[发明专利]电磁感应炉铁矿一步炼钢法

说明书

一、技术领域

本发明属于冶金领域，涉及黑色金属冶炼中的钢铁冶炼技术，特别是实现普通铁矿不经过高炉冶炼，而直接在电磁感应炉内冶炼成符合国家相关标准的普碳钢和低合金钢，然后浇注成锭或坯，实现由矿到锭或坯的一步式生产。 

二、背景技术

铁矿一步炼钢技术是数百年来全世界冶金学家一直在探讨的课题。为了说明这个问题，必须追溯人类冶铁技术的发展历史。据考古资料，埃及金字塔中已找到了铁，这说明人类在6000年以前已学会了炼铁；印度德里还存有古代的铁柱，它已经有3000多年的历史；我国在周朝的春秋时代，已有炼制“干将”、“莫邪”宝剑的传说，其形象与印度、波斯古代的“布拉特钢”极其相似。古代炼铁和炼钢的方法，大都采用炼毛铁法，即是在炉坑中一层层地加入木炭和铁矿石，燃后鼓风燃烧。红热的炭与矿石接触，其中的铁被还原出来，形成粒铁，未还原的铁矿石溶化而成为氧化铁渣，许多粒铁集合起来就形成糊状的毛铁块，这种毛铁块由于与红热的炭接触，所以有一定的含碳量。将毛铁块从炉中取出进行锻打，就制成了钢。这种原始的炼钢方法要消耗大量的燃料，炼一单位的毛铁最少要3.15单位的木炭，铁的损失至少在30％以上，所以，这种炼钢方法是很不经济的。另外，采用这种方法炼钢，产量很小，不能满足社会发展的需要。 

由于社会用铁量的增加，不得不建造一些较大较高的直筒炉来炼铁，这就是高炉。高炉所用的燃料已不是木炭，而是焦炭。炉子越高，炉膛内温度就越高，铁的增碳现象就发展(可达3～4.5％)。炼出的金属不再成糊状，而是流动性较好的液体，这就是生铁。生铁的冶炼成本比炼制毛铁大大下降，但生铁的脆性却大大增加，不适于制造器具。为了解决这个问题，人们把生铁放在特制的炉子里并加入氧化剂(矿石、氧化铁渣)加热，生铁中的碳和其他杂质就氧化掉，最后获得可锻金属——钢，这就是两步炼钢法的形成过程。 

在炼钢学上生铁和钢都称为铁碳合金，它们的分界点是含碳量1.7％，即含碳量在1.7～4.5％之间称为生铁，含碳量在1.7％以下的称为钢。两步炼钢法在技术上讲无论如何是不合理的。因为高炉冶炼中不仅发生了氧化铁的还原反应，与此同时也发生了铁的增碳反应，而且增碳量达到了3％以上；炼钢过程则恰恰相反，是将含碳量过高的生铁水氧化成含碳1.7％以下的钢，在绝大多数情况下生铁中碳含量都必须氧化到0.5％以下，以便炼成用途广泛的中、低碳钢。由此可知，高炉增碳的这部分功能便是不合理的浪费。 

为了改变两步法生产技术上的不合理性，上世纪全世界的冶金学家纷纷提出各式各样的方案，并进行了试生产，这就是直接还原炼铁法，产品是粒铁、海绵铁，目的就是只还原铁矿石，不增碳。用粒铁、海绵铁炼钢仍属于两步法，而且，这些方法均不能与现代化的大高炉相竞争。经查，国内刘恩深于1998年1月15日提出“铁矿石一步炼钢法”的专利申请，申请号98100242.0，该申请是将各具使命的五个装置——竖塔、隧道窑、竖炉、混铁炉和双熔池炼钢炉结合在一起，分别执行高炉炼铁和氧气转炉 炼钢的任务，并没有将高炉中增碳的不合理功能去掉，实际上该申请仍属于二步炼钢法，1999年7月21日该申请被专利局驳回。 

据报导，美国钢铁学会与墨西哥HYLSA公司合作，目前，正在开发旨在取消炼焦炉-高炉-碱性氧气转炉工艺的一步炼钢法。其原理是用煤气和氧气直接还原加到铁浴中的经过预热的预还原铁矿石。铁矿石和煤从溶炼炉的上部加到铁水熔炼池中，而氧气从炉子的顶部和底部吹入，熔炼炉内连续进行脱硫和脱碳处理，当碳含量降至小于1％时，将钢水输入钢包中进行精炼，最终获得合格的钢锭或连铸坯。 

三、发明内容

(一)发明原理 

1、电磁感应炉的加热原理是当感应圈接通交流电源时，在感应圈产生交变磁场，交变磁场切割坩埚中的金属炉料时产生感应电势，由于金属炉料本身形成一闭合回路，因而在炉料中产生感应电流，感应电流通过炉料而产生电阻热将炉料升温、熔化。然而铁矿是非金属，并不是导体，加在坩埚内是不发热的，要加热铁矿必须先要有金属熔池，要靠金属熔池的电磁搅拌来不断地冲刷铁矿，才能把铁矿加热、熔化和还原。 

2、本法采用优质煤粉对铁矿进行还原，根据热力学知识，碳粉还原铁矿经由Fe₂O₃-Fe₃O₄-FeO-Fe的途径，最低温度为570℃，但此时氧化铁的还原速度很慢，电磁感应炉冶炼一炉钢的时间一般为2小时左右，要在两小时内完成炉料加热、熔化、还原和升温到出钢温度，时间远远不够。为此必须加速还原反应，而加速还原反应的首要条件就是提高反应区温度。