趙瑞敏，朱 榮，魏光升，趙瑞濤，蘭昕怡

(1.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院 北京科技大學(xué), 北京 100083；2.高端金屬材料特種熔煉與制備北京市重點(diǎn)實驗室，北京 100083)

電弧爐煉鋼作為目前世界主要煉鋼方法之一，具有流程短、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)[1-2]。由于廢鋼資源的限制，我國電弧爐普遍采用熱裝鐵水技術(shù)，鐵水提供了大量物理熱和化學(xué)熱，可以有效降低電能消耗[3]。某鋼廠100t電弧爐為降低冶煉電耗和生產(chǎn)成本，冶煉采用49%的熱裝鐵水，由于鐵水兌入增加，冶煉脫碳任務(wù)加重，該廠冶煉主要采用兩種操作模式，即中途停電等氧模式和冶煉結(jié)束停電等氧操作模式。本文通過建立電弧爐煉鋼過程物料衡算和能量衡算的熱化學(xué)計量模型，結(jié)合具體電弧爐煉鋼的實際情況、煉鋼原料成分對煉鋼過程進(jìn)行物料衡算和能量衡算，分析不同操作模式各階段能量效率情況，提出優(yōu)化建議，為冶煉工藝降低電耗、縮短冶煉時間提供指導(dǎo)[4-5]。

1 生產(chǎn)參數(shù)及冶煉工藝解析

1.1 電弧爐主要技術(shù)參數(shù)

某鋼廠100 t電弧爐，電爐爐殼直徑6 500 mm,公稱容量100 t，最大容量125 t，采用3支爐壁氧槍?；驹O(shè)備參數(shù)如表1所示。

表1 某鋼廠100 t電弧爐主要工藝設(shè)備參數(shù)表

1.2 電弧爐冶煉過程分析

本文基于模型計算將正常的冶煉過程可以分為三個大階段：熔化脫碳期(時段Ⅰ)、脫碳升溫期(時段Ⅱ)、脫碳末期(時段Ⅲ)。

(1)熔化脫碳期：分為未氧化期，氧化脫碳期，其分界為爐內(nèi)廢鋼熔化使鐵水占爐內(nèi)70%的時刻。未氧化期可以劃分為兩個時期：點(diǎn)弧穿井期(相對固定，5～6 min)，熔化前期(由電能主導(dǎo)，氧化反應(yīng)幾乎無發(fā)展，2～4 min)。氧化脫碳期為大量脫碳時間，氧化反應(yīng)大量發(fā)生。

(2)脫碳升溫期：脫碳反應(yīng)的優(yōu)勢區(qū)間，也是可以進(jìn)行大量吹氧脫碳的時期。

(3)脫碳末期：碳含量到達(dá)脫碳速度轉(zhuǎn)變點(diǎn)[C]=0.3%，進(jìn)入該時期，受碳擴(kuò)散速度控制，脫碳速度下降，為了精確控氧可以將該時期為前半期和后半期。

2 電弧爐冶煉過程能效解析

2.1 能效定義

依據(jù)GB/T 37428—2019進(jìn)行熱平衡計算，劃分區(qū)域定義多個能效公式[6]；

電弧爐裝置總效率是指包含電路和爐體系統(tǒng)總的能量效率：

(1)

式中：WGZF為鋼液爐渣帶走熱量及爐內(nèi)分解反應(yīng)吸收熱量之和；WLR為鐵水帶入爐內(nèi)熱量；WSR為輸入爐內(nèi)的熱量，等于鋼液升溫吸收的能量(WMET),損失能量(WLOSS)和鐵水帶入能量WLR之和。

電爐總效率是指不包含電路系統(tǒng)在內(nèi)的電弧爐整體的能量效率：

(2)

式中：WDS為壓器線路損失、電弧熱損失。

電能熱效率是指電能對鋼液、鋼渣實際提供的熱效率：

ηEL=ηSEC.C×ηARC

(3)

式中：ηSEC.C為電線路效率，是指從系統(tǒng)電源至電極末端電能輸送效率；ηARC為由電能測量儀測量得到電弧的熱效率，是指從電極末端至鋼液、鋼渣電能輸送效率，由測量計算得到。

化學(xué)能熱效率是指爐內(nèi)化學(xué)能對鋼液、鋼渣實際提供的熱效率：等于鋼液爐渣帶走熱量及爐內(nèi)分解反應(yīng)吸收熱量之和減去鐵水帶入熱量、電能熱之后與輸入爐內(nèi)總化學(xué)熱的比值。

