電弧爐潔凈化冶煉關鍵技術的發(fā)展
朱榮 魏光升 陳鳳武
與國外電弧爐煉鋼相比，我國電弧爐一直是特殊鋼的生產(chǎn)主力。隨著國內(nèi)制造業(yè)對特殊鋼質量要求的日益提高，完善我國電弧爐煉鋼流程工藝及裝備水平成為目前提升電爐鋼產(chǎn)品質量的關鍵。一方面，由于特殊的爐型結構，電弧爐煉鋼熔池攪拌強度不足，氧氣利用率低、終渣（FeO）含量高、鋼水過氧化嚴重；另一方面，電弧爐煉鋼過程包括殘余元素、P、S、N、H及夾雜物等的去除，涉及整個工藝流程的匹配與優(yōu)化，是對電弧爐煉鋼流程冶煉高品質鋼技術的挑戰(zhàn)。從近些年電弧爐煉鋼技術的發(fā)展不難發(fā)現(xiàn)，電弧爐煉鋼在原有高效節(jié)能冶煉的基礎上，在潔凈化冶煉方面取得了長足的進步，產(chǎn)品質量顯著提升，這對推進我國電弧爐煉鋼流程潔凈化生產(chǎn)平臺構建意義重大。
電弧爐煉鋼潔凈化冶煉 關鍵問題
1.冶煉用原材料。
電弧爐煉鋼以廢鋼為主要原料，石灰、增碳劑等為輔助原料。一方面，隨著汽車、家電等報廢數(shù)量的增加，社會廢鋼成分更加混雜；廢鋼中Cu、Zn、Pb、Sn等有害雜質元素，隨廢鋼循環(huán)次數(shù)的增加不斷富集。另一方面，輔料的使用同樣會帶來有害元素，影響鋼液潔凈度。為盡量降低原材料的影響，需根據(jù)鋼種對原材料使用制訂不同的標準，分鋼種分級別進行原輔料的定制化選擇。如冶煉優(yōu)質合金棒材時，采用鐵水加廢鋼、優(yōu)質廢鋼或優(yōu)質廢鋼加直接還原鐵為原料；冶煉低硫鋼時，盡量使用低硫石灰；冶煉低碳鋼時，選擇低碳輔助原料。
2.脫磷操作。
磷在絕大多數(shù)鋼種中是有害元素，脫磷是電弧爐冶煉的重要任務之一。近年來，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，市場對低磷及超低磷高品質特殊鋼需求增加，現(xiàn)有電弧爐煉鋼工藝很難滿足快速低成本脫磷的冶煉要求。其主要原因在于電弧爐煉鋼原料結構復雜，熔清磷含量波動大；全廢鋼冶煉熔清后碳含量低、鋼液黏稠度高，且受電弧爐爐型結構限制，熔池流動速度慢，脫磷動力學條件差，冶煉過程脫磷困難。傳統(tǒng)電弧爐冶煉低磷鋼通常采用多次造渣、流渣操作，冶煉周期長，渣量大，終渣（FeO）含量高，鋼水過氧化嚴重，冶煉成本難以控制。
3.鋼中氧及夾雜物的控制
電弧爐冶煉終點鋼液氧含量的穩(wěn)定控制，是降低鋼中夾雜物的關鍵。電弧爐煉鋼普遍采用強化供氧操作以加快冶煉節(jié)奏、提高生產(chǎn)效率，但電弧爐煉鋼終點控制不精準，鋼液過氧化較為嚴重。這不僅導致后期精煉過程脫氧劑的過度消耗，而且使得精煉期夾雜物的產(chǎn)生量顯著增加。為降低終點鋼液氧含量，電弧爐煉鋼主要采取以下措施：控制出鋼前吹氧量，同時噴吹惰性氣體強化攪拌；出鋼時采用偏心爐底出鋼控制下渣量；出鋼前加入鐵碳鎂球，降低鋼液氧含量。
4.鋼中[N]與[H]的控制
