70t電弧爐廢鋼利用工藝實踐

陳文駿,陳 輝,李 勇,黃國玖,蘇雄杰,柏 兵

(1.四川大學化學工程學院,四川成都610065;

2.攀鋼集團成都鋼釩有限公司電爐煉鋼廠,四川成都610000)

70t電弧爐廢鋼利用工藝實踐

陳文駿1,2,陳 輝1,李 勇2,黃國玖2,蘇雄杰2,柏 兵2

(1.四川大學化學工程學院,四川成都610065;

2.攀鋼集團成都鋼釩有限公司電爐煉鋼廠,四川成都610000)

針對國內廢鋼產量的日益增加,70t電弧爐以廢鋼、生鐵為主要原料,通過電弧爐煉鋼,LF鋼包精煉,VD真空處理,連鑄管坯成型的短流程煉鋼連鑄成型工藝,廢鋼年處理量40萬t,以70t超高功率電弧爐(UHP EAF)、鋼包精煉爐(LF)、真空處理裝置(VD)、三機三流連鑄機為主體設備,通過“高配生鐵”、“提前降檔”、“以氧代電”、“加入輕燒白云石造泡沫渣”等節能降耗措施,平均累計電耗降低24.05k Wh/t,2015年同口徑降低6.06%。

電爐;短流程;廢鋼;冶煉工藝;節能降耗

1 引言

中國是目前世界上最大的粗鋼生產國, 2015年產量高達8.038 3億t,超過全球總量的一半,從2004年以來便一直是全球粗鋼產量的主要貢獻者。中國粗鋼產量的增長主要依靠消耗鐵礦石的高爐——轉爐長流程煉鋼工藝的發展,消耗廢鋼資源的電爐煉鋼僅占10.7%左右,而全球電爐粗鋼產量占粗鋼總產量的30%左右,美國、歐盟等發達地區的廢鋼比均超過50%。這造成了中國進口鐵礦石嚴重依賴國際市場,同時鋼鐵行業的高產能帶來的環境污染等眾多問題[1]。

在鋼鐵行業中,同長流程相比,每利用1t廢鋼可降低綜合能耗60%,減少CO、CO2、SO2等廢氣排放量86%,減少廢渣產生量72%,減少1.6t鐵礦石和0.5t煤炭的使用量[2]。

短流程電爐煉鋼具有十分明顯的優勢,其一,具有占地面積小、投資少、能耗低、污染小等優點,以緩解鋼鐵行業日益加劇的節能環保壓力;其二,可以用廢鋼替代鐵礦石,以此來緩解我國鋼鐵業對進口鐵礦石的過度依賴[3]。

攀鋼集團成都鋼釩有限公司電爐煉鋼廠以廢鋼與鐵水為主要煉鋼原料,組建由一座公稱容量70t超高功率交流電弧爐、一座70t LF爐、一座70t VD裝置、一臺三機三流弧形圓坯連鑄機所組成的生產規模為年產45萬t多種合金鋼坯的短流程生產線。每年回收廢鋼40萬t,相較于長流程,減少鐵礦石消耗60萬t、煤炭消耗20萬t,節能降耗效益明顯。

2 電爐冶煉工藝

2.1 生產規模

電爐煉鋼廠經升級改造后,取消模鑄,采用全連鑄生產,年產合格鑄坯45萬t。

連鑄坯共10種規格:?200mm、?220mm、?280mm、?310mm、?350mm、?390mm、?450mm,預留規格?180mm。

連鑄坯長度:6.5～10m。

2.2 產品方案

重點產品為油井管、管線管、鍋爐石化核電管、氣瓶管、機加工結構管五大系列鋼管,其中鍋爐石化核電管、油井管系列的高合金鋼,氣瓶管以及機加工管中的大口徑厚壁管等用鋼都具有合同批量小、品種規格多、產品附加值高的特點,這正與電爐煉鋼的優勢相吻合。

