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电弧炉采用直接还原铁炼钢工艺技术分析.pdf
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1、第 44 卷第 5 期2023 年 10 月Vol.44.No.5October 2023特殊钢SPECIAL STEEL电弧炉采用直接还原铁炼钢工艺技术分析贺美乐1,张豫川1,王庆1,杨宁川1,游香米2,吴学涛1(1 中冶赛迪工程技术股份有限公司中国中冶低碳技术研究院(重庆),重庆 401122;2 中冶赛迪技术研究中心有限公司基础技术及材料研究分院,重庆 401122)摘 要:分析了直接还原铁作为废钢替代品进行电弧炉炼钢的工艺技术特征,并阐明了影响冶炼电耗的主要因素。结果表明,熔池较大留钢量(40%)和诸如强化供氧、底吹和电磁搅拌的强化搅拌始终是促进熔化和缩短冶炼周期(可缩短8%10%)的
2、重要手段。直接还原铁比例超过30%宜采用连续加料,冶炼前期和中期加料速度一般等于熔化速度2833 kg/min(供电功率1 MW),需匹配石灰和白云石以防渣线侵蚀,冶炼全程应喷碳使泡沫渣埋弧操作以保证供电效率。为降低冶炼电耗,应控制 w C 1%4.5%、金属化率90%、w SiO2 6%、w P 0.1%、w S 0.04%,使用高C、高金属化率、低SiO2、低P、低S和较高温度的热直接还原铁。采用直接还原铁竖炉和电弧炉相结合的紧凑短流程工艺是低碳节能和洁净化生产的重要方向。关键词:电弧炉;直接还原铁;电耗;低碳节能;洁净化DOI:10.20057/j.1003-8620.2023-0012
3、7 中图分类号:TF741Process and Technology Analysis of Direct Reduction Iron Steelmaking by Electric Arc furnaceHe Meile1,Zhang Yuchuan1,Wang Qing1,Yang Ningchuan1,You Xiangmi2,Wu Xuetao1(1 MCC Low-Carbon Technology Research Institute Chongqing,CISDI Engineering Co.,Ltd.,Chongqing 401122,China;2 Basic Tech
4、nology and Materials Research Institute,CISDI Technology Center Co.,Ltd.,Chongqing 401122,China)Abstract:The technical characteristics of electric arc furnace steelmaking with direct reduced iron as a substitute for scrap steel are analyzed,and the main factors affecting the smelting power consumpti
5、on are expounded.The results indicate that a large amount of steel left in melting pool(40%)and intensive mixing such as enhanced oxygen supply,bottom blowing,and electromagnetic stirring are important ways to promote melting and shorten the tap-to-tap cycle(which can be shortened by 8%-10%).The pro
6、portion of direct reducing iron exceeds 30%,continuous feeding should be used.The feeding speed in the early and middle stages of smelting is generally equal to the melting speed of 28-33 kg/min(power supply power is 1 MW).It is necessary to match lime and dolomite to prevent the erosion of slag lin
