偏心底電弧爐生產工藝優化

劉耀晟　秦　卓　李維亮　魏海東

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅730314)

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偏心底電弧爐生產工藝優化

劉耀晟秦卓李維亮魏海東

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅730314)

摘要：介紹了偏心底電弧爐和鋼包精煉爐的主要技術參數和生產工藝，分析了偏心底電弧爐出鋼終點碳對鋼包精煉爐二次精煉的影響，優化了偏心底電弧爐和鋼包精煉爐冶煉工藝，對高效、低成本生產高品質鋼錠具有指導意義。

關鍵詞：偏心底電弧爐；終點碳；工藝優化

針對某廠冶煉車間鋼錠冶煉生產過程中偏心底出鋼電弧爐(EBT-EAF)熔煉、鋼包爐外精煉(LF)、真空脫氣(VD)等工藝過程，對生產中存在的問題進行分析，對工藝操作進行優化，對指導現場生產、提高鋼錠質量具有一定的指導意義。

1設備主要技術參數

該廠冶煉車間的主要設備包括EBT-EAF、LF和VD等。熔煉設備為30 t EBT-EAF，主要技術參數見表1。在實際生產過程中，爐役中后期最大出鋼量45 t，結合后續模鑄錠型，出鋼量一般在42 t左右。按照噸鋼電功率計算，額定變壓器噸鋼電功率為298 kVA/t(冶煉鋼水量以42 t計)，只達到普通功率電弧爐的要求，相比目前國內高功率和超高功率電弧爐的要求還有一定的差距[1](見表2)。由于變壓器額定容量過低，在冶煉過程中導致化料時間長和升溫慢，很大程度上限制了生產效率。與電弧爐配套使用的LF主要技術參數見表3。

2生產工藝

2.1電弧爐冶煉工藝

表1　30 t EBT-EAF主要技術參數

表2　不同功率的電弧爐

表3　LF爐主要技術參數

早期的電弧爐冶煉俗稱“老三期冶煉”，包括熔化期、氧化期和還原期。隨著冶煉設備的更新換代，LF、VD和EAF-EBT配套使用，使電弧爐改進為熔化期和氧化期兩期操作，主要包括熔化廢鋼料、脫P和升溫，大大縮短了熔煉時間。電弧爐冶煉工藝的氧化操作和終點碳控制對鋼錠質量、生產效率、成本控制等有重要影響。

2.1.1氧化操作

氧化期的作用是去除鋼液中的氣體(H和N)及非金屬夾雜物。氧化期操作要高溫氧化(T≥1 600℃)、激烈沸騰、自動大量流渣，保證氧化期脫碳量≥0.30%。但也有技術人員認為鋼包精煉和真空脫氣也可以去除氣體和非金屬夾雜物，因此電弧爐不需要氧化期操作和保證脫碳量。但是，LF爐和VD爐的脫氣和去除夾雜物能力有限，而氧化期既能保證脫碳量，又能造泡沫渣，鋼液激烈沸騰，通過自動大量流渣，可以達到大量去除氣體和夾雜物的目的，為二次精煉提供較純凈的鋼液[2]。

2.1.2終點碳控制

電弧爐出鋼終點碳是衡量鋼中氧質量分數的重要依據，對LF爐外精煉脫氧劑消耗、增碳劑用量以及LF爐處理時間等有很大的影響[3]。關于電弧爐終點碳對冶煉過程的影響，實踐了兩條工藝路線：工藝1—控制終點碳和工藝2—不控制終點碳。

(1)控制終點碳：裝料時用石墨電極高配碳，只在熔化后期用拉瓦爾氧槍吹氧助熔，氧化期嚴格控制脫碳量≥0.30%，根據不同鋼種控制終點碳含量。該工藝的缺點是電弧爐操作周期長，氧化期需要插電極增碳。

(2)不控制終點碳：裝料時用石墨電極高配碳，熔化前期用拉瓦爾氧槍吹氧助熔，氧化期對脫碳量不做要求，電弧爐只要將P控制在較低范圍，達到出鋼溫度即可出鋼。該工藝的優點是縮短電弧爐操作時間，簡化操作步驟。

