70t電弧爐廢鋼利用工藝實(shí)踐

陳文駿,陳 輝,李 勇,黃國(guó)玖,蘇雄杰,柏 兵

(1.四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,四川成都610065;

2.攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司電爐煉鋼廠,四川成都610000)

70t電弧爐廢鋼利用工藝實(shí)踐

陳文駿1,2,陳 輝1,李 勇2,黃國(guó)玖2,蘇雄杰2,柏 兵2

(1.四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,四川成都610065;

2.攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司電爐煉鋼廠,四川成都610000)

針對(duì)國(guó)內(nèi)廢鋼產(chǎn)量的日益增加,70t電弧爐以廢鋼、生鐵為主要原料,通過電弧爐煉鋼,LF鋼包精煉,VD真空處理,連鑄管坯成型的短流程煉鋼連鑄成型工藝,廢鋼年處理量40萬t,以70t超高功率電弧爐(UHP EAF)、鋼包精煉爐(LF)、真空處理裝置(VD)、三機(jī)三流連鑄機(jī)為主體設(shè)備,通過“高配生鐵”、“提前降檔”、“以氧代電”、“加入輕燒白云石造泡沫渣”等節(jié)能降耗措施,平均累計(jì)電耗降低24.05k Wh/t,2015年同口徑降低6.06%。

電爐;短流程;廢鋼;冶煉工藝;節(jié)能降耗

1 引言

中國(guó)是目前世界上最大的粗鋼生產(chǎn)國(guó), 2015年產(chǎn)量高達(dá)8.038 3億t,超過全球總量的一半,從2004年以來便一直是全球粗鋼產(chǎn)量的主要貢獻(xiàn)者。中國(guó)粗鋼產(chǎn)量的增長(zhǎng)主要依靠消耗鐵礦石的高爐——轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程煉鋼工藝的發(fā)展,消耗廢鋼資源的電爐煉鋼僅占10.7%左右,而全球電爐粗鋼產(chǎn)量占粗鋼總產(chǎn)量的30%左右,美國(guó)、歐盟等發(fā)達(dá)地區(qū)的廢鋼比均超過50%。這造成了中國(guó)進(jìn)口鐵礦石嚴(yán)重依賴國(guó)際市場(chǎng),同時(shí)鋼鐵行業(yè)的高產(chǎn)能帶來的環(huán)境污染等眾多問題[1]。

在鋼鐵行業(yè)中,同長(zhǎng)流程相比,每利用1t廢鋼可降低綜合能耗60%,減少CO、CO2、SO2等廢氣排放量86%,減少?gòu)U渣產(chǎn)生量72%,減少1.6t鐵礦石和0.5t煤炭的使用量[2]。

短流程電爐煉鋼具有十分明顯的優(yōu)勢(shì),其一,具有占地面積小、投資少、能耗低、污染小等優(yōu)點(diǎn),以緩解鋼鐵行業(yè)日益加劇的節(jié)能環(huán)保壓力;其二,可以用廢鋼替代鐵礦石,以此來緩解我國(guó)鋼鐵業(yè)對(duì)進(jìn)口鐵礦石的過度依賴[3]。

攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司電爐煉鋼廠以廢鋼與鐵水為主要煉鋼原料,組建由一座公稱容量70t超高功率交流電弧爐、一座70t LF爐、一座70t VD裝置、一臺(tái)三機(jī)三流弧形圓坯連鑄機(jī)所組成的生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)45萬t多種合金鋼坯的短流程生產(chǎn)線。每年回收廢鋼40萬t,相較于長(zhǎng)流程,減少鐵礦石消耗60萬t、煤炭消耗20萬t,節(jié)能降耗效益明顯。

2 電爐冶煉工藝

2.1 生產(chǎn)規(guī)模

電爐煉鋼廠經(jīng)升級(jí)改造后,取消模鑄,采用全連鑄生產(chǎn),年產(chǎn)合格鑄坯45萬t。

連鑄坯共10種規(guī)格:?200mm、?220mm、?280mm、?310mm、?350mm、?390mm、?450mm,預(yù)留規(guī)格?180mm。

