电炉炼钢工艺优化

电炉炼钢工艺优化摘要：针对国内电弧炉炼钢技术存在的问题，探讨了电弧炉炼钢强化工艺：改善炉料结构，优化冶炼工艺，开发环保技术。

关键词：电炉；废钢；直接还原铁；环保1 前言由于电炉钢的投资少，劳动生产率高，经济规模小且对环境的影响小，因此，近年来，电炉正在迅速发展，电炉钢的增长远远高于氧气转炉钢的增长。

自20世纪90年代以来，国内先后引进了30多座先进的超高功率电弧炉，但与世界先进水平相比，仍存在不足和差距，主要表现在：（1）高水平的装备，低水平运行。

废钢预热效率低，炉衬寿命低，偏心底出钢自然开浇率低，连浇炉数低及铸坯热送比例低。

（2）一条短流程生产线投产后形成一流的装备，二流的工艺，三流的原料等被动局面。

废钢炉料质量差，装料次数多、时间长；熔氧结合工艺效果差，跟不上超高功率电弧炉的节奏；泡沫渣操作不稳定，发泡厚度低、维持时间短，难以实现长弧操作等。

（3）配套技术不完善。

如氧—燃烧嘴、机械手氧枪及二次燃烧等国外已成熟的技术，国内大多数没有采用，少数采用的，效果不理想。

（4）环境污染严重。

大部分超高功率电弧炉有排烟除尘设备，但效果不理想，电炉噪音急待解决。

电炉高温烟气浪费，废渣的回收利用几乎为空白及电网公害、用电质量低下等。

因此，有必要对电弧炉炼钢工艺作进一步探讨，以实现工艺效果的最佳化。

2 电弧炉炼钢工艺优化2.1 优化炉料结构2.1.1 废钢高温预热该项技术利用废气显热或燃烧热将废钢预热到较高温度、然后以连续或半连续上料方式加入电炉。

对于这种废钢高温预热技术，其功能要求有：○1防止废钢在高温预热时粘结；○2提高预热效率；○3预防废气中未燃CO的安全措施；○4预防二恶英及难闻气体的措施；○5设备上要求装炉废钢形状的自由度增大；开发经济的、紧凑式、耐磨损设备。

为此，应加大以下技术开发：○1挖掘吹氧潜力，控制废气温度；○2向燃烧室添加废钢的技术和废气燃烧技术；○3CO防爆技术；○4废气处理技术；○5利用夹具、推杆等装置，稳定地完成各种形状废钢上料操作；○6设备冷却及耐火材料选择。

电炉烟气含热占其总支出热的17%~18%，应利用其预热废钢降低电耗，近几年国外开发出几种利用烟气余热并外加一次能源的新型电炉：双壳竖炉电炉（CSF）、单壳竖炉电炉（SSF）、连续弧竖炉电炉（CONTIARC）。

这些新型电炉有如下特点：（1）使用双或单炉壳，并在炉顶预热废钢；（2）除利用烟气余热外，采用天然气或油、煤、碳粉等和氧气结合预热废钢和冶炼，其中CONTIARC（90MV·A）的烟气余热利用率最高，达90%；（3）电能消耗明显降低，但如加上非电能的总能耗，与一般UHP电炉相差并不太多，其主要意义在于使用一次能源代替电能，提高能源利用率；（4）CONTIARC密封性较好，热效率较高，性能优于其它两种。