生產鋼種包括P22、P5(1Cr5Mo)、P9、P91、P92、19Cr13等高合金鋼,詳見表1。

表1 電爐煉鋼廠產品

2.3 短流程煉鋼連鑄成形工藝流程圖

以廢鋼為原料的短流程煉鋼的生產工藝流程見圖1。具體工藝簡述如下:

(1)原料分選

廢鋼在廢鋼料場經切割加工、分選,分類儲存在料場指定存儲區域。

(2)電爐冶煉

根據鋼種需求,對廢鋼進行配料,由廢鋼料籃盛裝,經過跨車運至冶煉跨,經行車將料籃吊運至電爐;開啟料籃底部,從開啟爐蓋的電爐上方將廢鋼和生鐵加入電爐爐膛;爐膛中廢鋼經加熱、熔化等階段至冶煉完畢,出鋼到在線烘烤的鋼包中;經稱重后,鋼包由起重機吊運至LF鋼包精煉爐和VD真空處理裝置進行精煉處理,電爐爐渣采用水熄渣或倒入渣罐,由過跨車運至爐渣間存放、冷卻后外運處理。

(3)鋼包精煉

鋼包放于LF精煉爐鋼包車上,向鋼包中加入合成渣;將鋼包車運行至精煉工位固定、接地、蓋上爐蓋、將惰性氣體的軟管連接到鋼包底部氬氣攪拌透氣系統上,開始精煉, LF鋼包精煉主要有加熱、喂絲和合金化等功能;精煉結束后,加入保溫劑,由起重機將鋼包吊運至VD真空處理裝置進行真空脫氣處理,然后吊運至連鑄機鋼包回轉臺上連鑄。

(4)鑄坯成型

送到三機三流圓坯連鑄機回轉臺上的鋼包,由大包回轉臺轉到澆鑄位置后進行連鑄作業;連鑄機澆鑄出的鑄坯,經在線火焰切割機切斷成要求的長度后,鑄坯由橫向拉鋼機經輥道移至冷床上;經過冷床冷卻的鑄坯,被移送到收集臺架上,由電磁盤起重機將鑄坯吊至人工清理存放區經存放、檢查和精整,合格鑄坯由起重機車裝上鐵路車輛,送往軋管車間。

2.4 主要工藝布置

電爐煉鋼廠主廠房由五跨組成,分別為:擺脫?？?132×27=3564m2)、冶煉跨(288 ×24=6912m2)、澆鑄跨(252×30= 7560m2)、連鑄輔助跨(192×26.5= 5088m2)、連鑄出坯跨(192×30=5760m2),合計軸線面積28884m2,均為鋼結構廠房。

廢鋼料場由三跨組成,分別為:A-B跨(66×30=1980m2)、B-C跨(180×33= 5940m2)、C-D跨(186×31.5=5859m2)以及北料場(216×32.3=6966m2),合計面積20745m2,均為混凝土露天棧橋,局部設有輕鋼屋頂。

圖1 短流程煉鋼連鑄成形工藝流程圖

3 主體設備技術參數

3.1 超高功率交流電弧爐

該座70t超高功率電弧爐是引進德國奧鋼聯公司電爐技術和關鍵設備,其主要參數見表2。電爐采用了許多新技術,這些技術主要包括如下幾個方面[4]:

