汽车板钢冶炼生产企业生产实际教学案例库.docx

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汽车板钢冶炼生产企业生产实际教学案例库

YJ0505-现代电弧炉炉料结构优化

案例简要说明:

依据国家职业标准和冶金技术专业教学要求，归纳提炼出所包含的知识和技能点，弱化与教学目标无关的内容，使之与课程学习目标、学习内容一致，成为一个承载了教学目标所要求知识和技能的教学案例。

该案例是现代电弧炉炉料结构优化案例，体现了原料的选用、配料 等知识点和岗位技能，与本专业电弧炉炼钢生产课程偏心底出钢电弧炉冶炼建筑用钢单元的教学目标相对应。

案例名称

现代电弧炉炉料结构优化

适用说明

本案例适合中职、高职、职业本科等院校冶金技术专业，在电炉炼钢、炉外精炼、连续铸钢或相似的综合性课程教学中使用，更适合在电炉炼钢工、炉外精炼工、连续铸钢工等工种的职工培训中使用。

案例背景

对于工业化国家而言，每年将产生数量庞大的废旧钢铁资源。

而电弧炉对于消耗废旧钢铁、再制造钢铁产品有天生的优势。

虽然我国仍面临着废旧钢铁资源不集中、电费较高等问题，但是对于一些生产高附加值的机械类企业，电弧炉具有的炉料气氛可控、产品质量可靠、可使用复杂炉料等技术优势，在这类企业中具有非常强的适用性。

如某企业是一家为钢铁行业生产配套大型装备、备件的企业，生产的钢种主要为合金工具钢、模具钢，采用的工艺流程为EAF（EBT）——LF——VD，电弧炉除需冶炼低成本、高效率、高质量初炼钢水的任务，还肩负着消耗厂内高合金返回废钢的任务。

案例所涉及的知识点

 原料的选用、配料 。

案例所涉及的技能点

能够合理的选择炉料；能够根据相应的配料方法进行配料计算。

案例工作任务的分解

选择原料、配料。

教学目标

（1）了解电弧炉炉料的种类。

（2）掌握电弧炉对废钢、生铁、直接还原铁或热压铁块的要求。

（3）微量元素的控制手段及DRI的配比。

（4）面向氧化期合理的电弧炉配碳量。

（5）全面复习所学知识，并将知识转化为能力。

案例建议的教学时间

4~6学时

案例的操作演示

现场调研、问题讨论、点评、案例分析、讲授、课堂练习、大作业。

案例点评

案例教学可实现现场案例与所学理论知识的有机结合，将书本知识转化为现实工作能力，培养了学生的分析问题、解决问题的能力。

本案例可迁移为其他钢种冶炼时的配料教学，学生通过本案例学习，具有其他钢种配料计算的能力。

现代电弧炉炉料结构优化

1.背景介绍

对于工业化国家而言，每年将产生数量庞大的废旧钢铁资源。

而电弧炉对于消耗废旧钢铁、再制造钢铁产品有天生的优势。

虽然我国仍面临着废旧钢铁资源不集中、电费较高等问题，但是对于一些生产高附加值的机械类企业，电弧炉具有的炉料气氛可控、产品质量可靠、可使用复杂炉料等技术优势，在这类企业中具有非常强的适用性。

如某企业是一家为钢铁行业生产配套大型装备、备件的企业，生产的钢种主要为合金工具钢、模具钢，采用的工艺流程为EAF（EBT）——LF——VD，电弧炉除需冶炼低成本、高效率、高质量初炼钢水的任务，还肩负着消耗厂内高合金返回废钢的任务。

2.主要内容

2.1.电弧炉炉料种类

电弧炉炼钢的主要炉料有废钢、生铁及直接还原铁或热压铁块等几类。

（1）废钢

废钢包括社会废钢、返回废钢等。

其中社会废钢是主要组成部分，通过外购而来；返回废钢则是钢铁生产流程中产生的各类边角余料，是企业减少运营成本而必须快速消耗的资源。

（2）生铁

因电弧炉强化用氧技术的进步，需要熔化期钢水具有一定的碳含量；而炼钢生铁恰能满足稳定、均匀、高效配碳的需求，因而炼钢生铁成为了现代电弧炉原料结构的重要组成部分。

而近年来钢铁企业对于节能环保的重视，直接利用铁水物理热的“铁水热装技术”得到了长足的发展

（3）直接还原铁或热压铁块

直接还原铁（DRI-DirectReducedIron）是铁精粉或氧化铁在炉内经低温还原形成的低碳多孔状物质；而其在650℃左右经热压成型即成为了热压铁块（HBI-HotBriquettedIron）。

