安鋼100 t 電弧爐高效冶煉技術(shù)的研究與應(yīng)用

吳紅廣 王新志 藺學(xué)浩

（1.安陽鋼鐵股份有限公司； 2.安陽鋼鐵集團(tuán)有限公司）

0 引言

電弧爐煉鋼是通過電極加熱廢鋼鐵料，廢鋼融化后進(jìn)行冶煉的煉鋼技術(shù)。我國是鋼材的生產(chǎn)和消費(fèi)大國，但我國鋼材生產(chǎn)主要以轉(zhuǎn)爐長流程為主，短流程電弧爐煉鋼占比只有10%～15%。隨著國家鏟除劣質(zhì)鋼材地條鋼的生產(chǎn)線，廢鋼資源逐步進(jìn)入良性循環(huán)軌道，同時(shí)國家要求在2030 年碳排放達(dá)到峰值，而鋼鐵行業(yè)的碳排放占總碳排放的15% 左右，這為鋼鐵行業(yè)電弧爐短流程煉鋼的重新啟動提供了基礎(chǔ)和機(jī)遇。安鋼100 t 電弧爐改造完成初期以全廢鋼冶煉為主，受變壓器功率影響電能輸入只有40～50 MVA，送電時(shí)間較長，冶煉周期達(dá)75～100 min，這與后續(xù)精煉和連鑄的生產(chǎn)節(jié)奏并不匹配，對提高電弧爐的高效冶煉技術(shù)進(jìn)行研究，經(jīng)過一系列設(shè)備改造和工藝技術(shù)優(yōu)化后，達(dá)到了生產(chǎn)節(jié)奏與連鑄相匹配的目的。

1 安鋼電弧爐概述

安陽鋼鐵股份有限公司（以下簡稱安鋼）第一煉軋廠在1999 年11 月建設(shè)的100 t 豎式手指托架超高功率電弧爐投產(chǎn)后，2000 年8 月實(shí)現(xiàn)了鑄坯月產(chǎn)量6.5 萬t，超過了設(shè)計(jì)水平，2004 年生產(chǎn)能力達(dá)到了108 萬t，成為具有中國先進(jìn)生產(chǎn)水平的電弧爐之一。隨著2008 年全球爆發(fā)經(jīng)濟(jì)危機(jī)，鋼材需求量減少，鋼鐵行業(yè)受到?jīng)_擊，且當(dāng)時(shí)廢鋼積累量供不應(yīng)求，廢鋼價(jià)格居高不下，因此電弧爐于2008 年8 月停產(chǎn)。2017 年10 月，安鋼100 t 超高功率交流電弧爐改造完成并投產(chǎn)，電爐主要技術(shù)參數(shù)見表1。安鋼100 t 電弧爐按照國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)的宗旨，采用了國際上一系列的先進(jìn)工藝技術(shù)和裝備，如：超高功率交流電弧爐、高阻抗技術(shù)、水冷爐壁、水冷爐蓋、余熱鍋爐煙氣余熱回收技術(shù)、偏心底出鋼、留渣留鋼操作、爐門氧槍、集束氧槍、碳槍、泡沫渣技術(shù)、底吹等。整個(gè)工藝過程采用計(jì)算機(jī)全程控制，操作功能高度自動化。

表1 安鋼100 t 電弧爐主要技術(shù)參數(shù)

2 高效冶煉工藝技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用

2.1 鐵水熱裝技術(shù)

2.1.1 鐵水罐改造

電弧爐使用的鐵水罐罐容小于50 t，隨著冶煉模式的改變，鐵水加入量增多，鐵水罐容量成為制約100 t 電爐消化鐵水的能力和電爐總的裝入量的因素。通過對小罐罐嘴和砌筑方式的改進(jìn)，提高了鐵水小罐的盛鐵能力：（1）對小罐罐嘴砌筑角度進(jìn)行45 度角的改進(jìn)；（2）罐嘴下方增加一層磚，以提高鐵水量3 t；（3）小罐罐內(nèi)壁厚由160 mm 減至130 mm。改造結(jié)束后電爐鐵水小罐容量由原來50 t/罐，提高至60 t/罐。

2.1.2 優(yōu)化兌鐵技術(shù)

