謝孝容,陳代兵,鐘文根

(衡陽華菱鋼管有限公司,煉鋼分廠,湖南 衡陽 421001)

電弧爐熱裝鐵水煉鋼工藝是現(xiàn)代電弧爐煉鋼的一項新技術,可解決廢鋼資源短缺問題,并對縮短冶煉時間、降低電耗、提高鋼水質(zhì)量有較大作用[1-2]。從國內(nèi)同行業(yè)其他電爐兌鐵水廠家的生產(chǎn)實踐中看,熱裝鐵水比例并不是越高越好,隨著電弧爐鐵水熱裝比例的升高,冶煉電耗繼續(xù)下降,但冶煉時間卻呈現(xiàn)先縮短再增加的趨勢[3-4]。目前國內(nèi)絕大多數(shù)電爐兌鐵水廠家的鐵水比均控制在65%以下。

寶鋼150 t交流電弧爐鐵水比例30%～40%,天津鋼管公司150 t電弧爐鐵水比例為30%～35%,蘇鋼電爐廠100 t超高功率直流電弧爐鐵水比例45%～55%,馬鋼電爐廠110 t電爐鐵水比約50%,萊鋼50 t及100 t電爐電爐鐵水比65%[5-7]。

某鋼廠1#45 t電弧爐變壓器額定容量為16 MVA,自2009年實行兌鐵水冶煉以來,鐵水比基本在60%左右,平均冶煉周期65 min左右。2019年以來,煉鐵高爐產(chǎn)量逐步提高,日出鐵量達到了3 200 t以上,為提高電爐消化鐵水能力,達到鐵鋼系統(tǒng)平衡,并進一步縮短冶煉周期、降低煉鋼噸鋼成本, 需提高1# 45 t電弧爐鐵水比,并逐步取消電極,實現(xiàn)電爐轉(zhuǎn)爐化操作[8]。

1 1#45 t電弧爐工況及主體設備

1# 45 t電弧爐工況及主體設備參數(shù)如表1所示。

表1 45 t電弧爐工況及主體設備參數(shù)

2 電爐轉(zhuǎn)爐化生產(chǎn)基礎理論分析

要完全實現(xiàn)電爐轉(zhuǎn)爐化操作(取消電極及相關供電輔助設備),如何確定合理的鐵水比例及高鐵水比的冶煉操作工藝,應從理論上加以分析,以解決高鐵水比例所帶來的一系列問題[9-10]。

電爐轉(zhuǎn)爐化能量優(yōu)化配置(合理的鐵水比)理論分析:電爐轉(zhuǎn)爐化冶煉后,因電極及相關輔助設備已完全取消,電爐煉鋼的主要能量由電能全部轉(zhuǎn)化為鐵水物理熱以及元素氧化產(chǎn)生的化學熱組成[11]。

2.1 鐵水帶入的物理熱

Q=m[C1(T2-T1)+L+C2(T3-T2)]

式中:C1、C2分別為生鐵的固態(tài)、液態(tài)平均比熱容,分別為0.745 kJ/(kg ·℃),0.836 8 kJ/(kg·℃);L為生鐵熔化潛熱217.568 kJ/kg;T1、T2、T3分別為常溫25 ℃、生鐵熔點1 089 ℃。

2.1.1 鐵水最高物理熱

根據(jù)鐵水溫度情況,鐵水分罐后最高溫度1 320 ℃,1 000 kg 鐵水物理熱為1 203 549 kJ。換算成電耗為1 203 549/3 600=334 kW·h。故根據(jù)理論計算,每兌入1%的鐵水帶來的物理熱可降低電3.34 kW·h/t,即每兌入1%的鐵水比加入1%的生鐵少用電3.34 kW·h。

2.1.2 鐵水最低物理熱

鐵水分罐后最低溫度1 240 ℃。那么1 000 kg 鐵水物理熱為1 136 605 kJ。換算成電耗為1 136 605/3 600=316 kW·h。故根據(jù)理論計算,每兌入1%的鐵水帶來的物理熱可降低電3.16 kW·h/t,即每兌入1%的鐵水比加入1%的生鐵少用電3.16 kW·h。