它们都具有其化学成分稳定，杂质含量少的特点，主要用作电炉炼钢的原料

2.2.废钢的要求

（一）社会废钢

因钢材品种的多样化，大量有色金属作为合金元素加入到钢材当中，造成废钢纯净度下降；而传统炼钢手段无法去除该类有害元素，恶化产品质量。

因而，社会废钢要求必须分类，且需来源明确，有害元素少。

同时，社会废钢表面通常带有防锈油、油漆、油脂等有机物质通常含有大量氢、氮元素，在熔炼高温下分解并进入钢液，增加钢液中气体含量；废钢表面通常带有铁锈，降低熔炼中降低炉料收得率。

因而，要求废钢必须无油、少锈。

密闭废钢中含有的气体/液体，在炼钢温度下急剧膨胀；子弹、炮弹等带有炸药、火药的危险品，在高温下引燃，均会引发爆炸——喷溅事故，因而社会废钢中严禁夹带密闭物、爆炸物。

（二）返回废钢

该企业返回废钢来源较为复杂，按状态大体可分为3类：

（1）炼钢车间自产返回废钢，包括浇注后的浇余；钢锭脱模后的汤道等。

由于尺寸小，产生量较少，通常立即在红热状态下直接回炉，还能够利用一部分物理热。

（2）钢锭锻造后的锭头、锻头。

这类返回废钢通常尺寸巨大，直接入炉使用除了熔化困难，冶炼效率低的缺点外，还可能在装料中砸坏炉墙、穿井中引发塌料折断电极，因此必须切割成合适尺寸使用。

（3）加工车削的钢铁屑。

各类车屑均较为轻薄，在吹氧助熔过程中氧化速度快，收得率很低，因此要避免加入后熔化前的大氧气量操作。

此外，为了充分利用返回废钢中的合金元素，必须做到各类返回废钢细致严格的按合金元素含量分类。

2.3.生铁的作用

通过使用一定比例的生铁，能够获得稳定的配碳量及熔清碳，对于提高冶炼效率，通过熔池沸腾去除杂质元素的作用非常显著。

但是，生铁中Si、Mn的氧化进入炉渣将降低炉渣碱度；P、S过高将增加脱P、S时间，均会影响冶炼效率并增加白灰消耗，因此需要对生铁中Si、Mn、P、S等元素进行控制；此外，对于某些特殊要求纯净度的钢种，还需对各类无法在炼钢环境氧化去除的有色金属、非金属元素进行控制，如Cu、Pb、As、Sn、Sb等。

