电弧炉热装部分铁水对冶炼工艺的优化研究

电弧炉热装部分铁水对冶炼工艺的优化研究马智明王新江徐荣军史美伦杨锟郁福卫(安阳钢铁集团有限责任公司)傅杰王平(北京科技大学)2006-2-28摘要本文介绍了安钢一炼采用系统工程的原理对普通功率10tEAF+LF冶炼工艺进行优化的生产实践；使用部分铁水代替生铁，并应用熔氧合并、泡沫渣操作、微机控制功率输入、强化脱氧及钢包精炼等适用技术，达到了提高生产率、降低冶炼电耗、缩短冶炼时间及提高钢质量的目的。生产实践表明：铁水装入量在31.8%时,效果最好,冶炼电耗达到325.4kWh/t，冶炼时间达到4.9min/t。关键词电弧炉铁水工艺SMELTINGTECHNOLOGICALOPTIMUMSTUDYOFCHARGINGPARTIALHOTMETALINEAFMaZhimingWangXinjiangXuRongjunShiMeilunYangKunYuFuwei(AnyangIronandSteelGroupCo,Ltd.)FujieWangPing(UniversityofScience&TechnologyBeijing)ABSTRACTThispaperdescribestheproductivepracticeofthesmeltingtechnologicaloptimumofordinarypower10tEAF+LFbyapplyingprincipleofsystemsengineering.Byaseriesofapplicabletechniquesofhotmetalsubstitutedforpigironaspartialfurnaceburden,themeltingandoxidizingstagesmergedasone,foamyslagoperation,powerinputcontrolledbycomputer,strengtheningdeoxidizationandladlerefining,thegoalsareachievedforincreaseingproductivity,reducingpowerconsumption,shorteningsmeltingtimeandraisingsteelquality.Productionresultsshowasfollows:whentheamountofhotmetalchargedis31.8%,themosteffectiveresultshavebeenattainedthatpowerconsumptionis325.4kWh/t,smeltingtimeis4.9min/t.KEYWORDSEAF,hotmetal,technology1前言安阳钢铁集团有限责任公司第一炼钢厂电炉车间拥有2座10t电炉,1995年又将25t交流钢包炉改造为直流供电方式的钢包精炼炉，形成了一条完善的EAF+LF工艺路线。近几年来，我们在消化、吸收国内外先进的电炉炼钢思想和技术的基础上，运用系统工程的原理，从基础管理入手,不断采用一些新技术、新工艺,不断提高电炉装备水平,彻底摆脱了速度慢、效率低、能耗高的致命弱点,从装备到工艺都发生了根本性的变化,使电炉年产钢量达到了13.5万吨,主要经济技术指标处于国内领先地位。10t电炉主要设备、工艺参数如下:公称容量:2×10t变压器额定功率:5000、5500kVA炉壳直径:3800mm锭型:266×266mm冶炼钢种:20、45、20CrMnTi、40Cr、20CrMo等25t精炼炉主要设备、工艺参数如下:炉型：直流电弧电渣加热钢包炉公称容量：25t变压器额定功率：4200kVA电极直径：阴极350mm阳极250mm整流方式：十二脉冲桥式整流升温速度：4℃/min（最大5℃/min）电极消耗：0.34kg/t精炼时间：35～45min吹氩方式：包底吹氩并辅以事故顶吹氩[1]在近几年改造和发展的基础上，我们又开发了部分铁水热装技术。