淺談電弧爐熱裝部分鐵水煉鋼工藝

王永峰

【摘 要】在電弧爐爐料中加入部分鐵水，是最近發(fā)展起來的電弧爐煉鋼工藝。該工藝可以縮短冶煉時間，降低冶煉電耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量，特別適用于中小型普通功率電弧爐冶煉高碳鋼，對發(fā)展我國電弧爐煉鋼有深遠意義。

【關(guān)鍵詞】電弧爐；熱裝；鐵水；轉(zhuǎn)爐化

0.前言

電弧爐熱裝部分鐵水冶煉工藝（下稱熱裝工藝）是最近發(fā)展起來的電爐煉鋼的一項節(jié)能新技術(shù)。該工藝不但緩解了廢鋼緊缺的形勢，而且可顯著縮短冶煉周期，降低冶煉電耗，提高勞動生產(chǎn)率。加入電爐中的鐵水，可以稀釋廢鋼中的有害殘余元素，提高鋼的質(zhì)量。如果鐵水進行過預(yù)處理，還可以進一步生產(chǎn)超低硫和超低磷鋼，因此，本工藝在國內(nèi)外發(fā)展很快。

1.工藝原理和鐵水加入方法

電爐采用熱裝工藝后，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的等量生鐵配碳，使電爐的物料平衡和能量平衡發(fā)生顯著變化。鐵水帶入大量的碳，熔化期、氧化期充分利用吹氧脫碳化料升溫。提前結(jié)束熔化期，很快進入氧化期，脫碳速度明顯高于傳統(tǒng)工藝，縮短冶煉時間。如果熔清碳較高，可充分利用碳—氧反應(yīng)熱，停電吹氧脫碳，使鋼水溫度迅速上升，順利進入還原期。鐵水帶入大量的物理和化學(xué)熱，使供電制度發(fā)生變化，最終影響到整個電爐煉鋼工藝。

實踐證明：電爐熱裝工藝對冶煉高碳鋼更為有利。

鐵水加入方法對工藝效果有顯著影響。根據(jù)目前使用本工藝的工廠的經(jīng)驗，鐵水的加入方法大致有以下幾種。

（1）出鋼后，補爐，裝石灰，加鐵水，最后加廢鋼，通電。

（2）裝入一批廢鋼或兩批廢鋼，通電，基本熔化后再加鐵水。

（3）先加廢鋼，通電5～10min穿井后，打開爐蓋，用吊車從上方把鐵水倒入“井”內(nèi)。

（4）采用可開行的帶傾動鐵水包的流槽車，從爐體上的固定孔加入鐵水。

前兩種方法有較強的可操作性。第3種方法不但熱損大，事故多，而且易使鐵水與廢鋼粘結(jié)在一起，加劇了“搭橋”現(xiàn)象。鋼水溫度上升后，廢鋼不斷滑入熔池，造成嚴(yán)重沸騰，所以采用此法尤要謹慎。第4種方法大大降低了熱損失，減少了事故隱患。

2.熱裝工藝特點

電爐采用熱裝工藝的特點主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

首先是配料制度發(fā)生變化。鐵水配入量在10%～50%范圍內(nèi)，一般為30%左右。

其次是脫碳工藝和造渣制度有所不同。加入鐵水后，鐵水帶入大量碳，加上冶煉時間縮短，相應(yīng)要求大大加快脫碳速度（大于0.10%/min），供氧速度也要加大（大于2m3/t.min）。當(dāng)加入30%鐵水時，氧氣耗量要達到25～35m3/t。加入鐵水，鋼中硅、磷增加，所以造渣用的石灰用量相應(yīng)增加。最好應(yīng)用泡沫渣操作，快速脫磷。

第3是廢氣排放量也有影響。熱裝工藝的脫碳速度加快，爐內(nèi)CO廢氣量增加，增加了除塵設(shè)備的負荷。在有條件的工廠，可進一步發(fā)揮二次燃燒和廢鋼預(yù)熱的作用，充分利用廢氣余熱。

最后供電制度也要作相應(yīng)調(diào)整。如加入30%的鐵水，帶入的熱量相當(dāng)于電爐總輸入能量的40%左右，故電能輸入可相應(yīng)減少。節(jié)約電耗的關(guān)鍵在于供電制度最佳選擇和爐前操作工藝?？紤]供電制度應(yīng)以熱平衡為基礎(chǔ)，根據(jù)鐵水比、冶煉時間、終點鋼水溫度和成分等多種因素來確定。現(xiàn)以公稱5t電弧爐冶煉20MnSi為例，傳統(tǒng)的供電制度，每爐鋼冶煉時間為155min左右，冶煉電耗483kWh/t。

與傳統(tǒng)煉鋼方法相比，熱裝工藝配電制度的變化主要表現(xiàn)熔化期及氧化期。控制熔化期電壓、電流，使熔化期相對延長，增加熔化期脫碳量，保證化料過程中的熔池溫度。熔清時，鋼液溫度較高，短時升溫即可滿足氧化期脫碳要求，減少了氧化期脫碳量和脫碳時間，這樣降低了電弧爐熔煉過程中的熱量損失，充分發(fā)揮了熱裝工藝在氧化期吹氧脫碳升溫化料的長處。

