90噸電弧爐高效化研究與生產(chǎn)實(shí)踐

朱薛輝,朱慶桂, 周 旋,彭 楊,趙映輝,楊凌志

(1.衡陽(yáng)華菱鋼管有限公司,湖南 衡陽(yáng) 421000;2.中南大學(xué) 資源加工與生物工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410083)

20世紀(jì)90年代以來(lái),我國(guó)電弧爐煉鋼在產(chǎn)量、裝備技術(shù)、高效化技術(shù)和潔凈化技術(shù)等方面均取得了全面、迅速發(fā)展。尤其在引進(jìn)、借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,圍繞縮短冶煉周期、降低噸鋼能耗這一核心課題,開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)代電弧爐煉鋼技術(shù)。但電爐煉鋼與轉(zhuǎn)爐煉鋼相比冶煉周期普遍較長(zhǎng),隨著連鑄機(jī)高拉速生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展電爐煉鋼生產(chǎn)節(jié)奏成為制約整體生產(chǎn)線(xiàn)的控制環(huán)節(jié)[1]。發(fā)展高效生產(chǎn)工藝,進(jìn)一步縮短電弧爐冶煉時(shí)間、提高生產(chǎn)效率是現(xiàn)今電爐煉鋼企業(yè)高效化生產(chǎn)的重要途徑[2-3]?，F(xiàn)階段已有學(xué)者對(duì)電弧爐冶煉高效生產(chǎn)進(jìn)行了研究,取得了一定成果。

吳紅廣等[4]對(duì)100 t 電弧爐高效冶煉技術(shù)進(jìn)行了研究,通過(guò)鐵水熱裝、爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化、集束氧槍、全程泡沫渣、底吹工藝等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了平均冶煉周期由 62.3 min降低至 37.8 min。李勃等[5]考慮原料條件的影響,建立了鋼鐵料優(yōu)化配料模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧爐煉鋼過(guò)程鋼鐵料配料指導(dǎo),有利于控制出鋼溫度,提高冶煉效率。李志慧等[6]通過(guò)多元數(shù)據(jù)采集方式所采集的電弧爐煉鋼過(guò)程各工序?qū)嶋H生產(chǎn)數(shù)據(jù),開(kāi)發(fā)了電弧爐煉鋼過(guò)程能量監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠量化電弧爐煉鋼過(guò)程各工序能量,實(shí)現(xiàn)電弧爐煉鋼過(guò)程能量監(jiān)控,為電弧爐生產(chǎn)過(guò)程能量高效利用提供理論依據(jù)。

某鋼廠大管坯電爐煉鋼流程投產(chǎn)于2005年,具備超高功率送電,頂裝料,水冷爐蓋和水冷爐壁等先進(jìn)技術(shù),生產(chǎn)初期,采用全廢鋼冶煉,生產(chǎn)節(jié)奏慢,產(chǎn)量低。近年來(lái),通過(guò)采取一系列的工藝優(yōu)化措施,從熱裝鐵水,廢鋼配料,供氧供電,出鋼操作等方面開(kāi)展工藝研究與優(yōu)化,在不增加主體裝備數(shù)量的情況下,電爐平均冶煉周期從46 min縮短至37 min,年產(chǎn)能從90萬(wàn)t提高到120萬(wàn)t,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

1 電爐主要工藝與設(shè)備條件

1.1 電爐生產(chǎn)線(xiàn)工藝流程

廢鋼+熱兌鐵水→1臺(tái)90 t超高功率電弧爐→2臺(tái)100 tLF鋼包精煉爐→1臺(tái)100 t雙工位VD爐→1臺(tái)4機(jī)4流圓坯連鑄機(jī)→圓管坯。

1.2 電爐主要工藝設(shè)備參數(shù)

