100t高阻抗電弧爐泡沫渣工藝分析與優(yōu)化

盧 斌

上海電氣上重鑄鍛有限公司 上海 200245

泡沫渣是堿度在一定范圍內(nèi)的渣，允許埋弧操作，可以提高電能利用率。在泡沫渣中，充足的一氧化碳?xì)怏w溢出與擴(kuò)散使得鋼液熔池起泡。泡沫渣良好的埋弧效果可以降低電弧對(duì)爐襯的輻射作用，延長(zhǎng)爐襯耐火材料的使用壽命，并有效防止鋼液對(duì)氮?dú)獾鹊奈鼩狻９╇娗€、爐渣堿度、渣量、配碳量、溫度、吹氧強(qiáng)度等因素都對(duì)泡沫渣的發(fā)泡質(zhì)量有重要影響。

1 泡沫渣發(fā)泡原理

電弧爐[1]冶煉的泡沫渣一般在熔化末期和氧化期形成，通過(guò)碳氧反應(yīng)生成一氧化碳，或向爐渣中噴入一定粒度的焦炭粉并以氧氣吹掃熔渣，反應(yīng)生成的一氧化碳分散于渣中，使熔渣發(fā)泡，實(shí)現(xiàn)爐渣的泡沫化[2]。

在電爐條件下，爐渣泡沫化的氣體主要來(lái)源途徑有以下幾種： ① 吹入氧氣與碳作用，發(fā)生碳氧反應(yīng)；② 渣中不穩(wěn)定氧化物與鋼中的碳反應(yīng)；③ 渣中不穩(wěn)定氧化物與渣中的碳反應(yīng)。

2 100t高阻抗電弧爐主要設(shè)備參數(shù)

為了滿(mǎn)足大型鑄鍛件的產(chǎn)品需求，鑄鍛公司于2006年投產(chǎn)使用重機(jī)行業(yè)內(nèi)首臺(tái)100t級(jí)高阻抗偏心爐底電弧爐，該電弧爐主要技術(shù)參數(shù)如表1～表3所示。

表1 100t電弧爐基本技術(shù)參數(shù)

表2 100t電弧爐變壓器供電參數(shù)

表3 100t電弧爐爐門(mén)自耗式炭氧槍機(jī)構(gòu)參數(shù)

爐門(mén)炭氧槍機(jī)構(gòu)中，主氧槍最大流量為 20Nm3/min，爐壁第四孔下方配置小氧槍?zhuān)鯓尯吞繕尵瑟?dú)立控制。

3 現(xiàn)有泡沫渣工藝與操作存在的問(wèn)題

根據(jù)電弧爐參數(shù)，制定了100t電弧爐相應(yīng)的供電曲線工藝操作方法，如圖1所示。

圖1 100t電弧爐供電曲線工藝操作方法

在熔煉的不同階段，分別設(shè)置了相應(yīng)的輸入功率，以匹配起弧、穿井、氧化等需求。但是，在實(shí)際操作中，卻存在一些問(wèn)題。

從運(yùn)行效率和能耗看，經(jīng)多年的實(shí)際生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，變壓器的功率因數(shù)cosφ為0.6～0.7，電弧爐的噸鋼電耗平均值為 560kWh，噸鋼電極消耗量為 4.5kg。功率因數(shù)cosφ、最大功率利用率C2和時(shí)間利用率tu依次如式(1)～式(3)所示：

(1)

(2)

(3)

式中：P為有功功率；U為變壓器二次電壓；I為電極電流；Pr為熔化期平均輸入功率；Po為氧化期平均輸入功率；Pe為變壓器額定功率；t1為上爐出鋼至下?tīng)t通電的間隔時(shí)間；t2為熔化時(shí)間；t3為精煉時(shí)間；t4為熱停工時(shí)間。

結(jié)合實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，并經(jīng)統(tǒng)計(jì)取平均值，得到如表4所示的數(shù)據(jù)。

表4 100t電弧爐數(shù)據(jù)