SSF虽占地较小，但其椭圆形炉壳的炉内壁热负荷不够均匀，会影响变压器功率的发挥，且出钢口在炉内维护不太方便。

CSF虽占地稍多，但与SSF相比参数较好。

如将废钢预热到800℃，电耗可望降低70kWh/t[1]。

2.1.2 开发替代铁资源（1）必要性随着电炉炼钢业的发展，废钢短缺。

解决电炉所用金属料问题已经越来越突出地摆在我们面前。

据世界金属导报预测，中国废钢短缺将更显得严重。

近年来，我国的电炉发展迅速，仅江苏及上海就有15台大电炉投产，生产能力达到700万t，福建、广东、云南等地也有一批电炉投产。

这些地区只能解决部分废钢供应，部分要依赖外购，废钢问题尤为突出。

我国每年废钢缺口达到500~800万t[2]，且短期内难于缓解。

目前世界废钢市场需求大于供给，废钢价格上扬，依赖进口，将使电炉钢很难有什么经济效益。

随着废钢多次循环使用以及涂镀层钢铁制品的增加，废钢中有害杂质不断增加，特别是Sn、As、Cu、Sb等，它们在冶炼时大多无法或难于去除而成为钢中的残留元素。

这些有害元素在钢水凝固时多数在晶界析出，钢坯在高温加热时，又在表面富集，因此形成了低熔点区，极易形成热脆。

钢的塑性、延伸率、冲击韧性降低。

部分合金结构钢中五害元素（Pb、As、Sb、Bi、Sn）增加，在320~400℃或520~570℃回火处理时引起回火脆性，尤其对中温长期应用的更为危险。

五害元素的增加还会导致钢的焊接冷裂纹敏感性，在板材上影响成型性。

因此，应将五害元素控制在一个较低的水平。

对优质合金结构钢，五害元素含量应分别控制在≤0.02%。

为此，可采用以下措施：○1在入炉原料中配入一部分直接还原铁和生铁起稀释作用。

○2用机械方法或化学处理工艺去除循环旧废钢中的有害杂质元素，但会增加成本。

（2）生铁我国生铁价格与国内优质废钢价格相近。

生铁中金属残余元素很低，因而含S、P较低的生铁也是一种冶炼优质钢的金属炉料。

我国在这方面已有成功的经验。

巴西MJS公司10多年来在84tUHP电炉炉料中配加35%的冷生铁，效果很好。

电耗、电极和耐火材料的消耗降低，冶炼时间缩短，生产率提高，仅吹氧管消耗和石灰消耗略有增加。

其中氧耗增加1m3/t相应节电3.6kWh/t。

同时由于吹氧脱碳沸腾时的脱气作用，钢水中氮含量（比全废钢冶炼）显著降低。

加之生铁中残余元素含量很低（Cu+Cr+Ni+Sn=0.04%），因而钢质量达到了优质钢的要求[3]。

热装铁水，是当今的热门话题。

热铁水中的金属残余元素含量很低，而且每吨热铁水大约携带有500kW·h的热量，其中物理热大约为300kW·h，化学热（与氧作用后）大约为200kW·h。

配加30%热铁水，电耗约降低100kWh/t，配加50%的热铁水，电耗降低可达200kWh/t[3]。

电炉兑装大量铁水带来的问题是脱C速度的限制。

电炉的脱C速度一般为0.1%[C]/min，低于转炉中0.3%[C]/min的脱C速度[4]，因而电炉中铁水兑装量不宜超过50%。

此外，铁水脱碳产生的炉气量较大，炉气处理系统负担加重，故热铁水总装入量以30%~40%为宜。

铁水的生产有高炉法和熔融还原法。

当今世界上许多国家都致力于无焦冶金—熔融还原法。

最近十年来开发的熔融还原炼铁技术很多，大多数尚处于试验研究阶段。

COREX法是目前世界上唯一实现工业生产的熔融还原炼铁技术。

在美国、澳大利亚、意大利等国得到了发展（150~200万t/a）。

就资源及生态环境而言，该法更适合我国国情。

（3）直接还原铁采用煤基和气基DRI炼钢技术有如下优越性：○1钢中有害元素Sn、Sb、As、Bi含量大幅度降低，提高了钢材断裂韧性、热加工塑性、冷加工可塑性；○2钢中S、P含量降低，提高钢材冲击韧性，降低脆性转变温度；○3缩短电炉精炼期，提高Ni、Mo等有价元素收得率。

○4降低钢中[H]及[N]含量；○5用DRI炼优质合金钢热变形能力良好，适合于作深冲钢板；○6用煤基回转窑法生产DRI可不经冷却筒直接热装电炉，可提高电炉生产率与降低吨钢电耗。

