電弧爐冶煉電耗控制的研究

電弧爐冶煉電耗控制的研究

1安鋼及其回爐電耗節(jié)約能源是確保經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。鋼鐵企業(yè)是能耗大戶,電能是鋼鐵企業(yè)主要的能量投入項(xiàng),電弧爐煉鋼過程的主要能源是電能,節(jié)約電能對增加鋼鐵企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、提高企業(yè)技術(shù)和管理水平有重要意義。安鋼100t豎式電弧爐自1999年11月投產(chǎn)以來,通過技術(shù)創(chuàng)新、加強(qiáng)管理和提高操作水平,實(shí)現(xiàn)了冶煉電耗的持續(xù)降低,噸鋼電耗最低達(dá)160kW·h。本文對電弧爐冶煉電耗進(jìn)行了理論分析,根據(jù)電弧爐冶煉周期的綜合控制理論,對安鋼電弧爐冶煉電耗低的經(jīng)驗(yàn)作了系統(tǒng)的討論總結(jié),希望對降低大型電弧爐的能源成本、使國內(nèi)大型電弧爐冶煉電耗指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平有所裨益。210主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)安鋼100t電弧爐是FUCHS公司開發(fā)的超高功率帶指形裝置的豎式交流電弧爐(UHP-FSF),采用的電弧爐煉鋼新技術(shù)有:超高功率供電技術(shù)、水冷爐壁技術(shù)、水冷碳氧槍技術(shù)、泡沫渣技術(shù)、爐壁燒嘴技術(shù)、豎爐廢鋼預(yù)熱、鐵水熱裝技術(shù)、圓心底出鋼技術(shù)、電極噴淋技術(shù)。電弧爐主體裝備技術(shù)水平達(dá)到90年代國際先進(jìn)水平,其主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表1。其操作工藝為:出鋼口填砂→打開手指裝入第一批廢鋼料→開啟氧油燒嘴、送電、兌鐵水、吹氧→電耗5～9MW·h時(shí)兌鐵水完畢,停電加入第二批廢鋼料→送電、吹氧,廢鋼熔清后測溫、取樣、停氧油燒嘴→成分、溫度合適準(zhǔn)備出鋼。3提高需求:tb從能量平衡的角度考慮,電弧爐冶煉周期可以用下述公式計(jì)算:t=t1+t2(1)t1=(C×W×60)/(Peηcosφ+Pc+Pp)(2)C=(Peηcosφ+Pc+Pp)×t1/(W×60)(3)C=Ce?Cc?Cp(4)t=t1+t2(1)t1=(C×W×60)/(Ρeηcosφ+Ρc+Ρp)(2)C=(Ρeηcosφ+Ρc+Ρp)×t1/(W×60)(3)C=Ce-Cc-Cp(4)式中t——電弧爐冶煉周期(出鋼至出鋼時(shí)間),min;t1——供能時(shí)間,min;t2——熱停工時(shí)間,min;W——鋼液質(zhì)量,t;Pe——表觀輸入電功率,kW;η——電效率;cosφ——功率因數(shù);Pc——由化學(xué)熱換算成的電功率,kW;Pp——由物理熱換算成的電功率,kW;C——冶煉電耗,kW·h/t;Ce——Cc與Cp為0的電耗,kW·h/t;Cc——由于化學(xué)熱導(dǎo)致的節(jié)電,kW·h/t;Cp——由于物理熱導(dǎo)致的節(jié)電,kW·h/t。由式(3)可見,提高噸鋼輸入功率,可提高η,通電時(shí)間縮短,電耗降低;噸鋼輸入能量少,即(Peηcosφ+Pc+Pp)/W小,減少噸鋼輸入功率,可能使通電時(shí)間延長,電耗增加。為此,提高噸鋼輸入能量有利于降低電耗。