二、电弧炉炼钢
1.电弧炉的构造
电弧炉的构造主要是由炼钢工艺决定的，同时又与电弧炉的容量、装料方式、传动方式等有关。电弧炉的基本结构如图5-6所示。其主要由炉体、电极夹持器、电极升降装置、炉体倾动装置、炉盖提升和旋转装置、电气装置、水冷装置等几部分组成。
图5-6 电弧炉的基本结构
1—炉体倾斜机架 2—电缆 3—变压器 4—电极升降机构 5—电极 6—炉顶 7—出钢槽 8—炉底壳 9—炉底耐火材料 10—炉底支撑部分 11—导向架
炉体是电弧炉最主要的装置，用来熔化炉料和进行各种冶金反应。电弧炉炉体由金属构件和耐火材料砌筑成的炉衬两部分组成。炉体的金属构件包括炉壳、炉门、出钢槽、炉盖圈和电极密封圈。炉壳是用钢板焊成的，其上部有加固圈。大炉子炉壳上部往往做成双层的，中间通水冷却。炉门供观察炉内情况及扒渣、取样、加料等操作使用。炉门口平时用炉门盖掩盖，炉门盖一般通水冷却。小型电炉的炉门盖用人工起闭，稍大的炉子用压缩空气或液压机构等起闭。出钢槽连在炉壳上，外部用钢板焊成，内部砌耐火材料，供出钢用。电弧炉的炉盖用耐火材料砌成圆拱形，四周是一个用钢板或型钢焊成的圆环形构件，称为炉盖圈，里面大多通水冷却。炉盖上有三个呈正三角形对称布置的电极孔，在电极孔与电极之间设有电极密封圈。电极密封圈用钢板做成圆环形，里面通水冷却。
在炼钢过程中，由于电弧炉要不断地熔化炉料，同时在熔炼各期要求供给不同的电能，因此电极需要随时升降来保证或调整电弧的长度。电极通过电极夹持器装在电极升降装置上，电极夹持器可以夹紧和放松电极。在熔炼过程中，电极的升降受电极自动调节装置的控制。电极升降装置由横臂、立柱和传动机构组成，其结构有活动立柱式和固定立柱式两种。较大型的电弧炉一般都采用活动立柱式结构。传动方式有钢丝绳传动、齿轮和齿条传动、液压传动三种，大型电弧炉多采用液压传动。
电弧炉在出钢时需要向出钢槽侧倾动，以使钢液从出钢槽流出。在熔炼过程中，为了便于扒渣操作，需要把炉体向炉门侧倾动，因此电弧炉应具有炉体倾动装置。
电弧炉的装料方式有炉门装料和炉顶装料两种。炉门手工装料只适用于很小的电弧炉，绝大多数电弧炉都采用炉顶装料。按照装料时炉体和炉盖位置变动情况的不同，电弧炉可分为炉体开出式、炉盖旋转式或炉盖开出式三种类型。我国各电炉厂目前大多生产炉体开出式的产品。
为了加快炉料的熔化，某些50t以上的电弧炉还配备炉体回转机构，使炉体能在水平方向向左或向右各旋转一定的角度，以使电极在炉膛的几个位置上熔化炉料，从而使炉料的受热更加均匀，减少人工推料作业和缩短炉料的熔化时间，也可以避免炉底局部过热。
2.电弧炉熔炼操作
（1）碱性电弧炉炼钢原理 钢中碳和其他杂质如硅、锰、硫、磷的含量都较生铁（铸铁）中的低。炼钢的目的就是要去除生铁和废钢中多余的杂质，并加入一定量的合金元素，使之得到所需的成分和物理、力学性能。炼钢过程中还要尽量减少钢液中气体和夹杂物，以提高钢的质量。
（2）碱性电弧炉氧化法熔炼操作 碱性电弧炉炼钢有氧化法和不氧化法两种，以前者应用较多。碱性电弧炉氧化法炼钢过程可分为装料、熔化期、氧化期、还原期等几个阶段。
