電爐煉鋼工藝優(yōu)化

#電爐煉鋼工藝優(yōu)化摘要：針對(duì)國(guó)內(nèi)電弧爐煉鋼技術(shù)存在的問題， 探討了電弧爐煉鋼強(qiáng)化工藝：改善爐料結(jié)構(gòu),優(yōu)化冶煉工藝，開發(fā)環(huán)保技術(shù)。關(guān)鍵詞：電爐；廢鋼；直接還原鐵；環(huán)保1冃U言由于電爐鋼的投資少，勞動(dòng)生產(chǎn)率高，經(jīng)濟(jì)規(guī)模小且對(duì)環(huán)境的影響小，因此，近年來，電爐正在迅速發(fā)展，電爐鋼的增長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氧氣轉(zhuǎn)爐鋼的增長(zhǎng)。自20世紀(jì)90年代以來，國(guó)內(nèi)先后引進(jìn)了30多座先進(jìn)的超高功率電弧爐，但與世界先進(jìn)水平相比，仍存在不足和差距，主要表現(xiàn)在：高水平的裝備，低水平運(yùn)行。廢鋼預(yù)熱效率低，爐襯壽命低，偏心底出鋼自然開澆率低，連澆爐數(shù)低及鑄坯熱送比例低。一條短流程生產(chǎn)線投產(chǎn)后形成一流的裝備， 二流的工藝，三流的原料等被動(dòng)局面。廢鋼爐料質(zhì)量差，裝料次數(shù)多、 時(shí)間長(zhǎng)；熔氧結(jié)合工藝效果差，跟不上超高功率電弧爐的節(jié)奏；泡沫渣操作不穩(wěn)定，發(fā)泡厚度低、維持時(shí)間短，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)弧操作等。配套技術(shù)不完善。如氧一燃燒嘴、機(jī)械手氧槍及二次燃燒等國(guó)外已成熟的技術(shù)，國(guó)內(nèi)大多數(shù)沒有采用，少數(shù)采用的，效果不理想。環(huán)境污染嚴(yán)重。大部分超高功率電弧爐有排煙除塵設(shè)備，但效果不理想，電爐噪音急待解決。電爐高溫?zé)煔饫速M(fèi)，廢渣的回收利用幾乎為空白及電網(wǎng)公害、 用電質(zhì)量低下等。因此，有必要對(duì)電弧爐煉鋼工藝作進(jìn)一步探討，以實(shí)現(xiàn)工藝效果的最佳化。2電弧爐煉鋼工藝優(yōu)化2.1優(yōu)化爐料結(jié)構(gòu)2.1.1廢鋼高溫預(yù)熱該項(xiàng)技術(shù)利用廢氣顯熱或燃燒熱將廢鋼預(yù)熱到較高溫度、 然后以連續(xù)或半連續(xù)上料方式加入電爐。對(duì)于這種廢鋼高溫預(yù)熱技術(shù)，其功能要求有：O 1防止廢鋼在高溫預(yù)熱時(shí)粘結(jié)；②提高預(yù)熱效率；③預(yù)防廢氣中未燃CO的安全措施；③預(yù)防二惡英及難聞氣體的措施； ③設(shè)備上要求裝爐廢鋼形狀的自由度增大；開發(fā)經(jīng)濟(jì)的、緊湊式、耐磨損設(shè)備。為此，應(yīng)加大以下技術(shù)開發(fā)：G)挖掘吹氧潛力，控制廢氣溫度；⑦向燃燒室添加廢鋼的技術(shù)和廢氣燃燒技術(shù)；O3co防爆技術(shù)；04廢氣處理技術(shù)；o5利用夾具、推桿等裝置，穩(wěn)定地完成各種形狀廢鋼上料操作；O6設(shè)備冷卻及耐火材料選擇。電爐煙氣含熱占其總支出熱的 17%~18%，應(yīng)利用其預(yù)熱廢鋼降低電耗，近幾年國(guó)外開發(fā)出幾種利用煙氣余熱并外加一次能源的新型電爐：雙殼豎爐電爐( CSF)、單殼豎爐電爐(SSF)、連續(xù)弧豎爐電爐(CONTIARC)。這些新型電爐有如下特點(diǎn)：使用雙或單爐殼，并在爐頂預(yù)熱廢鋼；除利用煙氣余熱外，采用天然氣或油、煤、碳粉等和氧氣結(jié)合預(yù)熱廢鋼和冶煉，其中CONTIARC(90MV?A)的煙氣余熱利用率最高，達(dá)90%；電能消耗明顯降低，但如加上非電能的總能耗，與一般 UHP電爐相差并不太多，其主要意義在于使用一次能源代替電能，提高能源利用率；CONTIARC密封性較好，熱效率較高，性能優(yōu)于其它兩種。 SSF雖占地較小，但其橢圓形爐殼的爐內(nèi)壁熱負(fù)荷不夠均勻，會(huì)影響變壓器功率的發(fā)揮，且出鋼口在爐內(nèi)維護(hù)不太方便。