金屬化球團在電爐煉鋼的應用試驗

蔡雅娟，施軍賢，陳 宏，靳慶峰，彭高獻

（1江蘇沙鋼集團有限公司，江蘇 張家港 215625；2江蘇省（沙鋼）鋼鐵研究院，江蘇 張家港 215625）

1 前言

環境、能源與發展之間的矛盾是人類面臨的巨大挑戰，循環經濟是可持續發展的必由之路。將清潔生產、生態工業和廢物處理等各個環節融為一體，形成企業內部循環、生產之間循環，實現資源的節約、回收和再利用［1］。轉底爐工藝用于含鐵含鋅塵泥的回收利用，有利于鋼鐵行業的低碳環保、綠色生態發展，電爐煉鋼本身會產生含鋅粉塵，因而電爐作為消化使用轉底爐金屬化球團的重要用戶責無旁貸，進而對電爐合理消化金屬化球團提出了更高的要求。

某公司電爐煉鋼生產過程中使用金屬化球團，對電爐爐況、有害元素控制、消耗控制等方面產生不利的影響。為優化電爐煉鋼加入金屬化球團，通過系列試驗進行全面分析，研究其產生的不利影響，進而提出相應的控制和改善措施。

2 金屬化球團的判級及主要成分

從表1中2021年轉底爐金屬化球團數據可以看出：（1）轉底爐金屬化球團的不合格品占比為14%，金屬鐵（M.Fe）含量偏低，與一級品相差近20%。（2）總體金屬鐵（M.Fe）含量為41.9%，與其他生產廠報道的60%以上的數值存在較大差距；金屬化率（M.Fe/TFe）折算為69%，與優秀水平（≥85%）亦存在差距。（3）球團中的硫含量偏高，達到0.5%，電爐煉鋼過程中使用量大會造成鋼水中起始硫含量高，成為煉鋼用量受限的重要因素。

表1 2021年轉底爐金屬化球團判級占比及成分含量%

3 試驗方案及結果

電爐冶煉過程中采取不同的金屬化球團用量，金屬化球團分別加入0、3、6 t進行試驗。每組試驗連續生產20爐，每爐取終點渣樣進行分析，記錄每爐出鋼量、能耗、冶煉時間等參數，用于評價工業試驗效果。每爐的鐵水加入量和廢鋼加入量保持在穩定水平，鐵水采用小包運輸，采用“一包一爐”的冶煉模式，每包鐵水質量穩定在35±1 t，每爐冶煉中廢鋼加入量穩定在80±1 t。

某公司電爐廠通過生產試驗，主原料采用“30%鐵水+70%廢鋼”的配料模式，分別測試使用不同數量球團對冶煉過程造成的影響，主要數據見表2。

表2 某公司電爐廠指標隨金屬化球團用量變化情況

從表2中可以看出，隨著金屬化球團用量的增 加，對電爐冶煉節奏、物料消耗、鋼水成分指標都產生不同程度影響。

3.1 對爐況影響

金屬化球團通過高位料倉進入爐內，遇到高溫留鋼留渣及同時入爐的鐵水，在電爐爐內發生開裂，球團芯部的氧化性物質進入鋼液后，有利于快速成渣。但球團用量達到一定數值后，會造成電爐爐況惡化，對不同金屬化球團用量的電爐爐渣成分進行分析，主要數據見表3。

表3 不同金屬化球團用量的爐渣成分含量及堿度

（1）從表3中可以看出，隨著球團用量增加，渣中的（MgO）含量降低。一般來說，渣中（MgO）含量控制在6%～9%較為適宜。過高會造成爐底上漲、脫磷效率下降；而過低會造成爐襯侵蝕加劇，爐齡下降。使用6 t金屬化球團的渣中（MgO）僅4.2%，不宜再增加用量。

（2）金屬化球團二元堿度僅0.59，而電爐爐渣需要達到2.0～2.5堿度，才能維持良好的泡沫渣，保護爐襯并達到脫磷的目的，因而需要額外增加石灰消耗。表2中球團用量增多后，石灰消耗增加量低于理論計算，這是由于冶煉前期爐渣稀，實際堿度未達到2.0，很多爐渣已流失。

3.2 對出鋼量影響

從表2數據來看，出鋼量隨金屬化球團用量增加而降低。

（1）鋼水在1 550℃時密度約為7 g/cm3，爐渣的密度約為4.0 g/cm3，金屬化球團實測密度為3.3 g/cm3。金屬化球團自身密度小，漂浮于熔池之上，不能完全進入鋼液，電爐爐渣的強氧化性使得球團中的金屬鐵（M.Fe）未能得到充分利用，部分氧化于爐渣中，隨爐渣裹挾流失。

