电弧炉炼钢技术若干问题的实践与认识(2)

摘要:对电弧炉流程与转炉流程在成本、质量等方面的差异进行了对比分析介绍了CoJet炉壁喷枪在宝钢的应用情况还就电弧炉自动炼钢技术的应用与开发进行了介绍与讨论。最后讨论了与电弧炉流程有关的某些环保问题。 关键词:电弧炉;成本;炉壁喷枪 1 概述 　 电弧炉炼钢自20世纪60年代提出超高功率概念以来一直处于不断发展变革的过程中。考察其发展的历史进程可以看出，电弧炉流程之所以能够成为与转炉流程相抗衡的第二大钢铁制造流程，技术的发展使得流程上的瓶颈得以突破起到了关键性的作用(以废钢资源积累至一定程度为条件):正是因为能量输入强度的提高使得炉子大型化、冶炼周期大幅度缩短成为现实，电弧炉与后续精炼、连铸工序的匹配得以实现，从而使电弧炉流程的产能、劳动生产率能够与大规模化生产相适应。就电弧炉炼钢的当代技术而言，随着化学能利用技术的长足进步，冶炼周期己由60min左右进入50～40min，因此其生产节奏己逼近转炉水平。但由于种种原因，电弧炉钢成本、质量及相关环保问题仍值得关注。本文将基于宝钢的实践与认识，就上述几方面问题展开讨论。另外，还将介绍和讨论有关电弧炉自动炼钢方面的内容。1 宝钢电弧炉与转炉流程的成本对比 　 表1为宝钢150t电弧炉及300t转炉钢水(含精炼)在2005年1月的变动成本结构的比较。由表1可见,影响成本最大的是主原料。以本月的成本结构进行比较计算,剔除钢种的影响,宝钢150t电弧炉平均变动成本约比转炉高23%。 表1　 宝钢150t电弧炉及300t转炉钢水(含精炼)变动成本结构的比较 流程 铁水 废钢 电 电极 氧气 燃气 合金 耐材 其他 电弧炉 20.36 47.8 9.55 1.23 0.80 0.35 13.75 2.82 3.15 转炉 58.21 18.54 1.25 - 1.02 - 16.40 1.60 2.98 　 　 以上述成本结构为基础,调整铁水成本或废钢价格导致的钢水变动成本变化情况如图1和图2所示。由图1和2可见,铁水成本变化对转炉钢水成本影响明显,但即使铁水成本高至1700元/t,电弧炉钢水成本仍高出转炉约200元/t。至于废钢价格,其变化对宝钢转炉钢水成本的影响不大,对电弧炉成本的影响则是很大的。为此电弧炉必须在主原料的结构上采取相应的措施。 　 　 　 　 在目前的成本结构下,提高铁水比是降低成本的有效措施计算表明铁水比从0到0.4变化时对电弧炉钢水成本带来约200元/t的影响。另外宝钢150t电弧炉通过使用渣钢渣铁使主原料成本大幅下降。目前每炉渣钢(铁)用量约为23t(14%)左右，这使得主原料成本下降约185/t。渣钢(铁)带来的负面影响主要是渣量增加，电耗增加，另外若块度及布料不合理有可能损坏电极。 　 由上比较可见，相对转炉而言，宝钢150t电弧炉在成本上总是处于较大的劣势。然而在多年的生产实践中笔者逐渐形成了一个基本认识，即随着电弧炉炼钢技术的发展，通过技术进步来降低成本的道路应该越来越宽广。例如能源构成方面，在相关工艺及设备技术进步后可实现更多化学能的使用，因此电耗及电极消耗能够大幅度下降。还有在主原料方面，由于技术的进步使得电弧炉的灵活性及适应性越来越强:先进的强化供氧技术使得铁水比例可以大幅度提高、冶炼周期大幅度降低，并使得各种低质废钢代用品如渣钢渣铁能够被大量使用，换言之，质量控制水平的提高被转化为成本的降低，冶炼时间的节约也被转化为成本的降低。