7、e,and the whole smelting process should be sprayed with carbon foam slag to ensure the power supply efficiency.To reduce power consumption of smelting,direct reduction iron with high C content,high metallization rate,low SiO2 content,low P content,low S content,and higher temperature should be used
8、as much as possible within a certain suitable range(that is,w C 1%-4.5%,metallization rate 90%,w SiO2 6%,w P 0.1%,w S 0.04%).The compact short process combining direct reduction iron vertical furnace and electric arc furnace is an important direction for low-carbon,energy-saving,and clean production
9、.Key Words:Electric Arc Furnace(EAF);Direct Reduction Iron;Power Consumption;Low Carbon and Energy-saving;Purification电弧炉短流程炼钢由于流程短、能耗低、碳排放少已成为“双碳”目标背景下炼钢工艺的趋势1-4。相比于铁水的生产,直接还原铁的生产不经过焦炉、烧结等工序,流程短、污染小、消耗低,且碳排放少,不会受到焦煤资源短缺的影响。此外,直接还原铁中所含P、S、Si等有害杂质较低,特别适合于电弧炉冶炼优质的洁净钢5。随着低碳与洁净化生产的需要,电弧炉采用直接还原铁替代废钢炼钢受到越
10、来越多的重视,对其工艺技术研究意义重大。当前直接还原铁在全球产量已超过1亿t,而国内产量远远低于世界平均水平6。电弧炉采用直接还原铁炼钢工艺技术在国外发展相对成熟,而国内虽进行基金项目:重庆市自然科学基金项目资助(CSTB2023NSCQ-BSX0025);五矿集团科技专项资助(2021ZXD01);中国中冶“181计划”重点研发项目资助作者简介:贺美乐(1991),男,博士,工程师;E-mail:;收稿日期:2023-06-2133第 44 卷 特殊钢过一定研究和实践,但对其工艺技术特征和能耗的分析较少。因此,以电弧炉采用直接还原铁炼钢为研究对象,重点考察了直接还原铁作为废钢替代品进行电弧炉
11、冶炼的工艺技术特征,并进一步分析影响冶炼电耗的主要因素。1冶炼工艺技术特征1.1熔池大留钢量设计电弧炉炼钢是通过电弧能量的释放来熔化原料,同时借助炉壁和炉门的氧枪对炉料进行切割、熔化和脱碳。当电弧炉采用高比例直接还原铁进行冶炼时,主要采用顶部连续添加的方式。虽然电弧炉顶部的进料口设计得尽可能靠近极心圆,但是直接还原铁的加料区域仍在极心圆之外。此外,直接还原铁的密度相对较低,容易浮在钢液的上部。因此,电弧炉采用直接还原铁炼钢不仅要通过电弧和氧枪使熔池升温,还要通过熔池多元的搅拌作用实现熔炼。为实现熔池良好的搅拌效果,在直接还原铁加入电弧炉之前,炉内应留有一定量的钢液,以保证炉料在加入熔池后能尽早
12、熔化。电弧炉采用大比例的直接还原铁时,电弧炉留钢量一般按照不低于钢产量的40%设计。1.2熔池强化搅拌技术传统电弧炉炼钢熔池搅拌强度不足,导致炉内物质和能量的传递较慢。为了加快冶炼节奏,先后开发了强化供氧和底吹搅拌等相结合的复合吹炼技术7-9,以及电磁搅拌技术10等。电弧炉炼钢的复合吹炼技术已经在天津钢管、西宁特钢、新余特钢等公司应用,其应用前后效果对比见表18-9。复合吹炼的应用效果良好,冶炼周期可缩短6%8%。中冶赛迪工程技术股份有限公司研发的超级电弧炉炼钢技术,是集强化供氧、熔池复合吹炼和电磁搅拌于一体的新一代电弧炉技术,研发的IGBT柔性直流电源采用IGBT斩波调压,可以快速有效的控制
13、电流大小和抑制电流波动,供电更加平稳高效,同时直流电的电磁搅拌大幅优化了熔池的动力学条件,进一步增强了熔池的搅拌效果,冶炼周期可缩短约8%10%,能满足多元复杂炉料条件下的冶炼要求10-11。1.3原料结构的生产组织以伊朗阿尔法钢铁公司的电弧炉为例12,电弧炉最初主要是按照每炉金属料结构10%废钢+90%直接还原铁的比例生产,但 10%的废钢比例比较小,造成每炉的料篮调度繁忙,配料与冶炼在节奏上并不匹配。此外,加料时炉盖频繁打开,造成热量散失严重,所以热利用率降低,非必要通电时间延长。经过工艺研究和系统的组织协调,确定首炉配比50%废钢和50%直接还原铁,而后再配四炉的全直接还原铁炉料的方案。
