增加铁水热装率并改造渣制度的电炉炼钢工艺.doc

增加铁水热装率并改造渣制度的电炉炼钢工艺端平建，张永良，杨学敏，1） 山西太钢不锈钢集团有限公司技术中心，山西03003，中国2） 中国工程院，中国科学院，北京100190。，中国摘要：一种可以同时增加铁水热装率并改进造渣制度的电弧炉炼钢新工艺被开发并且在山西太钢不锈钢集团有限公司炼钢1厂的50吨电弧炉上应用超过一年。这个新型的电弧炉炼钢流程的关键是收取热装铁水的连个部分或步骤：第一，35wt-40wt铁水在一个特别设计的吹氧脱碳反应器里预处理并且提高铁水温度和预熔熔渣；第二，30wt%的铁水被装入有来经过真空顶吹炉和脱气炉精炼的高碱度熔渣的的电弧炉内。结果表明，新型电炉炼钢流程的铁水热装率可以达到约65wt%-70wt%；同时，50吨电弧炉的冶炼周期缩短5-10分钟，电消耗减少35-50 kWh/t,钢水石灰消耗减少10.5kg/t，钢水中有害重金属的含量可以很容易被控制在低于钢种要求的上限值或者相比较于传统电弧炉炼钢流程的等级。此外，脱磷能力显示有轻微的加强，但较弱的脱硫能力并不能阻碍它的更广泛应用，因为一个更强大的脱硫能力可以在电弧炉流程后的LF和VD流程的二次精炼中实现。关键词：电弧炉，装率，熔渣；精炼渣；石灰1、 绪论传统的电弧炉炼钢流程全部用或者高比例下脚料作为废钢导致高含量的有害的的重金属成分恶化刚的规格和等级1。因此，正常电炉炼钢流程图和组织成分通常被带有复杂化学成分的过量装废钢影响。广泛共识，最有效避免和解决这个难题的方法是增加金属热装率。然而，过多的热金属炉料可能延长电弧炉炼钢工艺的冶炼周期。因为来自大量带点电热金属的高碳负荷，在EAF炼钢工艺流程中，会加重脱碳作用。为了全面利用优势以增加铁水热装率从而缩短EAF炼钢工艺的冶炼周期，最重要的是探讨最佳铁水热装率。一个新的EAF工艺，在此工艺中，热装铁水分两步和回收脱气真空炉中高碱度炉渣以消除高金属热装率对冶炼周期的影响，这个工艺在研究中被开发。这种可以缩短冶炼周期的EAF工艺炼钢流程，应经被用在山西太钢不锈钢集团有限公司炼钢1厂的50吨电弧炉上，因为传统的EAF炼钢工艺的冶炼周期被要求缩短到完成增加钢产量的要求，铁水热装率增加去解决来自一座新建的炉容4350m3高炉剩余热铁水。这种新型EAF炼钢工艺的关键如下描述，1）全部的热铁水分两步进EAF，ie，在炉料废弃物，第一个热钢熔池以后，而熔池内大量鼓入氧气到脱碳作用已被预处理。2）接通电源 熔化装入的废钢后二次熔池中的钢水配合高碱度LF-VD炉渣被装入电弧炉中。在这篇论文中，新开发的电弧炉工艺被简洁的介绍，新型电弧炉工艺对冶炼周期，电量和石灰消耗，脱磷脱硫能力，有害重金属的含量的影响根据50t电弧炉上超过一年的工业试验被分析出来。同时，新型电弧炉的经济评价也被提供出来。2. 电弧炉炼钢新工艺2.1 50吨电弧炉炼钢工艺流程图与传统炼钢流程工艺不同，现在的电弧炉炼钢工艺流程图如图1所示，该工艺已在山西太钢不锈钢集团有限公司炼钢1厂正常运行超过12个月。显然，和传统炼钢工艺流程图主要不同的是高铁水热装率和改进了适应电弧炉炼钢新工艺的造渣制度。 高铁水热装率和改进了应用在50t电弧炉上的造渣制度的电弧炉炼钢新工艺的流程图如下描述：1）装入20t废钢后，20-25t铁水的第一歩，被预处理吹氧脱碳和提高温度，熔化精炼渣，装入电弧炉。2）电接通后，氧气被吹入电弧炉初步熔炼；3）第二步，来自高炉并且回收脱气真空炉中高碱度炉渣的20t铁水被装入；4）精炼流程需要更多的通电和吹氧时间；5）成分和温度被确定已完成出钢要求。 