2.2 鐵水帶入的化學熱

鐵水中C、Si、Mn、P等元素氧化時,放出大量化學熱。吹入氧氣(25 ℃),元素反應熱效應見表2。

表2 各元素反應熱

2.2.1 鐵水最高化學熱

根據(jù)鐵水成分情況,鐵水各元素最高含量為:碳4.5%,硅1.00%,錳0.40%,磷0.140%,則1 000 kg鐵水帶入的最高化學熱=1 000×(11 300×4.5%+28 314×1.00%+7 020×0.40%+25 732×0.14%)=855 745 kJ。換算成電耗為855 745/3 600=238 kW·h。

2.2.2 鐵水最低化學熱

根據(jù)鐵水成分情況,鐵水各元素最低含量為:碳4.0%,硅0.30%,錳0.25%,磷0.09%,則1 000 kg鐵水帶人的最低化學熱=1 000×(11 300×4.0%+28 314×0.30%+7 020×0.25%+25 732×0.09%)=577 651 kJ。換算成電耗為577 651/3 600=161 kW·h。

2.3 電爐轉(zhuǎn)爐化理論鐵水比確定

2.3.1 最低鐵水比

假設全廢鋼冶煉(兌生鐵)的噸鋼電耗為355 kW·h/t(2009年以前電爐全廢鋼冶煉平均電耗),生鐵比為40%,則當鐵水物理熱與化學熱均為最高值時,1 000 kg 鐵水的綜合熱量為334+238=572 kW·h。則電爐轉(zhuǎn)爐化(零電耗)所需的理論鐵水比為

(355-40%×334)/572+40%=78.68%

2.3.2 最高鐵水比

當鐵水物理熱與化學熱均為最低值時,1 000 kg 鐵水的綜合熱量為316+161=477 kW·h。則電爐轉(zhuǎn)爐化(零電耗)所需的理論鐵水比為

(355-40%×316)/477+40%=87.92%

故電爐轉(zhuǎn)爐化冶煉,鐵水比控制需根據(jù)鐵水具體的溫度、成分情況在78%～88%波動。

因高爐一般情況下鐵水成分為:w(C)=4.5%、w(Si)=0.45%、w(Mn)=0.30%、w(P)=0.10%,分罐后鐵水溫度一般為1 250 ℃,故根據(jù)理論計算,確定全鐵水冶煉時正常情況下鐵水比按83%進行控制。

3 1#45 t電爐轉(zhuǎn)爐化冶煉生產(chǎn)實踐

3.1 電爐轉(zhuǎn)爐化冶煉初步工藝方案

3.1.1 工藝試驗階段的生產(chǎn)組織準備及設備要求

(1)盡量不安排1#爐生產(chǎn)磷上限要求≤0.012%的鋼種,以防止脫磷不下。

(2) 優(yōu)先保證1#電爐的鐵水量,并在生產(chǎn)組織上嚴禁鐵水加入后泡爐及氧末等大包出鋼。

(3)在電爐平臺準備適量類石墨,以備異常情況使用。

(4)確保噴粉及氧槍等設備正常運行,防止碳氧槍異常對脫碳脫磷的影響。

(5)三根電極橫臂及夾持器使用石棉布等材料保護好,保證異常情況下能在2 h內(nèi)具備送電條件。

3.1.2 初步工藝試驗方案

(1)料源結構以輕薄料為主,鐵水比按83%～85%控制,嚴禁配入渣鋼、冷鋼、坯頭、打包料等難熔料。

(2)電爐用氧操作:鐵水加完后即可開啟爐壁氧槍“助熔1模式”,從“助熔1模式”轉(zhuǎn)至“脫碳1模式”需根據(jù)鐵水比例情況及噴濺情況決定,一般在4～7 min內(nèi)可轉(zhuǎn)至“脫碳1模式”。(因料源結構內(nèi)含有管頭等重型料,故要求“助熔2、3模式”應適當延長)。用氧參數(shù)如表3所示。

表3 用氧參數(shù)

(3)爐壁氧槍開啟后即可加入石灰200～500 kg,以后根據(jù)爐內(nèi)溫度情況按批次逐步加入石灰,保證氧耗在2 000 m3(標準)前將所有石灰加完。