CSF雖占地稍多，但與SSF相比參數(shù)較好。如將廢鋼預(yù)熱到800C,電耗可望降低70kWh/t⑴。2.1.2開發(fā)替代鐵資源必要性隨著電爐煉鋼業(yè)的發(fā)展，廢鋼短缺。解決電爐所用金屬料問題已經(jīng)越來越突出地?cái)[在我們面前。據(jù)世界金屬導(dǎo)報(bào)預(yù)測(cè)，中國(guó)廢鋼短缺將更顯得嚴(yán)重。 近年來，我國(guó)的電爐發(fā)展迅速，僅江蘇及上海就有15臺(tái)大電爐投產(chǎn)，生產(chǎn)能力達(dá)到 700萬t,福建、廣東、云南等地也有一批電爐投產(chǎn)。這些地區(qū)只能解決部分廢鋼供應(yīng)，部分要依賴外購(gòu)， 廢鋼問題尤為突出。 我國(guó)每年廢鋼缺口達(dá)到500~800萬t［2］，且短期內(nèi)難于緩解。目前世界廢鋼市場(chǎng)需求大于供給，廢鋼價(jià)格上揚(yáng)，依賴進(jìn)口，將使電爐鋼很難有什么經(jīng)濟(jì)效益。隨著廢鋼多次循環(huán)使用以及涂鍍層鋼鐵制品的增加， 廢鋼中有害雜質(zhì)不斷增加， 特別是Sn、As、Cu、Sb等，它們?cè)谝睙挄r(shí)大多無法或難于去除而成為鋼中的殘留元素。這些有害元素在鋼水凝固時(shí)多數(shù)在晶界析出， 鋼坯在高溫加熱時(shí)，又在表面富集，因此形成了低熔點(diǎn)區(qū)，極易形成熱脆。鋼的塑性、延伸率、沖擊韌性降低。部分合金結(jié)構(gòu)鋼中五害元素( Pb、As、Sb、Bi、Sn)增加，在320~400C或520~570C回火處理時(shí)引起回火脆性，尤其對(duì)中溫長(zhǎng)期應(yīng)用的更為危險(xiǎn)。 五害元素的增加還會(huì)導(dǎo)致鋼的焊接冷裂紋敏感性， 在板材上影響成型性。因此，應(yīng)將五害元素控制在一個(gè)較低的水平。 對(duì)優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼，五害元素含量應(yīng)分別控制在w0.02%。為此，可采用以下措施：O1在入爐原料中配入一部分直接還原鐵和生鐵起稀釋作用。①用機(jī)械方法或化學(xué)處理工藝去除循環(huán)舊廢鋼中的有害雜質(zhì)元素， 但會(huì)增加成本。生鐵我國(guó)生鐵價(jià)格與國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)廢鋼價(jià)格相近。生鐵中金屬殘余元素很低，因而含 S、P較低的生鐵也是一種冶煉優(yōu)質(zhì)鋼的金屬爐料。我國(guó)在這方面已有成功的經(jīng)驗(yàn)。巴西MJS公司10多年來在84tUHP電爐爐料中配加35%的冷生鐵，效果很好。電耗、電極和耐火材料的消耗降低，冶煉時(shí)間縮短，生產(chǎn)率提高，僅吹氧管消耗和石灰消耗略有增加。其中氧耗增加1m3/t相應(yīng)節(jié)電3.6kWh/t。同時(shí)由于吹氧脫碳沸騰時(shí)的脫氣作用，鋼水中氮含量(比全廢鋼冶煉)顯著降低。加之生鐵中殘余元素含量很低 (Cu+Cr+Ni+Sn=0.04%),因而鋼質(zhì)量達(dá)到了優(yōu)質(zhì)鋼的要求［3］。熱裝鐵水，是當(dāng)今的熱門話題。熱鐵水中的金屬殘余元素含量很低， 而且每噸熱鐵水大約攜帶有500kW?h的熱量，其中物理熱大約為 300kW?h，化學(xué)熱(與氧作用后)大約為200kW?h。配加30%熱鐵水，電耗約降低 100kWh/t，配加50%的熱鐵水，電耗降低可達(dá)200kWh/t⑶。電爐兌裝大量鐵水帶來的問題是脫C速度的限制。電爐的脫C速度一般為0.1%［C］/min,低于轉(zhuǎn)爐中0.3%［C］/min的脫C速度［4］，因而電爐中鐵水兌裝量不宜超過50%。此外，鐵水脫碳產(chǎn)生的爐氣量較大，爐氣處理系統(tǒng)負(fù)擔(dān)加重，故熱鐵水總裝入量以 30%~40%為宜。鐵水的生產(chǎn)有高爐法和熔融還原法。當(dāng)今世界上許多國(guó)家都致力于無焦冶金一熔融還原法。最近十年來開發(fā)的熔融還原煉鐵技術(shù)很多，大多數(shù)尚處于試驗(yàn)研究階段。 