在我国，煤炭资源丰富，而石油及天然气供需不平衡，因此，发展煤基直接还原铁更适合我国资源条件。

煤基直接还原流程成熟的工艺是德国的SL/RN法、英国的DRC法、法国的Codir法等。

国内本钢南芬矿、辽阳棉花堡矿、山东金岭矿、太钢尖山矿、陕西大南沟矿、安徽霍邱矿及海南矿均符合DRI要求，有一定资源条件。

目前辽宁喀左县、吉林桦甸、河南登封、鲁中矿山公司等地正在推广回转窑直接还原技术。

天津大无缝钢管厂引进英国Davy 公司关键技术及设备，兴建了年产30万tDRI的两条φ5m×80m回转窑生产线。

直接还原铁技术发展动向：1）热压铁块（HBI）。

经还原工艺生产的直接还原铁在高温状态下压缩成形好，成为高体积密度的型块，且具有高的导电率和热传导率。

高密度意味着可促进熔化和减少氧化所造成的铁损。

而且热压铁块在炼钢操作中具有降低钢中残余元素和硫含量的稀释效果。

近几年来，全世界所生产的直接还原铁中热压铁块的比例在逐年增加。

2）碳化铁（Fe3C）。

碳化铁是以铁精矿粉为原料，用合成煤气（用部分转化的天然气合成）在流态化床中反应生成的产品，反应式为：3Fe2O3＋5H2＋2CH4=2Fe3C＋9H2O 碳化铁具有不自燃、流动性好的特点，它含磷、硫低，碳含量高，冶金性能好，其成本低于海绵铁和热压铁块，是一种理想的炼钢原料。

我国的海南、新疆、四川等地有较大的天然气和铁矿贮量，尤其是国外优质铁矿的大量进口，这些为我国生产碳化铁提供了客观的资源条件。

电炉钢厂可采用直接还原铁＋生铁＋废钢的炉料结构，根据钢质量要求和直接还原铁的价格，考虑合适的配加量以满足冶炼优质钢的要求和解决废钢不足问题。

采用30%~40%的热铁水＋废钢的炉料结构，有利于提高电炉钢的质量和降低电耗及成本，这也是一种解决废钢短缺的合理对策。

2.2 优化冶炼工艺单元工序的技术进步在于顺应系统总体优化的要求，电炉炼钢是电炉钢厂的上流工序，是全厂生产顺利流畅的前提。

优化电炉冶炼工艺的指导思想是以保证质量为基础，以提高生产率为目标，在实现电炉冶炼—连铸匹配的同时使各项消耗和成本大幅度降低。

近年来先进电炉钢厂采取的技术措施如图1所示。

(1)电弧炉的功能分化现代电弧炉冶炼工艺，改变了传统的“老三期”一统到底的落后工艺路线，变成废钢预热（SPH）—超高功率电弧炉（UHP）—二次精炼（SR）配合连铸或连轧，形成高效节能的“短流程”优化流程，见图2。

其中把熔化期的一部分任务分出去，采用废钢预热，再把还原期的任务移到炉外，采用熔氧期合并的快速冶炼工艺。

（2）强化用氧为降低电耗采用氧燃烧嘴和氧碳喷吹强化冶炼，这两项措施可使UHP电炉冶炼周期缩短到1h左右，并可分别降低电耗30和60kW·h/t，从而使熔化电耗降低到340~350 kW·h/t[5]，但需结合厂情，且用氧参数要合理。

氧压一般要求在0.5~0.6MPa，吹氧时间不宜过长，以防热损失增加而降低了吹氧作用。

有的厂废钢处理未达到期尺寸要求，在炉内吹氧切割大块废钢，也使氧耗量增加。

（3）动态控制方法的开发该方法通过检测废气成分等来确定泡沫渣的状况，并将此信息反馈到操作条件中。

此方法可望降低电耗10Kw·h/t[1]，并能提高金属收得率。

（4）提高LF处理率LF处理率提高到60%以上，可大大提高电炉生产率，提高钢水终点成分及温度命中率，提高连铸生产率，改进产品质量。

通过降低出钢温度，缩短精炼时间等改进措施，能降低电耗25~30kW·h/t。

2.3 优化环保工艺制造流程优化是节能、清洁生产最根本的支撑力量。

电炉工艺在未来的发展中必须注重环保，和环境友好共存，并使无害化处理的负担最小化。

这方面主要的技术包括：降低废气中二恶英浓度的技术；电炉烟尘的处理技术；噪音的抑制；电网公害的抑制。