電弧爐低成本高效冶煉集成技術的應用

尹崇麗，葉飛來

（山鋼股份萊蕪分公司特鋼事業(yè)部，山東濟南 271104）

1 前 言

山鋼股份萊蕪分公司（簡稱萊鋼）特鋼事業(yè)部針對50 t電爐和100 t電爐生產(chǎn)效率不足，影響各項經(jīng)濟指標的提高和市場競爭力等問題，通過研究電爐經(jīng)濟爐料結構操作模型，高效復合脫磷技術、基于精準噴碳粉的低碳氧積控制技術的研究與實施，電爐全周期非冶煉時間控制技術等一系列新工藝、新技術來提高電爐高效生產(chǎn)的穩(wěn)定性，實現(xiàn)生產(chǎn)的順利進行，提高生產(chǎn)效率。

2 煉鋼低成本高效冶煉集成工藝技術

2.1 經(jīng)濟爐料結構下電爐快速冶煉技術

電爐傳統(tǒng)優(yōu)勢是高廢鋼比冶煉，而高鐵水比冶煉條件下，對電爐的供氧系統(tǒng)提出了更高的要求，無論高廢鋼比冶煉還是高鐵水比冶煉［1］，生產(chǎn)節(jié)奏都是限制電爐提產(chǎn)增效的關鍵環(huán)節(jié)。

2.1.1 高鐵水比電爐操作模型

為充分利用熱裝鐵水帶入的物理熱和化學熱提高鋼水的溫度，電爐鐵水比達60%～80%，配碳量在3.2%左右。電爐脫碳任務重，因供氧能力不足，電爐冶煉周期延長10 min 左右，造成爐機不匹配，無法滿足現(xiàn)場生產(chǎn)節(jié)奏。同時，在鐵水比＞60%條件下，冶煉過程中爐壁會集聚鋼渣，在鐵水比例上升到80%以上時，爐壁粘鋼渣的問題表現(xiàn)的更加突出。爐壁粘鋼渣可能在冶煉過程中造成塌落，引起冶煉事故，存在安全風險，雖然從工藝上已經(jīng)積極采取優(yōu)化措施，但不能從根本上解決問題。

穩(wěn)定的爐料搭配和余鋼量控制是實現(xiàn)電弧爐穩(wěn)定冶煉工藝操作的前提條件。目前，萊鋼特鋼事業(yè)部電弧爐每爐鐵水兌入量穩(wěn)定在總裝入量的60%～80%，廢鋼為軋廢、鑄坯或鋼材切頭切尾、社會廢鋼及直接還原鐵。這些入爐鋼鐵料的搭配是相對穩(wěn)定的，對爐內不同鋼鐵料實際比例產(chǎn)生較大影響的是每一爐次的余鋼量，余鋼量的不穩(wěn)定，造成實際搭配比例偏差較大。余鋼量偏少，無法正常實現(xiàn)前期強化用氧，影響后期操作；余鋼量偏多，冶煉過程會加劇爐門跑鋼，增大鐵損。電爐高鐵水比冶煉，對配料模型的配料模式提出了更高的要求。嚴格控制上爐留鋼留渣量基礎上，穩(wěn)定入爐料裝入量。50 t 電爐鐵水兌入量控制在（41±1）t，總料重控制在54 t左右；100 t電爐兌入量控制在（80±5）t，總料重控制在125 t左右，具體配料模型見表1。

表1 高鐵水比配料模型 t

2.1.2 高廢鋼比分階段操作模型

在鐵水供應不足或廢鋼價格較低時，電爐入爐廢鋼比在50%～60%，冶煉過程送電時間長，電爐配碳量低，脫磷困難，終點控制難度大，冶煉周期偏長，造成爐機不匹配，難以滿足現(xiàn)場生產(chǎn)節(jié)奏控制。

電爐高廢鋼比冶煉，適當提高電爐留鋼留渣量，穩(wěn)定入爐料裝入量。50 t 電爐鐵水兌入量控制在（30±1）t，總料重控制在54 t左右；100 t電爐兌入量控制在（60±3）t，總料重控制在125 t 左右，具體配料模型見表2。

