电炉炼钢如何提高效效率降低成本

  从发展的角度看,随着废钢的积累量增加、废钢与铁水价格逆转以及环保的需求日益严格,电炉炼钢持续采用多元炉料结构(废钢、铁水、生铁、直接还原铁等)优化配料是大势所趋。在多元炉料结构配料特别是高铁水比冶炼条件下,如何提高电弧炉的冶炼节奏,降低金属及辅助材料消耗,是电炉炼钢工作者关注的热点。抓住电炉炼钢降本的关键。
  
  目前电弧炉炼钢工艺遇到的最主要问题是冶炼成本高。即使加入与转炉相同的铁水比例,电炉炼钢生产的钢坯成本仍高出转炉炼钢100元/吨~400元/吨,主要原因是钢铁料、石灰、氧气等消耗均高于转炉炼钢生产,究其根源是受电弧炉炉型的限制。有文献指出,相同吨位的电弧炉和转炉,喷吹相同流量和压力的氧气,即使加上供电产生的电磁搅拌力,电弧炉的熔池搅拌强度也只是转炉的1/10,因此转炉熔池的动力学条件优于电弧炉的动力学条件。电弧炉炼钢如果希望加快冶炼节奏、降低冶炼成本,须强化熔池的搅拌,加快冶金反应的速度和效率。
  
  电弧炉炼钢复合吹炼技术是以多元炉料结构为基础,以节能和降低成本为目标,通过强化熔池搅拌,将供电、供氧和底吹搅拌等单元操作进行多尺度集成,最大限度地降低金属料及辅助材料消耗、提高氧气利用率。
  
  将操作单元进行系统优化
  
  电炉炼钢底吹技术。由于电弧炉炼钢的突出弱点是熔池搅拌弱,冶炼时间较长,电弧产生的热量主要加热熔池上部的钢液,而底部和电弧区以外的钢液主要是通过热量的对流扩散来加热,因此热量的传递慢。若能加强熔池搅拌,将加快炉内反应,缩短冶炼时间,降低冶炼成本。受转炉顶底复吹技术的启迪,人们设想向电弧炉熔池底部吹入气体搅拌,这是一种简便而又有效的方法,因此出现了电弧炉底吹气体搅拌技术。
  
  该项技术的研究始于上世纪80年代,电弧炉底吹惰性气体搅拌炉内钢液,加速了熔池中钢液的化学成分和温度的均匀,提高了熔池中渣钢反应速率。根据模拟计算,电弧炉采用底吹技术可以提高熔池的搅拌速度3倍~5倍。
  
  但是由于电弧炉采用留钢操作,电炉生产企业考虑底吹装置对安全可能产生影响,采用底吹搅拌的电弧炉较少。直到近年国内开发了新型电弧炉底吹技术,彻底解决了底吹的安全隐患,使电弧炉底吹技术得到应用。该技术主要包括底吹长寿技术、底吹控制技术、底吹与供氧的控制模型,目前已经在6座电弧炉上使用,取得了显著的经济效益。
  
  电炉炼钢复合吹炼的技术集成。目前,电炉炼钢各单元操作技术已相对成熟,如何将各操作单元进行系统优化,笔者采用了多尺度结构理论。电弧炉炼钢能量和成本优化,就是依据原料加入及冶金操作将有效供能时间分成若干个时间段,对供电、供氧、底吹和余热利用的操作参数进行分时段设定及优化。借助于辅助软件工具,计算出总能量需求和各个时段内的能量需求,综合考虑各单元的操作参数,实现总能量和各个时段能量的供需,通过强化搅拌,接近理论平衡值,达到炼钢生产高效、节能的目的。
  
  对于铁水加入量大的原料结构,由于总供电量小,采用间断性供电,因此决定电炉炼钢技术指标的主要因素与转炉冶炼类似,即供氧效率和熔池搅拌的强弱。
  
  为了研究电弧炉供氧与底吹搅拌的效果,通常采用供氧与底吹的同步控制方法进行。由于电弧炉各个冶炼阶段的任务不同,冶炼所需要的供氧量和底吹气流量均不同。通过在西宁特钢65吨电弧炉、天津钢管公司90吨电弧炉、新余特钢50吨电弧炉上的工业试验研究,确定不同冶炼阶段的氧气和底吹气体匹配情况的经验公式为:
  
  模式1(非冶炼期)为(0.2A×a+0.2C)/(0.375E×e),模式2(加料期)为(0.2A×a+0.2C)/(0.5E×e),模式3(废钢熔化期)为(A×a+B+C)/(0.75E×e),模式4(脱磷期)为(A×a+B+C+D)/(0.375E×e),模式5(脱碳升温期)为(A×a+B+C+D)/(0.75E×e),模式6(出钢前强搅拌期)为(0.2A×a+0.5B+0.5C+D)/(E×e)。
  
  在上式中,A为炉壁氧枪流量,300Nm3/h~5000Nm3/h,一般为1支~7支,枪数为a;B为炉门氧枪流量,500Nm3/h~6000Nm3/h,一般为1支;C为EBT枪流量,100Nm3/h~5000Nm3/h,一般为1支;D为炉顶氧枪,200Nm3/h~6000Nm3/h;E为底吹流量,5NL/min~200NL/min,一般为1支~7支,枪数为e.若电弧炉设备中拥有A,则上面公式中A的值为其相应的流量,否则A的值为0.B、C、D、E的判别情况同A一致。针对不同的冶炼模式,即不同的氧气流量、底吹气体流量进行编档操作,根据设计方案,在不同的时刻调整为不同的冶炼模式,实现冶炼全自动化控制。
  
  通过电弧炉复合吹炼技术,电弧炉供氧和底吹供气结合起来,选择不同模式进行复合吹炼,提高熔池内部的搅拌强度,均匀熔池成分和温度,加快脱碳速度,提高钢液成分和温度的终点控制精度,缩短冶炼时间,达到了优化操作的目的。
  
  研究复合吹炼下的能源回收
  
  目前,西宁特钢、天津钢管、新余特钢等企业均成功应用了电弧炉复合吹炼工艺。以电炉炼钢复合吹炼工艺在天津钢管公司为例,实践显示,在复合吹炼条件下,FeO含量从31.23%降低到25.24%,钢铁料消耗从1165kg/t降低到1128.6kg/t,石灰消耗从64kg/t降低到58.3kg/t,氧气消耗从49Nm3/t降低到47.5Nm3/t.复合吹炼工艺的应用降低了钢中氧含量,增加了合金收得率,尤其在冶炼低碳管线钢时,应用复吹技术后的精炼炉初始铝含量明显提高,为冶炼[S]低于30ppm的高钢级管线多炉连浇创造了良好的条件。
  
  电弧炉复合吹炼工艺能够有效地均匀钢水温度和成分,提高脱碳速率,降低了渣中的FeO含量,减少了钢铁料、石灰和氧气消耗,并降低了出钢氧含量,增加了精炼初始[Al]含量。
  
  研究证明,在多元炉料结构条件下,采用复合吹炼的方法可以实现电炉的高效和原料的节约。
  
  电弧炉冶炼过程中,高温烟气带走的热量约占电弧炉输入热量的8%~20%,随着兑入铁水比例的提高,高温烟气带走的热量也相应增加。目前国内电弧炉兑铁水的企业高达90%以上,高温烟气带走的热量可达到电弧炉输入能量的17%,高铁水比例冶炼情况下的烟气所含的CO含量也较为可观,因此研究基于复合吹炼工艺下的高铁水比冶炼的能量及煤气回收利用有较大的意义。

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