这不但对缓解电力紧张是十分有利的，而且对提高生产率、改善钢质量的效果也是非常显著的。2优化冶炼工艺要点通过对生产过程的认真分析，结合国内外近期炼钢新技术工艺的最新进展，选择了以热装铁水、熔氧合并、基本取消电炉还原期、钢包精炼炉完成电炉还原期的冶炼任务为主线的新的炼钢生产工艺。该工艺的实施，使电炉得以从传统的三段式炼钢工艺中解放出来，电炉冶炼时间大大缩短，各种消耗降低，钢产量有了突飞猛进的提高。钢包精炼炉的使用，也为增加电炉钢的品种，提高电炉钢质量创造了良好的条件。主要工艺要点为：（1）装料后炉底垫石灰为料重的2--3%;（2）炉料配碳量为1.8--2.0%,使用焦炭粒或热装铁水;（3）穿井基本完成后，开始兑入铁水，铁水兑入量为入炉金属料总重的25～35%；（4）开始吹氧切割熔化废钢；（5）熔化后期造碱度为2.0的泡沫渣;（6）氧化过程全程泡沫渣操作,同时采用高电压、大电流操作;（7）均匀沸腾、自动流渣,碱度控制在2.5左右;（8）温度成分达到要求后,即可扒渣;（9）扒渣后用硅铝铁强制预脱氧,同时用稀薄渣覆盖钢液;（10）成渣后按照成分中下限进行合金化;（11）用SiC和C粉进行脱氧,强化脱硫,控制炉渣减度在2.5--3.0;（12）温度满足精炼炉要求时,即可出钢，渣钢混出,大口深坑操作，出钢全过程吹氩搅拌;（13）钢包进入精炼工位后，即开始吹氩；（14）测温、取样，做成分分析;(15）加入部分渣料，调整炉渣；（16）将钢水温度加热至LF炉目标温度；（17）调整合金成分；（18）喂入铝线、硅钙线进行终脱氧及夹杂物变性处理；（19）精炼炉全过程保持吹氩状态,喂线后吹氩时间不小于3min.;（20）按常规工艺模注。3热装部分铁水的工艺实践近几年来，国际炼钢界对铁水作为电弧炉的原料给予了极大重视[2][3]，这不但从节能角度、缓解电力紧张是十分有意义的，而且在冶炼过程中，稀释废钢中金属杂质，提高钢的纯净度，缩短冶炼时间；更重要的是与废钢或其代用品相比，价格最低。3.1铁水物理热和化学热若铁水温度为1350℃，铁水热焓为1221kJ/kg[4]。因此，每加1吨铁水,即可带入物理热1.22×kJ,相当于339kWh的电能。根据氧化1kg元素熔池吸收的热量[5]，每以1吨铁水代替1吨废钢(铁水成分按炼钢铁水计算:C4.3%,Si0.70%,Mn0.80%,P0.18%；废钢成分:C0.45%,Si0.30%,Mn0.80%,P0.18%),以1400℃元素氧化放热量计算,炉料多带入的化学热为559265kJ,相当于155kWh电能。从理论上讲,每多装1吨铁水,即可节约电能339+155=494kWh。3.2铁水热装工艺的实际效果及分析根据17炉未装铁水及40炉热装铁水的生产数据,分别计算装与未装铁水的平均吨钢电耗、平均吨钢冶炼时间和平均系统热效率：平均吨钢电耗(kWh/t)=总电耗(kWh/t)/出钢量(t)平均吨钢冶炼时间(min/t)=冶炼周期(min)/出钢量(t)平均系统热效率(%)=吨钢理论需热q理论(kWh/t)/吨钢实际供热q实际(kWh/t)×100％1吨T℃钢水的理论需热q理论可由钢水的热焓计算而得。20钢在1550℃时的热焓为5.28×kJ/kg(146.7kWh/t)[4],取20钢水的平均比热为800J/kg·℃(0.22kWh/t·℃)[4]，则T℃时钢水的热焓为：(kWh/t)=146.7+0.22×(T-1550)=0.22T-194.3;q理论(kWh/t)=-;,15℃时20钢的热焓(近似为0);吨钢的实际供热q实际(kWh/t)包括以下几部分：废钢的物理热(近似为0)和化学热(kWh/t);生铁的物理热(近似为0)和化学热(kWh/t);铁水的物理热(kWh/t)和化学热(kWh/t);脱氧和合金化过程中合金元素的熔化、熔解及氧化等放热(kWh/t);吨钢电耗(kWh/t)：q实际=+++++;=1000×η废钢×{(i废钢-i氧化末)/