2.2 冶煉過程能效計算

2.2.1 物料平衡及熱平衡模型假設(shè)

根據(jù)系統(tǒng)理論分析，建立描述電弧爐煉鋼過程物料衡算和能量衡算的熱化學(xué)計量模型。共計有統(tǒng)計變量157個，統(tǒng)計數(shù)據(jù)76個，統(tǒng)計現(xiàn)場1 622生產(chǎn)爐次數(shù)據(jù)對計算模型進(jìn)行校正。通過跟蹤現(xiàn)場具體爐次生產(chǎn)的實時供電、供氧等操作記錄，分階段計算電弧爐煉鋼在熔化脫碳期、脫碳升溫期、脫碳末期電能熱效率、化學(xué)能熱效率，合理優(yōu)化各階段供氧；度。在模型計算過程中，做如下假定：

(1)以0 ℃為基點(diǎn)，即物料在0 ℃條件下其物理熱為零;

(2)原料中各發(fā)熱元素成分按常規(guī)取值；

(3)成品鋼液和爐渣成分按該鋼廠實際生產(chǎn)的一般數(shù)據(jù)取值；

(4)廢鋼熔清溫度經(jīng)過計算取1 520 ℃出鋼溫度按工藝要求取 1 620 ℃；

(5)模型的計算中設(shè)定的爐料入爐溫度為25 ℃，氧氣純度為99.5%，氧氣利用率為93%，氧氣供給占80%；

(6)空氣二次燃燒為零，碳氧化過程80%生成CO，20%生成CO2，CO二次燃燒能量利用率30%。焦?fàn)t煤氣能量利用率60%；

(7)Fe燒損占7%，其中60%轉(zhuǎn)化為Fe2O3進(jìn)入煙塵,40%成為爐渣，爐渣中FeO占97%，F(xiàn)e2O3占3%[7-8]；

(8)熔化期留渣量35%，氧化末期渣中FeO占25%，F(xiàn)e2O3占1.67%[7-8]；

(9)冷卻水進(jìn)水管溫度27.5 ℃，出水管平均溫度取49.9 ℃，冷卻水平均總流量取180 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))噸鋼爐氣量為220 kg,爐氣標(biāo)準(zhǔn)溫度25 ℃，終點(diǎn)溫度1 550 ℃。

2.2.2 物料平衡及熱平衡計算

通過對現(xiàn)場1 622生產(chǎn)爐次的生產(chǎn)記錄進(jìn)行統(tǒng)計，共計有統(tǒng)計變量 157個，統(tǒng)計數(shù)據(jù)76個，統(tǒng)計數(shù)據(jù)1 622組，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行噸鋼總的物料平衡計算，生產(chǎn)過程物料平衡示意圖見圖1。

圖1 物料平衡示意圖

在物料平衡計算基礎(chǔ)上進(jìn)行能量平衡計算，階段總的能量平衡計算生產(chǎn)過程熱平衡示意圖見圖2。

圖2 熱量平衡示意圖

鐵水比49%，根據(jù)物料平衡熱平衡計算噸鋼氧氣40.47 m3(標(biāo)準(zhǔn))，噸鋼電耗156 kWh·t，冶煉周期40.6 min。電弧爐熔池主要輸入量熱鐵水物理熱、化學(xué)反應(yīng)熱、電能和噴嘴燃燒供熱，主要輸出熱量鋼水、爐體輻射、冷卻水帶走物理熱、爐氣爐渣的物理熱、線路及電弧熱損失。從圖2中可以看出，主要熱源來源于鐵水物理熱，鋼水有效熱僅為56.73%，爐氣、冷卻水、爐體輻射熱熱損失占比很重，冶煉過程及時造渣，優(yōu)化工藝縮短冶煉時間，能夠有效減少熱損失，即降低電耗。從目前現(xiàn)場操作來看，到脫碳升溫期電極弧光沒有完全被覆蓋、電壓波動比較大，功率因素不穩(wěn)定，泡沫渣覆蓋效果差[9]。

3 100 t電弧爐不同冶煉操作模式

通過現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計與實時供電、供氧操作記錄，一般現(xiàn)場供電供氧操作分為兩種模式，模式一供電檔位操作中途不停電，模式二供電檔位操作中途停電等氧。

