100 t電弧爐不同冶煉模式能效評價與分析

趙瑞敏，朱 榮，魏光升，趙瑞濤，蘭昕怡

(1.北京科技大學冶金與生態(tài)工程學院 北京科技大學, 北京 100083；2.高端金屬材料特種熔煉與制備北京市重點實驗室，北京 100083)

電弧爐煉鋼作為目前世界主要煉鋼方法之一，具有流程短、節(jié)能環(huán)保等特點[1-2]。由于廢鋼資源的限制，我國電弧爐普遍采用熱裝鐵水技術，鐵水提供了大量物理熱和化學熱，可以有效降低電能消耗[3]。某鋼廠100t電弧爐為降低冶煉電耗和生產(chǎn)成本，冶煉采用49%的熱裝鐵水，由于鐵水兌入增加，冶煉脫碳任務加重，該廠冶煉主要采用兩種操作模式，即中途停電等氧模式和冶煉結束停電等氧操作模式。本文通過建立電弧爐煉鋼過程物料衡算和能量衡算的熱化學計量模型，結合具體電弧爐煉鋼的實際情況、煉鋼原料成分對煉鋼過程進行物料衡算和能量衡算，分析不同操作模式各階段能量效率情況，提出優(yōu)化建議，為冶煉工藝降低電耗、縮短冶煉時間提供指導[4-5]。

1 生產(chǎn)參數(shù)及冶煉工藝解析

1.1 電弧爐主要技術參數(shù)

某鋼廠100 t電弧爐，電爐爐殼直徑6 500 mm,公稱容量100 t，最大容量125 t，采用3支爐壁氧槍。基本設備參數(shù)如表1所示。

表1 某鋼廠100 t電弧爐主要工藝設備參數(shù)表

1.2 電弧爐冶煉過程分析

本文基于模型計算將正常的冶煉過程可以分為三個大階段：熔化脫碳期(時段Ⅰ)、脫碳升溫期(時段Ⅱ)、脫碳末期(時段Ⅲ)。

(1)熔化脫碳期：分為未氧化期，氧化脫碳期，其分界為爐內(nèi)廢鋼熔化使鐵水占爐內(nèi)70%的時刻。未氧化期可以劃分為兩個時期：點弧穿井期(相對固定，5～6 min)，熔化前期(由電能主導，氧化反應幾乎無發(fā)展，2～4 min)。氧化脫碳期為大量脫碳時間，氧化反應大量發(fā)生。

(2)脫碳升溫期：脫碳反應的優(yōu)勢區(qū)間，也是可以進行大量吹氧脫碳的時期。

(3)脫碳末期：碳含量到達脫碳速度轉(zhuǎn)變點[C]=0.3%，進入該時期，受碳擴散速度控制，脫碳速度下降，為了精確控氧可以將該時期為前半期和后半期。

2 電弧爐冶煉過程能效解析

2.1 能效定義

依據(jù)GB/T 37428—2019進行熱平衡計算，劃分區(qū)域定義多個能效公式[6]；

電弧爐裝置總效率是指包含電路和爐體系統(tǒng)總的能量效率：

(1)

式中：WGZF為鋼液爐渣帶走熱量及爐內(nèi)分解反應吸收熱量之和；WLR為鐵水帶入爐內(nèi)熱量；WSR為輸入爐內(nèi)的熱量，等于鋼液升溫吸收的能量(WMET),損失能量(WLOSS)和鐵水帶入能量WLR之和。

電爐總效率是指不包含電路系統(tǒng)在內(nèi)的電弧爐整體的能量效率：

(2)

式中：WDS為壓器線路損失、電弧熱損失。

電能熱效率是指電能對鋼液、鋼渣實際提供的熱效率：

ηEL=ηSEC.C×ηARC

(3)

式中：ηSEC.C為電線路效率，是指從系統(tǒng)電源至電極末端電能輸送效率；ηARC為由電能測量儀測量得到電弧的熱效率，是指從電極末端至鋼液、鋼渣電能輸送效率，由測量計算得到。