由式(1)可見,減少熱停工時(shí)間,可以減小t,減少能量損失,提高生產(chǎn)率,降低電耗?？傊?縮短冶煉周期是降低電弧爐冶煉電耗的基本途徑。4電弧爐冶煉周期的綜合控制理論由式(1)～(4)可見,為了縮短冶煉周期,必須提高噸鋼輸入功率(包括表觀輸入電功率、電效率及功率因數(shù))、化學(xué)熱和物理熱、降低電耗和減少熱停工時(shí)間,這就是電弧爐冶煉周期的綜合控制理論。下面根據(jù)安鋼的生產(chǎn)實(shí)踐,簡單介紹電弧爐冶煉周期的綜合控制理論的應(yīng)用。4.1鐵水加入比例安鋼從1993年開始,在出鋼量為25t的電弧爐(公稱容量10t)上進(jìn)行了熱裝鐵水操作及合理鐵水裝入量的試驗(yàn)。研究結(jié)果表明,有一最佳鐵水加入比例。這一最佳值與爐子的供氧能力有關(guān),當(dāng)供氧能力大時(shí),兌鐵水比例增至50%,噸鋼電耗仍在下降,見圖1。從圖1可知,當(dāng)兌鐵水比例增至50%時(shí),噸鋼電耗可降至160kW·h。熱裝鐵水可以有效地降低電耗,熱裝30%鐵水,可降低噸鋼電耗100kW·h左右。4.2安鋼電弧爐無功功率供電檢測優(yōu)化供電制度,可提高有效功率,即增加Peηcosφ。安鋼100t豎式電弧爐供電系統(tǒng)配備動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置(SVC),采用低電流高電壓長弧操作。生產(chǎn)運(yùn)行過程中,對入爐料及不同的鐵水配比進(jìn)行跟蹤測試,隨著產(chǎn)量的不斷提高,并根據(jù)電路電氣特性曲線,兩次修改制定供電曲線,優(yōu)化供電制度,保證電弧穩(wěn)定的同時(shí),充分利用電弧功率。根據(jù)電弧爐留鋼留渣、熱裝鐵水等工藝情況,安鋼100t豎式電弧爐有功功率供電曲線如圖2所示。采用低功率起弧、高功率穿井,熔池形成后最大功率供電,鋼水升溫速度較快。在操作上采取熔化期和氧化期結(jié)合方式,做好低溫脫磷,氧化末期泡沫渣效果差,可降低有功功率輸入。由圖2可見,安鋼100t電弧爐供電有功功率高達(dá)55～60MW,變壓器功率應(yīng)用較充分(額定功率為72MW)。4.3石灰渣造林安鋼100t電弧爐冶煉鋼種90%為低碳鋼,采用留鋼留渣操作。爐渣主要化學(xué)成分見表2。實(shí)踐表明,留鋼留渣中FeO含量高,加快泡沫渣的形成;適時(shí)加入石灰,渣中形成第二相粒子2CaO·SiO2,可提高爐渣的穩(wěn)定性,延長泡沫化時(shí)間。特別值得指出的是安鋼首創(chuàng)了采用改性生鐵造泡沫渣的技術(shù)。改性生鐵是由鐵水和高品位燒結(jié)礦鑄壓成形的一種新的廢鋼代用材料(燒結(jié)礦約占20%),為安鋼自主開發(fā)產(chǎn)品。改性生鐵內(nèi)部含有的燒結(jié)礦與生鐵中的碳發(fā)生氧化反應(yīng),起到沸騰、造泡沫渣作用。4.4化學(xué)熱及氧燃燒敞氣提高Pc,有利于縮短冶煉周期,Pc主要來自鋼中元素氧化的化學(xué)熱及氧燃燒嘴提供的化學(xué)熱。元素(主要是碳)氧化的化學(xué)熱可占煉鋼所需總能量的30%左右,當(dāng)二次燃燒率高時(shí),這一比例還會更大些;氧燃燒嘴提供的化學(xué)熱一般占總能量的5%～10%。4.4.1氧油、輕柴油氧油燒嘴使用效率一方面取決于廢鋼溫度與受熱面積,熔化初期廢鋼受熱面積大,燒嘴效率可高達(dá)80%,另一方面,燒嘴完全燃燒取決于在不同時(shí)間溫度階段合適氧油比例,氧氣、輕柴油的理想配比為2.33∶1,100t電弧爐氧氣與柴油消耗實(shí)際比例為2.85∶1。適當(dāng)過量氧氣可以保證燃燒效果。