电弧炉炼钢流程洁净化冶炼技术

电弧炉炼钢流程洁净化冶炼技术

侯林森

中国第一重型机械股份公司铸锻钢事业部炼钢厂 黑龙江省齐齐哈尔市 161000

摘要：经过多年的技术更新,电弧炉炼钢技术的发展已取得长足进步.从电弧炉炼钢流程洁净化冶炼技术出发,结合国内外的冶炼关键问题,指出加快电弧炉炼钢流程技术创新,特别是洁净化冶炼技术的完善与突破,构建电弧炉炼钢流程洁净化生产平台,提升电弧炉炼钢流程产品质量和竞争力,将是未来电弧炉炼钢的发展方向。

关键词：电弧炉；炼钢流程；洁净化冶炼技术

1电弧炉炼钢流程洁净化冶炼关键问题

1.1钢中［N］与［H］的控制

在电弧炉采用大功率供电强化废钢熔化时，电极放电产生的高温电弧会电离附近空气中N2，致使钢液吸氮能力大幅增加;在电弧炉冶炼过程中，N2有时会作为底吹气体或粉剂喷吹载气浸入熔池，钢液进一步吸氮。同时，电弧炉冶炼原料中含有水分并接触空气，会造成钢液中氢含量偏高。然而，电弧炉炼钢熔清后熔池碳含量偏低，供氧强度不足，冶炼后期脱碳期间熔池内产生的CO气泡数量少，所以不能有效 脱除［N］、［H］。解决此类问题的方法主要是通过废钢预热的方式脱除水分减少氢元素入炉;调整炉料结构，通过加入DRI、提高铁水比等方式提高熔池碳含量，在电弧炉冶炼后期进行高强度脱碳沸腾操作，以脱除钢液内［N］、［H］，再在后续精炼及浇铸过程中加以保护，控制钢中［N］、［H］的含量。

1.2钢中氧及夹杂物的控制

电弧炉冶炼终点钢液氧含量的稳定控制是降低钢中夹杂物的关键。电弧炉炼钢普遍采用强化供氧操作以加快冶炼节奏、提高生产效率，但电弧炉炼钢终点控制不精准，钢液过氧化较为严重，碳氧积明显高于转炉。这不仅导致后期精炼过程脱氧剂的过度消耗，同时使得精炼期夹杂物的产生量显著增加。为降低终点钢液氧含量，电弧炉炼钢主要通过控制出钢前吹氧量，同时喷吹惰性气体强化搅拌;出钢时采用偏心炉底出钢控制下渣量;出钢前加入铁碳镁球，降低钢液氧含量。在LF精炼过程中采用“铝+复合脱氧剂”脱氧方式，将Al2O3类夹杂物转化为较大尺寸的易上浮夹杂物进而去除;采用双真空工艺操作，前预真空轻处理，LF精炼后再真空的处理方式深度去除钢中活度氧及夹杂物。

1.3冶炼用原材料

电弧炉炼钢以废钢为主要原料，合金、石灰、增碳剂等为辅助原料。一方面，随着汽车、机电、家电等报废数量的不断增加，社会回收的废钢成分更加混杂，包含黑色金属、有色金属、非金属等。同时，钢材表面涂层技术和复合材料的广泛应用使回收废钢带有Cu、Zn、Pb、Sn、Mo、Ni等有害杂质元素，且随着废钢循环次数的增加，有害杂质元素在废钢中不断富集。另一方面，辅料的使用同样会给钢液带入有害元素，影响钢液洁净度。为尽量降低原材料对冶炼钢种带来的影响，需根据不同钢种对原材料的使用制定不同的标准，分钢种分级别进行原辅料的定制化选择。如冶炼优质合金棒材时，采用铁水加废钢、优质废钢或优质废钢加直接还原铁为原料;冶炼低硫钢尽量使用低硫石灰;冶炼低碳钢选择低碳辅助原料。

1.4脱磷操作

磷在绝大多数钢种中是有害元素，脱磷是电弧炉冶炼的重要任务之一。近年来，随着国民经济的发展，对低磷及超低磷高品质特殊钢需求增加，现有电弧炉炼钢工艺很难实现快速低成本脱磷的冶炼要求。其主要原因在于电弧炉炼钢原料结构复杂，熔清磷含量波动大;全废钢冶炼熔清后碳含量低、钢液粘稠度高，且受电弧炉炉型结构限制，熔池流动速度慢，脱磷动力学条件差，冶炼过程脱磷困难。传统电弧炉冶炼低磷钢通常采用多次造渣、流渣操作，冶炼周期长、渣量大、终渣(FeO)含量高、钢水过氧化严重、冶炼成本难以控制。