化學能熱效率是指爐內(nèi)化學能對鋼液、鋼渣實際提供的熱效率：等于鋼液爐渣帶走熱量及爐內(nèi)分解反應吸收熱量之和減去鐵水帶入熱量、電能熱之后與輸入爐內(nèi)總化學熱的比值。

2.2 冶煉過程能效計算

2.2.1 物料平衡及熱平衡模型假設

根據(jù)系統(tǒng)理論分析，建立描述電弧爐煉鋼過程物料衡算和能量衡算的熱化學計量模型。共計有統(tǒng)計變量157個，統(tǒng)計數(shù)據(jù)76個，統(tǒng)計現(xiàn)場1 622生產(chǎn)爐次數(shù)據(jù)對計算模型進行校正。通過跟蹤現(xiàn)場具體爐次生產(chǎn)的實時供電、供氧等操作記錄，分階段計算電弧爐煉鋼在熔化脫碳期、脫碳升溫期、脫碳末期電能熱效率、化學能熱效率，合理優(yōu)化各階段供氧；度。在模型計算過程中，做如下假定：

(1)以0 ℃為基點，即物料在0 ℃條件下其物理熱為零;

(2)原料中各發(fā)熱元素成分按常規(guī)取值；

(3)成品鋼液和爐渣成分按該鋼廠實際生產(chǎn)的一般數(shù)據(jù)取值；

(4)廢鋼熔清溫度經(jīng)過計算取1 520 ℃出鋼溫度按工藝要求取 1 620 ℃；

(5)模型的計算中設定的爐料入爐溫度為25 ℃，氧氣純度為99.5%，氧氣利用率為93%，氧氣供給占80%；

(6)空氣二次燃燒為零，碳氧化過程80%生成CO，20%生成CO2，CO二次燃燒能量利用率30%。焦爐煤氣能量利用率60%；

(7)Fe燒損占7%，其中60%轉(zhuǎn)化為Fe2O3進入煙塵,40%成為爐渣，爐渣中FeO占97%，F(xiàn)e2O3占3%[7-8]；

(8)熔化期留渣量35%，氧化末期渣中FeO占25%，F(xiàn)e2O3占1.67%[7-8]；

(9)冷卻水進水管溫度27.5 ℃，出水管平均溫度取49.9 ℃，冷卻水平均總流量取180 m3/h(標準)噸鋼爐氣量為220 kg,爐氣標準溫度25 ℃，終點溫度1 550 ℃。

2.2.2 物料平衡及熱平衡計算

通過對現(xiàn)場1 622生產(chǎn)爐次的生產(chǎn)記錄進行統(tǒng)計，共計有統(tǒng)計變量 157個，統(tǒng)計數(shù)據(jù)76個，統(tǒng)計數(shù)據(jù)1 622組，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)平均值進行噸鋼總的物料平衡計算，生產(chǎn)過程物料平衡示意圖見圖1。

圖1 物料平衡示意圖

在物料平衡計算基礎上進行能量平衡計算，階段總的能量平衡計算生產(chǎn)過程熱平衡示意圖見圖2。

圖2 熱量平衡示意圖

鐵水比49%，根據(jù)物料平衡熱平衡計算噸鋼氧氣40.47 m3(標準)，噸鋼電耗156 kWh·t，冶煉周期40.6 min。電弧爐熔池主要輸入量熱鐵水物理熱、化學反應熱、電能和噴嘴燃燒供熱，主要輸出熱量鋼水、爐體輻射、冷卻水帶走物理熱、爐氣爐渣的物理熱、線路及電弧熱損失。從圖2中可以看出，主要熱源來源于鐵水物理熱，鋼水有效熱僅為56.73%，爐氣、冷卻水、爐體輻射熱熱損失占比很重，冶煉過程及時造渣，優(yōu)化工藝縮短冶煉時間，能夠有效減少熱損失，即降低電耗。從目前現(xiàn)場操作來看，到脫碳升溫期電極弧光沒有完全被覆蓋、電壓波動比較大，功率因素不穩(wěn)定，泡沫渣覆蓋效果差[9]。

