150吨电弧炉技术的进步.pdf

1前言 15 0 吨电弧炉的技术进步 张露孙开明宋嘉鹏 ( 天津钢管集团有限公司) 天津钢管集团有限公司( 简称天管) 炼钢厂的1 5 0 吨超高功率交流电弧炉，是2 0 世纪9 0 年代从德国曼 内斯曼德马克( 后改为西马格德马克) 公司引进的大型电弧炉，是国内第一台1 5 0 吨超高功率电炉 它采用了当时国际上最先进的电弧炉配套技术，如：( 1 ) 使用海绵铁／热压块( D R I ／H B I ) 技术；( 2 ) 废钢预 热装置；( 3 ) 大容量变压器有载调压技术；( 4 ) 水冷炉壁和水冷炉盖技术；( 5 ) 长弧泡沫渣技术；( 6 ) 炉盖第四孔 及屋顶罩二次除尘系统；( 7 ) 高位料仓连续加料装置；( 8 ) 炉壁氧一油烧嘴和炉门悬臂式自耗氧枪装置；( 9 ) 偏 心炉底无渣出钢( 留钢留渣) 技术再加上实行全精炼、全连铸、过程全计算机控制，因此使其成为当时国内 大型超高功率电弧炉的典型代表 I ．1 1 5 0 吨电弧炉设计工艺参数 ( 1 ) 炉料结构：5 0 ％废钢+ 5 0 ％海绵铁；( 2 ) 废钢预热温度：2 5 0 ℃( 可节能2 5k w h ／吨钢水) ；( 3 ) 电弧炉变 压器容量：9 0 M V A ；( 4 ) 炉门自耗氧枪工作流量：1 ×3 0 0 0 N m 3 ／h ；( 5 ) 炉壁轻油烧嘴辅助能量：3 ×3 M W ；( 6 ) 除尘风机风量：7 0 0 0 0 0N m 3 ／h ；( 7 ) 电炉冶炼电耗：5 8 0 k w h ／吨钢水；( 8 ) 氧枪氧气消耗：1 7 m 3 ／吨钢水；( 9 ) 轻 油消耗：8 k g ／吨钢水；( 1 0 ) 石灰消耗：5 0k g ／吨钢水；( 1 1 ) 冶炼周期：1 0 0 m i n ；( 1 2 ) 日生产炉数：1 4 ．4 炉／日； ( 1 3 ) 出钢量：1 5 0 吨钢水／炉；( 1 4 ) 年生产钢水量：6 0 万吨。

1 ．21 5 0 吨电弧炉运行经济技术指标 1 5 0 吨电弧炉投产后，由于炉壁轻油烧嘴经常堵塞，处理很麻烦，故在投产初期就已经被废弃拆除而 鉴于废钢预热系统布局不合理，操作繁琐，影响生产效率，且预热效果不佳，始终不能正常使用，后于2 0 0 1 年 拆除1 9 9 8 年，将炉门自耗氧枪更换为德国“巴登钢厂”式的炉门自耗氧枪( 2 支) 和碳粉喷枪( 1 支) 至此， 1 5 0 吨电弧炉氧气最高工作流量达到4 5 0 0 N m 3 ／h ，无辅助能量到1 9 9 9 年，1 5 0 吨电弧炉实际经济技术指 标见表1 表11 5 0 吨电弧炉( 1 9 9 9 年) 实际经济技术指标 21 5 0 吨电弧炉的技术进步 随着对超高功率电弧炉炼钢技术认识的不断加深，以及大型现代电弧炉炼钢技术的快速发展，天管炼钢 厂原有引进的1 5 0 吨电弧炉，无论是装备水平，还是工艺水平都已逐渐落后，所存在的缺陷也日趋突出，经济 技术指标难以提高因此，天管炼钢厂开始采用一系列先进技术，对1 5 0 吨电弧炉工艺进行完善 2 ．1 采用集成强化供氧技术 “T e c h i n t ”公司的“K TI n j e c t i o nS y s t e m ”技术具有预热烧嘴助熔、超音速射流氧枪脱碳搅拌、喷吹碳粉造 泡沫渣以及二次燃烧功能的集成强化供氧技术。

