碱性炉钢的冶炼工艺及注意事项

碱性炉钢的冶炼工艺及注意事项

碱性炉钢，即采用碱性炼钢炉进行冶炼的钢种，其炉顶、炉墙和炉底均采用碱性耐火材料，如铝镁砖、镁砖和镁砂等，进行砌筑或烧结。这类钢的特点在于其硫、磷含量较低，而气体含量则相对较高。随着19世纪初期工业革命的蓬勃发展，钢铁需求量激增，同时对钢铁质量也提出了更为严苛的要求。正是在这样的背景下，人们不断探索更高效的炼钢技术，碱性炉钢冶炼工艺便应运而生。

碱性炉钢冶炼工艺的革新历程可谓波澜壮阔。在19世纪初期，随着工业革命的蓬勃发展，钢铁需求激增，同时对钢铁质量也提出了更为严苛的要求。正是在这样的背景下，贝塞麦于1856年提出了一种革命性的炼钢方法：通过将熔化的生铁放入转炉内并吹入高压空气，促使生铁中的硅、锰、碳、磷等杂质燃烧，从而炼出高品质的钢。他发明的梨形可动式转炉，使得炼钢效率大大提高，仅需10分钟便可将10吨至15吨的铁水炼成钢，相较于传统的搅拌法，效率显著。然而，贝塞麦发明的酸性转炉在磷的去除方面存在局限，因此主要适用于低磷低硫铁矿石资源丰富的瑞典和奥地利等国。

到了1879年，英国冶金学家托马斯进一步提出了碱性转炉炼钢法。该方法采用白云石高温烧成的熟料与焦油混合制成碱性的耐火砖炉衬，通过吹入空气并加入生石灰，使整个反应在碱性高温环境下进行。这一改进使得被氧化的磷能与石灰结合，从而有效地留在渣内，避免了磷返回钢中的问题。托马斯的这一创新方法迅速被含磷铁矿石资源丰富的德国和法国等国家采纳，进一步推动了炼钢技术的进步。

此外，碱性电弧炉氧化法炼钢工艺也是现代炼钢技术的重要组成部分。该工艺主要包括原材料准备、补炉、配料及装料、熔化期、氧化期、还原期及出钢等7个阶段。在原材料准备阶段，对废钢的质量有着严格的要求，包括清洁度、有害金属元素的含量以及化学成分的明确性等。这些要求的满足，对于确保钢冶的质量、降低成本以及提高生产率都具有至关重要的作用。

一、原材料准备

废钢是电弧炉炼钢的主要原料，其质量直接影响钢液成分、生产安全及成本效益。具体要求如下：

清洁度要求：废钢需表面少锈、无泥沙油污。污染物会降低导电性，延长熔化时间，增加钢液含氢量，并影响氧化期去磷效果。
有害元素限制：不得混入铅（易沉积炉底引发漏钢）、锡/砷/铜（导致热脆）、锌（气化污染）等有色金属。
安全规范：禁止混入密封容器、易燃易爆或有毒物质。
成分明确性：按化学成分分类存放，硫、磷含量需严格管控。
尺寸控制：废钢截面积≤300mm×300mm，长度≤350mm，以保障装料密度和熔化效率。

二、补炉操作

在炼完一炉钢后，装料前需进行补炉，以修复炉底和被侵蚀的渣线等部位，确保炉体形状正常，从而保障冶炼过程的顺利进行和安全生产。补炉要点包括：出钢后立即检查炉衬，填补炉底时应先清除残渣，并遵循高温、快补、薄补的原则；补炉料需提前混合均匀，并在补炉后进行适当烘烤。

三、配料与装料

配料是电炉炼钢的关键环节，其合理性直接影响冶炼效率和钢的质量。配料时需注意以下几点：

首先，确保配料计算的准确性；其次，合理搭配炉料大小，以便于装料和快速熔化；

再者，根据钢液质量要求和冶炼方法选择合适的炉料；最后，配料成分必须符合工艺规范。

装料前需在炉底铺一层石灰，以提前造好熔化渣，利于早期去磷、减少钢液吸气和加速升温。装料时，应将小料的一半放入底部，上部则放入大料、低碳废钢和难熔炉料。大料之间需加入小料，中型料则装在大料的上方和四周。最后，在炉料下层装入预先砸成50～100mm大小的电极块，并确保装好的炉料呈半球形。