連鑄坯長(zhǎng)度:6.5～10m。

2.2 產(chǎn)品方案

重點(diǎn)產(chǎn)品為油井管、管線管、鍋爐石化核電管、氣瓶管、機(jī)加工結(jié)構(gòu)管五大系列鋼管,其中鍋爐石化核電管、油井管系列的高合金鋼,氣瓶管以及機(jī)加工管中的大口徑厚壁管等用鋼都具有合同批量小、品種規(guī)格多、產(chǎn)品附加值高的特點(diǎn),這正與電爐煉鋼的優(yōu)勢(shì)相吻合。

生產(chǎn)鋼種包括P22、P5(1Cr5Mo)、P9、P91、P92、19Cr13等高合金鋼,詳見表1。

表1 電爐煉鋼廠產(chǎn)品

2.3 短流程煉鋼連鑄成形工藝流程圖

以廢鋼為原料的短流程煉鋼的生產(chǎn)工藝流程見圖1。具體工藝簡(jiǎn)述如下:

(1)原料分選

廢鋼在廢鋼料場(chǎng)經(jīng)切割加工、分選,分類儲(chǔ)存在料場(chǎng)指定存儲(chǔ)區(qū)域。

(2)電爐冶煉

根據(jù)鋼種需求,對(duì)廢鋼進(jìn)行配料,由廢鋼料籃盛裝,經(jīng)過跨車運(yùn)至冶煉跨,經(jīng)行車將料籃吊運(yùn)至電爐;開啟料籃底部,從開啟爐蓋的電爐上方將廢鋼和生鐵加入電爐爐膛;爐膛中廢鋼經(jīng)加熱、熔化等階段至冶煉完畢,出鋼到在線烘烤的鋼包中;經(jīng)稱重后,鋼包由起重機(jī)吊運(yùn)至LF鋼包精煉爐和VD真空處理裝置進(jìn)行精煉處理,電爐爐渣采用水熄渣或倒入渣罐,由過跨車運(yùn)至爐渣間存放、冷卻后外運(yùn)處理。

(3)鋼包精煉

鋼包放于LF精煉爐鋼包車上,向鋼包中加入合成渣;將鋼包車運(yùn)行至精煉工位固定、接地、蓋上爐蓋、將惰性氣體的軟管連接到鋼包底部氬氣攪拌透氣系統(tǒng)上,開始精煉, LF鋼包精煉主要有加熱、喂絲和合金化等功能;精煉結(jié)束后,加入保溫劑,由起重機(jī)將鋼包吊運(yùn)至VD真空處理裝置進(jìn)行真空脫氣處理,然后吊運(yùn)至連鑄機(jī)鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)上連鑄。

(4)鑄坯成型

送到三機(jī)三流圓坯連鑄機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)上的鋼包,由大包回轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)到澆鑄位置后進(jìn)行連鑄作業(yè);連鑄機(jī)澆鑄出的鑄坯,經(jīng)在線火焰切割機(jī)切斷成要求的長(zhǎng)度后,鑄坯由橫向拉鋼機(jī)經(jīng)輥道移至冷床上;經(jīng)過冷床冷卻的鑄坯,被移送到收集臺(tái)架上,由電磁盤起重機(jī)將鑄坯吊至人工清理存放區(qū)經(jīng)存放、檢查和精整,合格鑄坯由起重機(jī)車裝上鐵路車輛,送往軋管車間。

2.4 主要工藝布置

電爐煉鋼廠主廠房由五跨組成,分別為:擺脫模跨(132×27=3564m2)、冶煉跨(288 ×24=6912m2)、澆鑄跨(252×30= 7560m2)、連鑄輔助跨(192×26.5= 5088m2)、連鑄出坯跨(192×30=5760m2),合計(jì)軸線面積28884m2,均為鋼結(jié)構(gòu)廠房。

廢鋼料場(chǎng)由三跨組成,分別為:A-B跨(66×30=1980m2)、B-C跨(180×33= 5940m2)、C-D跨(186×31.5=5859m2)以及北料場(chǎng)(216×32.3=6966m2),合計(jì)面積20745m2,均為混凝土露天棧橋,局部設(shè)有輕鋼屋頂。

圖1 短流程煉鋼連鑄成形工藝流程圖

3 主體設(shè)備技術(shù)參數(shù)

