電爐熱裝鐵水比例對冶煉工藝的影響分析

王軍濤，王寶明，紀(jì)連海

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司材料部,天津 300301）

電爐熱裝鐵水比例對冶煉工藝的影響分析

王軍濤，王寶明，紀(jì)連海

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司材料部,天津 300301）

熱裝鐵水替代部分廢鋼，是目前電爐煉鋼的發(fā)展趨勢，既減少了鋼液中的有害元素含量，也為降低煉鋼成本、提高電爐生產(chǎn)率打下了基礎(chǔ)。通過對實(shí)際生產(chǎn)中冶煉數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)出了不同熱裝鐵水比例對CONCAST 110 t超高功率電弧爐冶煉工藝的影響效果，并確定了合理的熱裝鐵水比例。為優(yōu)化電爐冶煉模式，提高鋼水質(zhì)量及降低消耗提供了參考。分析認(rèn)為，選擇30%～50%的熱裝鐵水比例，對于CONCAST 110 t電爐而言，綜合消耗較為理想。

電爐 熱裝 鐵水 冶煉 周期 電耗

1 引言

近年來，由于廢鋼數(shù)量短缺的問題較為突出，導(dǎo)致目前全廢鋼冶煉模式的生產(chǎn)成本居高不下。熱裝鐵水是電爐冶煉工藝的一項(xiàng)新技術(shù)，是緩解廢鋼資源不足的重要手段[1]。目前，在國內(nèi)，利用鐵水作為主要原料生產(chǎn)的綜合成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于利用廢鋼生產(chǎn)的成本。由于鐵水熱裝工藝向熔池帶入了大量的物理熱，為縮短冶煉周期、強(qiáng)化冶煉、提高電爐生產(chǎn)率，創(chuàng)造了良好的條件。

目前，全國很多電爐生產(chǎn)廠家不同程度的采用了鐵水熱裝工藝，如南鋼、寶鋼、淮鋼、安鋼、萊鋼等企業(yè)先后開展了電爐鐵水熱裝試驗(yàn)和生產(chǎn)，取得了較好的效果。太鋼一煉鋼將其電爐進(jìn)行轉(zhuǎn)爐化改造，在電極夾持器上加裝頂槍裝置，入爐鐵水比例在70%以上，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐化煉鋼，電極消耗以及電耗都為零，在成本上取得了明顯的優(yōu)勢[2]。另外，沙鋼、寶通等廠家先后試驗(yàn)了熱裝鐵水比例在70%以上的工藝模式，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益[3]。

由于受原料供應(yīng)、爐型、生產(chǎn)節(jié)奏以及供氧模式等因素的影響，導(dǎo)致了不同電爐廠家對熱裝鐵水比例的選擇有一定的差異。選擇適合本企業(yè)的熱裝鐵水比例成為一項(xiàng)十分重要的工作。

本文通過對127爐的冶煉數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，研究了不同熱裝鐵水比例對110 t超高功率電弧爐（AC CONCAST）冶煉的影響。通過分析，確定合理的熱裝鐵水比例，為降低消耗，縮短電爐冶煉周期，提高鋼水質(zhì)量提供參考。

2 冶煉基本情況

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

電爐型式：110 t-AC-EBT-UHPEAF；

裝入量：120 t；

出鋼量：100 t；

留鋼量：10 t；

出渣方式：熱潑渣；

變壓器額定容量：90/100 MVA；

二次側(cè)電壓：300～892 V；

最大二次側(cè)電流：83.676 kA；

電極直徑：610 mm；

氧槍構(gòu)成：爐壁氧槍；

爐壁氧槍：CONSO×6支；

爐壁碳槍：3支；

最大主氧流量：2 500 Nm3/h；

最大天然氣流量：350 Nm3/h。

2.2 工藝流程

EAF→LF→（VD）→CC（弧形方圓坯）。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)：合金結(jié)構(gòu)鋼85%，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼15%

2.3 廢鋼及鐵水成分

廢鋼的加料方式是在爐蓋旋開后，通過料籃從爐頂加入爐內(nèi)。熱裝鐵水是通過兌鐵車從爐門口兌入或通過頂兌方式加入爐內(nèi)。入爐廢鋼及鐵水的成分要求見表1。

