电弧炉低成本高效冶炼集成技术的应用

尹崇丽，叶飞来

（山钢股份莱芜分公司特钢事业部，山东济南 271104）

1 前 言

山钢股份莱芜分公司（简称莱钢）特钢事业部针对50 t电炉和100 t电炉生产效率不足，影响各项经济指标的提高和市场竞争力等问题，通过研究电炉经济炉料结构操作模型，高效复合脱磷技术、基于精准喷碳粉的低碳氧积控制技术的研究与实施，电炉全周期非冶炼时间控制技术等一系列新工艺、新技术来提高电炉高效生产的稳定性，实现生产的顺利进行，提高生产效率。

2 炼钢低成本高效冶炼集成工艺技术

2.1 经济炉料结构下电炉快速冶炼技术

电炉传统优势是高废钢比冶炼，而高铁水比冶炼条件下，对电炉的供氧系统提出了更高的要求，无论高废钢比冶炼还是高铁水比冶炼［1］，生产节奏都是限制电炉提产增效的关键环节。

2.1.1 高铁水比电炉操作模型

为充分利用热装铁水带入的物理热和化学热提高钢水的温度，电炉铁水比达60%～80%，配碳量在3.2%左右。电炉脱碳任务重，因供氧能力不足，电炉冶炼周期延长10 min 左右，造成炉机不匹配，无法满足现场生产节奏。同时，在铁水比＞60%条件下，冶炼过程中炉壁会集聚钢渣，在铁水比例上升到80%以上时，炉壁粘钢渣的问题表现的更加突出。炉壁粘钢渣可能在冶炼过程中造成塌落，引起冶炼事故，存在安全风险，虽然从工艺上已经积极采取优化措施，但不能从根本上解决问题。

稳定的炉料搭配和余钢量控制是实现电弧炉稳定冶炼工艺操作的前提条件。目前，莱钢特钢事业部电弧炉每炉铁水兑入量稳定在总装入量的60%～80%，废钢为轧废、铸坯或钢材切头切尾、社会废钢及直接还原铁。这些入炉钢铁料的搭配是相对稳定的，对炉内不同钢铁料实际比例产生较大影响的是每一炉次的余钢量，余钢量的不稳定，造成实际搭配比例偏差较大。余钢量偏少，无法正常实现前期强化用氧，影响后期操作；余钢量偏多，冶炼过程会加剧炉门跑钢，增大铁损。电炉高铁水比冶炼，对配料模型的配料模式提出了更高的要求。严格控制上炉留钢留渣量基础上，稳定入炉料装入量。50 t 电炉铁水兑入量控制在（41±1）t，总料重控制在54 t左右；100 t电炉兑入量控制在（80±5）t，总料重控制在125 t左右，具体配料模型见表1。

表1 高铁水比配料模型 t

2.1.2 高废钢比分阶段操作模型

在铁水供应不足或废钢价格较低时，电炉入炉废钢比在50%～60%，冶炼过程送电时间长，电炉配碳量低，脱磷困难，终点控制难度大，冶炼周期偏长，造成炉机不匹配，难以满足现场生产节奏控制。

电炉高废钢比冶炼，适当提高电炉留钢留渣量，稳定入炉料装入量。50 t 电炉铁水兑入量控制在（30±1）t，总料重控制在54 t左右；100 t电炉兑入量控制在（60±3）t，总料重控制在125 t 左右，具体配料模型见表2。