3.經(jīng)濟效益

電爐熱裝工藝最明顯的效益是降低電耗 。但其降低電耗的效果與多種因素有關(guān)，例如：鐵水加入方法、電爐容量大小、爐料的組成、爐料預(yù)熱情況等。一般認為每增加1%的鐵水，噸鋼可節(jié)電3～4kWh。

熱裝工藝除降低電耗外，還有多種效益，如：

（1）縮短冶煉周期，提高生產(chǎn)率，提高產(chǎn)量，在實驗型180kVA直流電弧爐上裝入10%～50%鐵水試驗表明，每加入10%鐵水，可使冶煉時間縮短7%，電耗降低6%。

（2）減少耐材、電極等各種消耗。

（3）可稀釋劣質(zhì)廢鋼帶入的有害元素，減少殘余有害元素含量，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

（4）充分利用碳—氧反應(yīng)，降低鋼水的氮含量，比利時Cockorill廠全廢鋼出鋼氮（7～8）×10-3%，熱裝35%鐵水出鋼氮低于4.5×10-3%。

4.存在的問題及解決辦法

4.1廢氣除塵及排放問題

電爐熱裝工藝雖可節(jié)約能源，提高產(chǎn)量和質(zhì)量，但由于脫碳量加大，脫碳速度加快，要產(chǎn)生大量的過程氣體（主要是CO）。在有二次燃燒或廢鋼預(yù)熱設(shè)備的工廠，可充分利用這些廢氣，進一步發(fā)揮二次燃燒或（和）廢鋼預(yù)熱的作用，強化余熱利用。在沒有二次燃燒和（或）廢鋼預(yù)熱的工廠，勢必要增加環(huán)境污染，即使原來有除塵裝置的電爐，想利用原裝置來排除所有過程氣體，恐怕也會顯得能力不足。

如何處理電爐熱裝工藝過程中產(chǎn)生的多余氣體，Lcor公司Pretoria廠利用成本—效益法，很好地解決了這個問題。對于成功使用鐵水煉鋼工藝具有廣泛的借鑒作用。

該廠現(xiàn)有125t電弧爐兩座，使用Corex設(shè)備年產(chǎn)鐵水30萬t，取代了原有高爐，電弧爐最多裝入50%鐵水。鐵水平均含碳量為4.5%。由于碳的氧化，在煉鋼過程中產(chǎn)生大量廢氣。原車間的廢氣排放系統(tǒng)是為采用100%廢鋼設(shè)計的，改用鐵水/廢鋼混合料后，原排放系統(tǒng)來不及排放這些氣體，而且由于廢氣溫度過高（150℃），使濾袋器無法工作。

Ppetoria廠重新設(shè)計了廢氣管道，采用下列措施，較好地解決了加入鐵水后廢氣過量和環(huán)境污染問題：

（1）使用大功率風(fēng)扇，安裝固定的廢氣排放系統(tǒng)，保證壓力維持在7KPa左右。

（2）不但對現(xiàn)有的主要除塵設(shè)備進行改造，而且再投資安裝新風(fēng)扇，加大排放管道直徑。

（3）對彎頭、大小頭、過濾器管道等具有較大阻力的管道進行重新設(shè)計和安裝。

Pretoria廠采用100%廢鋼，生產(chǎn)率為45t/h，加入50%鐵水后，生產(chǎn)率提高到72t/h。

4.2鐵水來源問題

如何解決電爐鐵水的來源問題也是國內(nèi)外采用熱裝工藝的電爐鋼廠迫切需要解決的課題。目前，有以下幾種方法供電爐用鐵水：

（1）應(yīng)用現(xiàn)有的高爐鐵水。

（2）與轉(zhuǎn)爐統(tǒng)籌安排，擠出鐵水供電爐使用。

（3）有條件的地方計劃上小高爐，專為電爐供鐵水。

近年來，國外有些短流程鋼廠已開發(fā)出專供電爐熱裝鐵水的新工藝。典型工藝有以下兩種：

（1）Fastmet直接還原+DRI預(yù)熔器鐵水生產(chǎn)工藝。

（2）新型豎爐工藝。

根據(jù)國內(nèi)外的生產(chǎn)經(jīng)驗，電弧爐熱裝工藝主要適合于中小型普通功率電弧爐，也可用于高功率、超高功率大型電弧爐，但前者效果更為明顯。我國電爐裝備的特點是數(shù)量多，容量小，比功率低，工藝設(shè)備較落后，目前全國有電爐1400多座，大多數(shù)為中小型普通功率電弧爐，公稱容量3t以下的電弧爐要占50%左右。對于這些小型電爐，應(yīng)結(jié)合其設(shè)備及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的具體情況，有條件的要積極應(yīng)用熱裝工藝，暫時沒有條件的要創(chuàng)造條件，加強電弧爐—精煉爐—連鑄三位一體工藝的進一步配合。隨著電弧爐熱裝工藝的進一步推廣和成熟，電弧爐除保留固有的特點外，逐步吸收轉(zhuǎn)爐煉鋼的長處，電爐轉(zhuǎn)爐化的日子不會太遠。