表1 廢鋼及鐵水成分/%

2.4 出鋼要求

一般要求：溫度范圍為1 620～1 640℃，終點(diǎn)碳控制在0.07%～0.08%，P、S及其它有要求的元素按照鋼種工藝卡執(zhí)行。

3 熱裝鐵水比例對工藝的影響

3.1 熱裝鐵水比例對供電時(shí)間及電耗的影響

（1）與100%固體料冶煉模式相比，鐵水熱裝模式可以向熔池帶入大量的物理熱，另外鐵水中的C、Si、Mn、P等元素的氧化向熔池釋放一定量的化學(xué)熱。冶煉過程所產(chǎn)生的化學(xué)熱可以代替部分電能，使熔池升溫。與固體料（生鐵塊）相比，1 t鐵水引入的物理熱理論計(jì)算如公式（1）所示。

式中：Q1為鐵水引入的物理熱，kWh；C1為生鐵的平均熱熔，0.79 kJ/kg·℃；C2為鐵水的平均熱熔，0.75 kJ/ kg·℃；T0為常溫，取25℃；T1為生鐵的熔點(diǎn)，1 100℃；T2為入爐鐵水溫度，1 250℃；ΔH為生鐵的熔化潛熱，285.88 kJ/kg。

根據(jù)公式（1）計(jì)算得出1 t熱裝鐵水向熔池引入的物理熱為Q1=1247.63×103 kJ，即：346.6 kWh。

與廢鋼相比熱裝鐵水引入的各元素的化學(xué)熱見表2。

表2 熱裝鐵水中各元素的化學(xué)熱

（2）通過表2可以得出：與廢鋼相比，理論上1 t鐵水釋放的化學(xué)熱Q2=130.6 kWh。

因此，鐵水向熔池引入的熱量如式2所示。

式中：Q為鐵水引入的熱量，kWh/t；Q1為鐵水引入的物理熱，kWh/t；Q2為鐵水引入的化學(xué)熱，kWh/t。

得出1 t鐵水向熔池引入的總熱量為：Q=477.2 kWh。

（3）從上述理論計(jì)算中，可以得出熱裝鐵水向熔池引入了大量的熱量。可以替代一定的電能，這是熱裝鐵水能夠降低電耗的機(jī)理。由于高爐向電爐供應(yīng)的鐵水成分比較穩(wěn)定。通過對127爐不同熱裝鐵水比例的冶煉數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出不同熱裝鐵水比例對冶煉電耗的影響如圖1所示。

（4）通過圖1可以看出，隨著鐵水比例的增加，鋼鐵料引入熔池的物理熱和化學(xué)熱相應(yīng)增加，從而降低了冶煉電耗。而在實(shí)際生產(chǎn)中，100%固體料冶煉模式的電耗平均為38 550 kWh/爐（27爐全廢鋼模式冶煉數(shù)據(jù)的平均值），約合385.5 kWh/t。冶煉電耗的降低決定了供電時(shí)間也相應(yīng)減少。不同鐵水比例對供電時(shí)間的影響如圖2所示。

圖1 熱裝鐵水比例對冶煉電耗的影響

圖2 熱裝鐵水比例對供電時(shí)間的影響

（5）通過圖2可以看出，隨著熱裝鐵水比例的增加，供電時(shí)間呈下降趨勢。在實(shí)際生產(chǎn)中，100%固體料冶煉模式的供電時(shí)間平均為43 min/爐，而所記錄的采用鐵水熱裝工藝的100爐中最短的供電時(shí)間僅為18 min/爐（該爐次的熱裝鐵水比例為53.3%）。根據(jù)理論計(jì)算，當(dāng)熱裝鐵水比例超過75%時(shí)，甚至可以不供電而單純利用熱裝鐵水的物理熱和化學(xué)能達(dá)到冶煉的目的。由于冶煉全過程不消耗電能和電極，具有一定的成本優(yōu)勢。

3.2 熱裝鐵水比例對冶煉周期的影響

（1）熱裝鐵水比例的選擇不僅要考慮降低電耗等方面的因素，還要考慮與其他工序的生產(chǎn)相匹配問題。圖3反映了實(shí)際生產(chǎn)中不同熱裝鐵水比例對冶煉周期的影響。

