金属化球团在电炉炼钢的应用试验

蔡雅娟，施军贤，陈 宏，靳庆峰，彭高献

（1江苏沙钢集团有限公司，江苏 张家港 215625；2江苏省（沙钢）钢铁研究院，江苏 张家港 215625）

1 前言

环境、能源与发展之间的矛盾是人类面临的巨大挑战，循环经济是可持续发展的必由之路。将清洁生产、生态工业和废物处理等各个环节融为一体，形成企业内部循环、生产之间循环，实现资源的节约、回收和再利用［1］。转底炉工艺用于含铁含锌尘泥的回收利用，有利于钢铁行业的低碳环保、绿色生态发展，电炉炼钢本身会产生含锌粉尘，因而电炉作为消化使用转底炉金属化球团的重要用户责无旁贷，进而对电炉合理消化金属化球团提出了更高的要求。

某公司电炉炼钢生产过程中使用金属化球团，对电炉炉况、有害元素控制、消耗控制等方面产生不利的影响。为优化电炉炼钢加入金属化球团，通过系列试验进行全面分析，研究其产生的不利影响，进而提出相应的控制和改善措施。

2 金属化球团的判级及主要成分

从表1中2021年转底炉金属化球团数据可以看出：（1）转底炉金属化球团的不合格品占比为14%，金属铁（M.Fe）含量偏低，与一级品相差近20%。（2）总体金属铁（M.Fe）含量为41.9%，与其他生产厂报道的60%以上的数值存在较大差距；金属化率（M.Fe/TFe）折算为69%，与优秀水平（≥85%）亦存在差距。（3）球团中的硫含量偏高，达到0.5%，电炉炼钢过程中使用量大会造成钢水中起始硫含量高，成为炼钢用量受限的重要因素。

表1 2021年转底炉金属化球团判级占比及成分含量%

3 试验方案及结果

电炉冶炼过程中采取不同的金属化球团用量，金属化球团分别加入0、3、6 t进行试验。每组试验连续生产20炉，每炉取终点渣样进行分析，记录每炉出钢量、能耗、冶炼时间等参数，用于评价工业试验效果。每炉的铁水加入量和废钢加入量保持在稳定水平，铁水采用小包运输，采用“一包一炉”的冶炼模式，每包铁水质量稳定在35±1 t，每炉冶炼中废钢加入量稳定在80±1 t。

某公司电炉厂通过生产试验，主原料采用“30%铁水+70%废钢”的配料模式，分别测试使用不同数量球团对冶炼过程造成的影响，主要数据见表2。

表2 某公司电炉厂指标随金属化球团用量变化情况

从表2中可以看出，随着金属化球团用量的增 加，对电炉冶炼节奏、物料消耗、钢水成分指标都产生不同程度影响。

3.1 对炉况影响

金属化球团通过高位料仓进入炉内，遇到高温留钢留渣及同时入炉的铁水，在电炉炉内发生开裂，球团芯部的氧化性物质进入钢液后，有利于快速成渣。但球团用量达到一定数值后，会造成电炉炉况恶化，对不同金属化球团用量的电炉炉渣成分进行分析，主要数据见表3。

表3 不同金属化球团用量的炉渣成分含量及碱度

（1）从表3中可以看出，随着球团用量增加，渣中的（MgO）含量降低。一般来说，渣中（MgO）含量控制在6%～9%较为适宜。过高会造成炉底上涨、脱磷效率下降；而过低会造成炉衬侵蚀加剧，炉龄下降。使用6 t金属化球团的渣中（MgO）仅4.2%，不宜再增加用量。

（2）金属化球团二元碱度仅0.59，而电炉炉渣需要达到2.0～2.5碱度，才能维持良好的泡沫渣，保护炉衬并达到脱磷的目的，因而需要额外增加石灰消耗。表2中球团用量增多后，石灰消耗增加量低于理论计算，这是由于冶炼前期炉渣稀，实际碱度未达到2.0，很多炉渣已流失。

3.2 对出钢量影响

从表2数据来看，出钢量随金属化球团用量增加而降低。

（1）钢水在1 550℃时密度约为7 g/cm3，炉渣的密度约为4.0 g/cm3，金属化球团实测密度为3.3 g/cm3。金属化球团自身密度小，漂浮于熔池之上，不能完全进入钢液，电炉炉渣的强氧化性使得球团中的金属铁（M.Fe）未能得到充分利用，部分氧化于炉渣中，随炉渣裹挟流失。

（2）渣量增加造成Fe元素损失。多用球团成渣早、渣量大。表3数据中，不使用、使用3 t和使用6 t球团电炉渣中的（MgO）含量分别为8.7%、6.3%、4.2%，金属化球团自身含有2.3%的MgO。假设每炉主原料及炉衬中带入炉渣的MgO总量相同，根据MgO总质量守恒，则可推导计算得出不使用、使用3 t、使用6 t金属化球团时，电炉渣量分别为11、14、18 t。大渣量同时带走了废钢和铁水中氧化进入渣中的（FeO），使得主原料收得率下降、出钢量降低。以渣中平均TFe含量30%计算，每增加1 t炉渣，则随炉渣带走Fe元素量300 kg。使用6 t金属化球团相比于不使用金属化球团的炉次来说，计算出钢量减少2.1 t。表2中的出钢量数据，与此推论数据基本吻合。