四、熔化期操作

熔化期是电弧炉炼钢工艺的起始阶段，其任务是将固体炉料迅速熔化成钢液，并同时进行脱磷操作。在此期间，需注意减少钢液对气体的吸收和金属的挥发。

启弧阶段。在通电启弧时，炉膛内充满了炉料，电弧与炉顶的距离相当近。为了避免炉顶因输入功率过大或电压过高而受损，通常我们会选择中级电压，并控制在输入变压器额定功率的约2/3左右。

穿井阶段。在此阶段，电弧被炉料完全包围，热量几乎全部被炉料所吸收，因此不会对炉衬造成损害。此时，我们可以使用最大功率进行冶炼，穿井过程大约需要20分钟，约占整个熔化时间的四分之一。

电极上升阶段。当电极“穿井”到底后，炉底会形成熔池。随着炉底石灰及部分元素的氧化，钢液面上会形成一层熔渣。四周的炉料继续受辐射热而熔化，钢液量的增加导致液面升高，电极也随之逐渐上升。在这一阶段，我们仍然采用最大功率输送电能，这一过程大约占据总熔化时间的一半。

在炉料熔化过程中，我们需要根据炉料中磷的含量高低，分批加入适量的石灰和矿石来造渣，以利于脱磷。加入的石灰量通常控制在炉料重量的1%至2%之间。同时，为了调整炉渣的流动性，可以适量加入氟石。

在熔化过程中，应持续进行“推料助熔”。当大部分炉料开始熔化时，可以采取吹氧助熔的方式来加速炉料的熔化。吹氧时需注意浅吹提温，插入钢液的深度应小于100mm，角度控制在30°至45°，并且氧气压力维持在0.4至0.5MPa之间。

到了熔化末期，我们应采用较低的电压进行供电。在炉料完全熔化后，需充分搅拌钢液，并在熔池中心处取样进行分析，以掌握钢液中碳、磷、硫等元素的含量。这些数据将作为后续氧化、还原反应和控制元素含量的重要依据。如果钢液中的含碳量不足，那么在开始氧化反应之前，必须进行增碳操作。

五、氧化期

在氧化期中，我们加入氧化剂使钢液中的碳得以氧化，从而产生熔池的沸腾。这一阶段的主要任务是脱碳、脱磷，同时去除气体和夹杂物，并进一步提升钢液的温度。氧化期的操作工艺如下所述：

在氧化期的前一阶段，由于钢液的温度相对较低，我们的主要任务是造渣脱磷。炉内的脱磷反应涉及多个化学反应步骤。首先，5FeO与2Fe3P发生反应生成P2O5、11Fe和热量；随后，P2O5再与CaO发生反应生成CaO·P2O5和热量。通过这些反应，我们可以有效地去除钢液中的磷。
由上述反应可见，为提高脱磷效果，需营造强氧化性（WFeO控制在12％～20％）和强碱性（CaO浓度高，R值为2～3）的炉渣环境，并确保炉渣流动性良好。同时，维持适当的偏低温度，并加强钢渣搅拌，以促进脱磷反应的进行。

当钢液温度达到1550℃后，氧化期进入第二阶段。此阶段主要进行氧化脱碳沸腾精炼，旨在去除钢液中的气体和夹杂物。我公司采用矿石结合氧气的方式进行脱碳，该反应不仅有助于熔池迅速加热，还有利于钢液成分的均匀化。具体化学反应如下：0+C=CO，FeO+C=Fe+CO。