表2 高廢鋼比配料模型 t

2.1.3 爐門氧槍系統(tǒng)設計與改造

傳統(tǒng)電爐系統(tǒng)因鐵水比低，供氧強度低，爐壁氧槍可以滿足低鐵水比要求。但隨著電爐鐵水比提高，爐壁氧槍供氧能力不足問題凸顯，難以滿足現(xiàn)代電爐煉鋼的要求。從降本增效方面考慮，提高電爐生產(chǎn)節(jié)奏，在100 t 電爐增上爐門氧槍，增加3 000 m3/h的供氧量，供氧能力提高17%，解決高鐵水比例下，電爐冶煉周期長的問題。爐門氧槍還可以及時清理爐門口；通過機械手臂上下調節(jié)高度，強化冶煉過程化渣操作；在目前鐵水比例條件下進一步降低冶煉周期，冶煉周期降低3～5 min。50 t 電爐現(xiàn)有爐門氧槍馬赫數(shù)1.8，氧槍角度42°，氧氣射流穿透能力不足，表現(xiàn)為脫碳速率低、爐內攪動能力弱。經(jīng)過多次專題分析會討論，并借鑒國內相似企業(yè)經(jīng)驗，主要從增加爐門氧槍馬赫數(shù)和提高氧槍角度入手，馬赫數(shù)由原來的1.8 提高至2.0，氧槍角度由42°提高至45°。改進后，供氧能力增加，增強氧氣射流穿透能力，能快速脫碳，增加爐內攪動能力，提高了電爐冶煉效率。

采用經(jīng)濟爐料結構下電爐快速冶煉技術，提高冶煉過程操作穩(wěn)定性，實現(xiàn)高鐵水比條件下和高廢鋼比條件下冶煉模式下的供氧送電操作的模型化，可縮短冶煉周期3～5 min，為電爐不同鐵水比高效冶煉提供有利條件。

2.2 電爐冶煉終點精準控制技術

電爐冶煉終點精準控制技術是指鋼水中的碳、氧濃度積處于偏低值，但鋼水不過氧化，且鋼水碳、磷以及溫度在同一時間內命中控制目標的控制技術。電爐冶煉終點精準控制技術主要是依靠高效復合脫磷技術和精準噴碳粉的低碳氧積控制技術來實現(xiàn)［2-3］。

2.2.1 高效復合脫磷技術

終點碳的控制尤其重要，冶煉終點時鋼水碳含量顯著地影響鋼水中氧含量，進而顯著影響鋼水脫氧效果和脫氧劑及合金元素的收得率，并顯著影響脫氧后鋼中夾雜物的數(shù)量和類型。根據(jù)碳氧反應平衡理論，在一定溫度下碳氧濃度積等于常數(shù)，1 600 ℃時，［%C］·［%O］=0.002 0～0.002 5。實際生產(chǎn)中，終點氧含量還受終點渣中氧化鐵、鋼液溫度的影響。根據(jù)碳氧濃度積，當冶煉終點碳處于0.10%～0.20%時，終點碳含量越低，鋼水中氧含量增加越顯著，脫氧產(chǎn)物增加則越明顯。電爐熔化期是脫磷的最佳時機，采用熔氧結合技術是脫磷的最佳方法。傳統(tǒng)煉鋼過程中，電弧爐熔化期的任務主要是固體爐料的熔化和很少的脫磷。采取熔氧結合技術時，熔化期的任務不僅是固體爐料的熔化，同時也進行脫磷。在煉鋼的熔渣制度下，當熔渣具有一定的堿度和氧化性時，磷的氧化物與形成穩(wěn)定的磷酸鈣進入爐渣而被去除，因此在熔化期，適時的吹氧助熔、脫除鋼中磷是生產(chǎn)低磷鋼的必要前提。

終點磷的控制也非常關鍵。實際生產(chǎn)中，終點磷如果偏高，會增加石灰用量，造成吹氧、送電化渣脫磷過程終點碳無法保證，易造成鋼水終點碳＜0.05%，過氧化嚴重，因此終點之前脫磷很重要。受料源情況等的影響，電爐冶煉過程使終點碳、磷同時滿足要求，控制難度較大?；陔姞t脫磷理論分析，在電爐熔化期增加爐渣堿度，能有效提高爐渣脫磷效果。通過實施快速噴石灰粉技術，降低電爐熔清磷0.007%，降低了石灰消耗，杜絕了補加石灰而對生產(chǎn)節(jié)奏的影響；石灰利用效率顯著提高，石灰消耗比以前降低了27%；冶煉低磷鋼冶煉周期縮短了5 min左右，生產(chǎn)效率提升10%，而且石灰消耗降低間接降低了冶煉電耗及提高了鋼鐵料的回收率。

2.2.2 精準噴碳粉的低碳氧積控制技術

在高鐵水比冶煉模式中，氧氣與鐵水中的碳產(chǎn)生劇烈的碳氧反應形成大量CO 氣泡，冶煉中后期鋼水碳氧反應逐漸減弱，不利于爐渣氣泡的穩(wěn)定，熔清后間隙性向爐內噴吹碳粉，利用爐渣中的氧和碳粉反應，生成一氧化碳氣泡，增大爐渣黏度。同時渣-鋼反應形成的（P2O5）具有較強的表面活性，可以降低液膜表面張力。維持泡沫渣的高度和時間，保持良好的泡沫渣效果，有利于防止后期鋼水吸氣嚴重，造成過氧化。提高控制點碳控制，降低鋼中溶解氧。為保證爐渣發(fā)泡性能，改用類石墨粉代替焦炭粉造泡沫渣，爐渣發(fā)泡快、持續(xù)時間長，且使用量降低，在生產(chǎn)中取得了很好的應用效果。