总之，电弧炉钢成本高是无法回避的事实，但通过技术进步来降低成本的空间还很大。 2 宝钢电弧炉钢及转炉钢在质量方面的差异 2.1 残余元素 　 因采用废钢冶炼，通常电弧炉钢残余元素较转炉钢高，这是电弧炉钢存在的主要问题之一。解决的有效办法是提高废钢代用品的使用比例。对于宝钢150t电弧炉，由于兑入了超过30%的铁水，其残余元素含量己不高，但与宝钢转炉钢相比仍有差距，特别是铜含量仍有数倍之差。当然，在生产一些特殊要求的钢种时可加大铁水比以稀释废钢中的残余元素。残余元素含量的不同对钢材性能有一定的影响。表2为宝钢转炉与150t电弧炉生产的高速线材的平均成分及平均性能对比。由表2可见，在其他成分相差不多的情形下，电弧炉钢残余元素比转炉钢高，导致其抗拉强度升高而断面收缩率下降。 表2　 宝钢转炉与150t电弧炉生产的高速线材平均成分与平均性能的对比 钢种 生产 方式 w(C)/% w(Si)/% w(Mn)/% w(P)/% w(S)/% w(N)/10-6 w(Cu)/% σb/MPa ψ/% 10A 电弧炉 0.072 0.04 0.36 0.007 0.003 47 0.077 380.8 72.9 　 转炉 0.088 0.02 0.44 0.013 0.008 44 0.010 359.2 75.4 18A 电弧炉 0.173 0.05 0.69 0.007 0.002 50 0.075 473.0 69.0 　 转炉 0.170 0.03 0.69 0.014 0.008 46 0.018 459.8 70.0 35K 电弧炉 0.336 0.15 0.77 0.007 0.002 49 0.080 613.7 55.0 　 转炉 0.334 0.20 0.70 0.013 0.008 48 0.015 599.4 56.0 72A 电弧炉 0.700 0.24 0.45 0.007 0.002 41 0.065 1038.0 44.5 　 转炉 0.700 0.24 0.47 0.014 0.008 44 0.010 1020.6 46.5 　 2.2 氮含量 　 众所周知,氮含量偏高是电弧炉钢的又一问题。宝钢150t电弧炉钢成品氮含量与转炉钢的比较如图3所示(2004年数据)。经真空处理的电弧炉钢成品w(N)与宝钢转炉钢相比平均约高25×10-6,若未经真空处理,则会高出约55×10-6,可见差别相当大。为此,对有氮含量要求的钢种,笔者采取了多方面的措施,使成品氮含量得到有效控制,目前可稳定生产w(N)为40×10-6以下钢种,且最低w（N）达到20×10-6。 　 　 　 就电弧炉工序而言,通过增加铁水量可有效降低氮含量,其原因是,铁水量的增加使通电量降低,特别是脱碳反应可使钢水中己溶解的氮被部分脱出。脱氮速率与脱碳速率有关,笔者获得的一个回归关系为: 　 △w(N)/△t=0.296+0.181(△w(C)/△t)　 (1) 　 根据式(1)可以推证出一个不易被发现的道理,即在主原料配碳量一定的前提下,在一定范围内较低的脱碳速率反而有助于将氮脱至更低水平(因对应较长吹氧脱碳期)。这一道理己为生产实践所检验,即平稳吹氧( 而不是加大供氧强度)的脱氮效果更佳。 　 另外,实际生产经验表明,出钢w(C)控制在0.15%～0.40%范围时氮含量通常较低。目前,宝钢150t电弧炉出钢w(N)最低己达到17×10-6。 