楊 ，黃炳榮，戰(zhàn)東平，焦榆翔，李丙江，崔岳銘

(東北大學 冶金學院，遼寧 沈陽 110819)

隨著世界廢鋼累積量的增加以及碳達峰和碳中和目標的影響，全社會越來越重視環(huán)境保護問題。電弧爐煉鋼因其具有投資少、建設周期短、生產(chǎn)耗能低以及污染排放少等眾多優(yōu)點受到了極大重視[1]。造渣作為電弧爐煉鋼過程的主要操作之一，對電弧爐煉鋼過程的各項經(jīng)濟技術(shù)指標有顯著影響，電弧爐造渣技術(shù)受到廣泛重視[2-3]。楊運[4]和姜若堯[5]等研究了電弧爐用石灰石造渣工藝，結(jié)果表明應石灰石替代部分石灰后，石灰消耗降低了23.3kg/t，氧耗提高5.58 m3/t。孫寬[6]等對電弧爐用轉(zhuǎn)爐鋼渣造渣進行了試驗研究，馮朝興[7]等對電弧爐高熱裝鐵水比冶煉的造渣制度進行了研究，保證吹煉中后期爐渣二元堿度在2.0以上，渣量不低于鋼水重量的1.5%。史國強[8]等對電弧爐造渣護爐技術(shù)的實踐進行了分析。另外，前人還對電弧爐泡沫渣技術(shù)開展了廣泛研究，均已證實泡沫渣對電弧爐操作具有良好的節(jié)能降耗效果[9～11]。楊凌志[12]等開發(fā)了電弧爐煉鋼爐渣成分實時預報模型，對電弧爐造渣的影響進行了研究。本文基于對某廠80 t電弧爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析，可為電弧爐造渣工藝優(yōu)化提供借鑒指導。

1 生產(chǎn)工藝簡介

該廠生產(chǎn)工藝為80 t EAF-LF-VD-CC工藝流程。電弧爐的變壓器容量為60 MVA，正常生產(chǎn)時電爐供電一般使用55 MVA。電弧爐原料結(jié)構(gòu)為生鐵和廢鋼，其中廢鋼占70%～80%。熔煉過程主要加石灰進行造渣，加入量根據(jù)廢鋼情況和鋼種出鋼磷質(zhì)量分數(shù)要求進行調(diào)整，過程中再加入碳粉并吹氧實施泡沫渣操作。根據(jù)鋼種是否進行VD精煉，電弧爐出鋼量波動在85～90 t，冶煉周期為55～65 min。

2 國內(nèi)全廢鋼電弧爐造渣石灰消耗量情況

表1為國內(nèi)部分電弧爐石灰消耗量的統(tǒng)計結(jié)果[13-15]?？梢钥闯?，由于各廠的生產(chǎn)品種和工藝不同，因此各廠石灰平均消耗量有較大差異，本文調(diào)研的鋼廠噸鋼石灰消耗量低于其他企業(yè)5～15 kg。因此，有必要對其石灰消耗進行進一步分析。

表1 國內(nèi)部分電弧爐石灰消耗量

3 影響電弧爐造渣石灰消耗的因素分析

3.1 裝入量與噸鋼石灰消耗量的關(guān)系

圖1是裝入量及鋼鐵料消耗與噸鋼石灰消耗量的關(guān)系。從圖1(a)可以看出，該廠噸鋼石灰消耗量波動在32～37 kg/t鋼，當裝入量少于85.5 t時，石灰消耗相對較低，低于33.5 kg/t。當裝入量達到86.5～89 t時，石灰消耗量變化不明顯。從現(xiàn)場生產(chǎn)過程看，裝入量較少爐次，一般均是留鋼量留渣量偏多，這樣在實際留渣量較大時，石灰消耗相對較低。從圖1(b)可以看出，隨著鋼鐵料消耗的增加，石灰消耗量隨之增加。與裝入量的影響類似，留鋼留渣量多的爐次，石灰消耗量低。

3.2 電耗與噸鋼石灰消耗量的關(guān)系

圖2是噸鋼電耗及氧耗量與噸鋼石灰消耗的關(guān)系。從圖2(a)可以看出，噸鋼電耗330～410 kW·h·t-1，噸鋼石灰消耗量波動在32～37 kg，二者相互未表現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系。從圖2(b)可以看出，噸鋼氧耗量在22～27 m3時，大部分爐次石灰消耗量波動在34～36 kg/t；當噸鋼氧耗量大于27 m3時，大部分爐次的噸鋼石灰消耗量均小于35 kg。

3.3 通電時間與噸鋼石灰消耗量的關(guān)系

圖3是通電時間及冶煉周期與噸鋼石灰消耗的關(guān)系。從圖3(a)可以看出，在通電時間在38～40 min時，石灰消耗量較其他通電時間高1～2 kg/t。從圖3(b)可以看出，在大部分爐次冶煉周期46～60 min時，噸鋼石灰消耗量集中在33～36 kg/t。

3.4 終點磷質(zhì)量分數(shù)與噸鋼石灰消耗的關(guān)系

圖4為終點磷和碳質(zhì)量分數(shù)與噸鋼石灰消耗量的關(guān)系。從圖4(a)可以看出，鋼種終點磷質(zhì)量分數(shù)要求越低，噸鋼石灰消耗量越高。從圖4(b)可以看出，當終點碳質(zhì)量分數(shù)波動在0.05%～0.2%時，噸鋼石灰消耗量主要波動在33.5～35.5 kg/t。當終點碳質(zhì)量分數(shù)小于0.12%時，部分爐次噸鋼石灰消耗量達到36 kg以上，而當終點碳質(zhì)量分數(shù)大于0.18%時，噸鋼石灰消耗量均小于35 kg。

