80 t全废钢电弧炉造渣石灰消耗量影响因素分析

2022-11-02黄炳荣战东平焦榆翔李丙江崔岳铭

工业加热 2022年9期

杨，黄炳荣，战东平，焦榆翔，李丙江，崔岳铭

(东北大学冶金学院，辽宁沈阳 110819)

随着世界废钢累积量的增加以及碳达峰和碳中和目标的影响，全社会越来越重视环境保护问题。电弧炉炼钢因其具有投资少、建设周期短、生产耗能低以及污染排放少等众多优点受到了极大重视[1]。造渣作为电弧炉炼钢过程的主要操作之一，对电弧炉炼钢过程的各项经济技术指标有显著影响，电弧炉造渣技术受到广泛重视[2-3]。杨运[4]和姜若尧[5]等研究了电弧炉用石灰石造渣工艺，结果表明应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。孙宽[6]等对电弧炉用转炉钢渣造渣进行了试验研究，冯朝兴[7]等对电弧炉高热装铁水比冶炼的造渣制度进行了研究，保证吹炼中后期炉渣二元碱度在2.0以上，渣量不低于钢水重量的1.5%。史国强[8]等对电弧炉造渣护炉技术的实践进行了分析。另外，前人还对电弧炉泡沫渣技术开展了广泛研究，均已证实泡沫渣对电弧炉操作具有良好的节能降耗效果[9～11]。杨凌志[12]等开发了电弧炉炼钢炉渣成分实时预报模型，对电弧炉造渣的影响进行了研究。本文基于对某厂80 t电弧炉生产数据的分析，可为电弧炉造渣工艺优化提供借鉴指导。

1 生产工艺简介

该厂生产工艺为80 t EAF-LF-VD-CC工艺流程。电弧炉的变压器容量为60 MVA，正常生产时电炉供电一般使用55 MVA。电弧炉原料结构为生铁和废钢，其中废钢占70%～80%。熔炼过程主要加石灰进行造渣，加入量根据废钢情况和钢种出钢磷质量分数要求进行调整，过程中再加入碳粉并吹氧实施泡沫渣操作。根据钢种是否进行VD精炼，电弧炉出钢量波动在85～90 t，冶炼周期为55～65 min。

2 国内全废钢电弧炉造渣石灰消耗量情况

表1为国内部分电弧炉石灰消耗量的统计结果[13-15]。可以看出，由于各厂的生产品种和工艺不同，因此各厂石灰平均消耗量有较大差异，本文调研的钢厂吨钢石灰消耗量低于其他企业5～15 kg。因此，有必要对其石灰消耗进行进一步分析。

表1 国内部分电弧炉石灰消耗量

3 影响电弧炉造渣石灰消耗的因素分析

3.1 装入量与吨钢石灰消耗量的关系

图1是装入量及钢铁料消耗与吨钢石灰消耗量的关系。从图1(a)可以看出，该厂吨钢石灰消耗量波动在32～37 kg/t钢，当装入量少于85.5 t时，石灰消耗相对较低，低于33.5 kg/t。当装入量达到86.5～89 t时，石灰消耗量变化不明显。从现场生产过程看，装入量较少炉次，一般均是留钢量留渣量偏多，这样在实际留渣量较大时，石灰消耗相对较低。从图1(b)可以看出，随着钢铁料消耗的增加，石灰消耗量随之增加。与装入量的影响类似，留钢留渣量多的炉次，石灰消耗量低。

3.2 电耗与吨钢石灰消耗量的关系

图2是吨钢电耗及氧耗量与吨钢石灰消耗的关系。从图2(a)可以看出，吨钢电耗330～410 kW·h·t-1，吨钢石灰消耗量波动在32～37 kg，二者相互未表现出明显的线性关系。从图2(b)可以看出，吨钢氧耗量在22～27 m3时，大部分炉次石灰消耗量波动在34～36 kg/t；当吨钢氧耗量大于27 m3时，大部分炉次的吨钢石灰消耗量均小于35 kg。