1）装料：装料应密实，既能加快熔化速度又节省电力。炉底铺小料，大块料装在中间（此处为电弧高温区，炉料易熔化），空隙中填以小料，上面覆盖小料和钢屑，以使电流容易通过，加快熔化速度。装料时应注意防止熔化时炉料下塌，碰断电极。为了使电弧稳定，可在电极下放几块焦炭。
2）熔化期：熔化期的目的是在最短的时间内将固体金属料熔化为均匀的钢液。熔化期约占整个熔炼时间的1／2，消耗全部电能的1／2以上。因此在可能范围内应尽量缩短熔化期，这对提高生产率、降低成本有很大的作用。
在整个熔化过程中，应随时对电弧功率和电压进行调整。开始时电弧裸露在炉料上部，离炉顶较近，故应采用稍低一些的电弧功率；待电极已伸入炉料，四周被炉料包围时，应调到最大电弧功率，加速炉料的熔化；直到炉料大部分已熔化，电极回升，电弧又裸露在钢液表面时，应适当调低电弧功率。
为了加速熔化，当炉中约有一半炉料被熔化后，便可吹氧助熔。吹氧的压力一般控制在0.4～1.0MPa。吹氧前先打开氧气，待氧气畅通后再将吹氧管插入钢液内，但不要深入炉底或靠近炉墙，以防损坏炉衬。
在熔化过程中，铁和其他元素（硅、锰、磷等）逐渐被氧化。为了减少钢液从空气中吸收气体和减少热量的损失，并在熔化期能去除较多的磷，在熔化期应造渣。陆续加入石灰和氟石调整熔渣，用量约为装入炉料质量的2%左右。炉料熔化后即取样分析成分。
3）氧化期：氧化期的任务是脱磷、除气、升温，也就是要把钢液中的磷含量降低到规定的数值以下，减少钢液中有害气体（如氢和氮）和非金属夹杂物，把钢液加热到不低于出钢时的温度。
钢液中的磷被氧化后进入炉渣，与CaO结合成稳定的化合物。
5FeO+2P=P2O5+5Fe+热量
P2O5+4CaO=4CaOP2O5+热量
上列反应都是放热反应，因此温度低一些对脱磷有利。
从反应式中还可看到，为了提高脱磷效果，必须造成强氧化性（FeO含量大）、强碱性（CaO含量大）的炉渣。在熔化阶段即向炉中加石灰石，在炉料全部熔化后，立即加入约为炉料质量1%的经过焙烧的铁矿石，电压则保持在中挡，勿使炉温过快升高，使磷顺利氧化，进入炉渣。加矿石10min后，扒去大部分炉渣，将大部分磷除去。若钢液中磷的含量还较高，则应再造渣，加矿石氧化，扒渣，直到磷含量降低至符合要求时，扒去炉渣，加入新鲜石灰石造渣，并迅速把钢液温度提高到1600℃以上。
在温度升高后，即分批加入铁矿石和石灰石，使碳氧化，由于生成的CO逸出，使钢液猛烈沸腾。钢中有害气体如氢、氮等能随着CO气泡逸出。为了保证钢的质量，在氧化期阶段应保证有一定时间的沸腾，如一般优质的钢材，应有质量分数为0.3%的碳在沸腾时被氧化掉，这样能保证钢中气体含量大大降低。
因碳的氧化要在高温时才能顺利进行，故当钢液温度不高时不能加入矿石。低温加矿石，开始时不起作用，等到温度升高时，会突然发生非常猛烈的沸腾，会使钢液从炉内“喷出”。
氧化期也可以吹氧代替矿石加速碳的氧化，缩短熔炼时间，或用部分加矿石部分吹氧的方法。有条件的地方尽量多用氧。
氧化期结束，应控制碳含量略低于规格要求的下限，因还原期钢液会增碳，但不应低得太多。当碳含量过低时应在扒渣后加入焦炭粉或碎电极增碳。这时钢液上没有熔渣覆盖，容易吸收气体，降低钢液质量。因此，应尽可能控制好氧化期钢液中的含碳量，避免进行增碳操作。