COREX法是目前世界上唯一實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的熔融還原煉鐵技術(shù)。 在美國(guó)、澳大利亞、意大利等國(guó)得到了發(fā)展(150~200萬t/a)。就資源及生態(tài)環(huán)境而言，該法更適合我國(guó)國(guó)情。直接還原鐵采用煤基和氣基DRI煉鋼技術(shù)有如下優(yōu)越性：O1鋼中有害元素Sn、Sb、As、Bi含量大幅度降低，提高了鋼材斷裂韌性、熱加工塑性、冷加工可塑性；O 2鋼中s、P含量降低，提高鋼材沖擊韌性，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度；③縮短電爐精煉期，提高Ni、Mo等有價(jià)元素收得率。⑷降低鋼中［H］及［N］含量；③用DRI煉優(yōu)質(zhì)合金鋼熱變形能力良好， 適合于作深沖鋼板；⑨用煤基回轉(zhuǎn)窯法生產(chǎn)DRI可不經(jīng)冷卻筒直接熱裝電爐，可提高電爐生產(chǎn)率與降低噸鋼電耗。在我國(guó)，煤炭資源豐富，而石油及天然氣供需不平衡，因此， 發(fā)展煤基直接還原鐵更適合我國(guó)資源條件。煤基直接還原流程成熟的工藝是德國(guó)的 SL/RN法、英國(guó)的DRC法、法國(guó)的Codir法等。國(guó)內(nèi)本鋼南芬礦、遼陽(yáng)棉花堡礦、山東金嶺礦、太鋼尖山礦、陜西大南溝礦、安徽霍邱礦及海南礦均符合 DRI要求，有一定資源條件。目前遼寧喀左縣、吉林樺甸、河南登封、魯中礦山公司等地正在推廣回轉(zhuǎn)窯直接還原技術(shù)。 天津大無縫鋼管廠引進(jìn)英國(guó) Davy公司關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備，興建了年產(chǎn) 30萬tDRI的兩條$5mx80m回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線。直接還原鐵技術(shù)發(fā)展動(dòng)向：1） 熱壓鐵塊（HBI）。經(jīng)還原工藝生產(chǎn)的直接還原鐵在高溫狀態(tài)下壓縮成形好，成為高體積密度的型塊，且具有高的導(dǎo)電率和熱傳導(dǎo)率。 高密度意味著可促進(jìn)熔化和減少氧化所造成的鐵損。而且熱壓鐵塊在煉鋼操作中具有降低鋼中殘余元素和硫含量的稀釋效果。 近幾年來，全世界所生產(chǎn)的直接還原鐵中熱壓鐵塊的比例在逐年增加。2） 碳化鐵（Fe3C）。碳化鐵是以鐵精礦粉為原料，用合成煤氣（用部分轉(zhuǎn)化的天然氣合成）在流態(tài)化床中反應(yīng)生成的產(chǎn)品，反應(yīng)式為： 3Fe2O3+5H2+2CH4=2Fe3C+9H2O碳化鐵具有不自燃、流動(dòng)性好的特點(diǎn)，它含磷、硫低，碳含量高，冶金性能好，其成本低于海綿鐵和熱壓鐵塊， 是一種理想的煉鋼原料。 我國(guó)的海南、新疆、四川等地有較大的天然氣和鐵礦貯量，尤其是國(guó)外優(yōu)質(zhì)鐵礦的大量進(jìn)口， 這些為我國(guó)生產(chǎn)碳化鐵提供了客觀的資源條件。電爐鋼廠可采用直接還原鐵+生鐵+廢鋼的爐料結(jié)構(gòu)， 根據(jù)鋼質(zhì)量要求和直接還原鐵的價(jià)格，考慮合適的配加量以滿足冶煉優(yōu)質(zhì)鋼的要求和解決廢鋼不足問題。采用 30%~40%的熱鐵水+廢鋼的爐料結(jié)構(gòu)， 有利于提高電爐鋼的質(zhì)量和降低電耗及成本， 這也是一種解決廢鋼短缺的合理對(duì)策。2.2優(yōu)化冶煉工藝單元工序的技術(shù)進(jìn)步在于順應(yīng)系統(tǒng)總體優(yōu)化的要求，電爐煉鋼是電爐鋼廠的上流工序，是全廠生產(chǎn)順利流暢的前提。優(yōu)化電爐冶煉工藝的指導(dǎo)思想是以保證質(zhì)量為基礎(chǔ)， 以提高生產(chǎn)率為目標(biāo)，在實(shí)現(xiàn)電爐冶煉一連鑄匹配的同時(shí)使各項(xiàng)消耗和成本大幅度降低。 近年來先進(jìn)電爐鋼廠采取的技術(shù)措施如圖 1所示。