高热装铁水比冶炼工艺的优化_邓叙燕.pdf

第 卷第期 年月 钢 铁 研 究 学 报 ，作者简介：邓叙燕（），男，硕士，工程师；：；收稿日期：高热装铁水比冶炼工艺的优化邓叙燕，马建超，赵伟杰，曹斌，金红军，李森（江苏省沙钢钢铁研究院，江苏 张家港 ；江苏沙钢集团有限公司润忠炼钢厂，江苏 张家港 ）摘要：针对电弧炉炼钢过程中石灰消耗较高、炉渣中 含量过高的问题，研究了温度、炉渣成分、渣量、流渣时机对脱磷的影响以及终点碳含量、炉渣的碱度、吹氧强度对终点渣中 含量的影响，并对吹氧制度、造渣制度进行了优化。工业应用表明：石灰的消耗从每吨铁 降到 ，氧气的消耗从每吨铁 降到 ，终渣中（）从 降到 ，终点从 提高到 。关键词：电弧炉；高热装铁水比；脱磷；渣中 含量文献标志码：文章编号：（），（），；，：，：；近年来，随着中国废钢价格和电价的持续上升，国内很多电弧炉车间都通过大量配加铁水来加快生产节奏和降低生产成本。在高热装铁水比条件下，熔池中的碳含量和磷含量较高，因此脱碳和脱磷任务相对较重；并且冶炼过程中熔池的温度主要受化学热的控制，导致脱磷反应不易控制，不容易冶炼低磷钢（成品 ）。沙钢集团有限公司润忠炼钢厂的 电弧炉于 年建成投产，主要用于生产冷镦钢（成品 ）。通过加大热装铁水的比例（占总装入量的 ），冶炼过程中不需要通电，生产成本显著降低。但是，为了保证脱磷效果，渣料的消耗较高，钢水的过氧化较严重，终点渣中的 含量过高，导致金属收得率较低，热量损失较严重。为进一步 降 低 生 产 成 本、提 高 钢 水 的 质 量，润 忠炼钢厂于 年月开始对电弧炉的炼钢工艺进行了优化。工艺技术参数润忠炼钢厂电弧炉的公称容量 ，变压器容量，炉壳直径 ，电极直径 ，出钢。在炉壁上安装了支超音速集束氧枪，每支枪的最大氧气流量为 ，可分档控制；每支集束氧枪上集成了一支氧燃烧嘴，每支烧嘴的功率为 。炉门氧枪的最大供氧强度为 。废钢的装入量为 、铁水的装入量为 ；装料顺序为废钢料、一次铁水、二次铁水，其中 装 入 废 钢 后 立 即 装 入 一 次 铁 水，装 入量为 ，后装入二次铁水，装入量为 。电弧炉脱磷的影响因素脱磷反应主要在渣金界面进行，反应式为：（）（）（）（）（）由于炉渣中 的浓度很低，且 与的摩尔分数相同，的活度可以用的摩尔分数来代替。因此，渣金间磷的分配系数可按下式计算：（）（）（）由式（）和式（）可知，影响渣金间磷的分配系数的主要因素有：温度、炉渣成分、渣量。熔池温度脱磷是强放热反应，所以低温有利于脱磷反应。从热力学角度考虑，高温对脱磷反应不利，但熔池中碳氧反应剧烈，对熔池的搅拌作用较强，钢水的流动性好，炉渣的泡沫化程度较高，可增加渣金间的接触面积，有利于熔池中的磷和炉渣中的传质。同时，熔池的温度是影响碳与磷竞争氧化的一个主要因素，在一定的温度下，脱碳反应可能会抑制脱磷反应的发生。碳与磷发生选择性氧化的热力学条件可表示为：（）（）若取 、，并考虑熔池中碳与磷的活度相互作用系数，由式（）计算可知：要使选择性氧化转变温度大于 ，渣中的活度应小于 。因此，要提高转变温度，使碳与磷同时被氧化，必须形成碱性氧化渣，降低渣中的活度。电弧炉炼钢过程中，炉渣和熔池中的磷含量随熔池温 度 的 变 化 情 况 如 图所 示。当 温 度 小 于 时，炉渣中的 含量较低；当温度达到图炉渣的（）和熔池的随温度的变化 左右时，渣中的 含量最高，熔池中的能脱至 以下。因此，电弧炉脱磷的最佳温度区间为 ，在该温度区间应加强换渣脱磷操作。