2 ．1 ．1“K TI n j e c t i o nS y s t e m ”的核心技术 一6 6 — 所谓“K TI n j e c t i o nS y s t e m ”技术就是具有烧嘴、超音 速氧气射流、二次燃烧功能的K T 氧枪和具有造高效泡沫 渣功能的K T 碳粉喷枪之组合其核心技术就是K T 氧 枪的特殊结构和布置( 见图1 、图2 ) ，保证了其在废钢熔 化时均匀的助熔作用、熔清后超音速氧气射流均匀的脱 碳、搅拌作用和二次燃烧作用K T 氧枪的主氧射流马赫 数达到2 ．1 ，且由于主氧周围具有双层环状( 燃) 气流的保 护，主氧射流超音速核心段长度可达2 米以上，因此具有 很强的穿透力和搅拌力，再加上K T 氧枪合理的布置可 以大大改善炉料熔化．、钢液升温、钢液化学成分不均匀 性，加快渣一金界面反应速度，提高氧气利用效率而 K T 碳粉喷枪与K T 氧枪相邻布置，高度略低于氧枪，保 证了泡沫渣能够高效、快速形成 图1K T 氧枪结构图示意图 图2K T 氧枪及K T 碳枪布置图 应用集成强化供氧技术后，1 5 0 吨电弧炉的氧气最高工作流量达到9 5 0 0N m 3 ／h 以上，烧嘴辅助能量达 到2 2M W 。

2 ．1 ．2 对炉料结构和布料方式的要求 使用中发现“K TI n j e c t i o nS y s t e m ”技术对炉料结构和布料方式有特殊要求： ( 1 ) 对炉料结构的要求 由于超音速氧气射流氧枪，一些难熔化的炉料，如重型料、生铁、机铁的用量和位置必须严格控制对炉 料结构控制要求见表2 ： 表2 炉料结构控制要求 ( 2 ) 对布料方式的要求 对料篮布料方式要求为：( i ) 底层加入足量的轻薄料，以减缓炉料对炉壁K T 氧枪和碳枪的冲击 ¨) 为保证生铁、重型( 含渣铁、渣钢) 料在炉内中心部位，避免其封堵K T 氧枪，造成事故，在向料篮加生铁、重型 料时，采用“回抓出坑，填平布料”的方法 2 ．1 ．3 应用效果 2 0 0 1 年7 月，在全冷料的条件下采用集成强化供氧技术，采用前后主要经济技术指标见表3 一6 7 — 表3 采用集成强化供氧技术前后1 5 0 吨电弧炉主要经济技术指标 2 ．2 采用热装铁水技术 众所周知，由于炉外精炼技术的应用，国内电力资源紧张和世界性的优质废钢资源短缺，使得以废钢为 原料、消耗电能源的电弧炉炼钢短流程，明显劣于以铁矿石为原料、消耗焦碳的高炉一转炉炼钢长流程。

而 铁水被应用于电弧炉生产则给电弧炉炼钢短流程带来了希望的曙光 2 ．2 ．1电弧炉热装铁水技术 ( 1 ) 采用热装铁水技术的理由 电弧炉兑加部分铁水主要基于以下理由：( a ) 电弧炉的炉料中必须要配人一定比例的生铁，而由于各种 强化供氧技术的应用，又更加提高了生铁的配人比例( ～4 0 ％) 因此，用热铁水代替冷生铁，可以利用铁水 的物理热，同时不失去使用生铁的特点，如稀释有害元素含量等 b ) 由于国内电力资源紧张，特别是季节性 电力短缺更加严重，电价持续升高，加大了电弧炉生产厂的成本压力采用热装铁水技术，可以降低电耗，在 资源和能源成本方面寻求一个最佳平衡点 c ) 采用热装铁水技术，电弧炉可以和转炉一样生产低氮钢，以 及其他低有害元素的钢种 d ) 采用热装铁水技术，可以增加电弧炉产量，使实现电弧炉生产节奏“转炉化” 真正成为现实 e ) 采用热装铁水技术，有利于快速熔化冷废钢，及早形成熔池，提高氧气利用效率，强化了 强化供氧技术的效果 ( 2 ) 热装铁水最佳比例 由于电弧炉熔池结构的特点，决定了电弧炉采用热装铁水应该有一个最高比例，即铁水在炉料结构中的 最佳比例通过对1 5 0 吨电弧炉热装不同比例铁水的冶炼周期、冶炼电耗统计结果得出：天管炼钢厂1 5 0 吨 电弧炉的最佳热装铁水比例是3 5 ％。