安鋼100 t 電弧爐在爐門對面與爐子中心上部的爐殼上設(shè)計(jì)了一兌鐵水口，鐵水經(jīng)兌鐵水口兌入爐內(nèi)。鐵水兌入方式如圖1 所示，將鐵水罐吊到兌鐵水小車上，鎖定后，通過液壓缸的傾動，將鐵水經(jīng)鐵水溜槽、兌鐵水口兌入爐內(nèi)。由于液壓傾動缸的事故發(fā)生率較高，嚴(yán)重影響兌鐵，通過優(yōu)化鐵水溜槽的設(shè)備參數(shù)，天車吊著鐵水罐，將鐵水兌入爐內(nèi)，大大提高了鐵水的兌入溫度和速度，目前鐵水兌入速度為8～12 t/min。這種兌鐵水方式與旋開爐蓋將鐵水直接兌入爐內(nèi)的兌鐵方式相比，減少了開蓋次數(shù)和開蓋時(shí)間，減少了大量的熱損失，同時(shí)還可使鐵水穩(wěn)定的兌入爐中，有效防止了碳氧劇烈反應(yīng)造成的噴濺，且對電爐的操作（送電、造渣）無影響，縮短了熱停時(shí)間，從而提高了生產(chǎn)效率。

圖1 安鋼100 t 電弧爐鐵水兌入方式

2.1.3 鐵水熱裝工藝研究

電弧爐熱裝鐵水技術(shù)可以降低電能消耗，提高物理和化學(xué)能的輸入功率，縮短冶煉周期，稀釋鋼水殘余元素等[1-3]。穿井期結(jié)束后開始通過溜槽兌入鐵水，利用廢鋼熔化供氧強(qiáng)度較低的階段兌入鐵水，由于鐵水的滲碳作用加速了廢鋼熔化，同時(shí)降低了廢鋼熔點(diǎn)，從而縮短了廢鋼熔清需要的時(shí)間。不同鐵耗情況下電弧爐冶煉能量消耗如圖2 所示。隨著鐵耗的增加，冶煉過程總熱量減少，一方面是由冶煉節(jié)奏加快使水冷爐壁散熱量減少，另一方面隨著鐵比增加全程泡沫渣的控制效果較好，電能和化學(xué)能的利用效率明顯提高。

圖2 不同鐵耗情況下電弧爐冶煉能量消耗

每增加1%的鐵水，帶入的物理熱約為2.7 kWh/t鋼，化學(xué)熱約為27 kWh/t 鋼，噸鋼所需電能大幅度降低。熱裝鐵水后，泡沫渣迅速形成，用于切割和熔化廢鋼的氧氣量降低，氧的利用率升高。隨著兌鐵水量的增加，氧耗呈上升趨勢，但氧耗的上升速度比鐵水比例增加的速度緩慢得多，這意味著不必增加太多的供氧能力就能很大地增加兌鐵水量。當(dāng)兌鐵水量低于52%時(shí)，冶煉周期取決于廢鋼的傳熱效率，在此范圍內(nèi)增加兌鐵水量，冶煉時(shí)間會縮短；而兌鐵水量高于52%時(shí)，冶煉周期則由爐內(nèi)脫碳速度決定，即受到電爐的供氧壓力和流量的限制，增加兌鐵水量就要求電爐系統(tǒng)有較強(qiáng)的供氧能力。

2.2 廢鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化

電弧爐用廢鋼主要以統(tǒng)料和中型為主，利用渣鋼來提高其堆比重。隨著“一罐鐵+一籃料”運(yùn)行模式的推進(jìn)，爐內(nèi)壓料嚴(yán)重，料籃加入量受限。通過研究不同料型的堆比重，對料籃內(nèi)的廢鋼進(jìn)行了合理布料。正常情況下，輕薄廢鋼和統(tǒng)料廢鋼的堆密度較低，僅有約0.20～0.35 t/m3，將輕薄廢鋼和統(tǒng)料廢鋼用破碎機(jī)破碎成10 ～100 mm 粒度的廢鋼，堆密度可達(dá)1.6 m3/t 以上，破碎料與其他料型廢鋼根據(jù)配料方案交替裝入料籃內(nèi)，料籃內(nèi)廢鋼堆密度由0.35 m3/t 提高至0.6 m3/t，料籃配料方案見表2。根據(jù)運(yùn)行模式的改變，制定電弧爐配料規(guī)范。

表2 電弧爐料籃配料方案

2.3 集束氧槍技術(shù)