(1)采用熱裝鐵水冶煉工藝,鐵水加入量為30%～50%,冶煉時間明顯縮短,電耗和電極消耗顯著降低。

(2)采用三支集助熔、噴碳、吹氧于一體的RCB槍及一支爐門氧槍,可實現快速助熔廢鋼,快速降碳升溫。

(3)采用水冷掛渣爐壁,電爐耐火材料的消耗大幅降低。

(4)采用泡沫渣冶煉工藝,熱利用率得到大大提高,電極消耗和電耗進一步降低,爐蓋壽命得到提高。

(5)采用偏心爐底出鋼操作,有效阻止電爐氧化渣進入鋼包,保證了LF的快速冶煉。

(6)在爐底和爐壁處設置數支測溫裝置進行過程監測,有效防止爐底和爐壁穿鋼。

(7)采用電極冷卻水噴淋冷卻方式,電極消耗顯著降低,電極夾持壽命大幅提高。

(8)電爐傾動、電極升降和旋轉全采用液壓驅動。

(9)采用一級基礎自動化、二級計算機過程控制。

(10)采用電功率動態補償技術。

(11)采用電爐第四孔排煙與屋頂罩結合煙氣凈化系統,環保指標良好。

表2 電爐設備主要技術參數

3.2 LF鋼包精煉爐

由于LF精煉爐的精煉周期低于電爐冶煉周期,因此可滿足全鋼水精煉的要求。70t LF鋼包精煉爐的主要技術參數見表3。

LF鋼包爐具有電弧功率大、三相阻抗平衡的優點,能實現冶煉最佳功率控制,具有以下特點:

(1)采用高功率低損耗的鋼包精煉爐專用變壓器,增大功率水平,變壓器采用13級電動調壓,豐富了鋼包精煉生產加熱能力和加熱手段,能適應各鋼種冶煉和工況需要。

(2)采用銅鋼材質導電橫臂、變壓器側出線、水冷補償器以及大截面水冷電纜的優化短網結構形式,使得三相阻抗值降為最低且三相動態不平衡小于4.5%。

表3 LF鋼包精煉爐的主要技術參數

(3)液壓系統采用水-乙二醇阻燃介質,進口恒壓變量柱塞泵及比例控制閥技術,設備緊湊,運行安全可靠。

(4)鋼包車行走機構采用變頻調速技術,行走控制精度10mm。

3.3 VD真空處理裝置

VD真空處理裝置采用單工位工作制,以噴射真空泵為真空源,滿足100%VD鋼生產要求。VD真空處理裝置主要技術參數見表4。

3.4 連鑄設備系統

電爐煉鋼廠三機三流圓坯連鑄機是從英國引進的設備,其后對結晶器振動裝置、結晶器總成、電磁攪拌裝置及二冷水系統進行必要改造,基本解決品種鋼鑄坯質量不穩定的問題,可生產?180～?450無縫管坯。連鑄機主要技術參數如表5,其主要特點如下:

(1)采用無氧化保護澆注。鋼水從鋼水包流入中間罐和由中間罐流入結晶器時,為防止鋼水二次氧化,采用在鋼包和中間包之間安裝長水口和密封墊、中間包和結晶器之間安裝浸入式水口、中間包液面加覆蓋劑、結晶器液面加保護渣等方式,使鋼水與空氣隔絕,實現無氧化保護澆注。

表4 VD真空處理裝置主要技術參數

(2)采用大容量三角中間包。鋼水從鋼包注入中間包時,鋼流將產生渦流,采用大容量三角中間包可減少渦流,避免將夾雜帶入結晶器,此外中間包容量大和設有隔墻可以使夾雜物上浮,提高鑄坯質量。

(3)采用稱量系統。在鋼包回轉臺和中間包車上均設有稱量系統,此系統可以穩定中間包液面和結晶器的鋼水液面,同時通過中間包車稱量系統,可以開發鋼包滑動水口開啟自動控制系統。

(4)結晶器液面自動控制系統。采用結晶器液面自動控制系統,該控制系統與中間包塞桿連鎖控制其開度,保持鋼水流量與拉速的匹配,從而保證結晶器液面的穩定,并改善鑄坯表面質量。