統計兩種工藝出鋼終點碳，結果見表4。從表4可以看出，工藝2出鋼終點碳均在0.03%～0.06%范圍，而工藝1終點碳是根據不同鋼種控制在不同范圍。根據碳氧積理論[4]，EBT出鋼鋼中氧含量取決于終點碳，終點碳越低，則氧含量越高，勢必影響LF精煉脫氧造白渣。

表4　兩種工藝EBT出鋼終點碳含量

2.2LF爐外精煉工藝

LF爐外精煉關鍵在于快速造白渣。造白渣的目的是脫硫、脫氧、提高合金收得率、去氣去夾雜。白渣是指二元堿度CaO/SiO2?1.5，FeO+MnO+Cr2O3?1.0%，在粘渣棒上呈現白色的爐渣[5]。脫氧采用沉淀脫氧和擴散脫氧相結合。沉淀脫氧是向鋼液中加入能與氧形成穩定氧化物的元素(脫氧劑)，而形成的氧化物(脫氧產物)能憑自身的浮力或鋼液的對流運動而排出。沉淀脫氧見圖1。擴散脫氧是利用氧化鐵含量很低的熔渣處理鋼液，使鋼液中氧經擴散進入熔渣中而不斷降低[4]，其限制性環節是鋼中[FeO]向渣中擴散。擴散脫氧見圖2。

圖1　沉淀脫氧

圖2　擴散脫氧

2.2.1LF精煉工藝操作

LF爐工藝操作為鋼包開到位，先喂Al線控制氧活度，再加石灰、螢石調渣，送電升溫，同時分批加入SiC、Fe-Si、C粉擴散脫氧，形成白渣或花白渣時取樣測溫，加合金調整化學成分至成分、溫度合適，白渣保持≥20 min出鋼。

2.2.2兩種工藝的LF精煉處理時間比較

兩種出鋼終點碳工藝的LF爐處理時間見表5。

從表5看出，工藝2 LF爐的處理時間遠多于工藝1，主要原因是工藝2的調白渣時間和白渣下微調成分時間較長。

在LF爐造白渣階段，隨著鋼液中的[FeO]向渣中擴散，與粉狀脫氧劑發生還原反應，使鋼液中的[O]不斷降低，直到渣中FeO+MnO+Cr2O3?1.0%，這時熔渣呈白色。擴散脫氧的限制性環節是鋼液中[FeO]向渣中的擴散，根據兩種工藝的電弧爐出鋼終點碳含量，得出工藝1鋼液中的氧含量低于工藝2，所以工藝1比工藝2的調白渣時間大大縮短。

表5　兩種出鋼終點碳工藝的LF爐處理時間

在白渣下微調合金成分，主要差別在于碳含量的調整。因為工藝1嚴格控制終點碳，在精煉后期微調成分時，鋼液碳含量嚴格按照成品下限控制，因此微調成分可以一次到位。而工藝2在精煉后期微調成分時，由于電弧爐出鋼碳含量很低，而調白渣階段又要控制增碳量，防止碳含量超過成品范圍，所以微調成分時，碳含量距目標含量有較大偏差，微調要進行兩至三次，最終導致工藝2白渣下調成分時間比工藝1長。

對于中碳合金鋼的LF處理總時間，工藝1在(50～65)min，這是正常的精煉時間；而工藝2在(130～150)min，處理時間過長，這將導致生產不緊湊，鋼液夾雜物增加，鋼包壽命縮短等問題，嚴重影響生產成本和耐材消耗，甚至在精煉過程中還會引發鋼包冒渣燒壞設備，溫度過高燒穿鋼包等安全事故。

3兩種工藝的原材料消耗比較

工藝1和工藝2在EAF和LF對各種原材料的平均消耗見表6。

表6　兩種工藝的原材料消耗對比

從表6看出，在氧氣消耗上，工藝2是工藝1的兩倍以上。這是因為工藝2在熔化初期吹氧助熔，所用的拉瓦爾氧槍的氧氣壓力高，流量大，并且吹氧嘴朝下，不能很好的切割爐料，氧氣利用率低，造成成本浪費。因此建議EAF-EBT吹氧助熔階段用自耗式氧槍代替拉瓦爾氧槍，一方面可以很好的起到切割爐料吹氧助熔的作用，另一方面也節省氧氣。

