100 t全廢鋼電弧爐冶煉過程氧氣消耗量影響因素分析

盧雪瑩，戰(zhàn)東平，白栩昂，王 佳，羅超凡

(東北大學(xué) 冶金學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

在國(guó)家“雙碳”政策影響下，電弧爐短流程煉鋼因可比較長(zhǎng)流程煉鋼少排放CO2等廢棄物1.5 t以上，使得電弧爐短流程煉鋼迎來了難得的發(fā)展機(jī)遇期[1]。同時(shí)，我國(guó)2021年廢鋼總量已達(dá)到2.5億t，進(jìn)口可再生資源還可對(duì)我國(guó)廢鋼總量做適當(dāng)補(bǔ)充，預(yù)計(jì)到2030年，我國(guó)可利用廢鋼總量將達(dá)到3.5億t～4.0億t，這可為全廢鋼電弧爐充足的原料供應(yīng)提供了保障[2-3]。目前電弧爐煉鋼中化學(xué)能占能量輸入的比例達(dá)到30%以上[4-6]，吹氧是煉鋼工藝中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是保證爐料熔化與熔池升溫、脫磷、脫碳、造泡沫渣、去除鋼液中氣體的關(guān)鍵工藝[7-10]。如何在電弧爐冶煉過程中高效地利用氧氣等輔助能源，是縮短冶煉周期、降低電能消耗和改善各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的重要手段[11]。文章結(jié)合國(guó)內(nèi)某100 t電弧爐的生產(chǎn)實(shí)踐，通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)影響氧耗量的因素進(jìn)行分析，可為國(guó)內(nèi)電弧爐的生產(chǎn)實(shí)踐提供參考和借鑒。

1 100 t電弧爐操作工藝

100 t電弧爐生產(chǎn)工藝流程為EAF→LF→VD/VOD→連鑄。其主要冶煉工藝流程為出鋼口堵砂→第一次加料→送電→加入第一批輔料、吹氧→第二批輔料、噴碳粉、噴天然氣→停電、第二次加料→送電→加入第三批輔料、吹氧、噴碳粉、噴天然氣→流渣→取樣、測(cè)溫→停電→出鋼→留鋼、留渣。

2 100 t電弧爐冶煉過程氧耗分析

2.1 裝入量和鋼鐵料消耗對(duì)噸鋼氧耗的影響

對(duì)于電弧爐冶煉，廢鋼是主要的原料，本廠采用廢鋼+生鐵的100%全固態(tài)冷料的模式進(jìn)行配料。當(dāng)廢鋼加入電弧爐后，利用電極對(duì)爐料進(jìn)行加熱、熔化。當(dāng)爐料堆中料塊之間的料塊和間隙越大，加熱升溫、熔化時(shí)熱傳遞的阻力也越大，這樣會(huì)造成爐料熔化緩慢、熱量損失大等問題。電弧爐利用氧槍或燒嘴噴吹氧氣，當(dāng)氧氣與爐料接觸時(shí)，會(huì)對(duì)爐料切割、分離，加速爐料的熔化，縮短原料升溫和熔化時(shí)間[4-5]。圖1為噸鋼氧耗與裝入量及鋼鐵料消耗的關(guān)系?？梢钥闯?，當(dāng)裝入量小于87 t時(shí)，大部分爐次氧氣消耗量小于26 m3/t；當(dāng)裝入量在87 t～90 t時(shí)，部分爐次氧氣消耗量明顯增加，超過30 m3/t。廢鋼料裝入量的增加，一方面爐料之間的孔隙度減小，阻礙氧氣與爐料的接觸，減緩了爐料的熔化，此時(shí)需要較之前更多地氧氣來參與爐料的熔化；另一方面因冷爐啟動(dòng)或者裝入量大增加裝料批次時(shí)，氧氣消耗量也會(huì)顯著增加。從圖1(b)可知，鋼鐵料消耗存在低于1 000 kg/t鋼的情況，這主要是因電弧爐的留鋼量波動(dòng)引起的出鋼量波動(dòng)的影響。當(dāng)鋼鐵料消耗超過1 000 kg/t鋼時(shí)，部分爐次的氧氣消耗量大于28 m3/t。通常，鋼鐵料消耗量增加，意味著廢鋼和生鐵中的Si、Mn、Al、Ti、P、Fe等元素的氧化量增加，氧氣消耗量相應(yīng)也會(huì)受到影響。