(5)采用結晶器和鑄坯末端電磁攪拌技術。結晶器電磁攪拌位于結晶器的彎月面處,對結晶器彎月面處的液態鋼水進行攪拌,使其產生旋轉運動,有以下三個效果:阻止了非金屬夾雜物和氣泡被最先凝固的鑄坯殼所捕捉,從而使鑄坯在凝固前沿得到清洗;給非金屬夾雜物和氣泡產生一個離心力,使其更易于上浮到彎月面處,從鑄坯凝固殼處分離出來;清洗彎月面,將上浮夾雜物保持在彎月面的凹陷處,從而使其遠離鑄坯凝固殼。末端電磁攪拌主要用來解決鑄坯中心成分偏析問題。

4 冶煉電耗的降低措施

4.1 配料制度

增大優質廢鋼的配入比例(50%以上),高配生鐵及鐵水,生鐵/鐵水比例控制在40%左右,該法可“以氧代電”,通過爐內C的氧化熱有效降低冶煉電耗[5]。

表5 連鑄機主要技術參數

4.2 供電制度

針對電爐供電曲線與現有鋼種配碳量要求不相符合的矛盾,采取提前降擋。對于低C、低P鋼,送電至1550℃時,開始停電吹氧,待停電吹氧后,根據鋼水成分及溫度,再決定是否繼續供電,避免后期吹氧過燒、熔池溫度過高造成的能源浪費及回磷等問題。

4.3 用氧制度

提高氧槍流量,提前用氧,提高氧氣利用效率[6]。

送電后,RCB槍采用自動模式(即燒嘴模式);停電吹氧、噴濺較大時,開啟爐門氧槍,起始流量1000Nm3/h,當氧槍伸入爐內后,逐步提高流量(最大采用3500Nm3/h),根據爐內沸騰情況,劇烈時應減小流量(保持3000Nm3/h以上);在吹煉后期(1600℃左右),嚴格控制吹氧量,如鋼中C達到出鋼要求時,及時關閉爐門氧槍及爐壁氧槍,避免鋼水嚴重過氧化。

4.4 造渣制度

在電爐冶煉過程中泡沫渣起作用的階段主要是精煉期[7],一方面通過三桿RCB氧槍及爐門氧槍對爐內熔池強脫C產生大量的CO/CO2氣泡有利于泡沫渣的形成,另一方面為了保證電加熱效率,必須保障埋弧穩定[8]。

通過生產實踐及數據采集分析,影響電爐冶煉過程泡沫渣的形成及性能有以下幾個因素:

(1)后期爐渣情況,主要影響因素為爐渣的堿度、FeO含量(氧化性)、爐渣流動性以及溫度等方面;

(2)后期爐內化料情況,若爐內爐料劇烈翻騰,對泡沫渣的穩定造成巨大影響;

(3)料源情況,主要影響因素為廢鋼的殘余,如Si和Cr的殘余高低都會影響后期泡沫渣情況。

針對以上分析總結,按如下工藝方式進行造渣,冶煉指標明顯提高:

(1)第1批石灰按正常工藝加入,后分批補加石灰進行,每批不少于第1批的50%,全爐石灰加入量控制在4.0～5.5t。

(2)早期氧化渣盡量排出,及時補加石灰,保證爐渣堿度和粘度。同時,間歇式噴入C粉造好泡沫渣。

(3)加輕燒白云石造渣

輕燒白云石成分含量:MgO≥25%、CaO≥42%,粒度5～60mm,加入量為輕燒白云石7kg/t,在加第1批石灰時加入;對使用鐵水爐次,在兌鐵水之前加入輕燒白云石;對低P鋼可在流渣后再加石灰再造新渣。

該法[9～10]可顯著改善爐渣理化性能,減輕爐渣對渣線的侵蝕。

5 主要技術經濟指標

經過不斷摸索與優化,平均電耗累計指標為372.95k Wh/t,同口徑下相比以前指標397k Wh/t降低了24.05k Wh/t,同比降低6.06%,節能效果明顯。