近年来，各电弧炉钢铁企业深入开发了铁水热装技术。

采用该技术有如下优点，如可以大幅度降低电耗，提高钢水的纯净度，减轻有害元素的影响等。

但对于铁水热装而言，除了要向生铁一样控制杂质元素含量外，还应当注意渣量控制，防止低碱度高炉渣进入电炉引发白灰消耗量增大。

2.4.直接还原铁或热压铁块的作用

废钢作为电炉钢原料，由于其来源不同，化学成分波动很大，而且很难掌握、控制，这给电炉炼钢作业带来了极大的困难。

如果用一定比例的直接还原铁（30～50%）作为稀释剂与废钢搭配不仅可增加钢材的均匀性，还可以改善和提高钢的物理性质，从而达到生产优质钢的目的。

因此，直接还原铁不仅仅是优质废钢的替代物，还是生产优质钢材必不可少的高级原料。

对冶炼优质钢和特种钢，如石油套管、汽车用钢、核电站用钢、军用钢等配用海直接还原铁是非常重要的，也可以说生产特种钢和优质钢就必须配用直接还原铁。

2.5.电弧炉配料方法

电弧炉配料根据冶炼方法不同，可以分为氧化法配料、返回吹氧法配料和不氧化法配料。

（1）氧化法冶炼配料

氧化法冶炼炉料主要是废钢和生铁，炉料中汤道钢和中注管废钢的配入量一般不超过炉料总量的10%。

为了保证氧化期的良好沸腾和冶炼的正常进行，对炉料中的主要元素含量有一定的要求。

碳：

炉料中的含碳量应保证氧化期有足够量的碳进行碳氧反应，达到去气、去夹杂物的目的。

配碳量根据熔化期碳的烧损、氧化期的脱碳量和还原期增碳量这3个因素来确定，要求炉料熔清时钢中碳量高出成品规格下限0.3%、0.4%。

因此，当熔化期吹氧助熔时，配碳量应高出规格下限0.65%。

但配碳量也不能过高，否则会延长氧化时间并使钢液过热。

硅：

通常硅不人为配入，而是由炉料带来的，一般不大于0.8%，炉料含硅量过高会延缓钢液的沸腾。

锰：

一般钢种配料时对锰可以不考虑，通常熔清后锰含量小于0.3%，否则也会延缓熔池沸腾。

磷和硫：

原则上是越低越好。

通常熔清后的磷含量应小于0.05%，一般不超过0.08%。

此外，对于一般钢种，炉料全熔后，钢液中铬、镍、铜的含量不得大于钢的规格要求。

对于含铬的合金钢，炉料中的铬也不能配得过高。

否则铬的大量氧化会使炉渣粘度增加，阻碍脱磷和脱碳反应的正常进行。

（2）不氧化法冶炼配料

不氧化法冶炼时，炉料应由清洁少锈、干燥的本钢种返回料、类似本钢种的返回料、碳素废钢以及软铁组成。

炉料中磷应确保比成品规格低0.005%以上；碳比成品规格低0.03%~0.06%；配入合金元素应接近成品规格的中下限。

通常，炉料的综合收得率按98%计算。

（3）返回吹氧法配料

返回吹氧法的炉料是由返回钢、碳素废钢、铁合金以及软铁等组成，其中返回废钢约占40%~80%。

如果需用生铁配碳时，应该用低磷、硫生铁，其用量不超过炉料的10%。

炉料中的碳量应保证全熔后能吹氧脱碳0.20%~0.40%。

磷配的越低越好，至少要比规格低0.05%。

冶炼某些钢种时，为了升温及减少合金元素的烧损，还需配入一定数量的硅和锰。

返回吹氧法炉料综合收得率通常按95%~97%计算。

2.6.实例介绍

（1）成分要求及工艺方案确定

某钢种成分要求如表1所示：

表1某钢种中各元素成分含量（%）

C

Si

Mn

Cr

Mo

Ni

V

P≤

S≤

Cu≤

Al≤

As≤

Sn≤

Sb≤

0.26

≤

0.03

≤

0.03

1.60

0.42

3.45

0.09

0.002

0.003

0.10

0.008

0.005

0.005

0.004

0.30

1.78

0.48

3.68

0.15

由上表分析可知，由于Si、Mn、P、S含量极低，Cr、Ni、Mo、V等合金元素极高，需采用的工艺流程为EBT+LF工艺。

故计算EBT初炼钢水成分指标如下：

表2EBT初炼钢水成分指标（≤，%）

C

Si

Mn

Cr

Mo

Ni

V

P

S

Cu

Al

As

Sn

Sb

0.01

0.01

0.01

——

——

——

——

0.0005

——

0.10

——

0.005

0.005

0.004

（2）成分要求及工艺方案确定

鉴于Cu、As、Sn、Sb等微量元素含量要求较低，超出了废钢中的一般含量，且采用EBT、LF等冶炼手段无法去除，故需要配加部分直接还原铁以“稀释”炉料结构中微量元素。

（3）各类炉料成分

表3炉料的成分含量（%）

品种

C

Si

Mn

Cr

P

S

Cu

As

Sn

Sb

废钢

0.2

0.25

0.25

≤

≤

≤

≤

0.3

0.35

0.35

0.25

0.015

0.15

0.005

生铁

4.0

0.45

0.2

≤

≤

≤

≤

≤

4.2

0.65

0.25

0.10

0.05

0.15

0.15

0.005

DRI

≤

——

——

——

≤

≤

≤

≤

0.2

0.015

0.015

0.010

0.001

（4）配料计算

为保证As、Sn、Sb成分合格，既ΣSb≤0.004%，则DRI配入量需≥25%，以30%计；

为保证终点P≤0.0005%，则需长时间维持熔池处于氧化期；同时还要确保氧化期的泡沫渣质量以保证高效的动力学条件，故设置配碳量≥1.4%，则生铁配入量需≥30%，以40%计；

其余为废钢，配入量=1-30%-40%=30%。

3.分析路径

该案例是现代电弧炉炉料结构优化案例，本案例体现了原料的选用、配料 等知识点和岗位技能，与冶金技术专业电弧炉炼钢生产课程偏心底出钢电弧炉冶炼建筑用钢单元的教学目标相对应。

根据国家职业标准关于电弧炉工种要求，对应教学目标，从此生产案例归纳提炼出所包含的知识和技能点，弱化与教学目标无关的内容，使之与课程学习目标、学习内容一致，成为一个承载了教学目标所要求知识和技能的教学案例。

采用图片表格统计等手段，引导学生通过自学、计算、讨论等方式学习电弧炉炉料的种类，电弧炉对废钢、生铁、直接还原铁或热压铁块的要求，微量元素的控制手段及DRI的配比，氧化期合理的电弧炉配碳量等知识，了解现代电炉的功能演变，掌握优化电炉冶炼的炉料结构的技能，达到教学目标要求。