(a)裝入量

(b)鋼鐵料消耗

2.2 天然氣消耗對(duì)噸鋼氧耗的影響

電弧爐中將氧-燃燒嘴插入爐內(nèi)冷點(diǎn)區(qū)，對(duì)爐料進(jìn)行氧-燃助熔，使冷區(qū)爐料與其他位置同步熔化，進(jìn)而解決爐內(nèi)溫度不均、冷區(qū)熔化慢的現(xiàn)象[4-5]。此100 t電弧爐冶煉過程主要采用天然氣為主要助熔原料，天然氣與氧氣同步吹入電弧爐，對(duì)加入的爐料進(jìn)行升溫、助熔。如圖2所示，為保證天然氣的充分燃燒放熱，采用固定比例配合噴吹氧氣，因此，隨天然氣消耗量增加，氧氣消耗量有明顯增加趨勢(shì)。當(dāng)天然氣消耗量從2.75 m3/t增加到4 m3/t以上時(shí)，氧氣消耗量超過26 m3/t的爐數(shù)明顯增多。

圖2 噸鋼氧耗與噸鋼天然氣消耗的關(guān)系

2.3 通電時(shí)間及電耗對(duì)噸鋼氧耗的影響

電弧爐采用氧-燃燒嘴、爐門碳-氧槍等，可實(shí)現(xiàn)消除冷點(diǎn)、造渣埋弧、加速反應(yīng)及提高電效率和熱效率等，從而會(huì)縮短通電時(shí)間和降低電耗[4-6]。圖3為噸鋼氧耗與通電時(shí)間及噸鋼電耗的統(tǒng)計(jì)結(jié)果?？煽闯?，在100 t電弧爐上，隨著氧氣消耗量的增加，通電時(shí)間及噸鋼電耗并未出現(xiàn)明顯的縮短或下降。這是因?yàn)樵陔娀t冶煉過程中，實(shí)際氧耗受多種因素影響，氧槍設(shè)置位置、槍型及供氧工藝等都對(duì)通電時(shí)間及噸鋼電耗有影響。如若供氧過程實(shí)現(xiàn)了二次燃燒，則噴吹1 Nm3氧氣可以節(jié)電3～4 kWh/t[5]。此電弧爐實(shí)際供氧及綜合節(jié)電和縮短通電時(shí)間等工藝操作還有待于進(jìn)一步分析及優(yōu)化。

2.4 碳粉消耗及終點(diǎn)[C]質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)噸鋼氧耗的影響

為了實(shí)現(xiàn)造泡沫渣、減少鐵的氧化及促進(jìn)熔池沸騰等目的， 電弧爐冶煉過程中加生鐵配碳并在冶煉中期向熔池中噴吹碳粉[5-6]。圖4為噸鋼氧耗與碳粉消耗及終點(diǎn)[C]的關(guān)系?？煽闯?，該100 t電弧爐實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，碳粉消耗是結(jié)合裝料時(shí)生鐵的配入量按噸鋼固定用量進(jìn)行設(shè)定的，而碳粉添加過程沒有與吹氧直接按固定比例進(jìn)行關(guān)聯(lián)，因此，在某一固定碳粉耗量條件下，噸鋼氧耗的波動(dòng)范圍較寬。從圖4(b)可看出，噸鋼氧耗較高時(shí)，電弧爐冶煉終點(diǎn)鋼中[C]質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。氧耗量大于29 m3/t的大部分爐次，終點(diǎn)鋼中[C]質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于0.15%；而終點(diǎn)鋼中[C]質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.2%時(shí)，統(tǒng)計(jì)爐次中，除1個(gè)爐次外，其余爐次氧耗量均小于26 m3/t。

(a)噸鋼電耗

(b)通電時(shí)間

(a)碳粉消耗

(b)終點(diǎn)[C]