在石灰消耗上，工藝1遠多于工藝2。分析原因是工藝1的EAF-EBT氧化期自動大量流渣，不斷的造新渣需要補充石灰，就會造成石灰用量增加。而大量的流渣換渣操作才能有效的去除鋼液中的氣體和夾雜物，排出爐外，提高了鋼液質量。

在插電極增碳上，工藝1由于熔化期吹氧助熔氧壓過高等原因，造成熔化期結束后鋼中碳含量過低，而為了保證氧化期脫碳量和終點碳，必須插電極增碳。但這在工藝中是不允許的，因為插電極增碳使電極消耗增加，成本增加，并且電極端面減小，會影響后續供電起弧穩定性。采用高配碳和在氧化期吹氧配噴C粉設備，造泡沫渣，一方面能保證自動大量流渣，較好的去氣去夾雜，另一方面也確保脫碳量≥0.30%和終點碳含量。

在粉狀脫氧劑用量上，由于工藝2出鋼終點碳低，鋼中氧含量高，所以在LF爐精煉還原期的粉狀脫氧劑用量要高于工藝1。因此在嚴格控制終點碳的同時，還應在出鋼過程適當增加Al餅加入量，做好前期脫氧工作。

在增碳劑用量上，工藝1從電弧爐出鋼到LF爐，就嚴格控制碳含量，再加上包中合金化過程加合金所增碳量，很好的將碳含量控制在目標范圍，因此在LF爐增碳劑用量很少，工藝要求增碳不得超過0.05%。而工藝2，例如35CrMo，電弧爐出鋼終點碳0.05%，合金化加高碳錳鐵和高碳鉻鐵增碳0.16%，要達到目標碳含量0.35%還需要增碳量0.14%，用增碳劑至少60 kg。

4結論

(1)偏心底電弧爐采用熔氧操作，爐料發紅即吹氧助熔，用自耗式氧槍代替拉瓦爾氧槍，來回晃動，充分發揮切割爐料，吹氧助熔的作用。

(2)電弧爐氧化期噴C粉造泡沫渣，高溫氧化，激烈沸騰，自動大量流渣，保證脫碳量≥0.30%和電弧爐去氣去夾雜效果。

(3)電弧爐出鋼終點碳嚴格按照不同鋼種要求控制。低碳鋼終點碳≥0.06%，嚴禁過氧化。對于中、高碳鋼終點碳要考慮加合金所帶入碳含量，使碳含量達到該鋼種規格下限，即：該鋼種碳規格下限-加合金帶入碳量-0.05%≤終點碳≤該鋼種碳規格下限-加合金帶入碳量。

(4)LF爐應盡快造白渣，白渣保持時間≥20 min，確保良好的精煉效果。

參考文獻

[1]單忠德.機械裝備工業節能減排制造技術[M].北京:機械工業出版社，2014.

[2]陳明香.電弧爐冶煉脫碳量對鋼質量的影響[J].湖南冶金，1998(3)：34-37.

[3]吳全明，李瑛，劉廣君，等. 高碳鋼轉爐冶煉過程高拉碳工藝研究[J].煉鋼，2015，31(3)：1-4.

[4]黃希祜.鋼鐵冶金原理[M].北京:冶金工業出版社，2011.

[5]俞海明.電爐鋼水的爐外精煉技術[M]. 北京:冶金工業出版社，2010.

編輯杜敏

Optimization of Production Process for Eccentric

Bottom Tapping Electric Arc Furnace

Liu Yaosheng, Qin Zhuo, Li Weiliang, Wei Haidong

Abstract：The main technical parameters and the production process of eccentric bottom tapping electric arc furnace and ladle refining furnace have been described. Meanwhile, the influence of end point carbon of eccentric bottom tapping electric arc furnace on the secondary refining of ladle refining furnace has been analyzed. Furthermore, the smelting processes of eccentric bottom tapping electric arc furnace and ladle refining furnace have been optimized, so as to efficiently produce the high quality ingot at a low cost.

Key words：eccentric bottom tapping electric arc furnace; end point carbon; process optimization

作者簡介：劉耀晟(1991—)，男，助理工程師，本科，主要從事電弧爐煉鋼工藝研究。電話：18394286983，E-mail:liuyaosheng2579@qq.com

收稿日期：2015—11—05

中圖分類號：TF741.5

文獻標志碼：B