3.3 对电炉通电时间及电炉电耗影响

金属化球团在电炉炉内为吸热反应，石灰用量和实际渣量的增加，均需要更多的电炉炉内热量。电炉主要热量来源是化学反应热和电弧物理热。吹氧可与元素氧化反应产生化学能，但球团中可氧化元素提供的热量微少，主要是依靠电弧的物理热升温。统计数据显示，球团用量6 t时，电炉通电时间及冶炼电耗显著增加。

3.4 不同铁水比情况下电炉冶炼时间影响

使用0 t和4 t球团，在不同铁水用比的情况下进行对比，从图1中可以看出，在铁水用量相同情况下，使用4 t球团比使用0 t球团的冶炼时间均有延长，平均增加3.2 min。当铁水铁比达到60%，加入金属化球团对电炉冶炼时间的影响逐渐减弱。

图1 不同铁水比与球团量对电炉冶炼时间影响

3.5 对出钢C、Mn影响

从表2中可以看出，不使用金属化球团炉次平均碳含量从0.50%降低到使用6 t金属化球团的0.24%，氧耗变化不大，这是由于球团中带入的FeO和部分金属铁氧化成FeO，造成炉渣中过量（FeO），消耗了钢水中的C含量。同理，出钢残余Mn量的降低，也是由于渣中（FeO）总量过多，钢液中的［Mn］被氧化成（MnO）。

3.6 对出钢S以及精炼的影响

（1）电炉出钢成分中的S含量，与球团的用量呈明显正相关。从表2中可计算得出，每增加1 t金属化球团用量，S含量增加0.003 7%。金属化球团中含有0.5%的S，电炉为氧化性气氛，不具备脱硫条件，计算得出球团中约90%的S进入到钢液中。

（2）不使用金属化球团和使用6 t金属化球团的数据对比显示，出钢S含量从0.036%上升到0.058%，增幅61%。脱硫任务全部在精炼工序，还原气氛下，高温、高碱度有利于脱硫［2］，精炼需要更多的升温时间和更多的石灰消耗，造成精炼石灰消耗从2.4 kg/t上升到2.9 kg/t，电耗从40（kW·h）/t上升到49（kW·h）/t。

（3）出钢S含量增加最主要是对生产节奏的影响，精炼LF通电升温时间从25.7min上升到33 min，每炉延长了7.3 min，造成最终精炼总体冶炼时间延长，导致精炼时间可能成为整条产线的瓶颈。所以降低金属化球团中的硫含量，是电炉炼钢增量使用金属化球团的关键。

3.7 对产能及成本的影响

缩短冶炼周期是降低操作成本的关键［3］，通过使用6 t金属化球团与使用3 t金属化球团对比，分析对产能及成本带来的影响。

（1）生产炉数减少2.3炉/d，为避免后道工序衔接不上的风险，精炼炉需减缓冶炼节奏，连铸机需降低拉速，以匹配电炉冶炼节奏，不利于产能最大化。

（2）根据电耗增加、氧耗增加、石灰增加、出钢成分损失等计算，成本增加约40元/t。

3.8 对电炉出钢P含量的影响

电炉脱磷的有利条件是高氧化性、高碱度、高（大）渣量h和低温［4］。金属化球团中的FeO含量有利于及早成渣，为了保持碱度，额外补加石灰，使得多用球团炉次的渣量大，不断稀释（4CaO·P2O5）的浓度，这些条件均对脱磷有利。对比数据显示，使用6 t金属化球团炉次平均出钢P含量相比使用3 t球团的炉次降低了0.003%。

4 结论

4.1转底炉金属化球团总体质量需要进一步改善，包括合格率、金属铁含量、金属化率、硫含量等指标。

4.2提高铁水用量可减轻金属化球团对电炉冶炼时间的负面影响。

4.3电炉每炉金属化球团用量3 t对电炉影响较小，增至6 t时影响较大。使用3 t金属化球团负面影响包括电炉出钢量降低、精炼脱硫时间延长及石灰增加等方面，而对于电炉通电时间及电炉电耗影响不大；使用6 t金属化球团主要影响，包括电炉炉况劣化、电炉出钢量减少、电炉和精炼冶炼时间延长及产能损失。建议电炉每炉使用3～4 t金属化球团，以减轻负面影响。

4.4充分利用金属化球团快速成渣的特性，将球团用量稳定在每炉4 t，将来随着未来球团品质的提升，电炉可以适当加大金属化球团用量，实现固废资源有效利用。