優化電弧爐熔煉工藝的生產實踐

安 杰，李 濤，王 哲，吳 昱，戰東平

（1.撫順特殊鋼股份有限公司總工辦，遼寧撫順113001；2.東北大學材料與冶金學院，遼寧沈陽110819）

電弧爐是重要的煉鋼熔煉裝備之一，隨著近年電弧爐冶煉工藝不斷完善，尤其是引入“兌入鐵水”工藝之后，生產效率和產品質量的控制水平均得到大幅提升。撫順特殊鋼股份有限公司第一煉鋼廠自1999年從德國?？怂构疽M60 t交流豎井式電弧爐，主要用于生產汽車齒輪鋼、高檔軸承鋼以及不銹鋼管坯，一直采用全固態料熔煉，以廢鋼、生鐵、注余冷鋼以及坯材切頭切尾等材料作為入爐鋼鐵料，負責鋼水脫碳、脫磷以及脫鈦等任務，生產中存在的配料成本高和能源消耗大兩類問題較突出，需通過工藝優化予以改善。撫鋼60t電弧爐主要設備參數，見表1。

表1 60t電弧爐主要參數

1 優化料型結構，降低配料成本

迫于市場形勢和環保壓力，近年生鐵價格持續走高，是導致電弧爐配料成本高的主要原因。所以，當廢鋼與生鐵差價過大時，減少電弧爐入爐鋼鐵料的生鐵配比被作為降低配料成本的首要任務。但當生鐵配比降低時，同時存在：①生鐵與廢鋼的熔煉收得率差異導致的鋼鐵料配入總質量增加；②鋼鐵料堆比重減少，裝料后出現平鐵現象，更可能導致料籃裝鐵次數（正常2次）增加，影響生產效率；③爐料配碳量降低加劇電弧爐熔煉過程的鋼水過氧化等問題。

調整廢鋼料型結構，杜絕增加料籃裝鐵次數，維持2次裝鐵（1次旋爐蓋+1次豎井加入），確保電弧爐生產順行是重中之重。首先需要解決廢鋼各種料型相互摻雜堆放的問題，嚴格進行廢鋼分選，保證各種料型分區域堆放，見圖1和圖2。

圖1 整治前廢鋼堆放效果

圖2 整治后廢鋼堆放效果

原工藝配料生鐵配入占比為40%～45%，其他以重型廢鋼為主，中型廢鋼和統料為輔。經標定重型廢鋼、中型廢鋼和統料的堆比重分別約為0.45、0.3和0.2 t/m3。當生鐵配入占比減少至30%時，即出現了增加裝鐵次數的風險。優化后新引入粉碎料、返回鋼（加工分廠切頭切尾）等廢鋼料型，料籃裝料時可以使大塊料與小塊料充分配合，在不增加總裝入量的前提下，保證每爐料籃2次裝鐵。目前，電弧爐入爐鋼鐵料的生鐵配比降至22%～24%，計算配料成本降低約110～130元/t。

2 優化供氧曲線

減少電弧爐配料的生鐵配入量，直接將生鐵的配碳量由1.6%～1.8%降低至0.9%～1.0%，顯著增加電弧爐熔煉過程的鋼鐵料燒損，尤其是冶煉末期當鋼水碳含量低于0.10%且溫度高于1 580℃之后，氧槍強供氧方式更會導致電弧爐出鋼鋼水嚴重過氧化。汽車齒輪鋼、軸承鋼等品種的生產工藝流程為電弧爐+LF+VD+連鑄，精煉采用鋁脫氧方式，鋼材對夾雜物的要求極為苛刻。電弧爐出鋼鋼水的氧含量高，會增加后續精煉的脫氧壓力，同時脫氧產生的大量脫氧產物Al2O3是鋼材上夾雜物的主要來源[1-2]?？刂齐娀t鋼水過氧化是避免成本損失和穩定產品質量的關鍵所在。從降低電弧爐爐門氧槍的供氧強度和調整熔煉末期供氧制度兩方面入手，有效緩解了鋼水嚴重過氧化的風險。電弧爐爐門氧槍優化前后的供氧曲線，見圖3和圖4。

圖3 優化前供氧曲線

圖4 優化后供氧曲線

電弧爐原爐門氧槍的氧氣流量分2個檔（2 500 m3/h和1 500 m3/h），存在供氧方式粗放、氧氣流量大和鋼水過氧化嚴重的問題。優化后爐門氧槍氧氣流量分3個擋（高2 300 m3/h、中1 300 m3/h和低800 m3/h），重點調整出鋼前的低氧流量操作，具體供氧步驟：電弧爐進入氧化期，爐門氧槍采用高氧流量。當鋼水溫度1 550～1 570℃，隨即氧氣流量降為中氧。鋼水溫度1 580～1 590℃時，氧氣流量降為低氧直至出鋼。該供氧方式較原工藝延長了中、低氧流量的供氧時間，電弧爐出鋼前由原工藝的3 min增加至12 min，顯著降低了鋼水的過氧化程度和氧氣消耗。經檢驗，優化供氧曲線后電弧爐出鋼鋼水氧含量由700×10-6降低至500×10-6，為后續LF爐操作提供良好的精煉初始條件。

另外，調整爐門氧槍供氧曲線的同時需要輔以配套的噴碳粉方法，一方面強化造泡沫渣脫磷效率，另一方面增加碳氧反應，緩解鋼水與氧反應燒損，可將鋼鐵料收得率由87%提高至89%。

3 降低白灰消耗

電弧爐白灰主要用于鋼水脫磷，決定白灰用量的主要因素是爐料磷配入量和冶煉過程的脫磷工藝。國家標準中煉鋼用生鐵的磷含量要求w(P)≤0.150%，具體分析結果一般為0.080%～0.100%。降低生鐵配入占比后，爐料的磷配入量相應降低，緩解了電弧爐的脫磷壓力。電弧爐冶煉操作當鋼鐵料全熔后，鋼水溫度1 540℃，加入白灰1 200 kg（18～20 kg/t），造泡沫渣一次流渣即可將鋼水磷含量降至0.010%以下。白灰單耗可降低15～18 kg/t。

4 生產效率方面的優化

對于偏心底出鋼的電弧爐合理的留鋼留渣量能夠充分利用爐內的熱效率，達到鋼鐵料快速熔化的目的。通過修正爐內砌筑耐火材料的厚度，擴大爐膛容積，同時穩定出鋼量等措施，將留鋼留渣量由10 t增加至15 t以上。

另外，探討通過快速完成電弧爐非給電時期的操作，如電弧爐裝料、換電極等，同樣能夠縮短整體冶煉時間。這部分存在一定的挖掘潛力，需要持續的改進。

5 改善效果

經過以上工藝優化，除配料成本大幅降低外，電弧爐各項消耗指標同時得到不同程度的改善，具體見表2。

6 結論

實踐證明，通過優化配料結構、電弧爐供氧方式等措施，降低了配料成本，改善了能源類指標消耗，進而在保證產品質量的基礎上，大幅降低了冶煉成本。

表2 消耗指標的改善