電弧爐采用大功率供電強化廢鋼熔化，電極放電產(chǎn)生的高溫電弧會電離附近空氣中N2，致使鋼液易吸氮；N2有時會作為底吹氣體或粉劑噴吹載氣浸入熔池，造成鋼液進一步吸氮。同時，電弧爐冶煉原料中含有水分并接觸空氣，會造成鋼液中氫含量偏高。然而，電弧爐煉鋼熔清后熔池碳含量偏低，供氧強度不足，冶煉后期脫碳期間熔池內(nèi)產(chǎn)生的CO氣泡數(shù)量少，所以不能有效脫除[N]、[H]。解決此類問題的方法主要是通過廢鋼預熱的方式脫除水分，減少氫元素入爐；調整爐料結構，通過加入DRI、提高鐵水比等方式提高熔池碳含量，在電弧爐冶煉后期進行高強度脫碳沸騰操作，以脫除鋼液內(nèi)[N]、[H]，再在后續(xù)精煉及澆鑄過程中加以保護，控制鋼中[N]、[H]的含量。
電弧爐潔凈化冶煉技術創(chuàng)新
1.廢鋼破碎分選技術
廢鋼是鋼鐵循環(huán)利用的優(yōu)勢再生資源。廢鋼的資源化利用在鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排、轉型升級方面扮演重要角色。廢鋼的高效破碎與分選是保證電弧爐煉鋼原料質量的前提與關鍵，對電弧爐煉鋼實現(xiàn)潔凈化冶煉至關重要。
廢鋼破碎機主要有兩種：碎屑機和破碎機。碎屑機用于破碎鋼屑，破碎機用于破碎大型廢鋼。破碎機有錘擊式、軋輥式和刀刃式幾種。經(jīng)破碎處理后的廢鋼鐵可以很容易地利用干式、濕式或半濕式分選系統(tǒng)將金屬、非金屬，有色金屬、黑色金屬進行分選回收處理，廢鋼表面的油漆和鍍層均可清除或部分清除。經(jīng)破碎分選后的廢鋼可大大提高原料的潔凈度，為電弧爐煉鋼提供了清潔可靠的原料保障。
2.電弧爐煉鋼復合吹煉技術。
傳統(tǒng)電弧爐煉鋼熔池攪拌強度弱，抑制了爐內(nèi)物質和能量的傳遞；通常采用超高功率供電、高強度化學能輸入等技術，但沒有從根本上解決熔池攪拌強度不足和物質能量傳遞速度慢等問題?，F(xiàn)代電弧爐煉鋼廣泛采用吹氧工藝以加快冶煉節(jié)奏、降低生產(chǎn)成本，相繼開發(fā)出諸如爐壁供氧、爐門供氧、集束射流等強化供氧技術。為了解決熔池攪拌強度不足和物質能量傳遞速度慢等問題，業(yè)內(nèi)開發(fā)了如底吹攪拌、電弧爐煉鋼復合吹煉等關鍵技術。
以高效、低耗、節(jié)能、優(yōu)質生產(chǎn)為目標，北科大研究團隊首次提出并研發(fā)的新一代電弧爐冶煉技術———電弧爐煉鋼復合吹煉技術（見附圖），以集束供氧、同步長壽底吹攪拌等新技術為核心，實現(xiàn)了電弧爐煉鋼供電、供氧及底吹等單元的操作集成，滿足多元爐料條件下的電弧爐煉鋼復合吹煉的技術要求。
3.集束模塊化供能技術
電弧爐集束模塊化供能技術，包括爐壁及爐頂集束供氧方式。爐壁集束供氧方式將吹氧和噴粉單元共軸安裝在爐壁的一體化水冷模塊上，具備助熔、脫碳等模式，實現(xiàn)氣—固混合噴射、氣體粉劑（碳粉、脫磷劑等）噴吹的動態(tài)切換，滿足泡沫渣、脫磷及控制鋼水過氧化等要求，增強了顆粒的動能，使氧氣、粉劑高效輸送到渣—鋼反應界面，穩(wěn)定泡沫渣，降低冶煉電耗，提高金屬收得率。針對高鐵水比的多元爐料結構冶煉，該團隊開發(fā)出電弧爐爐頂供氧噴吹技術，以加大爐內(nèi)供氧強度，強化熔池攪拌。該技術可進行供電與供氧切換，完成脫碳和脫磷等冶煉任務，提高供氧效率，縮短冶煉時間，降低冶煉電耗。
埋入式供氧噴吹技術。近年來，在開發(fā)多功能集束模塊化供能技術的基礎上，為進一步提高氧氣利用效率，改善電弧爐熔池冶金反應動力學條件，該團隊研發(fā)了電弧爐煉鋼埋入式供氧噴吹技術。該技術將供氧方式從熔池上方移至鋼液面以下，利用噴槍將氧氣直接輸入熔池，加快了冶金反應速度，使氧氣利用率提高到98%。針對埋入式噴槍易燒損、氧氣流股沖刷侵蝕爐壁耐材的問題，研究者采用環(huán)狀氣旋保護技術，并通過中心主射流“保護—冶煉—出鋼”控制模式，控制侵蝕速度，實現(xiàn)噴槍壽命與爐齡同步。該技術顯著提高了鋼液流動及化學反應速度，有效控制了鋼液過氧化，改善了熔池脫磷效率。