（2）隨著熱裝鐵水比例的增加，供電時(shí)間和電耗呈不同程度的下降趨勢。由圖3可知，隨著鐵水比例的增大，冶煉周期呈現(xiàn)出先縮短再延長的趨勢。而冶煉周期隨著熱裝鐵水比例的增加并非呈現(xiàn)下降趨勢，這是由于入爐鐵水中富集了大量的碳元素，鐵水比例越高，熔池中的碳含量越高。當(dāng)鐵水比例達(dá)到一定的比例后，熔池的脫碳速度成為縮短冶煉周期的限制性環(huán)節(jié)，而CONSO氧槍的特性決定了熔池的脫碳速度，其最大的脫碳速度在0.15%/min。圖3反映了所統(tǒng)計(jì)的127爐冶煉數(shù)據(jù)中，熱裝鐵水比例在20%～60%范圍內(nèi)的爐次與其對應(yīng)冶煉周期的關(guān)系曲線。從圖中可以得出，使用CONSO供氧技術(shù)的CONCAST110tEAF在熱裝鐵水比例為30%～50%區(qū)間內(nèi)，冶煉周期相對較短，可以實(shí)現(xiàn)快節(jié)奏的煉鋼生產(chǎn)，從而提高生產(chǎn)效率。另外，與全廢鋼及采用較小鐵水比例的爐次相比，消耗的電能較少。

圖3 熱裝鐵水比例對冶煉周期的影響

3.3 熱裝鐵水比例對氧氣和天然氣消耗的影響

（1）強(qiáng)化用氧技術(shù)的使用，使提高鐵水比例成為可能。集束氧槍的使用，在降低電耗的同時(shí)，也縮短了冶煉周期。CONSO氧槍在冶煉初期作為燒嘴助熔廢鋼，熔清后作為氧槍向熔池供氧脫碳，并攪拌熔池。圖4反映了實(shí)際生產(chǎn)中鐵水比例對供氧量的影響。

圖4 熱裝鐵水比例對供氧量的影響

（2）從圖4可以看出，在相同鐵水成分的情況下，隨著鐵水比例的不斷增大，氧耗呈增加的趨勢。在冶煉過程中，CONSO氧槍的主氧流量不斷增大，當(dāng)主氧流量達(dá)到2 000 Nm3/h（設(shè)計(jì)最大主氧流量2 500 Nm3/ h）時(shí)，脫碳速度達(dá)到峰值即0.10%～0.15%/min。而鐵水比例的增加導(dǎo)致熔池中碳含量較高，在供氧速度一定的情況下，用于[C]-[O]反應(yīng)的氧量增加，造成供氧時(shí)間的延長和供氧量的增加。同時(shí)，作為主氧保護(hù)氣體的天然氣消耗與熱裝鐵水比例的關(guān)系如圖5所示。

圖5 熱裝鐵水比例對天然氣消耗的影響

（3）從圖5可以看出，隨著熱裝鐵水比例的增加天然氣的消耗增加。CONSO氧槍屬于集束氧槍，其集束作用是依靠環(huán)繞主氧管道的輔氧以及天然氣的相互作用實(shí)現(xiàn)的。在增加熱裝鐵水比例的情況下，雖然減少了起助熔廢鋼作用的天然氣用量，但是作為主氧保護(hù)氣體的天然氣隨著主氧管道供氧時(shí)間的延長，消耗量也相應(yīng)增加。

（4）在實(shí)際生產(chǎn)中，100%固體料冶煉模式的主氧消耗平均為4 200 m3/爐，約合42 m3/t，而天然氣的消耗平均為670 m3/爐，約合6.7 m3/t（27爐平均值）。通過對比可知，在熱裝鐵水比例超過50%的情況下，鐵水熱裝冶煉模式的氧耗和天然氣耗量與全廢鋼冶煉模式的耗量基本持平，甚至超過全廢鋼冶煉模式的耗量。但是從綜合成本來看，熱裝鐵水比例例的增加減少了電能的消耗，從而在很大程度上降低了電爐冶煉的成本。

3.4 熱裝鐵水比例對鋼水質(zhì)量的影響

由于廢鋼質(zhì)量的不同，導(dǎo)致廢鋼中的有害元素不易控制，而鐵水中的有害元素含量較低。另外，鐵水中較高的碳含量為電爐利用脫碳沸騰去除夾雜物和有害氣體提供了有利條件。在鐵水比例較高的情況下，終點(diǎn)鋼水中的有害元素[Cu]、[Sn]、[Pb]的含量分別控制在0.017 5%、0.005 4%、0.000 9%。[N]、[H]的平均含量可以控制在0.001 0%以下，如果熔池反應(yīng)較為均勻，[N]含量甚至可以控制在0.006%以下。這是由于供電時(shí)間的縮短以及較好的埋弧效果減少了鋼液的吸氮現(xiàn)象，另外碳氧反應(yīng)的進(jìn)行可以將鋼液中的氮部分排出。這對于冶煉潔凈鋼及對[N]含量要求嚴(yán)格的鋼種是十分有利的。這種優(yōu)勢是全廢鋼冶煉模式無法比擬的。

