電弧爐用廢鋼料型結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其成本控制

吳紅廣 藺學(xué)浩

（安陽鋼鐵股份有限公司）

0 前言

廢鋼鐵是我國物資回收與再生資源利用體系中的重要資源, 未來廢鋼鐵資源在鋼鐵工業(yè)發(fā)展中的重要性可能會不斷提升，電弧爐工藝發(fā)展和廢鋼鐵應(yīng)用規(guī)?？焖侔l(fā)展[1]。2017 年起隨著地條鋼的取締,電弧爐生產(chǎn)工藝迅速發(fā)展[2-3]，廢鋼資源階段性緊缺，鋼價(jià)格波動，電弧爐鋼的成本與轉(zhuǎn)爐鋼的相比較高，電弧爐生產(chǎn)鋼材的噸鋼毛利潤較低，原來追求高產(chǎn)量的生產(chǎn)模式已經(jīng)不適應(yīng)目前實(shí)際生產(chǎn)的需要，因此降低電弧爐生產(chǎn)成本，提高電弧爐綜合效益成為電弧爐煉鋼新的生產(chǎn)組織模式。筆者主要通過提升廢鋼質(zhì)量，優(yōu)化電弧爐用廢鋼結(jié)構(gòu)，降低電弧爐鋼鐵料消耗與結(jié)構(gòu)成本，從而降低生產(chǎn)成本，提高綜合效益。

1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

安鋼100 t 超高功率電弧爐采用“一罐鐵水+兩籃廢鋼”的生產(chǎn)模式，總裝入量為120～125 t，留鋼10～15 t，，鐵水40～50 t，第一籃料45～50 t、第二籃30 t 左右。目前電爐所用廢鋼結(jié)構(gòu)主要為國內(nèi)重型廢鋼Ⅰ、國內(nèi)重型廢鋼Ⅱ、國內(nèi)重型廢鋼Ⅲ、國內(nèi)統(tǒng)料廢鋼、破碎料、一級渣鋼鋼、屑輕型壓塊Ⅱ、統(tǒng)料壓塊、澆余塊、生鐵等，廢鋼料型繁多，不同料型的廢鋼尺寸、厚度、成分、堆比重、雜質(zhì)含量、殘余元素、金屬收得率、價(jià)格等特征各不相同，在保證廢鋼質(zhì)量的同時(shí)如何搭配電爐用鋼鐵結(jié)構(gòu)，使其保持經(jīng)濟(jì)性和工藝穩(wěn)定性成為研究的主要問題。電爐主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表1，電弧爐的生產(chǎn)成本主要體現(xiàn)在鋼鐵料成本、合金、輔料、電耗和電極消耗。

表1 電爐主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

2 廢鋼質(zhì)量對質(zhì)量與成本的影響

2.1 殘余元素

對電弧爐熔清成分進(jìn)行相關(guān)性分析（如圖1 所示），發(fā)現(xiàn)銅、砷、錫、銻之間的相關(guān)性很大。這說明這些有害的殘余元素是集中在少數(shù)的廢鋼(如電器元件、劣質(zhì)機(jī)鐵等)中，需要加強(qiáng)廢鋼的分揀，做好分類管理、分類使用。

圖1 出鋼S 含量與殘余元素的相關(guān)性

2.2 土雜等含量控制

各類廢鋼中雜質(zhì)成分見表2，廢鋼中的雜質(zhì)主要含有Fe2O3、SiO2、Al2O3、CaO、Zn 等，鋼中的有害殘余元素主要由廢鋼中的雜質(zhì)帶入，同時(shí)隨著廢鋼雜質(zhì)含量的增加，金屬收得率降低，增加了冶煉操作難度，使得電弧爐鋼鐵料消耗增加。