3.3 通电时间与吨钢石灰消耗量的关系

图3是通电时间及冶炼周期与吨钢石灰消耗的关系。从图3(a)可以看出，在通电时间在38～40 min时，石灰消耗量较其他通电时间高1～2 kg/t。从图3(b)可以看出，在大部分炉次冶炼周期46～60 min时，吨钢石灰消耗量集中在33～36 kg/t。

3.4 终点磷质量分数与吨钢石灰消耗的关系

图4为终点磷和碳质量分数与吨钢石灰消耗量的关系。从图4(a)可以看出，钢种终点磷质量分数要求越低，吨钢石灰消耗量越高。从图4(b)可以看出，当终点碳质量分数波动在0.05%～0.2%时，吨钢石灰消耗量主要波动在33.5～35.5 kg/t。当终点碳质量分数小于0.12%时，部分炉次吨钢石灰消耗量达到36 kg以上，而当终点碳质量分数大于0.18%时，吨钢石灰消耗量均小于35 kg。

4 石灰消耗量计算模型分析与讨论

电弧炉炼钢过程中，渣、钢、气界面存在如下反应：

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)

电弧炉冶炼过程中，影响石灰消耗的主要是以式(1)为主的脱磷反应，实际石灰消耗量受废钢装入量、废钢中的磷质量分数以及钢种要求的目标磷质量分数等影响。从式(1)、图1及图2可以看出，装入量对吨钢石灰消耗量影响不大，但随着钢铁料消耗的增加，石灰消耗量随之增加，这与式(1)和式(2)相关，因为当钢铁料消耗增加时，意味着可能有更多废钢中的Fe发生式(2)的反应，生成更多的(FeO)，这可能会促进反应(1)的进行，从而使石灰消耗增加。式(3)和式(4)同样也影响钢铁料消耗，且由于电弧炉造渣除了满足炼钢脱磷任务外，还承担着泡沫渣埋弧和保护炉衬的双重作用，因此式(3)的发生会降低炉渣碱度，实际操作时，为了实现良好的泡沫渣埋弧和保护炉衬，需要消耗石灰提高炉渣碱度来降低式(3)产生的(SiO2)的影响。若钢水脱硅量过大时，会造成石灰加入量显著增加，这还会影响通电时间延长甚至吨钢电耗增加，其影响在图3和图5中体现不明显。耗氧量增加时，式(2)～式(5)均可能受到影响，从而间接影响式(1)反应的进行程度。图1～图5都是采用的单一因素作为变量进行的讨论，部分数据未体现出明显的规律性，这有待于进一步对综合因素进行分析研究。

单就式(1)的脱磷反应而言，随着冶炼钢种终点磷质量分数的降低和脱磷量的增大，石灰消耗量将明显增加。由图4可见，当钢中终点磷质量分数从0.01%降低到0.005%时，石灰消耗量从平均34 kg/t左右将增加到平均35 kg/t以上，计算结果与图6的现场数据统计规律相符。

除满足上述脱磷要求外，在电弧炉炼钢过程中，还需考虑过程炉渣泡沫化程度、耐火材料侵蚀及炉衬维护情况[16-17]。因此，石灰消耗量计算模型通常采用式(6)进行计算[18-19]。

(6)

式中：W1为石灰加入量，kg；B为熔渣碱度，计算方法见式(7)；w(CaO)、w(SiO2)和w(P2O5)分别为渣中CaO、SiO2和P2O5质量分数，%；k2和k3分别为硅和磷的成渣系数；msi和mp分别为冶炼过程中的脱硅和脱磷量，kg。

(7)

在电弧炉实际冶炼过程中，实际脱硅量、脱磷量主要取决于入炉的废钢种类和质量情况，对炉渣发泡性能和炉衬维护要求主要用碱度B做工艺目标设定，一般B取2.2～3.5。钢厂实际生产时，炉渣目标碱度和渣系的调整通常根据渣线侵蚀情况等进行调整。图5是采用式(2)模型计算的石灰理论消耗量与实测值的关系图。可以看出，模型计算值与实际石灰消耗量的偏差大部分炉次小于2 kg/t钢，取样炉次全部小于3 kg/t钢。可见，在进行简化计算时，可以采用式(2)模型计算结果对实际生产进行指导。