3.1 模式一：中途不停電冶煉模式

模式一：平均原料鐵水比50.6%，氧耗40.4 m3/t(標(biāo)準(zhǔn))，電耗174.1 kW·h/t，出鋼溫度1 651 ℃，冶煉周期42.2 min。模式一供電檔位操作中途不停電，低電壓等級啟動逐步升高電壓等級。

根據(jù)實際操作劃分為三個階段，分別為熔化脫碳期(時段Ⅰ)、脫碳升溫期(時段Ⅱ)和脫碳末期(時段Ⅲ)，對應(yīng)的供氧供電情況如圖3所示。

時段Ⅰ28 min，占冶煉時間66.5%，時段Ⅱ10 min,占冶煉時間23.8%，時段Ⅲ4.2 min，占冶煉時間9.7%。其中實際操作過程時段Ⅰ耗氧量25.4 m3/t(標(biāo)準(zhǔn)),時段Ⅱ耗氧量12.8 m3/t(標(biāo)準(zhǔn))，時段Ⅲ耗氧量2.2 m3/t(標(biāo)準(zhǔn))，實際冶煉噸鋼電耗174.1 kW·h/t。從圖3中可以看出時段Ⅱ氧槍主氧3 400 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))，環(huán)縫240 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))，三支槍流量達(dá)10 920 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))，每分鐘供氧強(qiáng)度1.56 m3/t(標(biāo)準(zhǔn))，時段Ⅱ8 min供氧量12.5 m3/t(標(biāo)準(zhǔn))。

圖3 模式一供電、供氧操作曲線圖

3.2 模式二：中途停電冶煉模式

模式二：平均鐵水比49.6%，氧耗38.5 m3/t(標(biāo)準(zhǔn))，電耗135.3 kW·h/t,出鋼溫度1 635℃，冶煉周期38 min。模式二供電檔位操作中途停電，低電壓等級啟動，進(jìn)行點(diǎn)弧和穿井，然后停電一段時間(一般為4～5 min)，再次通電，逐步提升電壓等級，其工藝期劃分與供電時間統(tǒng)計如表3。

時段Ⅰ24 min,占冶煉時間63.1%，時段Ⅱ9.6 min，25.3%，時段Ⅲ4.4 min，占冶煉時段11.6%。實際操作過程時段Ⅰ耗氧量22.47 m3/t(標(biāo)準(zhǔn))，時段Ⅱ耗氧量14.67 m3/t(標(biāo)準(zhǔn))，時段Ⅲ耗氧量1.3 m3/t(標(biāo)準(zhǔn)),實際冶煉噸鋼電耗133 kW·h/t。冶煉過程時段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ供電、供氧具體操作如圖4所示。

圖4 模式二供電、供氧操作曲線圖

3.3 能效對比分析

3.3.1 供氧強(qiáng)度分析

針對模式一：根據(jù)能量平衡計算得出階段Ⅰ耗氧25.4 m3/t(標(biāo)準(zhǔn))，時段Ⅱ氧耗16.3 m3/t(標(biāo)準(zhǔn))，時段Ⅲ1.9 m3/t(標(biāo)準(zhǔn))。噸鋼電耗156.0 kW·h/t。通過計算可以得出時段Ⅱ供氧不足，延長了熔化升溫時間，增加了冶煉過程熱量損失。

針對模式二：根據(jù)能量平衡計算得出階段Ⅰ耗氧22.3 m3/t(標(biāo)準(zhǔn))，時段Ⅱ氧耗19.5 m3/t(標(biāo)準(zhǔn)),時段Ⅲ1.8 m3/t(標(biāo)準(zhǔn))。噸鋼電耗126 kW·h/t。通過計算可以得出時段二供氧略微不足，如果在時段二增加供氧強(qiáng)度，可以有效降低噸鋼電耗。

由上述分析可知，目前該100 t電弧爐模式一、二在時段Ⅱ均存在氧氣供給不足，影響時段Ⅱ電氧配合，降低了總能效利用率，應(yīng)該增設(shè)一支氧槍。增加氧槍后四支槍達(dá)最大14 560 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))，每分鐘供氧強(qiáng)度2.10 m3/t(標(biāo)準(zhǔn))。模式一時段Ⅱ10 min供氧量21 m3/t(標(biāo)準(zhǔn))，滿足時段Ⅱ的供氧需求。模式Ⅱ時段Ⅱ9.6 min供氧量20.16 m3/t(標(biāo)準(zhǔn))，滿足時段Ⅱ的供氧需求。同時增加氧氣流量后時段Ⅰ冶煉時間也會相應(yīng)減少，可以有效減低噸鋼熱損失。