3 100 t電弧爐不同冶煉操作模式

通過現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計與實時供電、供氧操作記錄，一般現(xiàn)場供電供氧操作分為兩種模式，模式一供電檔位操作中途不停電，模式二供電檔位操作中途停電等氧。

3.1 模式一：中途不停電冶煉模式

模式一：平均原料鐵水比50.6%，氧耗40.4 m3/t(標準)，電耗174.1 kW·h/t，出鋼溫度1 651 ℃，冶煉周期42.2 min。模式一供電檔位操作中途不停電，低電壓等級啟動逐步升高電壓等級。

根據(jù)實際操作劃分為三個階段，分別為熔化脫碳期(時段Ⅰ)、脫碳升溫期(時段Ⅱ)和脫碳末期(時段Ⅲ)，對應的供氧供電情況如圖3所示。

時段Ⅰ28 min，占冶煉時間66.5%，時段Ⅱ10 min,占冶煉時間23.8%，時段Ⅲ4.2 min，占冶煉時間9.7%。其中實際操作過程時段Ⅰ耗氧量25.4 m3/t(標準),時段Ⅱ耗氧量12.8 m3/t(標準)，時段Ⅲ耗氧量2.2 m3/t(標準)，實際冶煉噸鋼電耗174.1 kW·h/t。從圖3中可以看出時段Ⅱ氧槍主氧3 400 m3/h(標準)，環(huán)縫240 m3/h(標準)，三支槍流量達10 920 m3/h(標準)，每分鐘供氧強度1.56 m3/t(標準)，時段Ⅱ8 min供氧量12.5 m3/t(標準)。

圖3 模式一供電、供氧操作曲線圖

3.2 模式二：中途停電冶煉模式

模式二：平均鐵水比49.6%，氧耗38.5 m3/t(標準)，電耗135.3 kW·h/t,出鋼溫度1 635℃，冶煉周期38 min。模式二供電檔位操作中途停電，低電壓等級啟動，進行點弧和穿井，然后停電一段時間(一般為4～5 min)，再次通電，逐步提升電壓等級，其工藝期劃分與供電時間統(tǒng)計如表3。

時段Ⅰ24 min,占冶煉時間63.1%，時段Ⅱ9.6 min，25.3%，時段Ⅲ4.4 min，占冶煉時段11.6%。實際操作過程時段Ⅰ耗氧量22.47 m3/t(標準)，時段Ⅱ耗氧量14.67 m3/t(標準)，時段Ⅲ耗氧量1.3 m3/t(標準),實際冶煉噸鋼電耗133 kW·h/t。冶煉過程時段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ供電、供氧具體操作如圖4所示。

圖4 模式二供電、供氧操作曲線圖

3.3 能效對比分析

3.3.1 供氧強度分析

針對模式一：根據(jù)能量平衡計算得出階段Ⅰ耗氧25.4 m3/t(標準)，時段Ⅱ氧耗16.3 m3/t(標準)，時段Ⅲ1.9 m3/t(標準)。噸鋼電耗156.0 kW·h/t。通過計算可以得出時段Ⅱ供氧不足，延長了熔化升溫時間，增加了冶煉過程熱量損失。

針對模式二：根據(jù)能量平衡計算得出階段Ⅰ耗氧22.3 m3/t(標準)，時段Ⅱ氧耗19.5 m3/t(標準),時段Ⅲ1.8 m3/t(標準)。噸鋼電耗126 kW·h/t。通過計算可以得出時段二供氧略微不足，如果在時段二增加供氧強度，可以有效降低噸鋼電耗。

