100 t竖式电炉高效炼钢技术分析.docx

100t竖式电炉高效炼钢技术分析杨锟2006-2-28（安阳钢铁集团公司第一炼轧厂，河南安阳455004）摘要：分析了安钢100t带指形托架的竖式电炉（FSF）高效炼钢工艺中的废钢预热、铁水热装、强化用氧等核心技术；讨论了竖式电炉在生产实践中遇到的废钢原料和环保等问题；提出了培育废钢加工市场、深加工废钢、适当调整废钢布料方式和结构以及完善电炉除尘系统设计与工作的改进意见。关键词：竖炉；废钢预热；热装铁水；二次燃烧Thehighlyeffectivesteel-makingtechnologyanalysisofthe100tfingershaftelectricfurnace(FSF)YANGKun(AnyangsteelandirongroupcompanytheNo.1steelmakingandsteelrollingfactory,theHenanAnyang455004)Abstract：thisarticleanalyzedthecoretechnologyofscrapsteelpreheating,themoltenironhotcarrying,theintensifiedoxygenusingandsooninthe100tfingershaftelectricfurnace(FSF)highlyeffectivesteel-makingtechnics.Discussedtheissuewhichthe100tfingershaftelectricfurnacemetintheaspectofproductionpractice,gavethestrategeticimprovementopinion.keyword：theshaft,scrapsteelpreheating,moltenironhotcarrying,twotimeburns作者简介：杨锟（1973-），男，大学本科，助理工程师；E-；修订日期：自1988年FUCHS公司第1座竖式电炉在丹麦DDS公司投产至今，世界上已投产和在建的竖式电炉达20多座；经历了不带指形托架、带指形托架和双竖炉的竖式电炉3个发展阶段，分别实现50、100的废钢预热和最短的非通电时间（一电两炉）。它以其良好的技术特点和技术经济指标受到电炉炼钢工作者的关注1。安钢的100tFSF采用了多项在生产中得到验证的先进技术，如使用部分铁水、圆心底出钢、电炉侧壁氧油烧嘴、超音速碳氧枪、指形托架预热废钢、铜钢复合水冷板、自支承型设计的水冷炉盖、导电电极横臂、电极直接喷淋冷却、炉盖第5孔的自动加料系统、自动调节废气的连续式炉压监控装置、智能化控制系统。2002年100tFSF产量为91万t，年出钢8620炉，变压器利用系数C=12639VAa；2003年2月1日，实现了日产钢35炉，生产连铸坯3800t。目前月最好指标为：电炉产钢量98857.86t，冶炼周期41.43min，其中通电时间30min，电耗（21.2铁水）231.80（kWh）/t，电极消耗1.22kg/t。1 废钢预热技术废钢分两料篮装料，在前1炉开始精炼时关闭氧油烧嘴和竖炉指形托架，再装入下1炉的第1批料。前1炉出钢后留有10%25%的钢水和渣。打开竖炉指形托架，将已预热过的第1篮废钢加入炉中，开启氧油烧嘴，同时加入第2篮料，兑入铁水，开始通电熔化废钢，碳氧枪吹氧，造泡沫渣。第2篮料在炉内逐步预热，进入熔池熔清，钢水温度、成分合格后出钢。100tFSF废钢的预热是通过带指形托架的竖式电炉方式实现的。进入20世纪90年代，人们普遍认为通过二次燃烧技术来利用废气的化学潜能要比利用物理显热更有前途，故将烟道扩大为竖炉并与炉身相连。高温废气通过指形拖架的缝隙上升到竖炉并加热炉内废钢；另外，废钢在高温废气流中受到预热的同时，它也是废气中烟尘的第1个过滤装置，这在一定程度上减轻了对除尘系统的压力。这种预热方式充分利用了炉气中所含的有形热量和二次燃烧的化学热，废钢经预热后的平均温度达到600，最高达1000以上，预热后的废钢温度比不带指形托架的竖式电炉要高400左右，电耗平均降低40（kWh）/t以上。