3.3.2 電能熱效率對比

由能效定義可得兩種操作模式各階段電能熱效率，計算結(jié)果如圖5所示，熔化脫碳期Ⅰ模式二電能熱率略高于模式一，從供電測量得出的功率因素值可以看出模式二的檔位操作優(yōu)于模式一，雖然模式二中間存在熱停，此階段存在熱量損失，但其冶煉時間遠(yuǎn)少于模式一，所以此階段模式二電能熱效率略高。脫碳升溫期Ⅱ模式二熱效率略高于模式一，模式一和模式二在此階段均采用大功率供電，從功率因素來看模式二在此階段泡沫渣覆蓋效果比較好，功率因素穩(wěn)定，電能熱效率略高。脫碳末期Ⅲ，由于此階段泡沫渣埋弧效果差，電弧不穩(wěn)定電能熱效率均大幅度下降，模式一存在終點(diǎn)命中中率低的問題，出鋼溫度過高，過程熱損失增加，導(dǎo)致電能熱效率低于模式二。

圖5 各階段電能熱效率對比圖

綜上所述，熔化脫碳期應(yīng)采用低檔位，控制熔池脫碳和升溫速度，同時避免冶煉過程熱?，F(xiàn)象。脫碳升溫期合理造泡沫渣，大功率供電。脫碳末期略微降低檔位，此時泡沫渣埋弧效果差。

3.3.3 化學(xué)能熱效率對比

由能效定義可得兩種操作模式各階段化學(xué)能熱效率，計算結(jié)果如圖6所示，熔化脫碳期Ⅰ階段模式一化學(xué)能熱效率低于模式二，主要原因模式一冶煉時間長，增加了能量損失。脫碳升溫期Ⅱ模式二化學(xué)能熱效率遠(yuǎn)高于模式一，主要原因模式二在此階段強(qiáng)化供氧，電氧匹配比較合理，化學(xué)能利用率高。脫碳末期由于此階段泡沫渣埋弧不穩(wěn)定，化學(xué)能熱效率均大幅度降低，模式一終點(diǎn)命中率低，繼續(xù)供氧脫碳，其化學(xué)能熱效率高于模式二。

圖6 各階段化學(xué)能熱效率對比圖

綜上所述，熔化脫碳期后期、脫碳升溫期應(yīng)強(qiáng)化供氧可以加快脫碳速度，減少通電時間。脫碳末期降低供氧量，添加造渣料，提高化學(xué)能利用率。

4 結(jié) 論

(1)采用一個料籃一次裝料的冶煉模式，點(diǎn)弧+穿井的時長為5～6 min，在裝料高度相近的情況下，本階段的時長主要取決于點(diǎn)弧與穿井難度。通過改善表層料的組成，合理配置料籃堆密度組成，選擇合理檔位可以縮短該階段時長。該時期應(yīng)當(dāng)采用低檔位，低功率因數(shù)的工作點(diǎn)，有利于電弧保持穩(wěn)定，提高穿井速度，此階段吹氧主要起廢鋼切割助熔作用。

(2)在冶煉中后期即熔化脫碳期后期、脫碳升溫期采用最大供氧檔位進(jìn)行供氧電，主要作用是脫碳升溫，因為此階段造渣比較好，適合大功率供電、供氧。通過模型計算熔化脫碳后期每停電1 min噸鋼電耗增加0.59 kW·h/(t·min)，脫碳升溫期每停電1 min噸鋼電耗增加1.6 kW·h/(t·min)，因此有必要減少此階段的熱停時間。通過模型計算，兩種操作模式脫碳升溫可以增加供氧強(qiáng)度，該階段每增加1 m3(標(biāo)準(zhǔn))氧氣，可節(jié)電2.5～3 kW·h。

(3)脫碳末期，此階段泡沫渣埋弧效果不好能量利用率較差，鋼液中脫碳為限制性環(huán)節(jié)，采用低檔位供氧，防止鋼液中鐵水進(jìn)入鋼渣。此階段高檔位供電主要作用是快速升溫。