4.電弧爐煉鋼安全長壽底吹技術。
電弧爐煉鋼熔池冶金反應動力學條件差，熔池鋼液成分、溫度不均勻，終點氧含量和渣中氧化鐵含量偏高，最終影響冶煉指標和鋼液質量。該團隊開發(fā)的電弧爐煉鋼安全長壽底吹技術，強化了電弧爐熔池攪拌，噸鋼氧耗、鋼鐵料消耗和終渣氧化鐵含量明顯降低，脫磷效率進一步提高，冶煉終點鋼液質量明顯改善。開發(fā)的具有定向多微孔型結構的長壽命底吹元件，具備優(yōu)良的透氣、耐高溫、抗熱震、抗沖擊等性能。該技術采用基于電弧爐冶煉“熔化—脫磷—脫碳—升溫—終點控制”的分段動態(tài)底吹工藝模型，既提高了氣體攪拌效率，又減少了氣液混合脈動流體對底吹元件的機械沖刷和化學侵蝕。具有冗余功能的電弧爐底吹全程安全預警技術，通過監(jiān)控底吹流量、壓力及溫度，實現(xiàn)了多點、階梯、分段的全程報警；采用弓形防滲透結構設計，保證了電弧爐爐底結構安全。工業(yè)實踐顯示，電弧爐底吹壽命超800爐次，實現(xiàn)了與爐齡同步。
5.電弧爐CO2-Ar動態(tài)底吹技術。
該團隊在電弧爐安全長壽底吹技術的基礎上，基于CO2物理化學特性和高溫冶金熔池內(nèi)CO2反應機理，發(fā)明了電弧爐CO2-Ar動態(tài)底吹技術及裝備系統(tǒng)。他們探明了金屬熔池中CO2-Ar多元介質氣泡脫氮機理，發(fā)現(xiàn)底吹CO2脫氮是Ar脫氮反應速率的近10倍；建立了電弧爐底吹Ar、CO2條件下鋼液攪拌能量密度數(shù)學模型，發(fā)現(xiàn)底吹CO2的熔池攪拌能力明顯大于底吹Ar，在扁平淺熔池的爐型結構條件下，電弧爐底吹CO2可進一步強化熔池攪拌，均勻成分、溫度。工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，與底吹Ar相比，采用電弧爐CO2-Ar動態(tài)底吹技術后，電弧爐冶煉終點鋼液氮含量穩(wěn)定控制在45?10-6以下，鋼液潔凈度進一步提升。同時，該團隊基于CO2與鋼液元素反應吸/放熱原理，發(fā)明了CO2噴吹提高電弧爐底吹透氣磚壽命的控制方法，通過動態(tài)控制底吹Ar與CO2的比例與流量，進一步降低了底吹元件的侵蝕速度，延長了底吹壽命。
6.電弧爐煉鋼氣-固噴吹新技術
在傳統(tǒng)爐壁噴粉和埋入式供氧噴吹技術基礎上，該團隊提出并開發(fā)了電弧爐熔池內(nèi)氣—固噴吹冶煉新技術，包括熔池內(nèi)O2-CaO噴射快速深脫磷和碳粉噴射增碳助熔技術。該技術利用噴槍（埋入鋼液面下）向電弧爐熔池內(nèi)部直接噴射石灰粉或碳粉，實現(xiàn)電弧爐煉鋼快速潔凈化冶煉，提升鋼液品質。該技術將傳統(tǒng)熔池上方噴粉方式移到熔池下方，在生產(chǎn)效率、技術指標、鋼水質量等方面展現(xiàn)出明顯技術優(yōu)勢。