90 t電弧爐主要工藝設(shè)備參數(shù)如表1所示。

1.3 原料條件

(1)廢鋼:以社會(huì)廢鋼為主,廠內(nèi)管頭廢料為輔,廢鋼種類(lèi)多,資源相對(duì)穩(wěn)定。

(2)鐵水:自產(chǎn)鐵水,供1臺(tái)90 t電爐和兩臺(tái)45 t電爐分配使用。

入爐鐵水條件如表2所示。

2 工藝優(yōu)化措施

2.1 熱裝鐵水工藝

電爐熱兌鐵水技術(shù)在我國(guó)開(kāi)發(fā)應(yīng)用最成熟也是最先進(jìn)的一項(xiàng)技術(shù),是我國(guó)冶煉工作者對(duì)現(xiàn)代電爐煉鋼技術(shù)的一大貢獻(xiàn)[7]。90 t電爐于2009年改造使用熱裝鐵水工藝,通過(guò)不斷探索優(yōu)化改進(jìn),形成了具有自身特色的工藝路線(xiàn)。

(1)改造鐵水罐車(chē)運(yùn)送路線(xiàn),直接將鐵水包送至廠房東側(cè),采用爐前240 t行車(chē),將鐵水包吊運(yùn)至爐前,旋開(kāi)爐蓋,由行車(chē)主、副鉤配合直接將鐵水傾倒入爐。

(2)高爐鐵水全部供電爐使用,鐵水量充足,為充分利用好熱鐵水,避免鐵水鑄鐵造成經(jīng)濟(jì)損失,要求電爐使用高鐵水比例冶煉,操作實(shí)踐表明,90 t電爐在高鐵水比條件下合適的鐵水兌入比例為50%～60%。

(3)開(kāi)發(fā)鐵水包自動(dòng)加蓋技術(shù),減少鐵水運(yùn)輸過(guò)程熱損失。

(4)根據(jù)大小管坯不同電爐類(lèi)型,設(shè)計(jì)兩種鐵水罐,實(shí)行一罐到底,充分利用鐵水物理熱。穩(wěn)定的鐵水量,為電爐開(kāi)發(fā)高端品種提供了保障。

2.2 廢鋼配料工藝

90 t電爐設(shè)計(jì)采用料籃頂裝料,生產(chǎn)初期,全廢鋼冶煉需要加三次料,冶煉節(jié)奏慢,在開(kāi)發(fā)熱裝鐵水工藝后,對(duì)配料工藝進(jìn)行了全面優(yōu)化。

(1)控制配料裝入量。根據(jù)不同爐料的理論收得率計(jì)算理論鋼水量,確保生產(chǎn)過(guò)程每爐只加一次料,同時(shí)合理控制料位,料位高度不超過(guò)料藍(lán)最上沿,避免壓料。根據(jù)不同爐料確定的理論收得率見(jiàn)表3。

表3 不同爐料的理論收得率

(2)合理搭配料源結(jié)構(gòu)。既保證合理的配碳量,又要保證鋼水殘余元素含量滿(mǎn)足工藝要求,避免因殘余元素超標(biāo)造成改鋼種及兌鋼水現(xiàn)象。根據(jù)鐵水兌入比例,料籃生鐵配入量按40 t≤生鐵+鐵水≤75 t控制。

(3)料籃分層布料。布料原則:輕薄料打底,重料配中部,生鐵應(yīng)均勻分布,頂層配一層輕廢料。料藍(lán)布料結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 料籃布料結(jié)構(gòu)

底層配輕薄料,為保護(hù)料籃免受重型料撞擊,要求配入量≥6 t。頂層配統(tǒng)廢蓋面,可避免兌鐵水時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重噴濺。其他各層配入量應(yīng)根據(jù)冶煉品種、鐵水量及廢鋼庫(kù)存情況作合理搭配,最大配入量應(yīng)按工藝要求控制。

(4)要求精確選料。冷鋼、重料、打包料不允許裝在最上部或偏心區(qū)方向。配有冷鋼、渣鋼、大件難熔料、鑄件料應(yīng)在工藝流程卡上注明。配入的渣鋼、冷鋼長(zhǎng)度×寬度×高度應(yīng)不大于800 mm×600 mm×

