[发明专利]铁碳不平衡炼钢法

说明书

本发明是一种电炉炼钢工艺，传统的电炉炼钢方法是将废钢，生铁等金属炉料一次全部加入炉内，使之升温达到熔点温度，在熔点温度吸收相变潜热而熔化，这是一个纯相变过程，熔化时间长，热效率低，电耗大。

本发明是针对这个缺点提出的，其特征是先将生铁料加入炉内使之熔化，之后加入废钢，令废钢与生铁熔池发生铁-碳反应，该过程可在比废钢熔点低得多的温度进行，只要保持熔池内铁碳熔体的实际温度高于该熔体的液相线，且熔池含碳量比废钢含碳量高得多，则反应就以沸腾方式激烈地进行。

以呼和浩特钢铁厂5吨电炉为例，金属料组成是7吨废钢3吨生铁，首先加入3吨生铁使之熔化，在铁碳平衡图上铁-渗碳体共晶点温度是1130℃，实际生铁的熔点温度范围是1150℃-1190℃，这比废钢熔点1510℃低得多，高温下最主要的传热方式一辐射传热与温度4次方之差成正比（热力学温标），生铁熔点比废钢熔点低，可在1200℃以下熔化，所以熔化生铁比熔化废钢容易，生铁还可以比较紧密地平铺在炉底，电热熔化效率较高，生铁出现液相后开始加渣料覆盖熔池表面，生铁全部熔化时已经形成氧化渣，这时有一个去除磷，硫的操作（在本文后边专门讨论）。之后将7吨废钢全部加入炉内大电流送电维持铁-碳反应所必要的温度，保证熔池温度始终高于铁碳熔体的液相线，熔化过程就能高效率的顺利进行。

本工艺的降碳过程是精心设计的，热能向熔池的传递效率与熔池温度有关，熔池温度越低热效率越高，熔池温度超过1450℃时热效率显著降低，进行铁-碳反应的强烈程度与以下两个因素有关：（1）与铁碳不平衡程度有关，废钢含碳量是不变的，所以要尽量保持熔池含碳量，以保持废钢与熔池的铁碳不平衡。（2）铁碳熔体的液相点越低而熔池实际温度越高则铁-碳反应越强烈，而熔池含碳量越高铁碳熔体液相线也就越低，根据（1）和（2），熔池内的熔体含碳量高是进行铁-碳反应的必要条件。在铁碳平衡图上[C]%＝1%时液相线温度大约1450℃，这时废钢与熔池的铁碳不平衡程度仍然比较大（[C]%＝1%与[C]%＝0.2%），所以在熔池[C]%＞1%的范围内熔化废钢最有利，本工艺的降碳过程就是依据上述原理设计的，其特征是不加矿石，铁皮等氧化剂，前期控制吹氧量，保持熔池含碳量，以保证大部分废钢在熔池[C]＞1%的条件下以强烈的铁-碳反应方式熔化。废钢熔融于熔池时，熔池含碳量逐渐减少。计算结果，有5吨废钢熔化时熔池总碳为1.63%，为保持熔池实际含碳量大于1%，前期降碳必须小于0.63%。就是说前期降碳小于0.63%即可保证7吨废钢中有5吨废钢以铁-碳反应的方式高效率的熔化。仅剩2吨废钢在较高温度下，在铁碳基本平衡的条件下熔化。这时操作必须大电流，强供氧加大热负荷尽快熔化最后的废钢。当熔池含碳量高时熔体熔点低，应充分利用铁-碳反应，此时电热效率高，主要依靠电热。当熔池含碳降低，熔体熔点升高，铁-碳不平衡程度减弱，以最有效的方式集中利用碳的化学热，降低电耗。1450℃在炼钢过程中是一个临介温度，温度高于1450℃碳和氧的亲和力增大，熔池温度超过1450℃以后降碳速度决定于供氧强度。本工艺的供氧方式与传统电炉炼钢的供氧方式不同，除向熔池供氧外还向炉堂空间二次供氧，使熔池排除的CO在炉堂内燃烧。吹氧前必须把未熔化的废钢扒入熔池，否则被氧化。

该反应的平衡气相组成如下：

CO超过平衡气相组成时铁处于氧化状态，废钢被强烈氧化。从表上数据看出在炼钢温度下只要有一半CO燃烧，CO₂就远远超过平衡气相组成，废钢被氧化，所以吹氧前要将未熔化的废钢扒入熔池。二次燃烧的重要意义可从下烈数据看出：