4 石灰消耗量計算模型分析與討論

電弧爐煉鋼過程中，渣、鋼、氣界面存在如下反應：

2[P]+5(FeO)+3(CaO)=(3CaO·P2O5)+5[Fe]

(1)

[Fe]+[O]=(FeO)

(2)

[Si]+2[O]= (SiO2)

(3)

[C]+[O]= CO

(4)

O2=2[O]

(5)

電弧爐冶煉過程中，影響石灰消耗的主要是以式(1)為主的脫磷反應，實際石灰消耗量受廢鋼裝入量、廢鋼中的磷質(zhì)量分數(shù)以及鋼種要求的目標磷質(zhì)量分數(shù)等影響。從式(1)、圖1及圖2可以看出，裝入量對噸鋼石灰消耗量影響不大，但隨著鋼鐵料消耗的增加，石灰消耗量隨之增加，這與式(1)和式(2)相關(guān)，因為當鋼鐵料消耗增加時，意味著可能有更多廢鋼中的Fe發(fā)生式(2)的反應，生成更多的(FeO)，這可能會促進反應(1)的進行，從而使石灰消耗增加。式(3)和式(4)同樣也影響鋼鐵料消耗，且由于電弧爐造渣除了滿足煉鋼脫磷任務外，還承擔著泡沫渣埋弧和保護爐襯的雙重作用，因此式(3)的發(fā)生會降低爐渣堿度，實際操作時，為了實現(xiàn)良好的泡沫渣埋弧和保護爐襯，需要消耗石灰提高爐渣堿度來降低式(3)產(chǎn)生的(SiO2)的影響。若鋼水脫硅量過大時，會造成石灰加入量顯著增加，這還會影響通電時間延長甚至噸鋼電耗增加，其影響在圖3和圖5中體現(xiàn)不明顯。耗氧量增加時，式(2)～式(5)均可能受到影響，從而間接影響式(1)反應的進行程度。圖1～圖5都是采用的單一因素作為變量進行的討論，部分數(shù)據(jù)未體現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，這有待于進一步對綜合因素進行分析研究。

單就式(1)的脫磷反應而言，隨著冶煉鋼種終點磷質(zhì)量分數(shù)的降低和脫磷量的增大，石灰消耗量將明顯增加。由圖4可見，當鋼中終點磷質(zhì)量分數(shù)從0.01%降低到0.005%時，石灰消耗量從平均34 kg/t左右將增加到平均35 kg/t以上，計算結(jié)果與圖6的現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計規(guī)律相符。

除滿足上述脫磷要求外，在電弧爐煉鋼過程中，還需考慮過程爐渣泡沫化程度、耐火材料侵蝕及爐襯維護情況[16-17]。因此，石灰消耗量計算模型通常采用式(6)進行計算[18-19]。

(6)

式中：W1為石灰加入量，kg；B為熔渣堿度，計算方法見式(7)；w(CaO)、w(SiO2)和w(P2O5)分別為渣中CaO、SiO2和P2O5質(zhì)量分數(shù)，%；k2和k3分別為硅和磷的成渣系數(shù)；msi和mp分別為冶煉過程中的脫硅和脫磷量，kg。

(7)

在電弧爐實際冶煉過程中，實際脫硅量、脫磷量主要取決于入爐的廢鋼種類和質(zhì)量情況，對爐渣發(fā)泡性能和爐襯維護要求主要用堿度B做工藝目標設定，一般B取2.2～3.5。鋼廠實際生產(chǎn)時，爐渣目標堿度和渣系的調(diào)整通常根據(jù)渣線侵蝕情況等進行調(diào)整。圖5是采用式(2)模型計算的石灰理論消耗量與實測值的關(guān)系圖?？梢钥闯?，模型計算值與實際石灰消耗量的偏差大部分爐次小于2 kg/t鋼，取樣爐次全部小于3 kg/t鋼。可見，在進行簡化計算時，可以采用式(2)模型計算結(jié)果對實際生產(chǎn)進行指導。

5 結(jié) 論

(1)裝入量、鋼鐵料消耗、氧耗量和通電時間等與石灰消耗量有一定關(guān)系，但按噸鋼石灰消耗量分析時，其相關(guān)性因還受到留鋼、留渣量等的影響，規(guī)律性不明顯，其相關(guān)性有待于綜合各因素進行進一步研究。

(2)該廠80 t電弧爐的噸鋼石灰消耗量波動在32～37 kg，隨著冶煉鋼種終點磷質(zhì)量分數(shù)的降低和脫磷量的增大，石灰消耗量將明顯增加。當鋼中終點磷質(zhì)量分數(shù)從0.01%降低到0.005%時，噸鋼石灰消耗量從平均34 kg左右將增加到平均35 kg以上。對80 t電弧爐的石灰消耗量有一定影響。

(3)石灰消耗量計算模型的理論計算值與實際噸鋼石灰消耗量的偏差大部分爐次小于2 kg，取樣爐次噸鋼石灰消耗量全部小于3 kg，模型計算結(jié)果對實際生產(chǎn)有一定指導意義。