表2 各類廢鋼中雜質(zhì)的成分

2.3 雜質(zhì)含量對鋼鐵料消耗的影響

主要統(tǒng)計(jì)銅、砷、錫、銻等與廢鋼質(zhì)量相關(guān)性較高的殘余元素總和與電弧爐鋼鐵料消耗之間的關(guān)系，鋼中的部分殘余元素對鋼鐵料消耗的影響如圖2 所示。隨著殘余元素含量的增加，電弧爐鋼鐵料消耗增多，即鋼鐵料消耗與廢鋼質(zhì)量有明顯的對應(yīng)關(guān)系，通過提高廢鋼質(zhì)量將殘余元素含量降低至0.1%以下，可降低鋼鐵料消耗約20 kg/t。

圖2 鋼中殘余元素對鋼鐵料消耗的影響

2.4 加強(qiáng)廢鋼管理提高廢鋼質(zhì)量

電弧爐用廢鋼的進(jìn)貨渠道廣泛，雜質(zhì)含量和形狀尺寸大小不一。受電弧爐廢鋼場地限制，廢鋼價(jià)格波動時(shí)，無法適應(yīng)低價(jià)存儲等運(yùn)作模式。通過廢鋼基地建設(shè)，采用“基地+直供廢鋼”的采購模式，使得電弧爐廢鋼庫存能力大大加強(qiáng)，對雜質(zhì)和尺寸進(jìn)行篩分修剪，不但為廢鋼分類管理工作奠定了基礎(chǔ)，還可在低價(jià)時(shí)增加存儲量，為電弧爐廢鋼料型的經(jīng)濟(jì)性提供緩沖，降低電弧爐用料成本。

采用廠外基地現(xiàn)場驗(yàn)收，以“數(shù)字量化”的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為統(tǒng)一工具，實(shí)測數(shù)據(jù)、量化結(jié)果為驗(yàn)收依據(jù)，一切以數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，避免了“眼看心估”的人為因素，使驗(yàn)收結(jié)果更準(zhǔn)確、更公平；以高清無死角的遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控廢鋼基地的驗(yàn)收監(jiān)裝過程，廢鋼使用過程如發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，可隨時(shí)查看廢鋼驗(yàn)收運(yùn)輸過程情況，并在廠內(nèi)使用單位處進(jìn)行二次驗(yàn)收，將不合格廢鋼直接拒之門外，以此杜絕摻雜使假的情況。

通過提升廢鋼管理水平、數(shù)字量化標(biāo)準(zhǔn)等一系列措施，廢鋼中的殘余元素含量逐漸降低，殘余元素和鋼鐵料消耗的變化趨勢圖如圖3 所示。鋼鐵料消耗與殘余元素呈相同變化趨勢，即當(dāng)鋼中雜質(zhì)含量較高時(shí)，嚴(yán)重影響電弧爐冶煉的鋼鐵料消耗。

圖3 殘余元素和鋼鐵料消耗的變化趨勢

3 優(yōu)化電弧爐廢鋼結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)組織模式

根據(jù)不同料型廢鋼、物料與熱平衡建立電弧爐消耗指標(biāo)計(jì)算模型，通過數(shù)值計(jì)算得到不同爐料結(jié)構(gòu)條件下的消耗指標(biāo)。再結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到電極消耗與電耗的關(guān)系，爐料結(jié)構(gòu)對終點(diǎn)控制水平的影響，廢鋼結(jié)構(gòu)對合金消耗等的影響規(guī)律；得到不同爐料結(jié)構(gòu)條件下的完整消耗指標(biāo)，建立電弧爐爐料成本測算模型。根據(jù)電弧爐裝料需求，確定不同爐料配比條件下滿足裝入需求的目標(biāo)結(jié)構(gòu)，建立爐料結(jié)構(gòu)目標(biāo)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，利用計(jì)算模型計(jì)算得到不同爐料結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的各項(xiàng)消耗指標(biāo)，建立消耗指標(biāo)數(shù)據(jù)庫。根據(jù)市場原材料價(jià)格變化，對不同爐料結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析評價(jià)，選定最經(jīng)濟(jì)的料型結(jié)構(gòu)進(jìn)行生產(chǎn)。