3 電弧爐冶煉過程氧耗理論模型分析

電弧爐冶煉過程中吹氧的作用：助熔、脫磷、脫碳和二次燃燒等[3]。通常，電弧爐冶煉過程計(jì)算氧氣耗量時(shí)不考慮空氣、爐料等帶入的氧氣及二次燃燒和鐵的氧化物被煙塵帶走所損耗的氧氣，部分文獻(xiàn)計(jì)算了鋼中元素氧化用氧、鋼液中溶解的氧量、用于造泡沫渣消耗的氧量、石墨電極氧化耗氧以及造渣材料的供氧量[5,9-10]，但如圖2所示，此100 t電弧爐噴吹天然氣反應(yīng)也需耗氧，因此，此電弧爐的總耗氧量Vo計(jì)算模型變?yōu)槭?1)所示：

Vo=(Vo1+Vo2+Vo3+Vo4+Vo5-Vo6)/η

(1)

式中：Vo1為元素氧化用氧，m3；Vo2為鋼液中溶解的氧量，m3；Vo3為用于造泡沫渣消耗的氧量，m3；Vo4為石墨電極氧化所消耗的氧量，m3；Vo5為天然氣消耗所消耗的氧量，m3；Vo6為造渣材料供氧，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)通常簡(jiǎn)化成造渣石灰的供氧量，m3；η氧氣利用率，一般電弧爐中取60%～80%。

電弧爐冶煉過程中，式(1)中的元素氧化用氧主要是計(jì)算廢鋼中的C、Si、Mn、P、Fe、Cr、Ti、Al等元素。目前電弧爐裝料條件下，由于廢鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是無法直接核算廢鋼中的實(shí)際被氧化的這部分元素總量的，這會(huì)給利用該模型準(zhǔn)確計(jì)算造成影響。因此，實(shí)際計(jì)算時(shí)，可考慮結(jié)合圖1的鋼鐵料消耗進(jìn)行估算。

理論上來說，1 m3天然氣燃燒約需2 m3氧氣，由圖2可知，此100 t電弧爐實(shí)際天然氣消耗在3 m3/t～5 m3/t，考慮氧氣利用率，則理論耗氧量上限可達(dá)到10 m3/t～17 m3/t左右，占總耗氧量的比例達(dá)到50%左右。結(jié)合圖4和式(1)可知，在泡沫渣噴吹碳粉和冶煉終點(diǎn)[C]的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)噸鋼氧氣消耗量也有較大影響，隨著碳粉量增加，理論耗氧量增加；冶煉終點(diǎn)[C]主要與鋼中溶解氧[O]存在式(2)的反應(yīng)，在某一溫度下，冶煉終點(diǎn)[C]·[O]=常數(shù)。因此，當(dāng)冶煉終點(diǎn)[C]的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)，鋼中溶解氧[O]降低，則Vo2降低，這與圖4(b)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致。

[C]+[O]=CO

(2)

4 結(jié)論

(1)因受電弧爐留鋼、留渣操作等影響，按單因素?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)電弧爐裝入量、電耗、通電時(shí)間、天然氣消耗、鋼鐵料消耗、碳粉消耗、終點(diǎn)[C]等因素對(duì)氧耗量的影響時(shí)，部分因素與氧耗量的關(guān)聯(lián)規(guī)律不明顯，這有待于進(jìn)一步做綜合分析。

(2)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)合理論分析表明，隨天然氣消耗量增加，氧氣消耗量有明顯增加趨勢(shì)。當(dāng)天然氣消耗量從2.75 m3/t增加到4 m3/t以上時(shí)，氧氣消耗量超過26 m3/t的爐數(shù)明顯增多；影響氧耗量的因素中，天然氣消耗量的影響占比最大，達(dá)到50%左右。

(3)噸鋼氧耗較高時(shí)，電弧爐冶煉終點(diǎn)鋼中[C]質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。氧耗量大于29 m3/t的大部分爐次，終點(diǎn)鋼中[C]質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于0.15%；而終點(diǎn)鋼中[C]質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.2%時(shí)，氧耗量小于26 m3/t的爐次較多。