(4)冶煉前期盡量將爐渣造渣,以防止前期流渣帶鋼。冶煉中期用氧操作過程必須保證吹氧化渣的氧槍支數(shù),嚴防爐渣異常返干,影響脫磷效果。

(5)當出現(xiàn)生產(chǎn)異常情況,溫度低,可適當加入FeSi合金(50～100 kg),并吹氧升溫,待溫度達到1 570 ℃時可緊急出鋼。

3.2 試驗情況

3.2.1 試驗數(shù)據(jù)

根據(jù)初步方案進行試驗,數(shù)據(jù)見表4。

表4 試驗數(shù)據(jù)

從表4試驗數(shù)據(jù)看:

(1)兩個爐役平均冶煉周期(排除熱停時間)雖較2019年1—5月份非全鐵水冶煉的平均冶煉周期(60.4 min)稍有縮短,但冶煉周期仍較長,未達到初步的設定目標。

(2)通過第1爐役的工藝及操作摸索,第2個爐役冶煉周期大有縮短,但工藝及操作方面仍需進一步優(yōu)化。

3.2.2 前期試驗存在的問題

1#45 t電爐冶煉鐵水比由60%左右提高至83%,實現(xiàn)“電轉(zhuǎn)化”冶煉,由于熔清后爐內(nèi)鋼水C、 Si 、 Mn等含量的變化,致使電爐操作與原來產(chǎn)生極大差異。在前期的生產(chǎn)實踐中“電轉(zhuǎn)化”冶煉存在的問題主要表現(xiàn)為:

(1)高鐵水比增加了鋼中C、Si、Mn的含量,致使煉鋼氧化期任務大大增加(爐內(nèi)的化學反應量和速度都大大增加),致使電爐造渣操作可控難度增加,如前期鋼渣易發(fā)生乳化,冶煉中后期爐渣易返干,影響脫磷操作。

(2)因冶煉中后期爐渣易返干,吹煉時極易導致鋼渣噴濺,爐墻、爐蓋、四孔結冷鋼嚴重,處理時間長,員工勞動強度大,并影響后續(xù)爐次操作?！半娹D(zhuǎn)化”實驗初期冶煉周期(包括處理爐墻等非冶煉時間)達到了70 min以上。

(3)高比例冶煉時,前期易發(fā)生爐渣乳化,鋼渣難以分離,易導致爐門口流渣帶鋼嚴重,鋼鐵料消耗上升(較原來上升了近10 kg/t)。

(4)由于電極已取消,全新爐殼第一爐鐵水比將達到90%以上,廢鋼加入量較少,約4～5 t,鐵水加入量達到48 t以上,鐵水加入時將對爐底產(chǎn)生沖擊相對來說更為嚴重,可能對爐齡產(chǎn)生較大影響。

(5)氧化任務增加,煙塵量大大增加,對除塵系統(tǒng)(除塵能力)提出了更高的要求。

(6)由于單位時間的供氧強度增加和爐渣易反干的特點,冶煉過程鋼渣噴濺加劇,造成爐墻、爐蓋黏接鋼渣加劇,甚至堵塞第四、五孔,嚴重影響生產(chǎn)。

3.3 電轉(zhuǎn)化冶煉相關設備與工藝優(yōu)化改進

通過不斷的試驗,對電爐轉(zhuǎn)爐化冶煉在設備、生產(chǎn)組織及工藝操作方面進行了一系列改進措施。

3.3.1 設備改造方面

針對前期電爐轉(zhuǎn)爐化高比例鐵水冶煉出現(xiàn)的各類設備問題,為適應全鐵水冶煉操作,攻關小組對1# 45 t電爐相關設備進行了以下改造:

(1)對三項橫臂、水冷電纜進行拆除;將大爐蓋五孔進回水閥加大,加大冷卻水流量。

(2)對爐壁上的多支化渣槍進行改進,通過使爐膛內(nèi)富氧,提高爐膛溫度,減少爐墻結冷鋼現(xiàn)象。

(3) 爐殼加高520 mm;廠型架加高500 mm,以減少冶煉噴濺帶來的影響。

(4)大爐蓋中心孔改為水冷導火套,直徑1 200 mm,高度1 200 mm,插入中心水冷板內(nèi),減少第四孔抽氣能力不足帶來爐內(nèi)氣壓過高、火焰從爐門竄出的問題。