当碳含量已达规格要求的下限时，扒去炉渣的70%～80%，净沸腾10min，若用吹氧法，则净沸腾时间不应少于5min。所谓净沸腾，就是既不加矿石，也不吹氧，让钢液中残存的过量FeO继续与碳起反应。通过净沸腾使钢液中气体和夹杂物进一步减少。
4）还原期：还原期的任务是脱氧、脱硫、调整成分和温度。
氧化期结束，应迅速、全部扒去氧化渣，再按钢液中含锰量的中限加入锰铁，并加入石灰石、氟石迅速造一层薄薄的挡渣盖住钢液，然后按照熔炼钢种的不同，加入不同的还原渣混合物。例如，碳的质量分数低于0.2%的低碳铸钢用白渣精炼，中碳铸钢和高碳铸钢用电石渣精炼，含碳量特别低的不锈钢等在火砖渣下精炼。
白渣混合料有两种，其配比分别为：石灰石∶氟石∶炭粉（碳化硅粉）≈4∶2∶1；石灰石∶氟石∶炭粉（碳化硅粉）∶硅铁粉≈4∶1∶1∶1。
电石渣混合料的配比为：石灰石∶氟石∶炭粉（碳化硅粉）≈3∶1∶1。
也有些工厂在加白渣、电石渣混合料之前，先加入少量铝锰硅复合脱氧剂，然后再造还原渣。在还原渣下精炼，钢液中发生脱氧和脱硫的变化，渣中炭粉或硅铁粉使FeO还原，反应式为
FeO+C=Fe+CO↑(https://www.daowen.com)
2FeO+Si=2Fe+SiO2
生成的CO逸出，SiO2则与CaO形成炉渣。渣中FeO逐渐减少，使钢液中残留的FeO不断向渣中扩散，这样便使钢液中的FeO也逐渐减少。
由于渣中FeO减少，渣的颜色由黑变灰再变白，故称为白渣。电石渣中炭粉比例较大，在高温电弧作用下形成CaC2（电石），是一种强烈的还原剂。渣的颜色由于CaC2的存在而呈无光泽的灰黑色且有特殊的电石气味。
硫在钢液中以FeS和MnS的形式存在。脱硫的条件是要有强碱性和还原性的炉渣。这时只有在强碱性炉渣的条件下才能形成CaS并稳定于炉渣中。
这个反应是可逆的。CaO越多，反应越容易向右进行，即炉渣碱度大对脱硫有利。但当渣中FeO含量很大时，就会阻止反应向右进行而促使反应向左进行，即渣中的硫又变成FeS进入钢液。故要去硫顺利，必须使渣中FeO尽量少。还原性炉渣能很好地满足这一条件。
由于钢液在还原期处于平衡状态，有可能吸收氢和氮而使质量降低，因此在保证达到还原期目的的前提下，应尽量设法缩短还原期。
还原15～20min后，取样分析碳、锰、硅、硫。碳含量应正好在规定范围内，若含碳量过高，超出上限，就很麻烦。这时只能改变钢种或重新吹氧氧化和再造还原渣精炼，这就会大大延长熔炼时间。若碳含量过低，则可加低磷生铁增碳，但不宜加得太多。脱氧是否完全，可取出少量钢液浇入铁模中看其冷凝情况是否平稳，表面中心是否下凹。当碳、硫等成分已合格，脱氧情况良好，炉渣情况良好，钢液温度合适时，即可加入少量硅铁、锰铁调整钢液中的硅、锰含量，准备出钢。
为了使脱氧更为完全，并使钢液的晶粒细化，最后再加少量的纯铝（禁止加铝的除外），用量为0.8～1kg／t。
5）合金元素加入的顺序。熔炼合金钢时要加入各种铁合金。各种合金加入的时间必须得当，否则就会烧损过多，或影响钢液的质量。
镍：镍不会被氧化，且因镍铁中含氢较多，故应早一些加入炉中。镍量多时应在装料时一起装入，量少时可在炉料熔化后加入，在钢液沸腾时去除氢气。
