电弧炉热装部分铁水炼钢工艺

电弧炉热装部分铁水炼钢工艺殷宝言摘要在电弧炉炉料中加入部分铁水,是最近发展起来的电弧炉炼钢工艺。该工艺可以缩短冶炼时间,降低冶炼电耗,提高产品质量,特别适用于中小型普通功率电弧炉冶炼高碳钢,对发展我国电弧炉炼钢有深远意义。关键词电弧炉热装铁水转炉化ELECTRICARCSTEELMAKINGPROCESSWITHPARTOFHOTMETALCHARGEYinBaoyanShanghaiNo.5Steel(Group)Co.Ltd.SynopsisAnewlydevelpoedelectricarcsteelmakingprocessintherecentyearistoaddaproperamountofhotmetaltothecargingmaterial.Thisnewtechnologycanreducethesteelmakingtime,cutdowntheelectricpowerconsumptionandimprovethesteelqualityandisofprofoundsignificanceforthedevelopmentofChina′selectricarcsteelmakingsinceitisparticularlysuitableformakinghighcarbonsteelsinthemediumandsmallsizedcommonpowerelectricarcfurnace.Keywordselectricarcfurnacehotcharginghotmetalconverter1前言电弧炉热装部分铁水冶炼工艺(下称热装工艺)是最近发展起来的电炉炼钢的一项节能新技术。该工艺不但缓解了废钢紧缺的形势,而且可显著缩短冶炼周期,降低冶炼电耗,提高劳动生产率。加入电炉中的铁水,可以稀释废钢中的有害残余元素,提高钢的质量。如果铁水进行过预处理,还可以进一步生产超低硫和超低磷钢,因此,本工艺在国内外发展很快。例如,南非Lscor的Pretoria厂,Vanderbilpar厂,日本三菱大和钢公司都率先使用本工艺。我国也早已研究、应用,如安钢、南钢、淮阴、浦钢等钢厂都已成功使用电炉热装工艺,并取得很好效果。2工艺原理和铁水加入方法电炉采用热装工艺后,代替传统的等量生铁配碳,使电炉的物料平衡和能量平衡发生显著变化。铁水带入大量的碳,熔化期、氧化期充分利用吹氧脱碳化料升温。提前结束熔化期,很快进入氧化期,脱碳速度明显高于传统工艺,缩短冶炼时间。如果熔清碳较高,可充分利用碳—氧反应热,停电吹氧脱碳,使钢水温度迅速上升,顺利进入还原期。铁水带入大量的物理和化学热,使供电制度发生变化,最终影响到整个电炉炼钢工艺。实践证明:电炉热装工艺对冶炼高碳钢更为有利。铁水加入方法对工艺效果有显著影响。根据目前使用本工艺的工厂的经验,铁水的加入方法大致有以下几种。(1)出钢后,补炉,装石灰,加铁水,最后加废钢,通电。(2)装入一批废钢或两批废钢,通电,基本熔化后再加铁水。(3)先加废钢,通电5～10min穿井后,打开炉盖,用吊车从上方把铁水倒入“井”内。(4)采用可开行的带倾动铁水包的流槽车,从炉体上的固定孔加入铁水。前两种方法有较强的可操作性。第3种方法不但热损大,事故多,而且易使铁水与废钢粘结在一起,加剧了“搭桥”现象。钢水温度上升后,废钢不断滑入熔池,造成严重沸腾,所以采用此法尤要谨慎。第4种方法大大降低了热损失,减少了事故隐患。欧洲第1家采用这种加铁水技术的是比利时的Cockerrill厂,140t的带指型托架竖炉的直流炉,通电后可在15～20min内将50t铁水从流槽内兑入炉内。3热装工艺特点电炉采用热装工艺的特点主要体现在以下几个方面［1］。首先是配料制度发生变化。铁水配入量在10%～50%范围内,一般为30%左右。其次是脱碳工艺和造渣制度有所不同。加入铁水后,铁水带入大量碳,加上冶炼时间缩短,相应要求大大加快脱碳速度(大于0.10%/min),供氧速度也要加大(大于2m3/t．