3.1 超高功率交流電弧爐

該座70t超高功率電弧爐是引進(jìn)德國(guó)奧鋼聯(lián)公司電爐技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備,其主要參數(shù)見表2。電爐采用了許多新技術(shù),這些技術(shù)主要包括如下幾個(gè)方面[4]:

(1)采用熱裝鐵水冶煉工藝,鐵水加入量為30%～50%,冶煉時(shí)間明顯縮短,電耗和電極消耗顯著降低。

(2)采用三支集助熔、噴碳、吹氧于一體的RCB槍及一支爐門氧槍,可實(shí)現(xiàn)快速助熔廢鋼,快速降碳升溫。

(3)采用水冷掛渣爐壁,電爐耐火材料的消耗大幅降低。

(4)采用泡沫渣冶煉工藝,熱利用率得到大大提高,電極消耗和電耗進(jìn)一步降低,爐蓋壽命得到提高。

(5)采用偏心爐底出鋼操作,有效阻止電爐氧化渣進(jìn)入鋼包,保證了LF的快速冶煉。

(6)在爐底和爐壁處設(shè)置數(shù)支測(cè)溫裝置進(jìn)行過程監(jiān)測(cè),有效防止?fàn)t底和爐壁穿鋼。

(7)采用電極冷卻水噴淋冷卻方式,電極消耗顯著降低,電極夾持壽命大幅提高。

(8)電爐傾動(dòng)、電極升降和旋轉(zhuǎn)全采用液壓驅(qū)動(dòng)。

(9)采用一級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化、二級(jí)計(jì)算機(jī)過程控制。

(10)采用電功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)。

(11)采用電爐第四孔排煙與屋頂罩結(jié)合煙氣凈化系統(tǒng),環(huán)保指標(biāo)良好。

表2 電爐設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

3.2 LF鋼包精煉爐

由于LF精煉爐的精煉周期低于電爐冶煉周期,因此可滿足全鋼水精煉的要求。70t LF鋼包精煉爐的主要技術(shù)參數(shù)見表3。

LF鋼包爐具有電弧功率大、三相阻抗平衡的優(yōu)點(diǎn),能實(shí)現(xiàn)冶煉最佳功率控制,具有以下特點(diǎn):

(1)采用高功率低損耗的鋼包精煉爐專用變壓器,增大功率水平,變壓器采用13級(jí)電動(dòng)調(diào)壓,豐富了鋼包精煉生產(chǎn)加熱能力和加熱手段,能適應(yīng)各鋼種冶煉和工況需要。

(2)采用銅鋼材質(zhì)導(dǎo)電橫臂、變壓器側(cè)出線、水冷補(bǔ)償器以及大截面水冷電纜的優(yōu)化短網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式,使得三相阻抗值降為最低且三相動(dòng)態(tài)不平衡小于4.5%。

表3 LF鋼包精煉爐的主要技術(shù)參數(shù)

(3)液壓系統(tǒng)采用水-乙二醇阻燃介質(zhì),進(jìn)口恒壓變量柱塞泵及比例控制閥技術(shù),設(shè)備緊湊,運(yùn)行安全可靠。

(4)鋼包車行走機(jī)構(gòu)采用變頻調(diào)速技術(shù),行走控制精度10mm。

3.3 VD真空處理裝置

VD真空處理裝置采用單工位工作制,以噴射真空泵為真空源,滿足100%VD鋼生產(chǎn)要求。VD真空處理裝置主要技術(shù)參數(shù)見表4。

3.4 連鑄設(shè)備系統(tǒng)

電爐煉鋼廠三機(jī)三流圓坯連鑄機(jī)是從英國(guó)引進(jìn)的設(shè)備,其后對(duì)結(jié)晶器振動(dòng)裝置、結(jié)晶器總成、電磁攪拌裝置及二冷水系統(tǒng)進(jìn)行必要改造,基本解決品種鋼鑄坯質(zhì)量不穩(wěn)定的問題,可生產(chǎn)?180～?450無縫管坯。連鑄機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表5,其主要特點(diǎn)如下:

(1)采用無氧化保護(hù)澆注。鋼水從鋼水包流入中間罐和由中間罐流入結(jié)晶器時(shí),為防止鋼水二次氧化,采用在鋼包和中間包之間安裝長(zhǎng)水口和密封墊、中間包和結(jié)晶器之間安裝浸入式水口、中間包液面加覆蓋劑、結(jié)晶器液面加保護(hù)渣等方式,使鋼水與空氣隔絕,實(shí)現(xiàn)無氧化保護(hù)澆注。