同時(shí)根據(jù)豎井設(shè)計(jì)特點(diǎn)及采用負(fù)壓操作形式,氧化反應(yīng)產(chǎn)物CO氣體通過氧油燒嘴上方位置,CO氣體與氧油燒嘴過量氧氣反應(yīng),增加二次燃燒熱,加快豎井內(nèi)廢鋼熔化。生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明噸鋼油耗量在6.5～7L較為合適,噸鋼油耗增加到9.5L,噸鋼冶煉電耗并沒有降低,主要是由于廢鋼料熔清后氧油燒嘴繼續(xù)燃燒,燃油能量利用效率低。4.4.2供氧電弧爐的電化學(xué)生產(chǎn)過程1m3氧氣與碳反應(yīng),當(dāng)碳完全燃燒時(shí),化學(xué)熱換算的電能應(yīng)有7.41kW·h,但目前實(shí)際為4kW·h左右。電弧爐供氧帶來的節(jié)電效果是通過Fe、C氧化放熱來實(shí)現(xiàn)的。鋼液中碳含量大于0.3%時(shí),無需配碳造泡沫渣;碳含量低于0.3%,泡沫渣效果不好,且氧化反應(yīng)放熱少,升溫困難,要通過噴吹碳粉或加入焦粒造泡沫渣,氧化放熱及泡沫渣的屏蔽對冶煉電耗的降低有很好的效果。4.5提高操作水平，縮短操作周期4.5.1出入量為400t時(shí),+鋼指數(shù)和原料配比安鋼100t豎式電弧爐總裝入量控制在125t時(shí),單位時(shí)間鋼產(chǎn)量最高;在合適的爐容量內(nèi),裝入量增加,噸鋼電耗有下降趨勢,當(dāng)裝入量為136t時(shí),噸鋼冶煉電耗為206kW·h,提高了電能利用率。對電弧爐煉鋼來說,廢鋼是基本原料,在生產(chǎn)方面除加強(qiáng)廢鋼管理、預(yù)加工過程中挑選和分離外,還應(yīng)注意禁止配入長的輕薄料、長的鋼絲繩,以防二批料加入后廢鋼料在豎井內(nèi)搭橋。豎爐正常塌料電耗為14～18MW·h,如電耗超過18MW·h未塌料就會影響冶煉時(shí)間和冶煉電耗,生產(chǎn)實(shí)踐表明塌料遲一般能影響噸鋼電耗25kW·h。4.5.2后期脫磷、增磷脫磷反應(yīng)放出熱量較少,但生產(chǎn)中如脫磷操作不當(dāng),造成后期脫磷,會延長冶煉時(shí)間、增加噸鋼冶煉電耗。脫磷操作上要做好前期低溫脫磷,控制好爐渣堿度和氧化性。4.5.3縮短熱中斷時(shí)間熱停工時(shí)間是指裝廢鋼時(shí)間、接電極時(shí)間、出鋼時(shí)間、補(bǔ)爐時(shí)間。安鋼100t豎式電弧爐熱停工時(shí)間每爐僅3～5min。4.5.4其他節(jié)能技術(shù)高效化生產(chǎn)、合適的出鋼溫度、紅包出鋼、減少下渣量、定期對設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性維修以減少設(shè)備故障等措施,對降低冶煉電耗也很有效。4.6經(jīng)濟(jì)效益分析安鋼100t交流豎式電弧爐,應(yīng)用電弧爐冶煉周期綜合控制理論指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐,收到了良好效果,電弧爐冶煉周期平均為41min,2003年鋼產(chǎn)量達(dá)108萬t,生產(chǎn)率超過每噸爐容量每年1萬t,電弧爐冶煉電耗平均為222kW·h/t,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。5安鋼、鐵、鋼的應(yīng)用(1)對電弧爐冶煉電耗進(jìn)行了理論分析,指出降低電弧爐冶煉電耗的基本途徑是縮短冶煉周期。(2)在安鋼的條件下,當(dāng)鐵水加入量為50%時(shí),電耗可降至180kW·h