min)。当加入30%铁水时,氧气耗量要达到25～35m3/t。加入铁水,钢中硅、磷增加,所以造渣用的石灰用量相应增加。最好应用泡沫渣操作,快速脱磷。第3是废气排放量也有影响。热装工艺的脱碳速度加快,炉内CO废气量增加,增加了除尘设备的负荷。在有条件的工厂,可进一步发挥二次燃烧和废钢预热的作用,充分利用废气余热。最后供电制度也要作相应调整。如加入30%的铁水,带入的热量相当于电炉总输入能量的40%左右,故电能输入可相应减少。节约电耗的关键在于供电制度最佳选择和炉前操作工艺。考虑供电制度应以热平衡为基础,根据铁水比、冶炼时间、终点钢水温度和成分等多种因素来确定。现以公称5t电弧炉冶炼20MnSi为例,传统的供电制度如图1所示,每炉钢冶炼时间为155min左右,冶炼电耗483kWh/t。加入50%铁水后,供电制度就如图2所示,这时每炉冶炼时间减少10%左右,吨钢电耗也明显降低［2］。图1传统炼钢供电曲线图2热装工艺供电曲线与传统炼钢方法相比,热装工艺配电制度的变化主要表现熔化期及氧化期。控制熔化期电压、电流,使熔化期相对延长,增加熔化期脱碳量,保证化料过程中的熔池温度。熔清时,钢液温度较高,短时升温即可满足氧化期脱碳要求,减少了氧化期脱碳量和脱碳时间,这样降低了电弧炉熔炼过程中的热量损失,充分发挥了热装工艺在氧化期吹氧脱碳升温化料的长处。4经济效益电炉热装工艺最明显的效益是降低电耗。但其降低电耗的效果与多种因素有关,例如:铁水加入方法、电炉容量大小、炉料的组成、炉料预热情况等。一般认为每增加1%的铁水,吨钢可节电3～4kWh。铁水比与节电量之间的关系如图3所示［4］。图3铁水比与节电量之间的关系热装工艺除降低电耗外,还有多种效益,如:(1)缩短冶炼周期,提高生产率,提高产量,在实验型180kVA直流电弧炉上装入10%～50%铁水试验表明，每加入10%铁水,可使冶炼时间缩短7%,电耗降低6%［3］；(2)减少耐材、电极等各种消耗;(3)可稀释劣质废钢带入的有害元素,减少残余有害元素含量,提高产品质量;(4)充分利用碳—氧反应,降低钢水的氮含量，比利时Cockorill厂全废钢出钢氮(7～8)×10-3%,热装35%铁水出钢氮低于4.5×10-3%。5存在的问题及解决办法5.1废气除尘及排放问题电炉热装工艺虽可节约能源,提高产量和质量,但由于脱碳量加大,脱碳速度加快,要产生大量的过程气体(主要是CO)。在有二次燃烧或废钢预热设备的工厂,可充分利用这些废气,进一步发挥二次燃烧或(和)废钢预热的作用,强化余热利用。在没有二次燃烧和(或)废钢预热的工厂,势必要增加环境污染,即使原来有除尘装置的电炉,想利用原装置来排除所有过程气体,恐怕也会显得能力不足。如何处理电炉热装工艺过程中产生的多余气体，Lcor公司Pretoria厂利用成本—效益法,很好地解决了这个问题。对于成功使用铁水炼钢工艺具有广泛的借鉴作用［5］。该厂现有125t电弧炉两座,使用Corex设备年产铁水30万t,取代了原有高炉,电弧炉最多装入50%铁水。铁水平均含碳量为4.5%。由于碳的氧化,在炼钢过程中产生大量废气。原车间的废气排放系统是为采用100%废钢设计的,改用铁水/废钢混合料后,原排放系统来不及排放这些气体,而且由于废气温度过高(150℃),使滤袋器无法工作。Ppetoria厂重新设计了废气管道(图4),采用下列3条措施,较好地解决了加入铁水后废气过量和环境污染问题:图4Pretoria工厂重新设计的废气管道(1)使用大功率风扇,安装固定的废气排放系统,保证压力维持在7KPa左右;(2)不但对现有的主要除尘设备进行改造,而且再投资安装新风扇,加大排放管道直径;(3)对弯头、大小头、过滤器管道等具有较大阻力的管道进行重新设计和安装；Pretoria厂采用100%废钢,生产率为45t/h,加入50%铁水后,生产率提高到72t/h。5.2铁水来源问题如何解决电炉铁水的来源问题也是国内外采用热装工艺的电炉钢厂迫切需要解决的课题。