在 温度区间，渣金间磷的分配系数较小，但通过换渣操作减少渣中 的含量可进一步脱磷。炉渣的成分由式（）可知增加渣中 含量，炉渣的氧势增加，使增加，有利于脱磷。但随着 含量的增加，渣中的活度将会增加，不利于反应（）的进行。增加炉渣的碱度可提高渣中 的活度并降低的活度，从而有利于脱磷反应的进行；然而，碱度过高将使炉渣变黏，不利于渣金间的传质；并且碱度越高，渣中未熔化的 就越多，导致石灰的利用率越低，如图所示。生产数据证实，当渣中（），碱度控制在 时，炉渣的脱磷效率较高。图渣中自由 含量与炉渣碱度的关系 流渣量和流渣时机电弧炉冶炼过程中，流渣量的增加意味着渣中浓度的稀释，在一定时可降低熔池中磷的第期 邓叙燕等：高热装铁水比冶炼工艺的优化含量。所以多次换渣操作是脱磷的有效措施，但流渣量大会使金属铁和热量的损失增大，因此在满足脱磷的条件下尽可能减少流渣量。从图可见，在电弧炉吹炼过程中，随着低碱度渣的流出和多批次石灰的加入，炉渣的碱度逐渐升高。冶炼前期渣中的含量较低，这主要是由于炉渣的碱度较低，并且熔池的温度较低、传质条件较差，脱磷反应进行不充分。所以，推迟留渣可提高炉渣的脱磷效率、减少渣量。冶炼后期，随着高含量的炉渣的流出和石灰的加入，渣中的含量逐渐降低，有利于降低熔池中的磷含量。图冶炼过程中炉渣碱度和渣中（）的变化 渣中 含量的影响因素在用炉门氧枪和炉壁氧枪吹氧的过程中，氧气射流冲击熔池处将形成由多相界面组成的乳化反应区，氧气在凹坑表面上将与铁液内溶质元素直接进行氧化反应，同时与铁元素反应生成 ，大部分 液滴弥散到乳化反应区，与铁液中碳和其他杂质元素进行间接氧化反应，还有一部分 被卷入渣中，在渣金界面与铁液中的元素进行反应。电弧炉终渣中的 含量主要受熔池的碳含量、炉渣碱度、吹氧强度等因素影响。终点碳含量的影响在电弧炉吹氧炼钢条件下，进入熔池的溶解氧与铁液中的碳按式（）进行反应：（）反应产物以 气泡的形式从熔池中排出，平衡时气泡内 的分压接近个大气压；而乘积的变化很小，接近于。因此，当熔池中的温度为 时，碳氧浓度积可表示为：（）由式（）可知，在一定温度下，当反应达到平衡时，熔池中的溶解氧含量主要由碳含量决定。平衡条件下，炉渣中 的活度与熔池中的氧含量有关，可表示为：（）由式（）和式可知，炉渣中 的活度将会随熔池中碳含量的降低而升高。从图可见，当电弧炉终点 时，随着碳含量的降低，含量迅速升高。因此，在满足所冶炼钢种碳含量要求的条件下，应尽可能提高电弧炉的终点碳含量。这样不仅可减少铁损，而且可减少精炼过程脱氧剂的消耗，提高钢水的洁净度。图终点碳含量与终渣中 含量的关系 炉渣碱度的影响电弧炉渣系可认为是（）（）的伪三元系，主要成分为 、，其中 与炉渣的碱度有关。当炉渣的碱度大于时，碱度越大，相同 所对应的渣中（）越大。渣金间氧的平衡分配比 是温度的函数。在平衡条件下，当温度和熔池中一定时，为定值；若炉渣的碱度较大，则需要较高的（）来保持渣金间氧的平衡。从图可见，当炉渣的碱度大于时，渣中 含量随着炉渣碱度的增大而显著升高。综合考虑炉渣碱度对铁水脱磷和脱碳速度的影响，终点渣的碱度应控制在 。吹氧强度的影响研究表明：熔池中 和 有相近数量级的传质系数，它们向反应界面的扩散通量取决于其浓度梯度。当碳含量较高时，碳的传质比氧的传质快，脱碳速率决定于 的传质速率。当碳含量较低时，的传质则成了限制环节，脱碳速率随碳含量的降钢铁研究学报第 卷图电炉终点渣中（）与炉渣碱度的关系 低呈直线式降低。限制环节出现转变的碳浓度称为临界碳量，临界碳量与 的传质系数和供氧强度有关，电弧炉的临界一般为 。