600 mm,且每爐渣鋼、冷鋼總配入量不超過(guò)5 t。

2.3 供電制度優(yōu)化

針對(duì)電爐爐料條件及裝料制度的變化,選擇合理的供電制度尤為重要。

(1)電爐兌入鐵水后,由于溫度較低,在鐵水表面會(huì)形成一層較硬的渣殼,起弧時(shí)選擇低電壓短弧供電。

(2)由于鐵水兌入比例較高,廢鋼加入量相對(duì)減少,鐵水加入后爐內(nèi)熔池基本形成,故起弧后的電流、電壓應(yīng)比較低,其目的在于充分利用熱效率,減少電弧光對(duì)爐襯的侵蝕,同時(shí)避免爐內(nèi)升溫過(guò)快造成的磷高、脫碳脫磷不匹配問(wèn)題。

(3)根據(jù)不同鐵水比例,確定不同時(shí)期的供電擋位選擇見(jiàn)表4。

表4 90 t電爐供電模式

(4)當(dāng)爐內(nèi)接近1 520 ℃左右時(shí),停止供電,以避免升溫過(guò)快造成的氧末磷高、脫碳脫磷不匹配。當(dāng)爐內(nèi)碳含量接近目標(biāo)值,而溫度未達(dá)到目標(biāo)值時(shí),重新進(jìn)行送電操作。

(5)若加入高Si鐵水,前期不宜送電或低擋位少送電。

2.4 供氧制度優(yōu)化

供氧是現(xiàn)代電爐煉鋼工藝中的一個(gè)重要環(huán)節(jié), 是保證爐料熔化速度與熔池升溫速度、控制噴濺、縮短冶煉周期的關(guān)鍵工藝。

(1)優(yōu)化氧槍配制,根據(jù)不同爐況合理使用爐壁氧槍和爐門(mén)氧槍。90 t電弧爐配備5把(1#、2#、3#、4#、5#)爐壁氧槍,2把爐壁碳槍,1把爐門(mén)氧槍。電弧爐各個(gè)氧槍的參數(shù)如表5所示。

表5 衡鋼90 t電弧爐氧槍參數(shù)

(2)開(kāi)發(fā)集束氧槍射流技術(shù),供氧能力由2 000 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))提高至3 500 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))。

集束氧槍射流與普通超音速射流比,能在更長(zhǎng)的距離內(nèi)保持初始的軸心線(xiàn)速度,如圖2、圖3所示。集束氧槍所特有的超音速氧氣射流對(duì)熔池的沖擊力更深更強(qiáng),可以更好地控制熔池的攪拌深度和攪拌均勻性,配合爐門(mén)氧槍的使用,更有利于冶煉過(guò)程脫碳、脫磷,選好泡沫渣,提高煉鋼效果和效率。

圖2 集束氧槍射流

圖3 集束氧槍與傳統(tǒng)氧槍射流比較

(3)供氧模式優(yōu)化。在正常冶煉情況下,氧槍模式

從“助熔1模式”轉(zhuǎn)至“脫碳1模式”的時(shí)間縮短,提前進(jìn)入了脫碳操作,減輕了后期爐役渣稀現(xiàn)象,并縮短了冶煉時(shí)間。

對(duì)氧槍參數(shù)(主氧、燃?xì)狻h(huán)氧比例)進(jìn)行了優(yōu)化,提升了集束氧槍的穿透力,充分發(fā)揮了集束氧槍的效率。氧槍用氧參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表6。

表6 氧槍用氧參數(shù)

(4)通過(guò)不同氧燃比工藝測(cè)試,氧燃比在2.0～3.0時(shí),致密封套效果最佳,可以明顯看出主氧與環(huán)氧之間有白亮線(xiàn)分層,封套直徑不變的長(zhǎng)度可以達(dá)到1米左右,前端封套最大直徑400～500 mm;在主氧流量為3 500 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))時(shí),有效射程達(dá)1.8 m。