不带指形托架的竖式电炉因只能对第2批废钢进行预热，故其已被带指形托架的竖式电炉所替代。2热装部分铁水技术2.1理论依据1350铁水热焓为1221kJ/kg，因此每加1t铁水即可带入物理热1.22kJ，相当于339kWh的电能。根据氧化1kg元素熔池吸收的热量，每以1t铁水代替1t废钢(铁水成分（质量分数）为:C4.3%，Si0.70%，Mn0.80%，P0.18%；废钢成分（质量分数）为: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1t铁水即可节约电能339155494kWh。根据17炉未装铁水及40炉热装铁水的生产数据分别计算：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：WpgWz/Qc（1）pj/Qc（2）pj（qll/qsj）100（3）式中Wpj平均吨钢电耗，kWh/t；Wz总电耗，kWh/t；Qc出钢量，t；pj平均吨钢冶炼时间，min/t；冶炼周期，min；pj平均系统热效率，%；qll吨钢理论需热，kWh/t；qsj吨钢实际供热，kWh/t。1t的t钢水qll可由钢水的热焓（H）计算而得。20号钢在1550时H5.28kJ/kg(146.7（kWh）/t)，取20钢水的平均比热800J/kg(0.22（kWh）/t)，则t时钢水的热焓（Ht）为：Ht146.70.22(t1550)0.22t194.3（kWh）/tqllHtkWh/t;式中15时20号钢的热焓(近似为0)。吨钢的实际供热（qsj）包括：废钢的物理热(近似为0)和化学热（）；生铁的物理热(近似为0)和化学热（）；铁水的物理热（）和化学热（）；脱氧和合金化过程中合金元素的熔化、熔解及氧化等放热（）；吨钢电耗（）。qsj1000fg(ifgiyhm)/100/36001000st(istiyhm)/100/36001000ts(itsiyhm)/100/3600339ts(+(i(icgiyhm)10)/3600式中ifg,ist,its分别为废钢、生铁、铁水中发热元素i的质量分数，%；icg，iyhm分别为出钢、氧化末钢水中元素i的质量分数，%。计算结果表明，在热装铁水的40炉数据中，铁水装入量7.7%40%可节电17.9116.5（kWh）/t，缩短冶炼时间0.21min/t。2.2生产实践验证2.2.1对FSF供电的影响电弧炉热装部分（33）铁水后，吨钢电耗大幅度降低、冶炼周期显著缩短。这一观点在生产实践中得到有力验证。热装铁水后，竖炉吨钢所需电能大幅度降低。对于FSF而言，每增加1铁水则每吨钢水节约电耗3.4（kWh）。在不同比例铁水情况下电炉实际电耗见图1。2.2.2对供氧的影响铁水热装后泡沫渣迅速形成，使竖炉较早达到了近似转炉的供氧条件，用于切割和熔化废钢的氧气量降低，使氧的利用率升高。随着铁水热装量的增加，氧的消耗呈上趋势。但氧耗的上升速度比铁水比例增加的速度缓慢得多，这意味着不必增加太多的供氧能力就能显著增加铁水热装量，见图2。2.2.3对冶炼周期的影响当铁水热装量低于33时，冶炼周期取决于废钢的传热效率。因此，在此范围内增加铁水热装量可缩短冶炼时间。而铁水热装量超过33时，冶炼周期则由炉内脱碳速度来决定，即受到竖炉供氧压力和流量的限制，增加铁水热装量就要求电炉系统有较强的供氧能力。100tFSF的生产实践证明，铁水热装的最佳比例为33，见图3。3强化用氧技术3.1碳氧枪和泡沫渣技术碳氧枪有2个拉瓦尔喷管用于吹氧，最大供氧能力为5000m3/h；有1个喷管用于喷碳，最大喷碳能力为50kg/min。在熔化初期燃烧碳粉，提高了熔化炉门处废钢的速度。采用碳氧枪吹氧时，氧气和渣粒与铁相遇生成(FeO)，(FeO)与熔池中的碳反应，生成细小的CO气泡，附着在渣滴上形成了泡沫渣。泡沫渣的最佳成分为：碱度1.82.2，w（FeO）25%35%，w（CaO）35%45%，w（SiO2）18%22%，其发泡高度为400500mm，最高可达1200mm以上；还应保持喷碳速度2030kg/min，供氧压力1.52.3MPa，供氧流量30004000m3/h，碳粉粒度3mm，这样就能获得足够的气体生成量，同时也能保证脱碳速度为0.07%0.10%。