100×}/3600;=1000×η生铁×{(i生铁-i氧化末)/100×}/3600;=1000×η铁水×{(i铁水-i氧化末)/100×}/3600;=339×η铁水;={(×+(×(×i-(i出钢-i氧化末)×10))}/3600;式中:i废钢、i生铁、i铁水分别为废钢、生铁、铁水中发热元素i的含量%;i出钢、i氧化末分别为出钢、氧化末钢水中元素i的含量%;表1合金加入钢水经升温、熔化、溶解后的放热量(kJ/kg)Table1Exothermicheatafterferroalloyheating、melting、dissolvinginmoltensteel(kJ/kg)j高C锰铁硅铁硅铝铁SiC粉生铁kJ/kg-1808456-239.3-1234.2-1463为每公斤发热元素的发热量kJ/kg;j为合金(包括高C锰铁、硅铁、硅铝铁、SiC粉、生铁);为每公斤合金加入钢水后经升温、熔化、溶解的放热量kJ/kg,见表1所示[10];为每吨钢水中合金j的加入量kg/t;3.3结果分析未装铁水的17炉数据,平均吨钢电耗441.9kWh/t,平均吨钢冶炼时间为5.9Min/t,平均系统热效率为35.7%。热装铁水的40炉数据中,铁水装入量在7.7%～40%之间,平均吨钢电耗424.0～325.4kWh/t,平均吨钢冶炼时间5.7～4.9Min/t。也即是说,热装部分铁水可节电17.9～116.5kWh/t,缩短冶炼时间0.2～1min/t。可见,铁水热装的实际效果与理论分析结果是一致的。平均吨钢电耗(kWh/t)与铁水装入量(%)、平均吨钢冶炼时间(min/t)与铁水装入量(%)的关系如图1和图2所示。值得指出的是,平均吨钢电耗和平均吨钢冶炼时间并非随铁水装入量的增加而单调减少,而是存在一个最低值。在铁水装入量为31.8%时,平均吨钢电耗达到最低值325.4kWh/t(节电116.5kWh/t),同时平均吨钢冶炼时间达到最低值4.9min/t(缩短冶炼时间1.0min/t)。当铁水装入量少于31.8%时，平均吨钢电耗和平均吨钢冶炼时间均随铁水装入量的增加而减少；当铁水装入量超过31.8%时,平均吨钢电耗和平均吨钢冶炼时间均随铁水装入量的增加而增加。存在最低值是因为熔、氧化期的供氧强度受到车间的实际设备限制,因而脱碳的速度一定；随着铁水装入量的增加,配碳量提高,势必延长脱碳时间,从而存在延长冶炼周期、增加电耗的不利影响。综上所述,热装铁水并非多多益善,铁水装入量为31.8%时达到最佳值。未装铁水时系统的热效率平均为35.7%左右。热装铁水后,系统的热效率要有所降低。当铁水装入量低于31.8%时,平均系统热效率与未装铁水时基本相同。当铁水装入量超过31.8%后,平均系统热效率随铁水装入量的增加而有所降低。当铁水装入量低于31.8%时,尽管和随铁水装入量的增加而减少,但和随铁水装入量的增加而增加,使q实际基本保持不变,系统热效率也就基本保持不变;当铁水装入量超过31.8%时,尽管随铁水装入量的增加而减小,但、和随铁水装入量的增加而增加,由于值很小,所以q实际随铁水装入量的增加而增加,系统热效率也就随铁水装入量的增加而减小。4结论(1)运用系统工程的原理,对生产工艺进行优化是实现年产13.5万吨钢的关键所在。(2)热装部分铁水,可起到节电、缩短冶炼时间的作用。装入量在7.7%～40%之间,节电17.9～116.5kWh/t,缩短冶炼时间0.2～1min/t。(3)热装铁水量在31.8%时达到最佳,最低电耗为325.4kWh/t(节电116.5kWh/t),最短冶炼时间为4.9min/t(缩短冶炼时间1min/t)。(4)铁水装入量低于31.8%时,系统热效率与未装铁水时基本相同;当铁水装入量高于31.8%时,系统热效率随铁水装入量的增而有所降低。参考文献[1]北京科技大学、鞍山热能研究院、安阳钢铁公司25吨交流钢包炉改为直流钢包炉工程初步设计1994.8[2]W.Maschlanka,