4.教学目标

（1）了解电弧炉炉料的种类。

（2）掌握电弧炉对废钢、生铁、直接还原铁或热压铁块的要求。

（3）微量元素的控制手段及DRI的配比。

（4）面向氧化期合理的电弧炉配碳量。

（5）全面复习所学知识，并将知识转化为能力。

5.教学方式方法

现场调研、问题讨论、点评、案例分析、讲授、课堂练习、大作业。

具体教学过程设计如下：

5.1.课前计划

（1）学生掌握知识：

电炉炼钢所用炉料的种类及其作用与要求、电弧炉配料方法；

（2）学生分组，指定组长；

（3）与现场联系，进行现场教学准备，包括安全教育、劳保用品、行走路线，现场兼职教师，现场教室等；

（4）安全教育，教师带领学生下厂调研，记录10炉电弧炉冶炼所需各类炉料的配入量，并收集相关资料；

（5）学生根据所学知识和实习、调研中获得的资料，总结电弧炉炼钢对所需炉料的要求；

（6）与技术人员交流，请技术人员准备讲授配料计算的原则与方法。

（7）教室设置成学习岛，准备投影，为每组准备2张0开白纸，大号记号笔1支、作业纸每人2张。

5.2.课中计划

（1）学生按小组就座学习岛周围，选举记录人、发言人。

（2）采用头脑风暴法，每人总结一条电弧炉炼钢对所需炉料的要求，按顺时针顺序轮流发言，记录人将操作要点在0开白纸上记录。

要求每人发言，可以轮空，直到所有人员无法补充为止，时间15～20分钟；

（3）整理完成后，小组发言人上台展示0开白纸上的记录，并向全体师生汇报交流；发言学生汇报完成后，同组学生可以补充。

汇报完成，本组自评，其它组进行点评打分，现场技术人员参与对学生汇报的评价，指出优点和不足，每组时间8～10分钟；

（4）技术人员讲授配料计算，时间20分钟；

（5）教师讲授电弧炉炉料的种类、各炉料的作用及电弧炉炼钢对该炉料的要求、电弧炉配料方法，时间45分钟。

5.3.课后计划

布置作业，见6.3。

6.思考题及考评

6.1.课前思考题

布置课前思考题，保证学生下厂调研知道找什么材料、看什么操作、思考为什么如此操作。

（1）电炉炼钢的优势？

（2）电炉炼钢所需炉料的种类及其来源？

（3）电炉炼钢对废钢的要求？

（4）生铁、直接还原铁或热压铁块的作用？

（5）炉料结构对电炉炼钢的影响？

6.2.课堂练习

课堂提问或者集体回答，目的：

及时复习、巩固知识，检查教学效果。

练习题

1、下列废钢中含碳较低的是（）。

A

A．轻薄料B．机铁件C．废钢锭模D．45#钢

2、废钢锈蚀严重时会（）。

B

A．增加钢中含氢量

B．降低钢和合金元素的收得率，增加钢中的含氢量

C．提高渣中（FeO）浓度

3、电弧炉炼钢主原料一般为废钢，目前主原料也扩展至铁水及直接还原铁等。

（）√

4、新炉开炉冶炼必须采用100%废钢冶炼。

（）√

5、废钢预热、合金料及渣料的烘烤的主要目的是为了提高其温度，降低电炉电耗。

（）×

6、根据GB/T717-1988规定生铁表面应洁净，如表面附有炉渣和砂粒理应清除掉，但允许附有石灰和石墨。

（）√

7、废钢中不得有两端封闭的管状物、封闭容器、易燃易爆物品及毒品等。

（）√

6.3.课后作业

课后作业，复习巩固知识、提升能力。

（1）每人记录10炉以上电弧炉冶炼所需各类炉料的配入量。

（2）每人结合自己调研结果，能够进行配料计算。

6.4.评价

学生考核评价实施表

评价方式

评价内容

评价结果

得分

过程性

评价

（100%）

学生出勤（10%）

迟到一次及以下

8~10

迟到三次

5~7

缺勤

0

课堂参与

（50%）

小组评价

（20%）

小组合作融洽，讨论能达到预定的目标

16~20

小组合作比较融洽，讨论基本达到预定的目标

10~15

小组合作相对融洽或不融洽，讨论未达到预定的目标

1~9

展示评价

（20%）

展示内容全面，条理清楚、语言流畅

4~20

现场教学

评价

（10%）

遵守现场规章制度，有良好的安全意识。

0~10

完成作业（30%）

思路清晰，格式规范，内容正确

自我评价（10%）