熔池內(nèi)O2-CaO噴射快速深脫磷技術，利用O2或O2-CO2向熔池內(nèi)部噴射石灰粉，依靠熔池內(nèi)部“氣—固—渣—金”多相反應體系實現(xiàn)電弧爐煉鋼快速深脫磷。該技術改變了傳統(tǒng)電弧爐煉鋼脫磷方式，提供了全新的電弧爐煉鋼高效脫磷手段，利用熔態(tài)渣粒微觀體系成渣反應快速深脫磷，提高了脫磷效率，提升了鋼液品質。
熔池內(nèi)碳粉噴射增碳助熔技術，利用空氣或CO2-O2向熔池內(nèi)部噴射碳粉，加速鋼液滲碳，促進廢鋼熔化，提高熔清碳含量，改善鋼液品質。該技術將碳粉直接噴入鋼液內(nèi)部，避免了碳與爐內(nèi)高溫煙氣和熔渣的氧化反應，顯著提高了碳粉利用效率；良好的熔池攪拌加速了碳粉在鋼液內(nèi)均勻彌散，熔池滲碳效率提高；較高的熔清碳含量和良好的泡沫渣操作，顯著降低了電能消耗和電極消耗。
7.電弧爐煉鋼質量分析監(jiān)控及成本控制系統(tǒng)
隨著電弧爐冶煉技術的發(fā)展，僅僅依靠操作者的經(jīng)驗來控制電弧爐生產(chǎn)已經(jīng)無法適應現(xiàn)代電弧爐煉鋼的生產(chǎn)節(jié)奏。通過數(shù)據(jù)信息的交流和過程優(yōu)化控制，可以使電弧爐煉鋼過程的成本控制、合理供能等環(huán)節(jié)最優(yōu)化，降低成本，提高效率?；诖碎_發(fā)的電弧爐煉鋼質量分析監(jiān)控及成本控制系統(tǒng)具有以下特點：一是通過EAF-LF煉鋼工序終點成分控制模型分析EAF-LF煉鋼工序成分數(shù)據(jù)，動態(tài)調整成分控制關系式參數(shù)，對實時氧含量與合金元素收得率進行預測，指導脫氧工藝與合金加料工藝，實現(xiàn)EAF-LF煉鋼工序成分精確控制。二是建立電弧爐冶煉工藝歷史數(shù)據(jù)庫，根據(jù)成本、能耗最低或冶煉時間最短原則，選擇與當前冶煉爐料結構、冶煉環(huán)境等相近的最優(yōu)歷史數(shù)據(jù)，然后根據(jù)最優(yōu)爐次的冶煉工藝進行冶煉，以達到最優(yōu)冶煉效果。三是建立了電弧爐及精煉工序的成本監(jiān)控系統(tǒng)，對電弧爐單爐成本進行預測與實時計算，并提供不同爐料結構的供電、供氧優(yōu)化指導曲線及優(yōu)化；對精煉爐單爐成本進行預測與實時計算，并提供優(yōu)化的合金與渣料組合。目前，該系統(tǒng)已在國內(nèi)外多座電弧爐推廣應用。
結論及展望
在電弧爐煉鋼流程中，提高鋼液潔凈度無疑是保證產(chǎn)品質量的關鍵，而保證鋼液潔凈度的關鍵在于各冶煉工序、單元操作的穩(wěn)定與協(xié)調有序配合。在完善現(xiàn)有電弧爐煉鋼潔凈化冶煉關鍵技術基礎上，進一步構建電弧爐煉鋼流程潔凈化生產(chǎn)平臺，實現(xiàn)生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質量和節(jié)能環(huán)保水平的不斷提升，將是未來電弧爐煉鋼的重點發(fā)展方向之一。
加快電弧爐煉鋼流程技術創(chuàng)新，特別是潔凈化冶煉技術的完善與突破，構建電弧爐煉鋼流程潔凈化生產(chǎn)平臺，提升電弧爐煉鋼流程產(chǎn)品質量和產(chǎn)品競爭力，將對我國鋼鐵工業(yè)結構調整和轉型升級起到重要推動作用。
原創(chuàng)： 中國鋼鐵新聞網(wǎng)
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