電爐精準噴碳粉的低碳氧積控制技術，使電弧爐終點成分和溫度同時命中率由92%提高到99%；冶煉過程可實現(xiàn)全程泡沫渣冶煉，爐蓋粘鋼現(xiàn)象減輕，終渣（FeO）含量降至20%以下，使得終點碳處于合理范圍內。爐內攪動能力增強，碳氧濃度積處于較低范圍，但又不會使鋼水過氧化。通過精準噴碳粉，初煉鋼水過氧化爐次大幅度降低，為后續(xù)鋼水冶煉提供較好的前提條件，促進提升了鋼種超低氧含量的控制水平。

2.3 電爐全周期非冶煉時間控制技術

為克服現(xiàn)有的小爐蓋在高鐵水比冶煉過程中，由于爐內熱負荷增大，造成小爐蓋侵蝕加劇，降低小爐蓋使用壽命，在冶煉過程中頻繁更換耐材小爐蓋，影響電爐生產(chǎn)節(jié)奏。對現(xiàn)有耐火小爐蓋進行優(yōu)化改造，分別增加耐火小爐蓋凈空高度和厚度10 cm，小爐蓋使用壽命大幅上升，實現(xiàn)了與出鋼口使用壽命同步，每澆次可減少更換小爐蓋時間40 min。

電弧爐水冷爐壁是由水冷塊組成的，按結構可分為鑄管式、板式和管式等幾種形式。各種形式的水冷爐壁都有一定的散熱能力和相應的掛渣能力，可成倍地提高電爐爐襯使用壽命。但因電弧爐冶煉入爐廢鋼尺寸大、布料不合理等因素，導致廢鋼落在爐壁水冷塊上，在電弧爐送電起弧時，形成回路打漏爐壁水冷塊，導致水冷塊漏水。由于水冷塊漏水點位于電弧爐內，溫度高，水冷塊表面不同程度的掛渣，修補漏水點十分困難，需要將溫度降下來進入電弧爐內處理，修補時間大于4 h，造成電弧爐正常冶煉中斷；如果不及時修補漏水點，若繼續(xù)冶煉，為保證安全，必須關閉漏水水冷塊循環(huán)冷卻水，致使失去冷卻作用的水冷塊會逐漸熔化，該部位會成為電弧爐爐壁上的最薄弱環(huán)節(jié)。通過研究在線修補水冷爐壁漏點的方法，采用反向標識切割焊補方法，可在30～50 min內完成對電弧爐爐壁水冷塊漏水點的快速修補，降低了作業(yè)人員進入爐內進行焊補漏水點帶來的風險，還可有效降低關閉該水冷塊循環(huán)水后給電弧爐冶煉帶來的安全問題，保證電弧爐冶煉持續(xù)穩(wěn)定順行，提高生產(chǎn)效率、降低了生產(chǎn)成本。

通過設計自動摘掛鐵水裝置、電爐耐火小爐蓋的改進、在線修補電弧爐爐壁水冷塊技術控制等措施，非冶煉周期縮短3～5 min。

3 結 語

萊鋼特鋼事業(yè)部電爐生產(chǎn)線自從2019 年開始基于經(jīng)濟爐料結構下電爐低成本高效冶煉集成技術的研究與應用以來，有效地提高了生產(chǎn)效率，冶煉周期縮短4～6 min，冶煉電耗噸鋼降低14～51 kW·h，電極消耗噸鋼降低0.11～0.29 kg，石灰消耗噸鋼降低4～7.8 kg，鋼鐵料消耗噸鋼降低18～23 kg，渣中氧化鐵含量將至20%以下，同時過氧化爐次大幅度降低，脫氧劑消耗降低，鋼材全氧含量降低。

通過實施經(jīng)濟爐料結構下快速冶煉技術、電爐冶煉終點精準控制技術、噴石灰粉脫磷技術，在鐵水供應充足的條件下，可實現(xiàn)電爐零電耗操作。噴石灰粉技術和氧槍系統(tǒng)改造的應用，實現(xiàn)電爐全過程泡沫渣操作，提高了電爐脫磷效率，為生產(chǎn)低磷鋼提供了良好的條件，可批量生產(chǎn)磷小于0.010%鋼種。