由上述分析可知，目前該100 t電弧爐模式一、二在時段Ⅱ均存在氧氣供給不足，影響時段Ⅱ電氧配合，降低了總能效利用率，應該增設一支氧槍。增加氧槍后四支槍達最大14 560 m3/h(標準)，每分鐘供氧強度2.10 m3/t(標準)。模式一時段Ⅱ10 min供氧量21 m3/t(標準)，滿足時段Ⅱ的供氧需求。模式Ⅱ時段Ⅱ9.6 min供氧量20.16 m3/t(標準)，滿足時段Ⅱ的供氧需求。同時增加氧氣流量后時段Ⅰ冶煉時間也會相應減少，可以有效減低噸鋼熱損失。

3.3.2 電能熱效率對比

由能效定義可得兩種操作模式各階段電能熱效率，計算結果如圖5所示，熔化脫碳期Ⅰ模式二電能熱率略高于模式一，從供電測量得出的功率因素值可以看出模式二的檔位操作優(yōu)于模式一，雖然模式二中間存在熱停，此階段存在熱量損失，但其冶煉時間遠少于模式一，所以此階段模式二電能熱效率略高。脫碳升溫期Ⅱ模式二熱效率略高于模式一，模式一和模式二在此階段均采用大功率供電，從功率因素來看模式二在此階段泡沫渣覆蓋效果比較好，功率因素穩(wěn)定，電能熱效率略高。脫碳末期Ⅲ，由于此階段泡沫渣埋弧效果差，電弧不穩(wěn)定電能熱效率均大幅度下降，模式一存在終點命中中率低的問題，出鋼溫度過高，過程熱損失增加，導致電能熱效率低于模式二。

圖5 各階段電能熱效率對比圖

綜上所述，熔化脫碳期應采用低檔位，控制熔池脫碳和升溫速度，同時避免冶煉過程熱?，F(xiàn)象。脫碳升溫期合理造泡沫渣，大功率供電。脫碳末期略微降低檔位，此時泡沫渣埋弧效果差。

3.3.3 化學能熱效率對比

由能效定義可得兩種操作模式各階段化學能熱效率，計算結果如圖6所示，熔化脫碳期Ⅰ階段模式一化學能熱效率低于模式二，主要原因模式一冶煉時間長，增加了能量損失。脫碳升溫期Ⅱ模式二化學能熱效率遠高于模式一，主要原因模式二在此階段強化供氧，電氧匹配比較合理，化學能利用率高。脫碳末期由于此階段泡沫渣埋弧不穩(wěn)定，化學能熱效率均大幅度降低，模式一終點命中率低，繼續(xù)供氧脫碳，其化學能熱效率高于模式二。

圖6 各階段化學能熱效率對比圖

綜上所述，熔化脫碳期后期、脫碳升溫期應強化供氧可以加快脫碳速度，減少通電時間。脫碳末期降低供氧量，添加造渣料，提高化學能利用率。

4 結 論

(1)采用一個料籃一次裝料的冶煉模式，點弧+穿井的時長為5～6 min，在裝料高度相近的情況下，本階段的時長主要取決于點弧與穿井難度。通過改善表層料的組成，合理配置料籃堆密度組成，選擇合理檔位可以縮短該階段時長。該時期應當采用低檔位，低功率因數(shù)的工作點，有利于電弧保持穩(wěn)定，提高穿井速度，此階段吹氧主要起廢鋼切割助熔作用。

(2)在冶煉中后期即熔化脫碳期后期、脫碳升溫期采用最大供氧檔位進行供氧電，主要作用是脫碳升溫，因為此階段造渣比較好，適合大功率供電、供氧。通過模型計算熔化脫碳后期每停電1 min噸鋼電耗增加0.59 kW·h/(t·min)，脫碳升溫期每停電1 min噸鋼電耗增加1.6 kW·h/(t·min)，因此有必要減少此階段的熱停時間。通過模型計算，兩種操作模式脫碳升溫可以增加供氧強度，該階段每增加1 m3(標準)氧氣，可節(jié)電2.5～3 kW·h。

(3)脫碳末期，此階段泡沫渣埋弧效果不好能量利用率較差，鋼液中脫碳為限制性環(huán)節(jié)，采用低檔位供氧，防止鋼液中鐵水進入鋼渣。此階段高檔位供電主要作用是快速升溫。