4 實(shí)施效果

選用最佳的熱裝鐵水比例，即熱裝鐵水比例在30%～50%的區(qū)間內(nèi)，可以在保證生產(chǎn)節(jié)奏穩(wěn)定的情況下，從一定程度上降低冶煉消耗。

4.1 縮短冶煉周期，提高產(chǎn)量

采用30%～50%的鐵水比例，可以使冶煉周期穩(wěn)定在45～49 min/爐，與之前平均55 min/爐的冶煉周期相比，縮短了6～10 min/爐。與之前的冶煉模式相比，該冶煉模式可多產(chǎn)鋼2.8爐/天。

4.2 減少電能消耗

統(tǒng)計(jì)實(shí)際生產(chǎn)中的57爐20%～30%的熱裝鐵水比例，其每爐鋼的電能消耗平均為22998.7 kwh/爐，全廢鋼模式的電能消耗平均為35 050 kwh/爐。而在采用30%～50%鐵水比例的情況下，平均每爐鋼的電能消耗為21 542.8 kwh/爐。該模式的電耗與全廢鋼模式相比降低13 507.2 kwh/爐，與20%～30%的熱裝鐵水比例冶煉模式相比，電耗降低1 455.9 kwh/爐。

5 結(jié)論

通過對鐵水熱裝工藝在CONCAST110t超高功率電弧爐生產(chǎn)實(shí)踐的總結(jié)，得出以下結(jié)論：

由于熱裝鐵水工藝向熔池引入了大量的物理熱和化學(xué)熱，隨著熱裝鐵水比例的提高，氧耗和天然氣消耗相應(yīng)增加，但冶煉電耗降低，供電時(shí)間縮短。當(dāng)熱裝鐵水比例超過75%以后，可以不用供電而利用鐵水帶入的化學(xué)熱和物理熱達(dá)到冶煉的目的。

隨著鐵水比例的增加，冶煉周期并未呈線性縮短，在較高的鐵水比例模式下，冶煉周期延長。在熱裝鐵水比例為30%～50%區(qū)間內(nèi)，冶煉周期相對較短，而且綜合消耗較為理想。

熱裝鐵水工藝降低了鋼液中的[N]、[Cu]、[Pb]等有害元素，為生產(chǎn)潔凈鋼及要求較嚴(yán)格的鋼種冶煉提供了良好的條件。

[1]俞海明，程杰.70 t電爐熱裝鐵水的實(shí)踐與進(jìn)步[J].山東冶金，2004（2）：13.

[2]李學(xué)超.太鋼一煉鋼廠電爐吹氧工藝優(yōu)化[J].山西冶金，2010（5）：13.

[3]金鳳奎，周偉，張新文，等.電爐提高熱裝鐵水比例的生產(chǎn)實(shí)踐[J].寶鋼技術(shù)，2009（6）：51.

Analysis of Influence of Molten Iron Hot Charging Ratio on EAF Smelting Process

WANG Jun-tao,WANG Bao-ming and JI Lian-hai
Material Division,Tianjin Iron and Steel Group Company Limited,Tianjin 300301,China

It is a development trend for contemporary EAF steel-making that hot molten iron substitutes partial scrap, which reduces detrimental element content in steel and lays a foundation for lowering production cost and improving productivity.Through analysis on smelting data in actual production, the authors summarize the influential effect of different molten iron hot charging ratios on Concast 110t ultra high power EAF smelting process and determine a reasonable ratio,which provides a reference for optimizing EAF smelting mode,improving steel quality and reducing consumption.By analysis,the authors deem that the overall consumption of Concast 110 t EAF is ideal with 30%～50%molten iron hot charging ratio.

EAF;hot charging;molten iron;smelting;cycle; electric consumption

王軍濤（1985—），男，主要從事轉(zhuǎn)爐及電爐煉鋼的生產(chǎn)、技術(shù)工作。

（收稿 2012-05-20 編輯 崔建華）