包括精炼的步骤：在目标钢种出钢后，转入钢包精炼炉精炼以精准调整钢的成分和温度。

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