14、经过现场实践,优化原料结构后,废钢的配料节奏更加适应冶炼,炉内的热量利用率有所提高,平均电耗降低810 kWh/t。因此,不同原料结构的生产组织对冶炼能耗影响显著,实际生产时应结合现场料篮容量、生产调度和炉内能效利用水平综合考虑。1.4加料制度1.4.1热压块铁的加料热压块铁是把高温直接还原铁加压成型,在使用时分装于料篮中与废钢一起加入炉中。就天津钢管公司150 t电弧炉实践经历看,单批料的热压块铁(100 mm50 mm30 mm)使用以不超过20%的比例为宜,比例过大会使得炉内结块且难于熔化,造成冶炼困难13。可见,为加快生产节奏同时保证较低的电耗,应控制热压块铁大小和配比不能过大。1.4
15、.2直接还原铁的加料1.4.2.1 成批装料直接还原铁加入电弧炉的占比不等,若直接还原铁配比低于30%,则可采用料罐装料14。料篮底部填充轻废钢,其次是重废钢和直接还原铁,避免直接还原铁过多结块。然而,当电弧加热较厚的直接还原铁料层时,熔融金属填充了直接还原铁之间的空间并凝结,导致炉料烧结成一体,使得炉料整体不易加入熔池,熔化周期延长。当分批加入30%以上的炉料时,由于直接还原铁传热缓慢,相关技术指标较差,应通过连续加料的方式入炉。1.4.2.2 连续加料当直接还原铁用量较大时,采用连续加料,通常通过炉顶加料孔实现加料。一是在炉顶中心开一个孔,使直接还原铁在垂直方向落入;另一种是表1复合吹炼应
16、用效果对比Table 1 Comparison of application effects of combined flowing工况50 t无复吹50 t复吹70 t无复吹70 t复吹冶炼炉数736688650350冶炼周期/min5955585334第 5 期贺美乐等:电弧炉采用直接还原铁炼钢工艺技术分析在炉顶半径的中间开一个孔,通过轨道进入炉内。连续进料系统需要较高的高度,以确保直接还原铁快速通过渣层。一般情况下,初始喂料速率为正常喂料速率的1/21/3,中期为满负荷喂料。但在后期,为了迅速提高钢液温度,尽快达到出钢温度,应减慢加料速度。天津钢管公司150 t超高功率电弧炉在采用直接还
17、原铁(配比 100%)冶炼时采用留钢留渣操作,加料采用炉顶连续加料方式,先将废钢熔化,再将直接还原铁加入熔池。加料制度如下:(1)最后一个料篮的废钢能耗水平是100 kWh/t,直接还原铁加料采用500 kg/min;(2)冶 炼 能 耗 在 200 kWh/t 时,加 料 速 度1 000 kg/min;熔清后,加料速度2 500 kg/min;(3)测温超过 1 560,加料速度 2 900 kg/min左右;(4)剩余1015 t、510 t直接还原铁时,直接还 原 铁 的 加 入 速 度 分 别 为 1 500 kg/min、500600 kg/min。1.5温度制度当直接还原铁用量较
18、高时,通过留钢操作可达到快速冶炼的效果。为保持良好的熔化速度和炉渣流动性,直接还原铁的熔点在 1 5401 580。加料速度要控制适中,在冶炼较快节奏的基础上应控制炉料不会低温“冻结”。为维持该熔池温度,加料速度一般等于其熔化速度,为2833 kg/min(供电功率为1 MW)。直接还原铁的熔化速度取决于电源、炉膛热效率和工艺电能要求。1.6造渣制度电弧炉采用直接还原铁时,典型的熔渣成分(质量分数)见表 2。熔渣碱度(CaO/SiO2)通常为 1.82.2。直接还原铁中酸性脉石(SiO2+Al2O3)较多,因此,冶炼时及早造渣非常重要,以免侵蚀炉衬,尤其是渣线部位。石家庄钢铁厂15基于一定假设
19、:直接还原铁脉石四元碱度为0.8;熔化期石灰消耗量与直接还原铁用量之比为3%;渣中FeO含量为15%,提出直接还原铁配比量和脉石含量对渣量影响的经验公式(1),并作图,如图1所示。Wz=1 176N(1.84Nm-0.06)(1)式中:Wz为使用直接还原铁带来的渣量增加量,kg/t;N为原料中直接还原铁比例,%;Nm为直接还原铁中脉石含量,%。图1中正常渣量为全废钢冶炼时的渣量,一般在7080 kg/t。当脉石含量Nm2%时,渣量明显低于全废钢冶炼时的渣量。直接还原铁通常不含MgO,因为炉渣趋向于 MgO饱和,所以可以通过添加足够的白云石来防止渣线的侵蚀。为保证稳定的炉渣碱度和熔池温度,应避免
20、一次性投入渣料,石灰和白云石要以一定匹配速度与直接还原铁一起连续加入。渣中FeO的含量一般由熔池中的碳含量决定,直接还原铁中的FeO可以在熔化并与适量的碳反应后,在渣钢界面上产生碳沸腾。在合适的炉渣条件下,大量气体从炉渣界面逸出,使钢渣产生泡沫,从而实现电弧炉埋弧熔炼。部分钢铁公司的冶炼参数及效果见表3。通过国内外钢铁公司生产实践表明16-21,电弧炉冶炼采用炉壁氧枪吹氧进行脱P和脱C,增加超音速氧气射流可强化熔池搅拌,并应通过炉壁碳枪喷碳使冶炼全程泡沫渣埋弧,电弧的辐射热被泡沫渣包裹吸收,从而可以保证供电的大功率作业和较高的电效率。2冶炼电耗影响因素分析在连续加料的直接还原铁熔化时,电弧在泡
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