（2）渣量增加造成Fe元素損失。多用球團成渣早、渣量大。表3數據中，不使用、使用3 t和使用6 t球團電爐渣中的（MgO）含量分別為8.7%、6.3%、4.2%，金屬化球團自身含有2.3%的MgO。假設每爐主原料及爐襯中帶入爐渣的MgO總量相同，根據MgO總質量守恒，則可推導計算得出不使用、使用3 t、使用6 t金屬化球團時，電爐渣量分別為11、14、18 t。大渣量同時帶走了廢鋼和鐵水中氧化進入渣中的（FeO），使得主原料收得率下降、出鋼量降低。以渣中平均TFe含量30%計算，每增加1 t爐渣，則隨爐渣帶走Fe元素量300 kg。使用6 t金屬化球團相比于不使用金屬化球團的爐次來說，計算出鋼量減少2.1 t。表2中的出鋼量數據，與此推論數據基本吻合。

3.3 對電爐通電時間及電爐電耗影響

金屬化球團在電爐爐內為吸熱反應，石灰用量和實際渣量的增加，均需要更多的電爐爐內熱量。電爐主要熱量來源是化學反應熱和電弧物理熱。吹氧可與元素氧化反應產生化學能，但球團中可氧化元素提供的熱量微少，主要是依靠電弧的物理熱升溫。統計數據顯示，球團用量6 t時，電爐通電時間及冶煉電耗顯著增加。

3.4 不同鐵水比情況下電爐冶煉時間影響

使用0 t和4 t球團，在不同鐵水用比的情況下進行對比，從圖1中可以看出，在鐵水用量相同情況下，使用4 t球團比使用0 t球團的冶煉時間均有延長，平均增加3.2 min。當鐵水鐵比達到60%，加入金屬化球團對電爐冶煉時間的影響逐漸減弱。

圖1 不同鐵水比與球團量對電爐冶煉時間影響

3.5 對出鋼C、Mn影響

從表2中可以看出，不使用金屬化球團爐次平均碳含量從0.50%降低到使用6 t金屬化球團的0.24%，氧耗變化不大，這是由于球團中帶入的FeO和部分金屬鐵氧化成FeO，造成爐渣中過量（FeO），消耗了鋼水中的C含量。同理，出鋼殘余Mn量的降低，也是由于渣中（FeO）總量過多，鋼液中的［Mn］被氧化成（MnO）。

3.6 對出鋼S以及精煉的影響

（1）電爐出鋼成分中的S含量，與球團的用量呈明顯正相關。從表2中可計算得出，每增加1 t金屬化球團用量，S含量增加0.003 7%。金屬化球團中含有0.5%的S，電爐為氧化性氣氛，不具備脫硫條件，計算得出球團中約90%的S進入到鋼液中。

（2）不使用金屬化球團和使用6 t金屬化球團的數據對比顯示，出鋼S含量從0.036%上升到0.058%，增幅61%。脫硫任務全部在精煉工序，還原氣氛下，高溫、高堿度有利于脫硫［2］，精煉需要更多的升溫時間和更多的石灰消耗，造成精煉石灰消耗從2.4 kg/t上升到2.9 kg/t，電耗從40（kW·h）/t上升到49（kW·h）/t。

（3）出鋼S含量增加最主要是對生產節奏的影響，精煉LF通電升溫時間從25.7min上升到33 min，每爐延長了7.3 min，造成最終精煉總體冶煉時間延長，導致精煉時間可能成為整條產線的瓶頸。所以降低金屬化球團中的硫含量，是電爐煉鋼增量使用金屬化球團的關鍵。

3.7 對產能及成本的影響

縮短冶煉周期是降低操作成本的關鍵［3］，通過使用6 t金屬化球團與使用3 t金屬化球團對比，分析對產能及成本帶來的影響。

（1）生產爐數減少2.3爐/d，為避免后道工序銜接不上的風險，精煉爐需減緩冶煉節奏，連鑄機需降低拉速，以匹配電爐冶煉節奏，不利于產能最大化。

（2）根據電耗增加、氧耗增加、石灰增加、出鋼成分損失等計算，成本增加約40元/t。

3.8 對電爐出鋼P含量的影響

電爐脫磷的有利條件是高氧化性、高堿度、高（大）渣量h和低溫［4］。金屬化球團中的FeO含量有利于及早成渣，為了保持堿度，額外補加石灰，使得多用球團爐次的渣量大，不斷稀釋（4CaO·P2O5）的濃度，這些條件均對脫磷有利。對比數據顯示，使用6 t金屬化球團爐次平均出鋼P含量相比使用3 t球團的爐次降低了0.003%。

4 結論

4.1轉底爐金屬化球團總體質量需要進一步改善，包括合格率、金屬鐵含量、金屬化率、硫含量等指標。

4.2提高鐵水用量可減輕金屬化球團對電爐冶煉時間的負面影響。

4.3電爐每爐金屬化球團用量3 t對電爐影響較小，增至6 t時影響較大。使用3 t金屬化球團負面影響包括電爐出鋼量降低、精煉脫硫時間延長及石灰增加等方面，而對于電爐通電時間及電爐電耗影響不大；使用6 t金屬化球團主要影響，包括電爐爐況劣化、電爐出鋼量減少、電爐和精煉冶煉時間延長及產能損失。建議電爐每爐使用3～4 t金屬化球團，以減輕負面影響。

4.4充分利用金屬化球團快速成渣的特性，將球團用量穩定在每爐4 t，將來隨著未來球團品質的提升，電爐可以適當加大金屬化球團用量，實現固廢資源有效利用。