目前,有以下几种方法供电炉用铁水:(1)应用现有的高炉铁水;(2)与转炉统筹安排,挤出铁水供电炉使用;(3)有条件的地方计划上小高炉,专为电炉供铁水。近年来,国外有些短流程钢厂已开发出专供电炉热装铁水的新工艺。典型工艺有以下两种：(1)Fastmet直接还原+DRI预熔器铁水生产工艺Fastmet工艺是Midrex公司开发的一种含碳球团直接还原工艺。该工艺是将矿粉或氧化铁粉和碳粉(煤粉)混合,制成含碳球团,送入环形转底炉。在1300～1350℃温度下,经过20～30min,球团从转底炉内出来,即是DRI。由于DRI中有大量灰粉和脉石,如直接将DRI加入电炉会降低经济效益,故从转底炉出来的DRI先放入一种类似于矿热炉的电炉(预熔器)内,熔成铁水后再供应电炉。Fastmet+DRI预熔器工艺流程图见图5。图5直接还原铁水生产工艺流程图(2)新型竖炉工艺采用新型竖炉熔炼含碳自还原球团新工艺已在国外获得成功,并正在建设年产30万t铁水的炉子专供电炉热装工艺使用。这种工艺以铁矿混合氧化铁皮、污泥、电炉粉尘等废料为原料,配入定量的碳粉加入少量粘结剂,混匀造球。然后与一定配比的焦炭、熔剂装入竖炉内,经预热、还原、熔化,最后在炉缸里渣、铁分离。铁水成分类似于高炉铁水。这是一种全新的炼铁工艺。6我国热装工艺用状况及发展方向我国有高炉的电炉钢厂已在电炉热装铁水方面做了大量的工作,取得了很好的效果,另外,大多数的电炉钢厂在炉料配加生铁方面都有成熟的经验,这些都为进一步推广应用电炉热装工艺打下了坚实的基础,因此,我国对热装工艺的研究、应用起步较早。在1993年,南京第二钢铁厂就进行过向电炉中兑入部分铁水代替生铁配碳的试验［6］。该厂有容积100m3的高炉2座,每座高炉每次出铁量13t左右,平均每炉出铁时间为2h。试验电炉公称5t,钢种20MnSi。电炉出钢后,迅速补炉,吨钢铺底石灰20kg左右,兑入铁水,二次进料。吹氧助熔较传统工艺早15～30min。熔化期吹氧脱碳0.40%左右,氧化期脱碳0.30%左右。试验结果热装工艺每炉可节省冶炼时间30min左右,吨钢平均节电137kWh。1996年,该厂分别在两座5t电弧炉和1座20t电弧炉上全面采用热装工艺。正常需求铁水量150～180t/d,2座高炉基本满足要求。同时,1500m3/h的制氧机完全满足3座电炉新工艺用氧要求。采用新工艺后,5t电弧炉铁水比为35%,吨钢电耗下降127kWh,每炉冶炼时间平均缩短15min;20t电弧炉铁水比25%～30%吨钢电耗平均下降102kWh,冶炼时间平均缩短14min。另外,降低了电极消耗,延长了炉衬、炉盖寿命［7］。经过几年的实践,南钢在铁水比、铁水加入方法、碳的控制技术等方面积累了丰富的操作经验,总的生产效率提高16%［8］。1995年10月28日，安钢首次在10t电炉上采用热装工艺获得成功,技术指标达到国际先进水平［9］。热装铁水25%～30%,经在生产中长期使用,电耗下降92.57kWh/t,冶炼周期缩短32min,工序能耗下降37.38标煤,这对改善电炉的炉料结构,寻求更加合理的废钢用品,具有广泛的推广应用价值。淮阴钢厂5t电炉,铁水比50%,电耗降低200KWh/t,冶炼周期缩短30min;该厂70t电炉,兑入铁水28%,电耗降低110kWh/t。上海浦钢100t直流电弧炉,铁水比20%～28%,电耗降低80～100kWh/t,冶炼周期缩短45min。根据国内外的生产经验,电弧炉热装工艺主要适合于中小型普通功率电弧炉,也可用于高功率、超高功率大型电弧炉,但前者效果更为明显。我国电炉装备的特点是数量多,容量小,比功率低,工艺设备较落后,目前全国有电炉1400多座,大多数为中小型普通功率电弧炉,公称容量3t以下的电弧炉要占50%左右。对于这些小型电炉,应结合其设备及产品结构的具体情况,有条件的要积极应用热装工艺,暂时没有条件的要创造条件,加强电弧炉—精炼炉—连铸三位