當(dāng)功率因數(shù)cosφ=0.6時(shí)，雖然時(shí)間利用率達(dá)到0.81，處于較高的水平，但是最大功率利用率只有0.50，遠(yuǎn)低于高功率高阻抗電弧爐功率利用率0.70的平均水平。優(yōu)化供電曲線、提高功率因數(shù)是非常關(guān)鍵的問(wèn)題。當(dāng)功率因數(shù)提高到0.8時(shí)，將會(huì)顯著提高有功功率，也即提高最大功率利用率。

從電耗看，20世紀(jì)80年代，電弧爐功率水平不斷提高，工藝不斷優(yōu)化，電耗可以降低到400kWh/t，結(jié)合廢鋼預(yù)熱、煤氧噴吹等技術(shù)，還可以將電耗降至350kWh/t[3]。雖然100t電弧爐使用方式不同于冶金行業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)，存在間斷性生產(chǎn)的特點(diǎn)，加之產(chǎn)品對(duì)象復(fù)雜多變，客觀上存在電耗較高的不利因素，但是平均560kWh/t的電耗表明供電曲線、泡沫渣工藝存在不合理的情況。根據(jù)泡沫渣質(zhì)量保守估計(jì)，若泡沫渣質(zhì)量良好，可以將電耗降低30kWh/t。

泡沫渣工藝與操作不合理還造成了電極消耗量的增加。電極消耗量與電流的平方成正比，較大的電流會(huì)帶來(lái)較大的電極消耗量，因此要求輸入有功功率保證大電壓、小電流。大電壓會(huì)帶來(lái)電弧的拉長(zhǎng)，長(zhǎng)弧操作需要相匹配的泡沫渣技術(shù)，進(jìn)而起埋弧作用。同時(shí)，埋弧操作會(huì)形成對(duì)電極的有效包裹，降低電極在高溫環(huán)境下的氧化性損耗。

除上述分析，在氧化階段，為去磷、去碳，會(huì)進(jìn)行過(guò)量的吹氧操作。由于沒(méi)有有效的泡沫渣操作，導(dǎo)致了鋼液的暴露，進(jìn)而造成鋼液過(guò)氧化、吸氣吸氮等。實(shí)際測(cè)定值顯示，針對(duì)氧化出鋼至精煉爐的鋼水，定氧儀器無(wú)法測(cè)出其含氧量，因?yàn)楹趿恳呀?jīng)超出儀器測(cè)定范圍。經(jīng)過(guò)預(yù)脫氧的鋼水氧含量也高于50mg/L，從而給后續(xù)的爐外精煉增加了時(shí)間，提高了難度。

4 泡沫渣工藝優(yōu)化方法

結(jié)合鑄鍛公司現(xiàn)有的設(shè)備、產(chǎn)品與參數(shù)設(shè)置，可以從幾方面進(jìn)行泡沫渣工藝優(yōu)化。

4.1 爐渣堿度控制

由于鑄鍛公司的產(chǎn)品對(duì)象中有較多對(duì)于硅成分的控制與要求，部分甚至要求小于0.05%，因此，渣中的二氧化硅含量很低。經(jīng)測(cè)定，熔化末期與氧化前期的堿度可以達(dá)到4.0及以上，即使在氧化期，堿度也一直高于3.0。許多研究都指出，堿度為2.0左右時(shí)，發(fā)泡高度最高。堿度距離2.0的偏差越大，發(fā)泡高度就越低[4]。高堿度抑制了爐渣的發(fā)泡能力。同時(shí)，高堿度帶來(lái)了極差的流動(dòng)性，不僅產(chǎn)生不了一定高度與厚度的泡沫渣，甚至?xí)绊懽詣?dòng)流渣與脫磷，極端情況下會(huì)產(chǎn)生加入的氧化鈣有未溶解的情況。改善流動(dòng)性的方式只能是不斷添加螢石，從而造成對(duì)爐襯的侵蝕。氧化中后期的過(guò)度吹氧，導(dǎo)致渣中氧化亞鐵含量急劇增加，也會(huì)抑制熔渣的表面張力，使發(fā)泡高度和壽命下降。從堿度角度看，現(xiàn)有的造渣工藝并不能保證造出良好的泡沫渣。利用現(xiàn)場(chǎng)觀察法，可以得出結(jié)論，大電壓配電操作導(dǎo)致了電弧光的裸露，電弧爐冶煉全過(guò)程都有嚴(yán)重的弧光反射至爐襯，且通電時(shí)期聲響持續(xù)在110db左右。