表2 高废钢比配料模型 t

2.1.3 炉门氧枪系统设计与改造

传统电炉系统因铁水比低，供氧强度低，炉壁氧枪可以满足低铁水比要求。但随着电炉铁水比提高，炉壁氧枪供氧能力不足问题凸显，难以满足现代电炉炼钢的要求。从降本增效方面考虑，提高电炉生产节奏，在100 t 电炉增上炉门氧枪，增加3 000 m3/h的供氧量，供氧能力提高17%，解决高铁水比例下，电炉冶炼周期长的问题。炉门氧枪还可以及时清理炉门口；通过机械手臂上下调节高度，强化冶炼过程化渣操作；在目前铁水比例条件下进一步降低冶炼周期，冶炼周期降低3～5 min。50 t 电炉现有炉门氧枪马赫数1.8，氧枪角度42°，氧气射流穿透能力不足，表现为脱碳速率低、炉内搅动能力弱。经过多次专题分析会讨论，并借鉴国内相似企业经验，主要从增加炉门氧枪马赫数和提高氧枪角度入手，马赫数由原来的1.8 提高至2.0，氧枪角度由42°提高至45°。改进后，供氧能力增加，增强氧气射流穿透能力，能快速脱碳，增加炉内搅动能力，提高了电炉冶炼效率。

采用经济炉料结构下电炉快速冶炼技术，提高冶炼过程操作稳定性，实现高铁水比条件下和高废钢比条件下冶炼模式下的供氧送电操作的模型化，可缩短冶炼周期3～5 min，为电炉不同铁水比高效冶炼提供有利条件。

2.2 电炉冶炼终点精准控制技术

电炉冶炼终点精准控制技术是指钢水中的碳、氧浓度积处于偏低值，但钢水不过氧化，且钢水碳、磷以及温度在同一时间内命中控制目标的控制技术。电炉冶炼终点精准控制技术主要是依靠高效复合脱磷技术和精准喷碳粉的低碳氧积控制技术来实现［2-3］。

2.2.1 高效复合脱磷技术

终点碳的控制尤其重要，冶炼终点时钢水碳含量显著地影响钢水中氧含量，进而显著影响钢水脱氧效果和脱氧剂及合金元素的收得率，并显著影响脱氧后钢中夹杂物的数量和类型。根据碳氧反应平衡理论，在一定温度下碳氧浓度积等于常数，1 600 ℃时，［%C］·［%O］=0.002 0～0.002 5。实际生产中，终点氧含量还受终点渣中氧化铁、钢液温度的影响。根据碳氧浓度积，当冶炼终点碳处于0.10%～0.20%时，终点碳含量越低，钢水中氧含量增加越显著，脱氧产物增加则越明显。电炉熔化期是脱磷的最佳时机，采用熔氧结合技术是脱磷的最佳方法。传统炼钢过程中，电弧炉熔化期的任务主要是固体炉料的熔化和很少的脱磷。采取熔氧结合技术时，熔化期的任务不仅是固体炉料的熔化，同时也进行脱磷。在炼钢的熔渣制度下，当熔渣具有一定的碱度和氧化性时，磷的氧化物与形成稳定的磷酸钙进入炉渣而被去除，因此在熔化期，适时的吹氧助熔、脱除钢中磷是生产低磷钢的必要前提。

终点磷的控制也非常关键。实际生产中，终点磷如果偏高，会增加石灰用量，造成吹氧、送电化渣脱磷过程终点碳无法保证，易造成钢水终点碳＜0.05%，过氧化严重，因此终点之前脱磷很重要。受料源情况等的影响，电炉冶炼过程使终点碳、磷同时满足要求，控制难度较大。基于电炉脱磷理论分析，在电炉熔化期增加炉渣碱度，能有效提高炉渣脱磷效果。通过实施快速喷石灰粉技术，降低电炉熔清磷0.007%，降低了石灰消耗，杜绝了补加石灰而对生产节奏的影响；石灰利用效率显著提高，石灰消耗比以前降低了27%；冶炼低磷钢冶炼周期缩短了5 min左右，生产效率提升10%，而且石灰消耗降低间接降低了冶炼电耗及提高了钢铁料的回收率。

2.2.2 精准喷碳粉的低碳氧积控制技术

在高铁水比冶炼模式中，氧气与铁水中的碳产生剧烈的碳氧反应形成大量CO 气泡，冶炼中后期钢水碳氧反应逐渐减弱，不利于炉渣气泡的稳定，熔清后间隙性向炉内喷吹碳粉，利用炉渣中的氧和碳粉反应，生成一氧化碳气泡，增大炉渣黏度。同时渣-钢反应形成的（P2O5）具有较强的表面活性，可以降低液膜表面张力。维持泡沫渣的高度和时间，保持良好的泡沫渣效果，有利于防止后期钢水吸气严重，造成过氧化。提高控制点碳控制，降低钢中溶解氧。为保证炉渣发泡性能，改用类石墨粉代替焦炭粉造泡沫渣，炉渣发泡快、持续时间长，且使用量降低，在生产中取得了很好的应用效果。