泡沫渣技术提高了电弧的热效率、改善了熔化初期的脱磷条件，同时也提高了炉壳水冷板的使用寿命。3.2二次燃烧技术2在冶炼过程中碳发生下列反应：2CO22CO2.85（kWh）/kg（C）（4）2COO22CO26.55（kWh）/kg（C）（5）可以看出，二次燃烧反应产生的热量是一次燃烧反应的2.3倍，化学能的利用主要集中在碳的二次燃烧反应。但该反应受到一定条件的限制：温度须小于705，高于此温度则二氧化碳不能稳定存在；二次燃烧反应主要集中在烟气中及渣气界面，反应热量以对流或辐射传热的方式向炉内低温区进行。反应释放的热量首先被烟气吸收，再向废钢传热。一氧化碳气流以较低流速通过废钢料柱，形成逆向流动，反应产生的能量传给废钢需较长时间。100tFSF的自由空间二次燃烧技术是利用指形托架室的2台风机与竖炉废气出口处的在线CO，CO2，O2气体分析仪配合，向竖炉内鼓风，以实现充分的二次燃烧。二次燃烧产生的一氧化碳经后燃烧的处理，即沉降室上方的氧、轻柴油烧嘴根据一氧化碳气体浓度启动，燃烧一氧化碳，将其浓度降低到爆炸范围以下。这样处理后的有害气体含量符合国家环保标准。总之，二次燃烧的能量回收率比常规电炉有显著提高。3.3氧气、轻柴油烧嘴技术竖式电炉独特的炉型决定了布料的不均匀性。为消除这种不均匀，装备了5个氧油烧嘴，一般工作30min即能对冷区的废钢进行充分加热助熔，均匀炉内温度。氧气、轻柴油的比例应是理想配比2.33：1，各自由彼此独立的系统供应。在烧嘴的拉瓦尔管处充分混合,以超音速喷射出去，火焰在1m以上，充分发挥其切割废钢的功能。4 存在问题与对策4.1废钢原料目前钢厂主要用自行加工处理的社会废钢，但因其处理能力有限，使废钢质量对冶炼的不利影响日益显现。其主要表现在：重型废钢易砸坏相对庞大的竖炉系统，指形托架、竖炉水冷板、炉盖特别易漏水，造成竖炉电炉的热停时间延长。预热的轻薄废钢与废气中未燃烧的氧气反应形成的熔融物粘住指形托架使之无法打开。废钢在竖炉内易互相粘结而形成“冰山”，在采用提升竖炉炉盖促其蹋落时，蹋料会引发炉龄下降、电耗和电极消耗增高、终点成分命中率不高、金属收得率降低、冶炼周期延长等一系列问题。为了解决上述问题，从长远来看，培育成熟的废钢加工市场势在必行。目前，利用钢厂现有的加工能力对废钢进行深加工，对废钢的布料方式和结构进行适当调整，或是利用高炉向电炉提供铁水作为补充，都是行之有效的方法。从图4看出，当电炉使用铁水的比例增加后，蹋料时的送电功率直线下降，“冰山”现象基本消除。当使用铁水比例增加到33后，“冰山”在送电16MW前基本上完全蹋落，消除了冶炼过程中产生的负面影响。在优化入炉料的结构配比方面，安钢电炉厂配料分为热装部分铁水和全冷料，可根据铁水比例、冶炼钢种等进行调整。在铁水热装情况下废钢用量相对减少，配料过程中配加生铁亦相应减少。同时，需将块度较大的废钢加入料篮中部，但一般实心体最窄面不得超过200mm，单块质量不得超过500kg。生铁、HBI、DRI等废钢代用品也需在第1料篮中加入，以增加其熔化时间，防止其在电炉冶炼后期粘结，从而引发喷溅。在全冷料情况下，无论是冶炼低碳或高碳钢，竖式电炉都不能配加过多生铁；否则，会产生电炉冶炼周期长、后期升温慢和成分不稳定等问题。一般，100t电炉配加生铁量不应超过35t，且不能在料篮内堆装；否则，大的体积质量和生铁化开后粘结成团，以及氧化碳需消耗大量氧气等，都能恶化电炉的生产条件。4.2环保问题3狗屋被认为是清除电炉噪音的最佳手段之一。由于电炉粉尘对电炉机械电气部件的直接污染，降低了设备运行的可靠性，因此有足够的理由为它是既能消除噪音对周边环境的污染，又能减少对设备污染的好办法。无论采用何种废钢预热方式，必须对电炉除尘系统的设计与工作状况给予足够的重视。废钢预热过程中可能产生二恶英及呼兰也必须在除尘系统设计中加以预防。目前，由于对除尘方式与抽风量以及排灰方式的设计考虑不够充分，冶炼过程中产生的烟尘不能被有效吸收，已对环境造成一定的污染，这一问题亟待进一步解决。5结论（1）废钢预热、铁水热装、强化用氧等新技术促进了竖式