表4 VD真空處理裝置主要技術(shù)參數(shù)

(2)采用大容量三角中間包。鋼水從鋼包注入中間包時(shí),鋼流將產(chǎn)生渦流,采用大容量三角中間包可減少渦流,避免將夾雜帶入結(jié)晶器,此外中間包容量大和設(shè)有隔墻可以使夾雜物上浮,提高鑄坯質(zhì)量。

(3)采用稱量系統(tǒng)。在鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)和中間包車上均設(shè)有稱量系統(tǒng),此系統(tǒng)可以穩(wěn)定中間包液面和結(jié)晶器的鋼水液面,同時(shí)通過中間包車稱量系統(tǒng),可以開發(fā)鋼包滑動(dòng)水口開啟自動(dòng)控制系統(tǒng)。

(4)結(jié)晶器液面自動(dòng)控制系統(tǒng)。采用結(jié)晶器液面自動(dòng)控制系統(tǒng),該控制系統(tǒng)與中間包塞桿連鎖控制其開度,保持鋼水流量與拉速的匹配,從而保證結(jié)晶器液面的穩(wěn)定,并改善鑄坯表面質(zhì)量。

(5)采用結(jié)晶器和鑄坯末端電磁攪拌技術(shù)。結(jié)晶器電磁攪拌位于結(jié)晶器的彎月面處,對(duì)結(jié)晶器彎月面處的液態(tài)鋼水進(jìn)行攪拌,使其產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),有以下三個(gè)效果:阻止了非金屬夾雜物和氣泡被最先凝固的鑄坯殼所捕捉,從而使鑄坯在凝固前沿得到清洗;給非金屬夾雜物和氣泡產(chǎn)生一個(gè)離心力,使其更易于上浮到彎月面處,從鑄坯凝固殼處分離出來;清洗彎月面,將上浮夾雜物保持在彎月面的凹陷處,從而使其遠(yuǎn)離鑄坯凝固殼。末端電磁攪拌主要用來解決鑄坯中心成分偏析問題。

4 冶煉電耗的降低措施

4.1 配料制度

增大優(yōu)質(zhì)廢鋼的配入比例(50%以上),高配生鐵及鐵水,生鐵/鐵水比例控制在40%左右,該法可“以氧代電”,通過爐內(nèi)C的氧化熱有效降低冶煉電耗[5]。

表5 連鑄機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

4.2 供電制度

針對(duì)電爐供電曲線與現(xiàn)有鋼種配碳量要求不相符合的矛盾,采取提前降擋。對(duì)于低C、低P鋼,送電至1550℃時(shí),開始停電吹氧,待停電吹氧后,根據(jù)鋼水成分及溫度,再?zèng)Q定是否繼續(xù)供電,避免后期吹氧過燒、熔池溫度過高造成的能源浪費(fèi)及回磷等問題。

4.3 用氧制度

提高氧槍流量,提前用氧,提高氧氣利用效率[6]。

送電后,RCB槍采用自動(dòng)模式(即燒嘴模式);停電吹氧、噴濺較大時(shí),開啟爐門氧槍,起始流量1000Nm3/h,當(dāng)氧槍伸入爐內(nèi)后,逐步提高流量(最大采用3500Nm3/h),根據(jù)爐內(nèi)沸騰情況,劇烈時(shí)應(yīng)減小流量(保持3000Nm3/h以上);在吹煉后期(1600℃左右),嚴(yán)格控制吹氧量,如鋼中C達(dá)到出鋼要求時(shí),及時(shí)關(guān)閉爐門氧槍及爐壁氧槍,避免鋼水嚴(yán)重過氧化。

4.4 造渣制度

在電爐冶煉過程中泡沫渣起作用的階段主要是精煉期[7],一方面通過三桿RCB氧槍及爐門氧槍對(duì)爐內(nèi)熔池強(qiáng)脫C產(chǎn)生大量的CO/CO2氣泡有利于泡沫渣的形成,另一方面為了保證電加熱效率,必須保障埋弧穩(wěn)定[8]。