2.2铁水预处理器铁水预处理的容器被改成一个通用的铁水包，其中一个如图2所示。铁水包的炉衬用镁碳砖砌成，而水冷喷枪的吹氧系统是新设计的。铁水预处理反应器和氧枪的主要参数别列于表1.。铁水预处理与50t电弧炉共用一个除尘系统，因为除尘系统的的能力足够大。虽然铁水预处理流程被加在电弧炉炼钢新工艺中，除了氧枪系统没有新预处理装备，因为相关的预处理装备，例如铁水预处理反应器，可以换成铁水包。2.3铁水预处理的脱碳和升温众所周知，提高电弧炉工艺中铁水热装率与冶炼周期的比有两种相反的结果。为了促进提高冶炼周期中铁水热装率的积极效果并减少负面效果，电弧炉炼钢新工艺采用措施使铁水分两步装入电弧炉或钢包，第一个熔池内的铁水被吹氧预处理部分脱碳从4.0wt% 到1.5wt%-2.2wt%，温度从1553-1623K提高到1773-1873K。与传统的铁水预处理不同，即脱硅、脱磷、脱硫，新开发的铁水预处理技术在一个特殊的和LD法炼钢容器相似的反应器内实施，用氧气顶吹脱碳的方法从4.0wt至1.5wt，铁水温度从1553-1623K提高到1773-1873K，并且预熔石灰和其他熔渣辅助材料。应该特殊强调的是铁水预处理的脱硫能力很有限。2.4改进造渣制度合适的泡沫渣对于电弧炉炼钢工艺很重要，因为泡沫渣不仅浸没电弧，电弧辐射对炉心的破坏，提高炉心寿命，同时也为了脱磷和脱硫操作。除了增加铁水热装率，新型电弧炉炼钢工艺采用两种措施改进电弧炉造渣制度在第一个第一个装入铁水的钢包的铁水预处理高碱度熔渣，并且回收来自第二个装铁水的钢包LF-VD炉的高碱度熔渣。因此，很有必要去评价铁水预处理中产生的预熔渣和回收电弧炉新工艺真空脱气炉的炉渣。（1） 铁水预处理阶段预熔渣与传统电弧炉工艺相比，电弧炉炼钢新工艺可以使熔渣预熔更早。在传统弧炉，炉渣通常形成如下：炉内装入造渣材料装入废钢装入铁水接通电源装入石灰和泡沫渣辅助材料熔化造渣材料吹氧形成泡沫渣；而新型电弧炉的造渣流程是炉内装入造渣材料装入废钢装入有预熔渣的脱碳铁水接通电源产生泡沫渣。铁水预处理过程中加入合理量的造渣辅助材料不仅适合新型电弧炉炼钢工艺，而且有利于实现脱碳和升温的目标。每炉次约有22002500kg的石灰和300500kg的白云石被装入预处理20-25t的铁水。所有装入的石灰和白云石被迅速的熔化成熔渣消耗铁水喷溅和减少铁水预处理过程中碳和硅氧化产生的热量。预熔的高碱度渣对于提高石灰利用率，降低熔化石灰电量的消耗，并最终减少电弧炉炼钢过程造渣有积极的效果。（2） 回收LF-VD炉产生的精炼渣从图1 的流程图可以看出，来自电弧炉的钢水在LFVD炉中精炼。待月12001500kg的高碱度渣被放入温度大约1773K的LF和VD炉中。电弧炉的终渣和LFVD炉的精炼渣的化学成分被列于表3.。显然，LFVD炉中剩余的具有高脱磷能力和高潜热的精炼渣的合理利用，从保护环境和资源综合利用的角度看不仅减少冶金过程中固体废弃物的量，而且减少对环境的冲击。 电弧炉炼钢新工艺在装入第二钢包铁水的过程中经济和环保的利用LFVD炉的精炼渣。第二钢包中的有包含模铸后有少量残余钢水的精炼渣的铁水可以促进造渣，减少造渣时间，造渣辅助材料的装入量，并且减少电弧炉炼钢工艺的冶炼周期。铁水预处理的预熔渣和LFVD炉回收的精炼渣对于更早形成初渣，避免熔化新装入的造渣辅助材料时熔渣碱度波动，较连续的保持渣的成分和碱度，并且保持泡沫渣合理的高度以稳定电弧炉炼钢过程电弧稳定都具有综合效果。3.新型电弧炉炼钢工艺冶金效果3.1冶炼周期和铁水热装率冶炼周期和电消耗量是评价一个电弧炉炼钢工艺的操作和节能的两个重要的操作参数。