2.3 磷硫氧含量 　 电弧炉钢较诸转炉钢的一个明显优势是磷含量低其原因是:①电弧炉冶炼过程可进行流渣操作故脱磷效果好;②随着偏心炉底出钢被普遍采用,电弧炉出钢时下渣量大幅度减少,故在随后的精炼过程中回磷量也较少。 　 自采用LF作为常规精炼设施以来,无论是电弧炉流程还是转炉流程,在降低钢中硫含量及氧含量方面均达到很好的效果。对于采用偏心炉底出钢的电弧炉,出钢时下渣少,故后续LF还原精炼的脱氧脱硫效果更佳。值得指出的是,随着电弧炉冶炼周期的不断缩短,精炼时间也相应缩短,这对精炼效果带来负面影响。一个可行的方案是采用预熔渣。由于预熔渣的熔化温度低于通常的机械合成渣,成渣速度快,在较短时间内渣-金界面反应便由固液反应转变为液液反应。其效果不仅使脱硫反应提前进行,且钢水成分也提前趋于稳定,因而使处理过程缩短。目前宝钢150t电弧炉己普遍使用预熔渣。 3 炉壁喷枪的应用情况 　 吹氧熔炼在电弧炉炼钢发展中曾多次带来变革性的进步。20世纪80年代以来炉门自耗式机械氧枪及水冷超音速氧枪成为常规配备,近年来又出现了安装于炉壁的集预热烧嘴、超音速氧枪、碳粉喷吹及二次燃烧等功能于一体的组合装置即炉壁喷枪。各种炉壁喷枪中最重要的技术是所谓的集束射流,其原理是在主氧射流周围设置环状高温保护气流,使得主氧射流超音速核心段延长。此种射流能量集中,具有极强的穿透力和搅拌力,对促进钢渣反应、均匀钢水成分和温度、提高氧气利用率及金属收得率等都有明显的效果,因而是近年来电弧炉炼钢领域内的一项变革性技术。 　 宝钢150t电弧炉于2004年11月装备了由美国Praxair公司制造的多功能CoJet炉壁喷枪。原炉门氧枪己拆除,因此实现了关闭炉门冶炼。采用CoJet喷枪后,废钢熔化明显加快,在中后期泡沫渣埋弧效果相当好且脱碳速率非常快。在较以前氧耗未增加的前提下,冶炼周期缩短约10～15min，电耗下降20～50kW·h/t,电极单耗下降约0.2kg/t 。在铁水比为33%及氧耗为40m3/t的条件下最低冶炼周期为35min,对应电耗为210kW·h/t。目前月平均冶炼周期可达到约45min。特别值得指出的是,因宝钢150t电弧炉为双炉壳式,在一炉座冶炼时还可在另一炉座采用多功能炉壁喷枪的烧嘴模式进行废钢预热。所做的试验中,在铁水比为33%的前提下,通电前预热19min，通电-出钢时间24min，电耗154kW·h/t。　　　　 　 对于集束射流式炉壁喷枪，人们关心的问题还有:①保护环流气体的选择:CoJet喷枪的标准配置是采用燃气作为保护环流，后来又出现了直接采用氧气作保护环流，由于其射流动能衰减远比CoJet喷枪大，使得喷枪损坏的几率加大(因安装位置需较低)，且脱碳能力及其他冶金效果均逊于CoJet喷枪。②脱碳能力:CoJet喷枪具有强大的脱碳能力，在高铁水比条件下也无冶炼周期延长之虞。例如己进行过72%铁水比试验，通电-出钢时间为36min，电耗为80kW·h/t。实际上终点碳过低反而是令人担心的问题。笔者在使用炉壁喷枪初期的确遇到这一问题，随操作经验的增加，发现合理调整吹氧量及喷碳量，可使终点碳得到很好控制。另外值得指出的是，CoJet喷枪的强穿透能力使其产生类似转炉氧枪深吹的效果，即渣中氧化铁含量反而会有所降低，这对提高金属收得率带来助益。③炉壁喷枪的维护:通常认为，二次燃烧、环氧及煤气的喷孔较小，在使用过程中易发生堵塞，因此喷孔须定<