6 結論

(1)以廢鋼為原料,以超高功率交流電弧爐熔煉,LF鋼包精煉,VD真空處理,管坯連鑄的短流程電爐煉鋼連鑄成型工藝,可實現廢鋼的快速回收利用并獲得較好的冶煉指標。

(2)在配料制度方面,增大優質廢鋼的配入比例,控制廢鋼殘余,高配生鐵及鐵水;在供電制度方面,提前降檔;在用氧制度方面,

提高氧槍流量,提前用氧,以氧代電;在造渣制度方面,加入輕燒白云石造泡沫渣,冶煉后期嚴格控制爐渣的堿度及爐渣流動性。通過各項制度的優化,冶煉電耗顯著降低24.05k Wh/t,經濟效益明顯。

[1] 李健.國內外廢鋼利用及我國廢鋼業現狀論述[J].廢鋼論壇,2015,5:9—13.

[2] 張存星.廢鋼資源對鋼鐵生產能耗影響的研究[D].遼寧科技大學,2012.

[3] 王興艷,李丹.低碳的大勢下,廢鋼產業如何健康發展[J].資源再生.2014(9):22—24.

[4] Bisio.G,Rubatto.G,Martini.R.Heat transfer,energy saving and pollution control in UHP electric-arc furnaces.Energy,2000, 25(11):1047—1066.

[5] Kirschen M,Risonarts V,Pfeifer H.Energy efficiency and the influence of gas burners to the energy related carbon dioxide emissions of electric arc furnaces in steel industry[J]. Energy,2009,34(9):1065—1072.

[6] Memoli F,Mapelli C,Ravanelli P,et al.E-valuation of the energy developed by a multipoint side-wall burner-injection system during the refining period in a EAF[J].ISIJ International,2004,44(9):1511—1516.

[7] Ruben L G,LOPEZ F,CAMACHO J,et al. The slag foaming practice in EAF and its influence on the steelmaking shop productivity [J].ISIJ International,1995,35(9):1054—1062.

[8] Morales R D,Rodriguez-Hernandez H,Vargas-Zamora A,et al.Concept of dynamic foaming index and its application to control of slag foaming in electric arc furnace steelmaking[J].Ironmaking&steelmaking, 2002,29(6):445—453.

[9] 海燕,洪新,王華兵等.冶煉不銹鋼泡沫渣的試驗研究[J].上海金屬,2004,26(2):29—31.

[10]范榮偉,孟慶玉,洪新等.不銹鋼熔渣發泡劑起泡性能工業性試驗研究[J].煉鋼,2008, 24(2):46—49.

The Recycle of Steel Scrap in70t UHP Electric-Arc Furnace

CHEN Wen-jun1,2,CHEN Hui1,LI Yong2, HUANG Guo-jiu2,SU Xiong-jie2,BAI Bing2

(1.College of Chemical Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,Sichuan,China; 2.Electric furnace steel mills,Chengdu steel vanadium co.,Ltd.,Pangang Group,Chengdu 610000,Sichuan,China)

The product of steel scrap in china is increasing every year.In the steelmaking process of 70t UHP Electric-Arc Furnace(EAF),the raw material is steel scrap and pig iron,the process is steelmaking in electric furnace→refining in ladle furnace(LF)→vacuum treatment in vacuum degasifier(VD)→continuous casting.The consumption of steel scrap is 400 thousand tons each year.The major equipment are 70t UHP EAF,LF,VD,conticaster.The reduction of the average total power consumption is 24.05 k Wh/t and the decline calculated with the same caliber in 2015 is 6.06%after taking energy-saving and consumption-reducing measures,these measures include“high amount of pig iron”,“downshift in advance”,“replacing the electricity with oxygen”,and“adding light burned dolomite for foaming slag”.

electric furnace;short process;steel scrap;smelting;energy-saving and consumption-reducing

1001—5108(2016)03—0015—06

TF741.5

B

陳文駿,工程師,主要從事體系及標準管理控制。