通過生產(chǎn)實(shí)踐及數(shù)據(jù)采集分析,影響電爐冶煉過程泡沫渣的形成及性能有以下幾個(gè)因素:

(1)后期爐渣情況,主要影響因素為爐渣的堿度、FeO含量(氧化性)、爐渣流動(dòng)性以及溫度等方面;

(2)后期爐內(nèi)化料情況,若爐內(nèi)爐料劇烈翻騰,對(duì)泡沫渣的穩(wěn)定造成巨大影響;

(3)料源情況,主要影響因素為廢鋼的殘余,如Si和Cr的殘余高低都會(huì)影響后期泡沫渣情況。

針對(duì)以上分析總結(jié),按如下工藝方式進(jìn)行造渣,冶煉指標(biāo)明顯提高:

(1)第1批石灰按正常工藝加入,后分批補(bǔ)加石灰進(jìn)行,每批不少于第1批的50%,全爐石灰加入量控制在4.0～5.5t。

(2)早期氧化渣盡量排出,及時(shí)補(bǔ)加石灰,保證爐渣堿度和粘度。同時(shí),間歇式噴入C粉造好泡沫渣。

(3)加輕燒白云石造渣

輕燒白云石成分含量:MgO≥25%、CaO≥42%,粒度5～60mm,加入量為輕燒白云石7kg/t,在加第1批石灰時(shí)加入;對(duì)使用鐵水爐次,在兌鐵水之前加入輕燒白云石;對(duì)低P鋼可在流渣后再加石灰再造新渣。

該法[9～10]可顯著改善爐渣理化性能,減輕爐渣對(duì)渣線的侵蝕。

5 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

經(jīng)過不斷摸索與優(yōu)化,平均電耗累計(jì)指標(biāo)為372.95k Wh/t,同口徑下相比以前指標(biāo)397k Wh/t降低了24.05k Wh/t,同比降低6.06%,節(jié)能效果明顯。

6 結(jié)論

(1)以廢鋼為原料,以超高功率交流電弧爐熔煉,LF鋼包精煉,VD真空處理,管坯連鑄的短流程電爐煉鋼連鑄成型工藝,可實(shí)現(xiàn)廢鋼的快速回收利用并獲得較好的冶煉指標(biāo)。

(2)在配料制度方面,增大優(yōu)質(zhì)廢鋼的配入比例,控制廢鋼殘余,高配生鐵及鐵水;在供電制度方面,提前降檔;在用氧制度方面,

提高氧槍流量,提前用氧,以氧代電;在造渣制度方面,加入輕燒白云石造泡沫渣,冶煉后期嚴(yán)格控制爐渣的堿度及爐渣流動(dòng)性。通過各項(xiàng)制度的優(yōu)化,冶煉電耗顯著降低24.05k Wh/t,經(jīng)濟(jì)效益明顯。

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The Recycle of Steel Scrap in70t UHP Electric-Arc Furnace

CHEN Wen-jun1,2,CHEN Hui1,LI Yong2, HUANG Guo-jiu2,SU Xiong-jie2,BAI Bing2

(1.College of Chemical Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,Sichuan,China; 2.Electric furnace steel mills,Chengdu steel vanadium co.,Ltd.,Pangang Group,Chengdu 610000,Sichuan,China)

The product of steel scrap in china is increasing every year.In the steelmaking process of 70t UHP Electric-Arc Furnace(EAF),the raw material is steel scrap and pig iron,the process is steelmaking in electric furnace→refining in ladle furnace(LF)→vacuum treatment in vacuum degasifier(VD)→continuous casting.The consumption of steel scrap is 400 thousand tons each year.The major equipment are 70t UHP EAF,LF,VD,conticaster.The reduction of the average total power consumption is 24.05 k Wh/t and the decline calculated with the same caliber in 2015 is 6.06%after taking energy-saving and consumption-reducing measures,these measures include“high amount of pig iron”,“downshift in advance”,“replacing the electricity with oxygen”,and“adding light burned dolomite for foaming slag”.

electric furnace;short process;steel scrap;smelting;energy-saving and consumption-reducing

1001—5108(2016)03—0015—06

TF741.5

B

陳文駿,工程師,主要從事體系及標(biāo)準(zhǔn)管理控制。