热装铁水比例过大，如热装铁水比例超过4 0 ％时，由于炉内碳氧反应 集中并激烈，炉盖、炉壁沾渣严重，熔清碳高，造成电炉停电吹氧( 或停电停氧) 的时间延长，影响冶炼周期 ( 3 ) 铁水兑人的方式 电弧炉采用热装铁水技术的铁水兑人的方式一般有以下几种：( a ) 从炉门( 出渣) 口兑入：电弧炉加料、通 电后，用天车吊起装有铁水的铁水包，通过兑铁水小车上的兑铁溜槽，经炉f - j 口一次性将铁水注入电炉内，完 成热装铁水操作 b ) 从炉顶兑入：电弧炉加料、通电、“穿井”后，停电、旋开炉盖，用天车吊起装有铁水的铁 水包，从炉顶一次性将铁水兑人电炉内，然后旋回炉盖，继续通电冶炼 c ) 从炉后侧E l 兑人：电弧炉加料后 正常冶炼，装有铁水的铁水包由专用承载架倾动，通过兑铁溜槽，一次性将铁水从炉后侧开口处兑入电炉内， 完成热装铁水操作 上述铁水兑入的方式中最合理的应该是( c ) 因为只有方式( c ) 在兑铁水时，不会影响电弧炉正常冶炼， 而且最安全但考虑到各厂的具体情况不同，应该根据各自情况，选择合适的铁水兑入方式天管炼钢厂采 用的是方式( b ) ，用7 5 吨天车吊起铁水罐中的铁水，通过兑铁水小车上的兑铁溜槽，经炉门口一次性将铁水 注入电炉内。

( 4 ) 铁水的温度和化学成分 综合考虑高炉对铁水温度的控制能力、铁水运输温度过程损失以及铁水能顺利兑人电弧炉内，一般电弧 炉采用热装铁水技术对铁水温度的要求是≥1 2 0 0 ℃ 铁水化学成分的控制主要是：硅如果铁水硅高，会造成( a ) 电弧炉冶炼前期炉渣碱度低，脱磷困难，待 炉渣碱度合适时，温度又升得很快，依然脱磷困难 b ) 炉渣稀，易侵蚀炉衬 c ) 由于硅先氧化，抑制了脱碳 反应，待硅氧化完毕后，脱碳反应开始，此时熔池钢水温度因硅氧化已经升得很高，脱碳反应会十分激烈且集 中( 大沸腾) ，造成热损失大，喷溅严重因此，一般电弧炉采用热装铁水技术对铁水化学成分硅的要求是：≤ ～6 8 — 1 ．0 ％，最好4 0 ．5 ％ 2 ．2 ．2 应用效果 在电弧炉主变压器为9 0 M V A 和已经采用集成强化供氧技术的条件下，从2 0 0 2 年1 1 月份开始采用热 装铁水技术，实践表明，电弧炉热装铁水对于缩短冶炼周期，降低电耗、氧气消耗、电极消耗以及钢中[ N ] 含 量等都具有非常明显的效果( 见表4 ) 热装铁水技术不仅提高了产量，降低了成本，而且还扩大了电弧炉冶 炼的钢种范围( 如：低氮钢种和低有害元素钢种等) ，使电弧炉钢的纯净度接近或达到转炉钢的水平。

表4 采用热装铁水后的电弧炉经济技术指标 由于采用了热装铁水技术，在电弧炉跨增加一部7 5 吨天车用于吊兑铁水，同时解决了加料和换、滑电极 共用一台天车，造成辅助时间长的问题使换、滑电极时间缩短了5 0 ％以上 2 ．3 采用合理供电技术 为了不断追求超高功率电弧炉运行操作的高效、优质、低成本，开始采用使超高功率电弧炉电气运行合 理化、充分发挥主变压器能力的技术，即合理供电技术，实现超高功率电弧炉的高效、节能 2 ．3 ．1 合理供电技术 2 0 0 4 年，天管炼钢厂将1 5 0 吨电弧炉原9 0 M V A 主变压器更换为1 0 0 M V A 主变压器当新的1 0 0 M V A 变压器取代原有的9 0 M V A 变压器后，其输出功率增大了，电气参数将发生变化因此采用合理供电技术， 确保实现新变压器能稳定、高效运行 ( 1 ) 1 0 0 M V A 主变压器电气参数的测定 实际电气参数测量原理图如图3 所示 电炉变压 电弧炉 图3电弧炉供电回路电气参数测量原理图 使用两台测试仪器一美国施耐德公司生产的高精度P o w e r L o g i c 2 0 0 0 电力参数线路监控仪C M 一2 2 5 0 ， 同时测量电弧炉1 0 0 M V A 主变压器一次侧和二次侧的电气参数，测量内容包括电压、电流、有功功率、无功 功率、视在功率、功率因数等。

( 2 ) 建立工作电抗模型 以实测电气参数数据为基础，以电极电流为自变量，工作电抗为因变量，采用曲线y = a ×e x p ( b ／x ) 类型 的函数形式建立1 0 0 M V A 主变压器电压的工作电抗模型( 图4 ) 如下： X o p = 3 ．2 9 e 1 5 ．8 7 1 ／1 2 ( 某一电压级别) 式中：x D 为工作电抗，m Q 1 2 为工作电流，k A ( 3 ) 确定可操作的工作点总表 一6 9 — { ． ＼ X o P -3 ．2 口●】p 1 1 5。