在氧化第二阶段，应频繁且小量地加入矿石，并保持搅拌，以维持熔池的活跃沸腾和炉渣的良好流动性。

此外，氧化期操作还需注意以下几点：

①确保氧化、测温符合要求且渣况良好后，方可分批加入矿石，每批加入量不得超过料重的1％～2％，且每批间隔时间需大于5分钟。

②为保持熔池的良好沸腾，应将氧化脱碳速率控制在每分钟0.01％～0.03％。

③适时调整渣况。在氧化沸腾开始时，采用流渣方式，控制炉渣R值为2～3，炉内渣量维持在3％～4％。随着氧化的进行，应确保炉渣流动性良好，渣层薄而均匀。

④严格控制温度。整个氧化期是一个升温过程，升温速度需根据钢液中磷的含量来调整。在氧化末期，钢液温度应升高到高于该钢种出钢温度的10～20℃。

⑤自然沸腾。当温度和化学成分适宜时，应停止加矿石并调整好炉渣，让熔池自然沸腾5～10分钟，以降低钢液中的残余含氧量并使气体及夹杂物充分上浮。

⑥及时扒渣。由于氧化期炉渣中FeO含量高且含有P2O5，为确保还原期的顺利进行并防止回磷，需在扒渣温度高于出钢温度10～20℃时进行扒渣操作。同时，应确保碳、磷及其他限制性成分符合要求。

⑦增碳操作。若氧化末期碳含量过低，可在扒渣后向裸露的钢液面撒加纯净、干燥的碳粉进行增碳。

六、还原期

氧化期结束后，便进入了还原期。这一阶段的主要任务是营造良好的还原环境，使钢液得以脱氧、脱硫，并调整其化学成分，以确保出钢时的温度适宜。还原期的操作流程如下：

在停电扒渣后，首要步骤是加入锰铁进行预脱氧。随后，应立即加入石灰、氟石和碎硅砖来制造稀薄渣层，以减少钢液与空气的接触和降温。这些材料的加入比例需控制在4：1：1，且总加入量约为钢液重量的2％～3％。

稀薄渣形成后，需立即进行取样分析，检测C、Mn、Si、S、P等关键元素的含量。接着，加入适量的还原碳粉，并确保炉门迅速关闭，以维持炉膛的密封性，从而促进白渣的快速形成。

随着还原反应的持续进行，炉渣的脱氧、脱硫能力会逐渐减弱。因此，需要定期补充造渣材料，每6～8分钟加入一批，以维持炉渣的流动性。在还原末期，还需加入硅铁和铬铁，为出钢做好充分准备。

为了确保充分的脱氧和脱硫效果，钢液在白渣覆盖下应至少还原15分钟，且具有良好的流动性。整个还原期的渣量控制在炉料的2％～3％，其配比为石灰：氟石：碳粉=4：1.5：1。

当钢液中的含氧量和含硫量均降至合格标准时，可以开始测量钢液温度。一旦达到出钢温度要求，便着手调整钢液的化学成分。

化学成分和钢液温度调整完毕后，进行最终脱氧操作。加铝量控制在钢液重量的0.1％～0.15％，以确保脱氧效果达到要求。

七、出钢

出钢过程中需注意以下几点：

首先，确保成分合格，各主要元素控制在内控规范范围内；

其次，脱氧效果良好，加硅铁前必须是白渣状态，且在10分钟内完成出钢；

此外，出钢槽必须保持清洁、干燥和平整，与出钢口对齐，以利于出钢顺畅；

最后，盛钢桶需提前烘烤至暗红色，并在出钢前15分钟加入适量的硅铝钡和稀土硅铁进行终脱氧处理。

出钢后，需在盛钢桶内取样，以检查钢液的温度及脱氧情况。根据包内钢液的温度，结合烤包和炉渣量的实际情况，来决定镇静时间，以确保铸钢件的始浇温度不超过该钢种的浇注温度。通常，出钢后应确保至少5分钟的镇静时间。

对于普通电弧炉，采用熔氧结合技术在熔化期有助于降低钢液中的含气量和含磷量。而在还原期，通过采用还原精练技术，则可进一步促进钢液中的去气和去杂质过程。这种冶炼工艺的应用，不仅提升了钢液的质量，还优化了铸钢件的组织结构和力学性能，同时也有助于改善铸件的表面质量，并带来一定的经济效益。