(5)水冷石灰加料斗自行設計改進,滿足爐殼、廠型架加高后能加石灰。

(6)爐殼進回水總管加大到DN150 mm,保證爐殼加高水冷板冷卻水流量。

(7)四孔活動彎頭和過渡段提高500 mm,并將大爐蓋固定彎頭間隙調(diào)整好,將所有煙道進行更新,保證除塵一次抽氣效果。

3.3.2 生產(chǎn)組織方面

(1)1#爐優(yōu)先原則:即鐵水優(yōu)先保證1#電爐的鐵水量滿足全鐵水冶煉工藝要求(81%～85%)。

(2)加強生產(chǎn)組織協(xié)調(diào),杜絕鐵水加入后泡爐及氧末等大包出鋼現(xiàn)象,并盡量保證1#爐不等鐵水。

(3)若冶煉時因鋼水量少需補料,則必須協(xié)調(diào)以補鐵水為主,廢鋼為輔,保證鐵水比達到各爐役階段鐵水比要求。

(4)出現(xiàn)異常情況必須積極協(xié)調(diào)需補加的鐵水量,并協(xié)調(diào)準備紅熱鋼包出鋼(嚴禁使用冷大包、黑大包及其他不正常鋼包)。

(5)若連續(xù)出現(xiàn)鐵水硅高(≥0.70%),并造成電爐氧末溫度高影響脫磷,則必須及時協(xié)調(diào)減少鐵水量與增加廢鋼量,鐵水比按正常情況減2%～3%控制(以冶煉操作順行為原則)。

(6)出臺生產(chǎn)停頓的異常情況的,生產(chǎn)組織預案。

3.3.3 工藝操作方面

1)氧槍系統(tǒng)

為提高后期爐役氧槍穿透力,對1#、2#集束氧槍(包括銅座)的安裝高度下移了50 mm。

2)鐵水分配及廢鋼配入

根據(jù)理論計算及衡鋼鐵水的實際情況,正常情況下鐵水比按83%進行分配,并按照各爐役(前期、中期、后期爐役)容量制定詳細的鐵水及配料方案。

對特殊鋼種及異常情況(如打爐底、換袖磚第一爐及前一爐)的鐵水比分別制定了不同的方案,以避免異常情況下爐內(nèi)溫度低的現(xiàn)象。

3)電爐操作

對“電轉(zhuǎn)化”冶煉烘爐工藝探索,制定了專門的“電轉(zhuǎn)化”冶煉烘爐工藝。新爐殼爐底鋪1層增碳劑,兌鐵水沖擊區(qū)用較大塊的廢鋼鋪墊,新爐殼第1爐,鐵水比按90%控制,總冶煉時間控制在210～250 min,并控制了前期的用氧速度。

在正常冶煉情況下,氧槍模式從“助熔1模式”轉(zhuǎn)至“脫碳1模式”的時間縮短,提前進入了脫碳操作,減輕了后期爐役渣稀現(xiàn)象,并縮短了冶煉時間。

對氧槍參數(shù)(主氧、燃氣、環(huán)氧比例)進行了優(yōu)化,提升了集束氧槍的穿透力,充分發(fā)揮了集束氧槍的效率,具體參數(shù)如表5所示。

表5 氧槍用氧參數(shù)

為預防爐渣返干現(xiàn)象,使用了螢石、燒結礦造渣,要求爐渣返干時,可視情況加入適量螢石或燒結礦,減輕了爐渣返干現(xiàn)象,大幅縮短了冶煉時間。

對異常情況,氧末出現(xiàn)溫度高、碳高現(xiàn)象,要求及時補加燒結礦及少量石灰,并及時進行化渣操作,縮短了異常情況下的冶煉時間。

制定并不斷優(yōu)化了《全鐵水冶煉異常情況操作預案》,減輕了全鐵水冶煉異常情況對生產(chǎn)、質(zhì)量的影響。

3.4 電爐轉(zhuǎn)爐化冶煉數(shù)據(jù)對比分析

1# 45 t電爐自2019年5月份逐步進行試驗,通過不斷對工藝設備進行改造,對生產(chǎn)組織及操作工藝進行優(yōu)化,冶煉周期逐步縮短,班產(chǎn)可達到9.5爐鋼以上,具備日產(chǎn)30爐鋼的生產(chǎn)能力。具體數(shù)據(jù)見表6(具體爐號數(shù)據(jù)見附表)。從表6、表7看,1# 45 t爐電爐轉(zhuǎn)爐化生產(chǎn)后,7—12月份平均冶煉周期達到了56.20 min,較2019年1—5月份的平均冶煉周期(60.37 min)縮短了4.17 min,較2018年平均冶煉周期縮短了8.49 min。其中10—12月份,平均冶煉時間達到了53.53 min,較2019的1—5月份平均縮短了6.84 min,如排除熱停時間,達到了班產(chǎn)9.5爐以上的生產(chǎn)能力。