集束氧槍是在拉瓦爾噴管的周圍增加燒嘴，通過燒嘴燃燒形成類真空狀態(tài)，使主氧與爐內(nèi)氣氛隔開，從而延長氧氣射流的技術(shù)。安鋼電弧爐引入美國普萊克斯集束氧槍COJET 技術(shù)，在繼續(xù)保持爐門氧槍的條件下，沿l00 t 電弧爐爐壁四周安裝3 套CoJet 槍，氧槍借助水冷鑄銅板固定在電弧爐的水冷爐壁上，其噴口伸入爐膛內(nèi)250 mm，噴口高出鋼液面900 mm，氧流長度可達(dá)2 m。氧槍包括超音速氧氣噴嘴和環(huán)流燃氧燒嘴，通過使用燃燒室來混合燃?xì)夂铜h(huán)流氧，使燃燒火焰從環(huán)流氧噴嘴噴出, 在熔化期加速廢鋼的切割和熔化，熔清后對中心超音速射流氧進(jìn)行保護(hù)，使其對熔池有足夠的穿透深度，從而加速鋼水脫碳。在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)集束氧槍的射流較短，而且時(shí)常出現(xiàn)滅火的情況。

在天氣較冷時(shí)間段，電爐生產(chǎn)時(shí)氧槍經(jīng)常滅火，嚴(yán)重時(shí)氧槍甚至點(diǎn)不著，導(dǎo)致生產(chǎn)經(jīng)常中斷。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)有綠色的萘結(jié)晶體沉積到管道和濾網(wǎng)上，致使氧槍中焦?fàn)t煤氣段堵塞，從而造成了這一現(xiàn)象。由于安鋼電弧爐用煤氣管道較長，冬季焦?fàn)t煤氣輸配管道在大氣環(huán)境中形成冷凝器的效果，萘往往在管路沿線沉積，堵塞部位主要為管道彎頭、閥門、流量計(jì)、過濾網(wǎng)等易產(chǎn)生局部阻力損失的部位，當(dāng)管道中萘的沉積量少時(shí)并不影響生產(chǎn)，隨著沉積量的不斷增加，管道彎頭部位和過濾網(wǎng)前后的阻力損失逐步增大。根據(jù)萘易升華、熔點(diǎn)低等特點(diǎn)，在電爐氧氣閥站前加伴生蒸氣管道，以減少煤氣中萘在管道上的沉積，并定期用蒸氣吹掃煤氣管道，使結(jié)晶在濾網(wǎng)和彎頭處的萘流出來。電弧爐用焦?fàn)t煤氣的流量達(dá)到設(shè)定值，氧槍流量波動大和堵塞的現(xiàn)象大幅度降低。

通過生產(chǎn)試驗(yàn)研究了氧和煤氣配比對集束氧槍射流的影響，完善了不同爐料裝入結(jié)構(gòu)時(shí)氧槍的氧、燃配比模式，以配方的形式對應(yīng)不同的爐料結(jié)構(gòu)。普萊克斯?fàn)t壁氧槍具有很強(qiáng)的吹透能力，全廢鋼冶煉過程中三支氧槍都使用氧槍模式時(shí)，鋼水配碳量跟不上會導(dǎo)致鋼水嚴(yán)重過氧化。為此，通過摸索氧槍的開啟模式以及吹氧量的控制，來降低鋼水的氧化性。集束氧槍參數(shù)優(yōu)化見表3。

表3 集束氧槍參數(shù)優(yōu)化

圖3 技術(shù)氧槍射流

2.4 全程泡沫渣技術(shù)

電弧爐泡沫渣主要隨著氣體不斷溢出，氣泡壓力增大，形成的氣泡被2CaO·SiO2等懸浮物質(zhì)點(diǎn)隔開，液渣體積隨著氣體的膨脹而變大，形成泡沫渣。厚的泡沫渣有效地屏蔽和吸收了電弧輻射能，并傳遞給熔池，提高了傳熱效率，減少了輻射到爐壁、爐蓋的熱損失，減少了耐火材料消耗，提高了電弧爐利用系數(shù)。在電弧爐操作過程中，F(xiàn)eO 是爐渣中的重要組分，對爐渣的粘度、起泡能力、渣量、生產(chǎn)率和能耗有著重要的影響[4]，電弧爐吹煉末期，熔池中碳氧反應(yīng)量減少，氣體量減少，合理調(diào)整噴碳粉時(shí)機(jī)及流量，使液渣內(nèi)具有充足的氣體生成，保證全程泡沫渣操作。安鋼100 t 電弧爐采用噴粉罐噴吹碳粉，配合爐門氧槍和爐壁集束氧槍供氧，全程泡沫渣埋弧操作。載氣壓力0.5 ～0.6 MPa，噴粉槍為自耗式氧槍。安鋼100 t 電弧爐采取爐門口和電爐熱區(qū)兩點(diǎn)噴吹碳粉造泡沫渣，經(jīng)過生產(chǎn)試驗(yàn)研究，造泡沫渣的最佳工藝條件是熔池溫度1 550 ～1 580 ℃，爐渣堿度R=2.5 ～2.7，(FeO)=16%～27%，噴粉量3 ～4 kg/t 鋼，載氣壓力0.6 MPa，發(fā)泡高度超過500 mm。電爐熱區(qū)噴吹碳粉可使?fàn)t渣具有較好的發(fā)泡效果，泡沫渣更加均勻、穩(wěn)定、持續(xù)時(shí)間長，縮短冶煉周期3 ～5 min。