从新的和传统的电弧炉炼钢工艺铁水热装率和冶炼周期的关系如图3所示。可以看出提高铁水热装率从40wt% to到52wt%-57wt%，可以减少冶炼周期7min，从75min减到67min；然而，提高铁水热装率到57wt%，对于减少冶炼周期具有副作用。这表明52wt%-57wt%是适合传统炼钢工艺的50t电弧炉降低冶炼周期的最高铁水热装率。 提高铁水热装率并减少废钢比试固定炉容电弧炉减少电弧炉炼钢冶炼周期的有益措施。很容易理解提高铁水热装率可以增加额外的物理和化学热，因此，废钢的融化周期被缩短，电弧炉炼钢过程的成渣时间提前。所有的这些积极效果或多或少有益于电弧炉炼钢过程减少冶炼周期，减少电耗量并减少铁损。因此，减少废钢比有益于减少电弧炉炼钢过程改进熔化速率和减少精炼时间。然而，当铁水热装率非常高的时候，装入的铁水和冶炼钢种之间碳含量的巨大差距会导致脱碳任务加重，并且因此电弧炉炼钢的的冶炼周期会被延长而且电机寿命会被影响。相反，当铁水热装率非常低的时候，相应的低投入的额外的物理和化学热，同时低炉料的碳负担低，并且在电弧炉炼钢过程中较长的废钢熔化时间是必须的，而且减少冶炼周期的目标不易实现。当然，对于固定的电弧炉容量有一个最佳的铁水热装率。确定最佳的铁水热装率对于发展要求提高铁水热装率的电弧炉炼钢新工艺是一个挑战任务。电弧炉炼钢新工艺可以在较短的冶炼周期内装更多的铁水，并且最佳的铁水热装率约为65wt%-70wt%，最短的冶炼周期是61min，而传统电弧炉炼钢工业最佳铁水热装52wt%-57wt%，冶炼周期67min。因此，相比较于传统电弧炉炼钢工艺，冶炼周期缩短了510min。3.2电量消耗新型和传统电弧炉炼钢工艺12个月来平均每月吨钢电耗量分别如图4所示。可以看出两个电炉的吨钢月均平均耗电量在一个大的范围内波动，但是，很显然，新型电弧炉的耗电量比传统的要少。新型电弧炉吨钢平均耗电量约为132 kWht1,传统电弧炉吨钢平均耗电量约为171 kWht1,每吨可以节约电消耗35-50 kWht1以上提到的结果原因总结如下：1）大量来自1773K1873K的预处理铁水的额外的物理和化学热进入电弧炉；2）电弧炉中装入预处理铁水和预熔渣，初渣形成的早；3）LFVD炉的高碱度回收渣和低FeO含量是脱磷反应提前并且促进泡沫渣更早的形成。3.3脱磷和脱硫能力脱磷和脱硫是评价一个电弧炉炼钢工艺精炼能力的两个基本功能。众所周知，电弧炉炼钢工艺中低温造渣，高温氧化，并且从冶金物理化学的观点看在最初阶段高碱度有利于炼钢过程中的脱磷反应提前进行。一个特殊设计的应用在新型电弧炉的两步铁水装入顺序对于促进脱磷反应提前的的两个优势如下：1）预处理铁水和包含10wt%-16wt% FeO的预熔渣首先装入电弧炉；2）低磷含量的铁水和LFVD炉的高碱度精炼渣装入电弧炉。因此，在电弧炉炼钢工艺的初期脱磷反应在高碱度低温下迅速发生。应该特别指出LFVD炉的精炼渣硫含量较高，并且LFVD炉的精炼渣在电弧炉炼钢工程中的脱硫反应应该认真考虑。钢水中50t电弧炉中有无LFVD炉的精炼渣的磷和硫的比较如图5所示。据观察，电弧炉中的钢水的磷含量与有无LFVD炉精炼渣没有明显的改变，然而，电弧炉中的相比较于无LFVD炉精炼渣硫含量上升了大约3106wt%。众所周知，LFVD炉精炼过程对于电弧炉钢水具有很强的脱硫能力，因此，冶炼钢种在LFVD炉精炼后硫含量没有超过标准，因此可以在新型电弧炉炼钢工艺上应用。所以，新开发的在电弧炉炼钢后进行强脱硫电弧炉炼钢工艺可以在炼钢企业成功的应用。