表6 全鐵水冶煉數(shù)據(jù)對比

表7 7—12月冶煉情況

4 電爐轉(zhuǎn)爐化綜合效果

4.1 冶煉綜合成本分析(與60%鐵水對比)

4.1.1 節(jié)約的成本

(1)Φ450電極消耗:1.70 kg/t×10.256元/kg=17.44元/噸坯。

(2)初煉電:165 kW·h/t×0.66元/kW·h=108.9元/噸坯。

(3)整體小爐蓋:5.58元/噸坯。

(4)小計:17.44+108.9+5.58=131.92元/噸坯。

4.1.2 增加的成本

(1)鐵水與廢鋼的差價:(83%～60%)×1 130 kg/t×(2.362 88元/kg-2.321 49元/kg)=10.76元/噸坯。(注:電爐轉(zhuǎn)爐化冶煉鐵水比按83%計)

(2)氧氣消耗增加:(60-53)m3/t×0.70元/m3(標準)=4.9元/噸坯。

(3)天然氣消耗增加:3 m3/t(標準)×3.0元/m3(標準)=9元/噸坯。

(4)小計:10.76+4.9+9=24.66元/噸坯。

4.1.3 綜合節(jié)約成本合計

131.92元/噸坯-24.66元/噸坯=107.26元/噸坯。

4.1.4 說 明

以上鐵水、廢鋼、電極價格均按2019年1—10月市場均價計算。

4.2 設備故障與熱停

“電轉(zhuǎn)化”冶煉后,因電極及相關設備已取消,相關的電器等設備故障大大減少,月平均熱停時間由原來的8 min/爐縮短至約3 min/爐。

4.3 勞動強度

“電轉(zhuǎn)化”冶煉后,節(jié)省了接電極、裝電極操作,因斷電極造成的事故處理也不存在,爐墻加高后基本杜絕了爐蓋第四孔、第五孔的結鋼渣的處理工作,爐前員工勞動強度大大降低;同時設備維修點減少、設備故障大幅降低,維修人員的勞動強度也大為降低。

5 結 論

(1)根據(jù)理論計算鐵水的物理熱、化學熱,確定合理的鐵水比例的冶煉操作工藝,結合實際的鐵水溫度、成分情況,得到鐵水比在78%～88%波動。從實際的衡鋼鐵水溫度和成分情況出發(fā),確定衡鋼全鐵水冶煉時鐵水基準比為83%。

(2)為適應電爐轉(zhuǎn)爐化高比例鐵水冶煉生產(chǎn)實踐,對1#45噸電爐進行了相關設備改造;生產(chǎn)組織方面確定了以1#爐為重點;工藝操作方面調(diào)整了集束氧槍安裝高度、優(yōu)化了氧槍參數(shù)和冶煉操作工藝;制定了合理的鐵水配料方案和“電轉(zhuǎn)化”冶煉烘爐工藝方案等,促進了1#爐全鐵水冶煉生產(chǎn)快速達到了預期目的。

(3)1# 45噸爐電爐轉(zhuǎn)爐化生產(chǎn)后平均冶煉周期54.22 min,較2019年1—5月份的平均冶煉周期(60.37 min)縮短了6.25 min,較2018年平均冶煉周期縮短了10.47 min,排除事故熱停時間,電爐轉(zhuǎn)爐化平均冶煉周期50.48 min,達到了班產(chǎn)9.5爐以上的生產(chǎn)能力,月產(chǎn)能力提升4 500 t以上。

(4)全鐵水(電爐轉(zhuǎn)爐化)冶煉成本節(jié)約107.26/噸坯(原指標比較成本)。實行電爐轉(zhuǎn)爐化冶煉工藝操作后,有效地減少了接電極、裝電極等工藝操作,減少了設備維護點和設備故障,員工勞動強度大大降低。