2电弧炉炼钢流程洁净化冶炼技术创新

2.1废钢预热技术

在电弧炉炼钢废钢预热方面，先后开发并应用了双炉壳、竖式和Consteel等废钢预热型

电弧炉。双炉壳电弧炉由于余热效率低、设备维护量大以及二噁英等污染物排放等问题，已经退出市场；竖式预热电弧炉由于落料冲击影响指篦水冷结构寿命、维护量大、装备可靠性低等弊端，正逐步退出市场。依据竖式电弧炉（SHARC）理念，希腊HellenicHalyvourgia钢厂（HLV）和SMS团队研发了废钢预热的独特工艺。通过使用少量一次能源和高效利用炉内高温废气对废钢进行预热，从而节约更多的自然资源。该技术使高温废气在预热竖炉中的停留时间更长，热传输效率更高，能保证使用低密度废钢且没有额外预热时，生产也能高效经济进行。但该系统的设备维护量大，装备的可靠性有待提高。Tenova开发的Consteel电弧炉是世界上第一座已证明可灵活使用金属原料的废钢预热型电弧炉。Consteel电弧炉具有生产环境良好、电网冲击小、加料可靠可控、烟气余热利用效率高等特点，但受二噁英排放的影响，在欧洲市场受到限制，同时还存在动密封漏风、生产线过长等不利因素。

2.2电弧炉炼钢气-固喷吹新技术

20世纪80年代，电弧炉炼钢气-固喷吹系统装置还限制在炉门和炉顶，而不能通过炉壁进行喷射。1980年炉门喷粉系统率先在Eschweiler应用，之后迅速发展，在全球40余家钢铁企业得到应用;炉顶喷粉系统始于德国克虏伯钢铁公司，20世纪90年代后期获得普及;直到1990年，炉壁喷粉系统才在意大利Triest得到应用，2000年后应用数量激增，成为最主流的喷粉方式。在传统炉壁喷粉和埋入式供氧喷吹技术基础上，研究团队提出并开发了电弧炉熔池内气-固喷吹洁净化冶炼新工艺。

2.3废钢破碎分选技术

废钢是钢铁循环利用的优势再生资源。废钢的资源化利用在钢铁工业节能减排、转型升级方面扮演重要角色。随着汽车、机电、家电等报废数量的不断增加，社会回收的废旧金属成分更加混杂，包含黑色金属、有色金属、非金属等。废钢的高效破碎与分选是保证电弧炉炼钢原料质量的前提与关键，对电弧炉炼钢实现洁净化冶炼至关重要。废钢铁破碎分选研究始于20世纪60年代，最具代表性的是美国的纽维尔公司和德国的林德曼公司、亨息尔公司和贝克公司，他们率先推行破碎钢片(Shred)入炉，在改善回收钢品质、提高经济效益方面都具有显著效果。德国在80年代末推出的废钢破碎机(Shredder)在某些方面已超过了美国。

2.4电弧炉炼钢复合吹炼技术

传统电弧炉炼钢熔池搅拌强度弱，抑制了炉内物质和能量的传递;通常采用超高功率供电、高强度化学能输入等技术，但没有从根本上解决熔池搅拌强度不足和物质能量传递速度慢等问题。现代电弧炉炼钢广泛采用吹氧工艺以加快冶炼节奏、降低生产成本，相继开发出诸如炉壁供氧、炉门供氧、集束射流等强化供氧技术。为了解决熔池搅拌强度不足和物质能量传递速度慢等问题开发了如底吹搅拌、电弧炉炼钢复合吹炼等关键技术。以高效、低耗、节能、优质生产为目标，研究团队首次提出并研发的新一代电弧炉冶炼技术———电弧炉炼钢复合吹炼技术———以集束供氧、同步长寿底吹搅拌等新技术为核心。

结论

在电弧炉炼钢流程中，提高钢液洁净度无疑是保证产品质量的关键，而保证钢液洁净度的关键在于各冶炼工序、单元操作的稳定与协调有序配合。加快电弧炉炼钢流程技术创新，特别是洁净化冶炼技术的完善与突破，构建电弧炉炼钢流程洁净化生产平台，提升电弧炉炼钢流程产品质量和产品竞争力，将对我国钢铁工业结构调整和转型升级起到重要推动作用。

参考文献

[1]陶辉友,刘永刚,廖友祥,王婧.50t电弧炉炼钢集束射流数值模拟优化研究[J].工业加热,2017,46(06):39-42.

[2]冯国良.基于NSGAⅡ算法的电弧炉优化配料模型研究[D].天津理工大学,2017.