从图可见，润忠炼钢厂的电弧炉在目前的供氧强度下临界 ，当熔池中的碳含量高于临界碳量时，因为吹入的氧气基本都与发生反应，所以脱除 的碳所需的氧气保持在 。当熔池中的碳含量小于临界碳量时，随着碳含量的降低，脱除 的碳所需的氧气大大增加，这是由于吹入的氧气只有一部分与 进行反应，另一部分主要使炉渣中 和熔池中 的浓度增加。因此，当熔池中的小于 后，随着碳含量的降低，应逐渐减小吹图氧气的消耗与熔池中的关系 氧强度。但吹氧强度越大，氧气流股所产生的冲击深度及冲击面积越大，有利于增加 的传质和反应界面的面积，因此吹氧强度的降低量必须适中，否则会影响冶炼周期。控制措施与效果 吹氧制度的优化采用分时分段供氧的方式：）装入废钢后，支炉壁氧枪采用“烧嘴模式”供氧，每支氧枪的氧气流量为 ；）装入第一包铁水后，炉壁氧枪采用“二次燃烧模式”供氧，流量增加到 ，后，采 用“普 通 脱 碳 模 式”供 氧，流 量 提 高 到 ，该阶段供氧的主要特点是化渣、切割废钢并防止炉渣从炉门溢出；）装入第二包铁水后，炉壁氧枪仍采用“普通脱碳模式”供氧，当供氧量达到每吨铁 后，炉壁氧枪采用“快速脱碳模式”供氧，流量提高到 ，并开启炉门氧枪供氧，流量控制在 ，该阶段供氧的主要特点是“流渣脱磷”并“保碳脱磷”；）当熔池中的碳的质量分数含量低于临界碳量（）时，退出炉门氧枪，减小供氧强度进行吹炼，该阶段供氧的主要特点是防止钢水的过氧化。造渣制度的优化采用“留钢留渣”操作，留钢量为、留渣量为，有利于冶炼前期化渣。在冶炼的过程中，少量多批次加入石灰，石灰的加入量由铁水中硅含量确定。装入第一包铁水后，分两批加入每吨铁 的石灰造前期渣；装入第二包铁水后，分批加入每吨铁 的石灰进行“换渣脱磷”。造渣制度的总原则是“早成渣、迟流渣”。终点碳含量的控制根据生产数据建立吹氧强度与脱碳速度的数学模型来预测熔池中的碳含量，并结合取样分析对电弧炉的终点碳含量进行精确控制。在满足所冶炼钢种成品碳含量要求的条件下，尽可能提高电弧炉的终点碳含量。应用效果表对工艺优化前后生产的 炉 表工艺优化前后批量生产的数据对比 工艺铁水 铁水比铁水温度吨铁氧气消耗吨铁石灰消耗 冶炼周期 终点终点终点渣（）优化前 优化后 第期 邓叙燕等：高热装铁水比冶炼工艺的优化钢的生产数据进行了对比。从表可见，在冶炼周期和脱磷效率相当的情况下，石灰的消耗从每吨铁 降到每吨铁 ，氧气的消耗从每吨铁 降 到 每 吨 铁 ，终 点 渣 中（）从 降 到 ，终 点从 提 高 到 ，生产成本显著降低。结论）合理控制熔池温度和流渣时机是实现电弧炉高效脱磷、减少石灰消耗的关键。）提高冶炼终点的碳含量、合理控制终点炉渣的碱度、适当减少冶炼后期的吹氧强度可降低终渣中的全铁含量。）新的工艺制度使冶炼过程中的石灰消耗和氧气消耗大幅度降低，终点碳含量明显提高，终点渣中全铁含量显著降低。）新的工艺制度实现了电弧炉的少渣冶炼，提高了金属收得率，大大降低了生产成本。参考文献：李士琦，郁健，李京社电炉炼钢技术发展中国冶金，（）：刘浏高品质特殊钢生产流程技术研究中国冶金，（）：傅杰，柴毅忠，毛新平中国电炉炼钢问题钢铁，（）：，（）：孙开明，张露，温德松现代电弧炉炼钢热装铁水技术的再认识北京科技大学学报，（）：黄希祜钢铁冶金原理北京：冶金工业出版社，徐匡迪，肖丽俊，干勇，等新一代洁净钢生产流程的理论解析金属学报，（）：，：，俞海明电弧炉炼钢过程中临界碳的实测和脱碳操作实践炼钢，（）：钢铁研究学报第 卷