基于堿度的需求，需要對(duì)現(xiàn)有的熔渣進(jìn)行重新配比，以堿度2.0為目標(biāo)，在熔氧的不同階段進(jìn)行靈活調(diào)配[5]。100t電弧爐為純氧化法冶煉，需進(jìn)行偏心爐底留鋼留渣操作，合理的堿度控制不會(huì)造成鋼水中回硅的情況發(fā)生。

4.2 渣量的控制與添加

大渣量是形成泡沫渣高度和厚度的必要條件。沒(méi)有大渣量，就沒(méi)有泡沫渣高度。泡沫渣質(zhì)量不好，也就達(dá)不到埋弧要求。渣量與泡沫渣是線性關(guān)系，大渣量對(duì)于冶煉的各個(gè)階段都有好處。5%的渣量對(duì)于泡沫渣的形成至關(guān)重要，同時(shí)流渣與添渣的操作時(shí)機(jī)也非常重要。雖然當(dāng)前操作時(shí)有渣量添加，但是由于過(guò)早流渣、多次脫磷流渣，會(huì)使泡沫渣的高度和厚度得不到保證。熔化末期、氧化前期的低溫熔渣總量控制對(duì)于泡沫渣的形成較為關(guān)鍵，而氧化后期的泡沫渣則直接關(guān)系到升溫速度與熱效率利用，無(wú)論是采取照料配比，還是發(fā)泡劑添加，都可以隨料進(jìn)行3%左右的裝料入爐[6]。

4.3 爐門(mén)氧炭槍的合理使用

如表3所示，100t電弧爐配備的是爐門(mén)炭氧槍和爐壁小氧槍。在實(shí)際冶煉操作中，爐門(mén)炭氧槍存在較多問(wèn)題。

渣中的氧化亞鐵含量對(duì)泡沫渣的效果起重要作用，渣中20%的氧化亞鐵含量可以保證泡沫渣質(zhì)量，如圖2所示。由于配料中沒(méi)有配入氧化鐵皮，在熔氧結(jié)合階段，渣中的氧化亞鐵含量只有10%左右，即使配備較大的渣量也不能保證泡沫渣的有效形成。要增加渣中的氧化亞鐵，只能通過(guò)爐門(mén)吹氧。爐門(mén)自耗式氧槍在實(shí)際使用中發(fā)揮不出真正的作用，原因是液壓式氣動(dòng)操作模式使精確控制氧槍變得困難，無(wú)論是角度控制、長(zhǎng)度控制，還是搖擺控制，都不能得到及時(shí)、準(zhǔn)確的預(yù)期效果，達(dá)不到大強(qiáng)度供氧形成泡沫渣的要求，也不能產(chǎn)生脫碳去磷的效果。在氧化中后期，隨著進(jìn)一步的脫磷要求，一般要求小于0.003%的磷含量。由于渣量減少、堿度降低，強(qiáng)吹氧導(dǎo)致鋼液過(guò)氧化與渣乳化，渣黏度降低，沒(méi)有明顯的脫碳反應(yīng)，時(shí)常還有跑鋼的情況發(fā)生。事實(shí)上，更多的脫碳任務(wù)依靠爐壁小氧槍持續(xù)供氧完成。不合理的氧槍使用還帶來(lái)了頻繁的氧槍更換，耗費(fèi)了大量的人力與熱能。

圖2 供氧強(qiáng)度與泡沫渣高度的關(guān)系

炭槍的使用也不盡合理，當(dāng)前的電爐噸鋼炭粉消耗為7kg左右，在實(shí)際觀察中發(fā)現(xiàn)，炭槍只有約20°的操作角度，一方面導(dǎo)致電弧光下方區(qū)域燒損，另一方面導(dǎo)致第四孔除塵將炭粉吸走。