⑴電弧爐的功能分化現(xiàn)代電弧爐冶煉工藝，改變了傳統(tǒng)的 “老三期”一統(tǒng)到底的落后工藝路線， 變成廢鋼預(yù)熱（SPH）—超高功率電弧爐（UHP）—二次精煉（SR）配合連鑄或連軋，形成高效節(jié)能的“短流程”優(yōu)化流程，見圖 2。其中把熔化期的一部分任務(wù)分出去，采用廢鋼預(yù)熱，再把還原期的任務(wù)移到爐外，采用熔氧期合并的快速冶煉工藝。（2） 強(qiáng)化用氧為降低電耗采用氧燃燒嘴和氧碳噴吹強(qiáng)化冶煉，這兩項(xiàng)措施可使 UHP電爐冶煉周期縮短到1h左右，并可分別降低電耗30和60kW?h/t,從而使熔化電耗降低到340~350kW-h/t[5],但需結(jié)合廠情，且用氧參數(shù)要合理。氧壓一般要求在 0.5~0.6MPa，吹氧時(shí)間不宜過長(zhǎng)，以防熱損失增加而降低了吹氧作用。 有的廠廢鋼處理未達(dá)到期尺寸要求， 在爐內(nèi)吹氧切割大塊廢鋼，也使氧耗量增加。（3） 動(dòng)態(tài)控制方法的開發(fā)該方法通過檢測(cè)廢氣成分等來確定泡沫渣的狀況， 并將此信息反饋到操作條件中。 此方法可望降低電耗10Kw-h/t[1]，并能提高金屬收得率。（4） 提高LF處理率LF處理率提高到60%以上，可大大提高電爐生產(chǎn)率， 提高鋼水終點(diǎn)成分及溫度命中率，提高連鑄生產(chǎn)率，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量。通過降低出鋼溫度，縮短精煉時(shí)間等改進(jìn)措施， 能降低電耗25~30kW-h/t。2.3優(yōu)化環(huán)保工藝制造流程優(yōu)化是節(jié)能、清潔生產(chǎn)最根本的支撐力量。電爐工藝在未來的發(fā)展中必須注重環(huán)保，和環(huán)境友好共存，并使無害化處理的負(fù)擔(dān)最小化。 這方面主要的技術(shù)包括： 降低廢氣中二惡英濃度的技術(shù)；電爐煙塵的處理技術(shù)；噪音的抑制；電網(wǎng)公害的抑制。降低二惡英濃度的技術(shù)措施控制廢氣溫度，促使二惡英分解并防止其再合成；使用活性炭等吸附二惡英。煙塵處理電弧爐煉鋼產(chǎn)生的煙塵〉20000mg/m3,占出鋼量的1%~2%(特別是強(qiáng)化吹氧時(shí))，因此，電弧爐必須配備排煙除塵裝置，使排放粉塵含量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)(v 150mg/m3)。目前，普遍采用爐頂?shù)谒目着艧煼ā?為改進(jìn)環(huán)保，充分回收粉塵，建立一個(gè)完整的回收利用系統(tǒng)也是必要的。噪音的抑制超高功率電弧爐產(chǎn)生的噪音高達(dá) 110dB,噪音對(duì)環(huán)境的影響很大。 采用電弧爐封閉罩可使罩外的噪音強(qiáng)度為80~90dB。電網(wǎng)公害的抑制電弧爐煉鋼產(chǎn)生的電網(wǎng)公害主要包括電壓閃爍與高次諧波。電壓閃爍解決的辦法有兩種：③要有足夠大的電網(wǎng)， 即電弧爐變壓器要與足夠大的電壓、 短路容量(為變壓器額定容量的80倍以上)的電網(wǎng)相聯(lián)。O2采用無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行抑制，如采用晶體管控制的電抗器(TCR)。抑制高次諧波的措施是：采取并聯(lián)諧波濾波器，即采取L、C串聯(lián)電路。實(shí)際上，

電網(wǎng)公害的抑制常采取閃爍、諧波綜合抑制，即采用靜止式動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置一 SVC裝置,但SVC裝置投資成本高。3結(jié)語(yǔ)現(xiàn)代電弧爐煉鋼的技術(shù)特征是：高生產(chǎn)率，低成本；具有生產(chǎn)高等級(jí)鋼(高純凈鋼)的能力及環(huán)保效果好。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，必須開發(fā)并推廣相應(yīng)的技術(shù)：廢鋼高溫預(yù)熱，高鐵水比操作，使用替代鐵資源；優(yōu)化冶煉工藝；有效抑制公害。參考文獻(xiàn)FumioSudo