钼：钼不容易氧化，因此钼铁可在氧化期加入。若以钼酸钙的形式加钼，则应在扒去氧化渣后将其加在钢液面上以减少损失。
钨：钨铁在还原期开始时加入，若用不氧化法熔炼，则应在装料时加入。
铬：铬很容易被氧化，故应在钢液脱氧较好，还原渣已变白或变灰时才可加入铬铁。
钒：在出钢前15min将钒铁加入脱氧良好的钢液。
钛：在出钢前15min将钛铁加入脱氧良好的钢液。
以上所述就是碱性氧化法熔炼的大致过程。
当炉料很干净，磷含量已低于规定值，其他元素也不超过规定时，可用不氧化法熔炼，即熔炼过程只有熔化期和还原期，没有氧化期。由于没有氧化沸腾，钢液中气体不易除去，因此对原材料要求很严格，铁料、石灰石、铁合金等都应该是干燥无锈的。
（3）熔炼工艺举例（碱性氧化法）
1）熔炼钢种为ZG230-450铸造碳钢，化学成分为：w（C）=0.22%～0.29%，w（Si）=0.20%～0.45%，w（Mn）=0.50%～0.80%，w（P、S）≤0.04%。
2）配料：废钢的质量分数为65%～85%，炼钢生铁的质量分数为15%～20%，废钢屑的质量分数不超过15%。
配料应使熔清后钢液中碳的质量分数大于或等于0.53%，以保证氧化期沸腾除气。
3）当一半炉料熔化后，吹氧助熔。在熔化期陆续加入石灰石、氟石调整熔渣，用量为钢液质量的1.5%～2.0%。熔化期末加入碎铁矿石以利脱磷，加入量为钢液质量的1.5%。
4）在炉料熔清后扒去大部分炉渣，取样分析C、Mn、P。碳的质量分数应大于或等于0.3%，若碳量不足，则必须加入电极块增碳后方可进行氧化。
5）炉温大于1550℃时加铁矿石进行氧化。每批加入量为钢液质量的1.0%～1.3%，每批间隔10min。每次加矿石均应取样分析碳和磷的含量。最后一批矿石加入后8min，取样分析碳、锰、磷的含量，并加入适量高碳锰铁，使锰的质量分数大于或等于0.25%。当磷的质量分数小于或等于0.015%时，吹氧脱碳。
氧化期总脱碳的质量分数要求大于或等于0.35%。
吹氧脱碳后，维持净沸腾5min。
6）当钢液温度达到1610℃，各成分的含量为w（Mn）≥0.15%、w（P）≤0.015%、w（C）≤0.18%时，便可迅速扒除全部氧化渣。
7）扒除氧化渣后，立即加入石灰石0.7%（质量分数）、氟石0.5%（质量分数）、电石0.2%（质量分数）及中碳锰铁［w（C）=1%，w（Mn）≥60%］至钢液中锰的质量分数达到0.60%。
加入预脱氧剂铝锰硅复合脱氧剂3kg／t。
在渣形成以后加入还原渣料：石灰石0.9%（质量分数）、氟石0.4%（质量分数）、炭粉0.3%（质量分数）。
8）还原渣形成15min后，加入硅铁粉［w（Si）=75%］0.12%（质量分数），石灰石、炭粉酌量。共加三批，每批间隔8min。每批加入后应取样分析碳、硅、锰、硫的含量，并分析渣样。
9）当渣中FeO的质量分数小于或等于0.60%，碳、硫均合格时，即补加硅铁至钢液中硅的质量分数达0.3%～0.35%。若含锰量不足，则也应相应配加锰铁调整。
10）当成分符合要求，钢液温度达到1610℃时，即可准备出钢。
11）在出钢前2～3min，向炉内加铝0.60kg／t进行终脱氧。