3.1 廢鋼料型試驗(yàn)

為了降低電弧爐鋼鐵料成本，不僅需要提高廢鋼質(zhì)量，降低鋼鐵料消耗，還需要優(yōu)化廢鋼結(jié)構(gòu)，降低結(jié)構(gòu)成本。為此在100 t 電弧爐上進(jìn)行了一系列廢鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)（見表3），先后對比了使用重廢、輕薄料、渣鋼、破碎料、輕型壓塊等不同料型的綜合成本變化。

表3 各料型廢鋼生產(chǎn)試驗(yàn)方案 （kg·t-1）

“鐵水+統(tǒng)料”的料型結(jié)構(gòu)：統(tǒng)料主要為螺栓、螺母、型鋼等的邊角余料，機(jī)械零部件，農(nóng)家具廢鋼等各種社會廢鋼，厚度大于2 mm。采用“鐵水+統(tǒng)料”的模式生產(chǎn)時(shí)，廢鋼堆比重較輕，統(tǒng)料平均堆比重僅有0.3～0.4 t/m3,110 m3的料籃每次裝料最多40 t，二批料時(shí)容易產(chǎn)生壓料的情況，增加電弧爐熱停時(shí)間。統(tǒng)料來源較雜，鋼種殘余元素含量波動較大。

“鐵水+重Ⅱ”的結(jié)構(gòu)：重Ⅱ料型主要來自各種圓鋼、型鋼、角鋼、槽鋼、板材等工業(yè)余料與報(bào)廢料，厚度大于6 mm。采用“鐵水+重Ⅱ”時(shí)，廢鋼相對統(tǒng)料“干凈”，廢鋼中帶來的氧化鐵及雜質(zhì)相對較少，金屬收得率高，鋼種殘余元素較低。但廢鋼塊度較大，熔清實(shí)踐延長。長時(shí)間采用氧槍三模式吹氧，爐渣偏稠，不容易放渣，終點(diǎn)磷比原來偏高。冶煉中期需借助爐門氧槍吹氧幫助化渣后，后期方能夠正常放渣，終點(diǎn)控制與原來相當(dāng)。

“鐵水+重型Ⅲ”的料型結(jié)構(gòu)：重Ⅲ料型主要來自各種板材、型材、棒材、機(jī)器零部件、大車輪軸、鉚焊件、管切頭、螺紋鋼頭等，厚度大于4 mm。重Ⅲ平均堆比重可達(dá)0.4～0.5 t/m3，滿足電弧爐裝爐的同時(shí)減少熔清時(shí)間，目前作為電弧爐的主要廢鋼料型。

“鐵水+破碎料+統(tǒng)料”的料型結(jié)構(gòu)：破碎料主要是由統(tǒng)料和部分輕薄料破碎剪切成較小塊度的廢鋼，在本次“鐵水+破碎料+統(tǒng)料”試驗(yàn)中，每爐破碎料加入大于15 t 時(shí)冶煉過程渣量較大，有冷區(qū)爐壁掛料現(xiàn)象。破碎料可作為填縫料型，與統(tǒng)料和重Ⅲ交替裝入，增加廢鋼堆比重，每爐加入量要求控制在10 t 以內(nèi)。

在鐵水充足的情況下，統(tǒng)料成本較其他料型為經(jīng)濟(jì)料型，如果電弧爐效益較好，增產(chǎn)即是增效，電弧爐廢鋼結(jié)構(gòu)建議采用壓料頻率較低的料型結(jié)構(gòu)，增加重型廢鋼的比例；當(dāng)電弧爐鋼效益較差時(shí)，以電弧爐生產(chǎn)成本為主，采用經(jīng)濟(jì)料型結(jié)構(gòu)進(jìn)行生產(chǎn)，考慮電弧爐成本因素，采用一罐鐵+兩批統(tǒng)料模式（以統(tǒng)料和Ⅲ為主，適當(dāng)配加其它經(jīng)濟(jì)料主要填縫，提高堆密度，減少壓料時(shí)間，擴(kuò)展電弧爐料型）。