电炉精准喷碳粉的低碳氧积控制技术，使电弧炉终点成分和温度同时命中率由92%提高到99%；冶炼过程可实现全程泡沫渣冶炼，炉盖粘钢现象减轻，终渣（FeO）含量降至20%以下，使得终点碳处于合理范围内。炉内搅动能力增强，碳氧浓度积处于较低范围，但又不会使钢水过氧化。通过精准喷碳粉，初炼钢水过氧化炉次大幅度降低，为后续钢水冶炼提供较好的前提条件，促进提升了钢种超低氧含量的控制水平。

2.3 电炉全周期非冶炼时间控制技术

为克服现有的小炉盖在高铁水比冶炼过程中，由于炉内热负荷增大，造成小炉盖侵蚀加剧，降低小炉盖使用寿命，在冶炼过程中频繁更换耐材小炉盖，影响电炉生产节奏。对现有耐火小炉盖进行优化改造，分别增加耐火小炉盖净空高度和厚度10 cm，小炉盖使用寿命大幅上升，实现了与出钢口使用寿命同步，每浇次可减少更换小炉盖时间40 min。

电弧炉水冷炉壁是由水冷块组成的，按结构可分为铸管式、板式和管式等几种形式。各种形式的水冷炉壁都有一定的散热能力和相应的挂渣能力，可成倍地提高电炉炉衬使用寿命。但因电弧炉冶炼入炉废钢尺寸大、布料不合理等因素，导致废钢落在炉壁水冷块上，在电弧炉送电起弧时，形成回路打漏炉壁水冷块，导致水冷块漏水。由于水冷块漏水点位于电弧炉内，温度高，水冷块表面不同程度的挂渣，修补漏水点十分困难，需要将温度降下来进入电弧炉内处理，修补时间大于4 h，造成电弧炉正常冶炼中断；如果不及时修补漏水点，若继续冶炼，为保证安全，必须关闭漏水水冷块循环冷却水，致使失去冷却作用的水冷块会逐渐熔化，该部位会成为电弧炉炉壁上的最薄弱环节。通过研究在线修补水冷炉壁漏点的方法，采用反向标识切割焊补方法，可在30～50 min内完成对电弧炉炉壁水冷块漏水点的快速修补，降低了作业人员进入炉内进行焊补漏水点带来的风险，还可有效降低关闭该水冷块循环水后给电弧炉冶炼带来的安全问题，保证电弧炉冶炼持续稳定顺行，提高生产效率、降低了生产成本。

通过设计自动摘挂铁水装置、电炉耐火小炉盖的改进、在线修补电弧炉炉壁水冷块技术控制等措施，非冶炼周期缩短3～5 min。

3 结 语

莱钢特钢事业部电炉生产线自从2019 年开始基于经济炉料结构下电炉低成本高效冶炼集成技术的研究与应用以来，有效地提高了生产效率，冶炼周期缩短4～6 min，冶炼电耗吨钢降低14～51 kW·h，电极消耗吨钢降低0.11～0.29 kg，石灰消耗吨钢降低4～7.8 kg，钢铁料消耗吨钢降低18～23 kg，渣中氧化铁含量将至20%以下，同时过氧化炉次大幅度降低，脱氧剂消耗降低，钢材全氧含量降低。

通过实施经济炉料结构下快速冶炼技术、电炉冶炼终点精准控制技术、喷石灰粉脱磷技术，在铁水供应充足的条件下，可实现电炉零电耗操作。喷石灰粉技术和氧枪系统改造的应用，实现电炉全过程泡沫渣操作，提高了电炉脱磷效率，为生产低磷钢提供了良好的条件，可批量生产磷小于0.010%钢种。