2.5 底吹工藝技術(shù)

電弧爐煉鋼過程中化學(xué)反應(yīng)速率與熔池?cái)嚢鑿?qiáng)度息息相關(guān)[5]。電弧爐冶煉過程中熔池面積較大，冶煉末期熔池內(nèi)氣體生成量減少，整個(gè)熔池的攪拌強(qiáng)度降低，鋼水成分和溫度的均勻性較差，局部區(qū)域過氧化程度高，而且極易出現(xiàn)冷區(qū)掛料的情況。電弧爐底吹技術(shù)可以有效地改善熔池均勻性差的問題，改善電爐經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，但電弧爐底吹用透氣磚的使用壽命較低，在使用240～300 爐時(shí)，底吹設(shè)定流量和實(shí)際流量偏差較大，底吹效果變差，而且透氣磚侵蝕嚴(yán)重，無法繼續(xù)使用，在爐役后期經(jīng)常發(fā)出報(bào)警，嚴(yán)重影響整個(gè)電弧爐的爐役壽命。

通過摸索透氣磚的侵蝕情況，結(jié)合底吹攪拌強(qiáng)度，優(yōu)化透氣磚流量，提高其使用壽命。制定了電爐底吹A(chǔ)r 操作標(biāo)準(zhǔn)以及底吹透氣磚的安裝、檢查、使用規(guī)范；將底吹流量改為10 NL/min、20 NL/min、30 NL/min、40 NL/min 三檔進(jìn)行底吹的冶煉。優(yōu)化后的電弧爐底吹流量設(shè)定如圖4 所示。冶煉前期，熔清之前使用小流量，熔清后加大流量，有利于快速成渣，加快脫磷反應(yīng)；氧化期，適當(dāng)降低流量，避免溶池反應(yīng)過于劇烈；冶煉末期，適當(dāng)增加底吹流量，以均衡溶池，穩(wěn)定碳氧平衡，降低終渣全鐵含量，提高金屬收得率。根據(jù)冶煉過程中不同氬氣流量的攪拌情況，調(diào)整底吹流量，使渣面控制在一定的隆起高度的攪拌強(qiáng)度，以鋼水不沖破渣層為宜。通過電弧爐底吹工藝參數(shù)的優(yōu)化，電爐透氣磚的使用壽命可達(dá)到與爐齡同步，目前透氣磚的使用壽命和爐齡均超過700 爐。

圖4 電弧爐底吹流量設(shè)定值

3 結(jié)論

對電弧爐煉鋼整個(gè)流程及各系統(tǒng)進(jìn)行了梳理和診斷，通過對安鋼100 t 電弧爐各項(xiàng)高效冶煉技術(shù)的研究，電弧爐生產(chǎn)工藝得到進(jìn)一步優(yōu)化。100 t 電弧爐的冶煉周期達(dá)到37.8 min，月產(chǎn)量突破11 萬t，實(shí)現(xiàn)了0 kg/t、300 kg/t、420 kg/t、520 kg/t 等多個(gè)鐵耗條件的冶煉模式間的相互轉(zhuǎn)換，以電弧爐綜合成本為依據(jù)，合理調(diào)整冶煉工藝，從而保證電弧爐低成本、高效化運(yùn)行。

每增加1%的鐵水，帶入的物理熱約為2.5 kWh/t鋼，化學(xué)熱約為2.7 kWh/t 鋼，噸鋼所需電能大幅度降低。當(dāng)兌鐵水量低于52%時(shí)，冶煉周期取決于廢鋼的傳熱效率，而兌鐵水量超過52%時(shí)，冶煉周期則由爐內(nèi)脫碳速度決定，增加兌鐵水量就要求電爐系統(tǒng)有較強(qiáng)的供氧能力。