3.4石灰消耗石灰石造渣的主要辅助材料，吨钢石灰消耗是评价炼钢工艺节约水平的一个重要参数，应用在50t电弧炉上新型和传统电弧炉炼钢工艺的吨钢石灰消耗量的比较如图6所示。可以观察到虽然月平均数据吨钢石灰消耗量在较大的范围内波动，新型电弧炉炼钢工业的石灰消耗量远低于传统电弧炉。在统计的12个月里，石灰的消耗量从74.8 kg/t减少到64.3 kg/t,相比较于传统电弧炉新型电弧炉炼钢工艺每吨钢可节约石灰石10.5kg。新型电弧炉炼钢工艺减少石灰消耗的原因总结如下：1）在铁水预处理阶段一部分炉渣被预熔；2）LFVD炉的高碱度精炼渣被回收在电弧炉中；3）所有的措施促进石灰熔化，并且提高石灰利用率；4）回收利用LFVD炉的精炼渣可以部分有益于减少石灰消耗。3.5有害重金属含量有害重金属含量已经成为污染钢质量的重要问题，因为电弧炉炼钢过程对他们没有明显的的去除能力。电弧炉炼钢过程中的高废钢装率或者从社会回收的化学成分复杂的废钢使有害重金属元素容易积累在钢水中。在这种情况下，在这种情况下，电弧炉炼钢的正常生产可能被钢水中的的有害重金属元素影响。因此，应该采取特殊措施，例如更换冶炼钢种，钢包中混入纯净钢水，返回钢水电弧炉中含有有害重金属元素的钢水再稀释。当钢水中的高含量有害重金属元素不能减少到可以接受的水平，冶炼钢种通常不能生产。因此，增加铁水热装率，同时减少废钢装入率，是解决电弧炉炼钢过程中的这个问题的有效措施。因为每个炉次的有害重金属元素含量不能分析，50t电弧炉习性和传统工艺生产的钢水中有害重金属元素的代表Cr, Ni, 和 Cu,的平均含量分别如图7所示。应该特别强调的52wt%-57wt%的铁水热装率已经适应传统电弧炉工艺。当传统电弧炉工艺应用于50t电弧炉时，低铁水热装率使冶炼周期长并且有害重金属元素含量高。通过改进50t电弧炉炼钢工艺，铁水热装率从20wt%-30wt%提高到52wt%-57wt%,因此，有害重金属元素含量减少到较低水平，在日常生产中未发现有害重金属含量超标。50t电弧炉采用的社会回收的废钢的有害重金属元素的含量波动很大，并且统计结果表明废钢中Cr的含量是0.14wt%-0.28wt%,Ni的含量是0.04wt%-0.20wt%,Cu的含量是0.05wt%-0.15wt%。当炉料全部用废钢时，Ni和Cu是100wt%,而Cr约是60wt%，所有金属炉料约是83.3wt%;因此电弧炉炼钢工艺获得高含量的Cr, Ni, 和 Cu,的钢水。但是，当铁水热装率提高到54wt%时，有害重金属含量被很大程度稀释(Cr 0.046wt%-0.092wt%, Ni0.022wt%-0.11wt%, Cu0.028wt%-0.083wt%),铁水热装率提高到65%时,有害重金属元素含量更进一步被稀释Cr 0.035wt%-0.071wt%, Ni 0.017wt%-0.084wt%, Cu0.021wt%-0.063wt%。从图中可以观察到钢水中Cr, Ni, 和 Cu,的平均含量传统和新型电弧炉工艺中表现出很大波动。然而，新型电弧炉工艺中Cr, Ni, 和 Cu,的含量分别比传统的低。另外，Cr, Ni, 和 Cu,的平均含量分别减少从0.0717wt%到0.0558wt%,，从0.0459wt%到0.0283wt%,，从0.0283wt%到0.0217wt%,这表明新型电弧炉炼钢工艺相比较于传统的，Cr, Ni, 和 Cu的含量可能减少22%, 38%, 和 23%。新型电弧炉炼钢工艺中的钢水的有害重金属元素的低含量主要由30wt%-35wt%低废钢率导致。稀释的65wt%-75wt%的几乎无有害重金属元素的铁水