通過廢鋼料型試驗(yàn)，推算出了各料型的金屬收得率，并以此推算電弧爐用爐料結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和堆比重，制訂爐料結(jié)構(gòu)和電弧爐布料制度。從裝料后料籃上部空間對比來看，第一籃料在這種結(jié)構(gòu)下裝入50 t，3 部天車合計(jì)至少需要25 次裝料。裝料模式采用統(tǒng)料打底后，填縫料（破碎料、熱壓鐵塊、渣鋼、壓塊等）和主料（統(tǒng)料和重Ⅲ）依次交替裝入，國內(nèi)重型廢鋼Ⅰ、國內(nèi)重型廢鋼Ⅱ、澆余塊等大塊廢鋼布于料籃中下部。

3.2 優(yōu)化廢鋼結(jié)構(gòu)

通過一系列試驗(yàn)，對電弧爐廢鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化，在滿足裝入量的同時(shí)，大幅降低了廢鋼結(jié)構(gòu)成本，廢鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的成本對比見表4。

從表4 可以看出，通過廢鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化，雖然鋼鐵料消耗升高了19.1 kg/t，但是電弧爐綜合鋼鐵料成本降低了89.7 元/噸鋼，扣除由經(jīng)濟(jì)料型給電弧爐冶煉、能源及輔料帶來的影響，電弧爐綜合成本降低了89.7 元/噸鋼。

表4 不同廢鋼結(jié)構(gòu)綜合成本對比 （元·t-1）

3.3 選擇合理的生產(chǎn)組織模式

由于電弧爐鋼成本較轉(zhuǎn)爐鋼的差距較大，電弧爐生產(chǎn)鋼材的噸鋼毛利潤較低，白班高電價(jià)時(shí)段生產(chǎn)時(shí)甚至出現(xiàn)負(fù)邊際貢獻(xiàn)，原來追求產(chǎn)量的生產(chǎn)模式已經(jīng)不符合實(shí)際生產(chǎn)的需要，因此需要降低電弧爐的生產(chǎn)成本，提高電弧爐的綜合效益。兩種不同生產(chǎn)模式下的效益對比見表5，可以看出在整體效益較差時(shí)，采用錯(cuò)峰生產(chǎn)以降低生產(chǎn)成本是切實(shí)可行的。

表5 電弧爐不同生產(chǎn)模式的綜合效益

4 結(jié)論

采用“基地+直供廢鋼”的采購模式，通過提升廢鋼管理水平、數(shù)字量化標(biāo)準(zhǔn)等一系列措施，為廢鋼分類管理工作奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)增強(qiáng)了電弧爐廢鋼庫存能力，為電弧爐廢鋼料型的經(jīng)濟(jì)性提供了緩沖，降低了電弧爐用料成本。

鋼鐵料消耗與廢鋼質(zhì)量有明顯的對應(yīng)關(guān)系，隨殘余元素含量的減少，電弧爐鋼鐵料消耗隨之減低，殘余元素含量降低至0.1%以下，可降低鋼鐵料消耗約20 kg/t 以上。

通過廢鋼料型試驗(yàn)，推算出了各料型得率，以此支撐廢鋼料型的價(jià)效評價(jià)模型，推算電弧爐用爐料結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和堆比重，制訂爐料的布料結(jié)構(gòu)；根據(jù)廢鋼價(jià)格與市場行情，調(diào)節(jié)電弧爐煉鋼的爐料結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)組織模式，降低電弧爐生產(chǎn)成本，提高電弧爐綜合效益。