可見(jiàn)，炭氧槍的不合理使用形成不了良好的泡沫渣，并會(huì)造成能耗損失。因此，需要對(duì)現(xiàn)有的爐門(mén)自耗式氧槍進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，甚至完全改造為水冷式超聲速氧槍。即使不進(jìn)行改造，也要在炭氧槍的操作技術(shù)上進(jìn)行改進(jìn)，控制好操作角度，改善供氧操作，結(jié)合脫碳與脫磷任務(wù)，合理造渣[7-8]。

4.4 配碳量的優(yōu)化

由于現(xiàn)有工藝將100t電弧爐定位為化鐵爐，更多關(guān)注終點(diǎn)碳與磷的控制，因此忽略了對(duì)配碳量和脫碳量的要求。此外，爐門(mén)氧槍作用小，也使得爐前操作人員不習(xí)慣高配碳量操作，會(huì)造成出鋼等脫碳的現(xiàn)象?，F(xiàn)有的爐前配碳量只能通過(guò)15%～20%的生鐵帶入，熔清碳只有0.50%左右，甚至更低。加之爐門(mén)炭槍的效果不佳，因此缺少了大量一氧化碳?xì)怏w的來(lái)源，爐渣無(wú)法被氣體分散成泡沫狀。在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步提高配碳量至0.80%，甚至更高。提高配碳量的方法相對(duì)簡(jiǎn)單，將現(xiàn)有的廢舊電極加工成50～100mm電極塊隨料入爐即可。由此可見(jiàn)，合理利用廢舊物資、降低能耗也是一個(gè)重要課題[9-10]。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中泡沫渣的分析、持續(xù)改進(jìn)是一個(gè)長(zhǎng)期且重要的課題。影響泡沫渣質(zhì)量的因素很多，對(duì)于鑄鍛公司100t電弧爐而言，堿度、渣量、吹氧與配碳控制是比較突出、需要改進(jìn)的主要問(wèn)題。

在高功率電弧爐使用中，泡沫渣技術(shù)是一項(xiàng)成熟、關(guān)鍵的技術(shù)，泡沫渣質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響冶煉的能耗與質(zhì)量。

[1] 胡博，鄭飛，于威威，等.電弧爐自動(dòng)加料車(chē)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].機(jī)械制造，2015，53(7)： 37-40.

[2] 王新江.現(xiàn)代電爐煉鋼生產(chǎn)技術(shù)手冊(cè)[M].北京： 冶金工業(yè)出版社，2009.

[3] 錢(qián)永輝.豎式電爐廢鋼預(yù)熱工藝[J].現(xiàn)代冶金，2010，38(6)： 34-35.

[4] 沈才芳，孫社成，陳建斌.電弧爐煉鋼工藝與設(shè)備[M].2版.北京： 冶金工業(yè)出版社，2001.

[5] 上海五鋼有限公司.電爐煉鋼500問(wèn)[M]. 2版.北京： 冶金工業(yè)出版社，1999.

[6] 董中奇，時(shí)彥林.電弧爐煉鋼工[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[7] 魏鑫燕，朱榮，劉立德，等.100t轉(zhuǎn)爐氧槍的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].冶金設(shè)備，2011(4)： 14-17，63.

[8] GATES L, FUJIMOTO K, OKADA Y, et al. Installation of Praxair’s CoJet?Gas Injection System at Sumikin Steel and other EAFs with Hot Metal Charges[C]. AISTech 2008 Iron & Steel Technology Conference and Exposition, Pittsburgh,2008.

[9] 張靈芳，陳永波，宋雷鈞，等.AP1000主管道大鍛件研究[J].裝備機(jī)械，2013(2)： 14-18.

[10] 張伯明.再議鑄造的能耗[C].2010全國(guó)機(jī)電企業(yè)工藝年會(huì),上海，2010.