2.5 出鋼操作

1)留鋼留渣操作

根據(jù)偏心爐底不同爐役階段回?fù)u電爐角度量化留鋼量,確保爐內(nèi)保持大留鋼量,穩(wěn)定的留鋼量能有效加快爐料熔化速度,節(jié)約電耗。在留渣操作上,每爐加完最后一批入爐石灰后,采取爐口不留渣操作,使?fàn)t渣在下一爐冶煉前期快速發(fā)揮作用。

2)出鋼口工藝改進(jìn)

擴(kuò)大出鋼口直徑,由150 mm擴(kuò)大到180 mm,出鋼時(shí)間由270 s降低為150～180 s,在爐役后期,采取定量修補(bǔ)措施,穩(wěn)定出鋼時(shí)間。通過(guò)改進(jìn)出鋼口直徑,優(yōu)化出鋼過(guò)程操作,出鋼時(shí)間節(jié)約近2 min/爐。

2.6 生產(chǎn)組織

(1)90 t電爐優(yōu)先原則。即鐵水優(yōu)先保證90 t電爐的配送,確保鐵水量穩(wěn)定及配送的及時(shí)性,不得出現(xiàn)電爐等鐵水現(xiàn)象。

(2)加強(qiáng)生產(chǎn)組織協(xié)調(diào),杜絕鐵水加入后電爐泡爐及氧末等大包出鋼。

(3)若冶煉時(shí)因鋼水量少需補(bǔ)料,則必須協(xié)調(diào)以補(bǔ)鐵水為主,廢鋼為輔,保證每爐次配一次料為主。

(4)若連續(xù)出現(xiàn)鐵水硅高(≥0.70%),并造成電爐氧末溫度高影響脫磷,則必須及時(shí)協(xié)調(diào)減少鐵水量,增加廢鋼量,鐵水兌入比例按正常情況減2%～3%控制(以冶煉操作順行為原則)。

3 生產(chǎn)效果對(duì)比與分析

90 t電弧爐通過(guò)開(kāi)發(fā)鐵水熱裝技術(shù),合理配料,實(shí)施科學(xué)的供電、供氧制度、氧燃燒嘴助熔制度,使輸入熔池中的電能、鐵水帶入的物理熱、化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)熱得到了有效利用,實(shí)現(xiàn)了電爐高效化生產(chǎn),縮短了冶煉周期,提高了電爐生產(chǎn)率。

統(tǒng)計(jì)2020—2022年90 t電爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表7、表8。

表7 90 t電爐2020—2022年冶煉數(shù)據(jù)對(duì)比

表8 2022年1—6月90 t電爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從表7、表8統(tǒng)計(jì)結(jié)果看,90 t電爐實(shí)現(xiàn)高效化生產(chǎn)后,2022年1—6月份平均冶煉周期降至37 min,較2020年的平均冶煉周期46 min縮短了9 min,單爐冶煉時(shí)間最短達(dá)到30 min,日產(chǎn)鋼爐數(shù)最大達(dá)到42爐以上,月產(chǎn)鋼量突破11萬(wàn)t,年產(chǎn)能可達(dá)120萬(wàn)t,具備年產(chǎn)130萬(wàn)t的生產(chǎn)能力,冶煉電耗降至130 kW·h/t鋼以下,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 論

(1)在自產(chǎn)鐵水量充足的條件下,90 t電爐確定采用50%～60%的鐵水兌入比例,并充分發(fā)揮熱鐵水的作用,為企業(yè)開(kāi)發(fā)高端品種提供了保障。

(2)配合電爐高鐵水比例冶煉,開(kāi)發(fā)集束氧槍技術(shù)、優(yōu)化入爐爐料結(jié)構(gòu)、優(yōu)化供氧供電制度,電爐平均冶煉周期縮短至37 min,電爐日產(chǎn)鋼爐數(shù)達(dá)到42爐以上,滿(mǎn)足了連鑄機(jī)高拉速生產(chǎn)要求。

(3)在高鐵水比例條件下,隨著電爐生產(chǎn)率的提高,冶煉電耗降至130 kW·h/t鋼以下,實(shí)現(xiàn)了電爐高效低成本冶煉。