西宁特钢电弧炉高比例铁水冶炼工艺研究

电炉兑铁水操作成为现代电炉炼钢的一项新技术，实践证明它不仅能降低电耗、缩短冶炼时间、降低钢中气体含量、稀释废钢中的有害元素，而且有利于解决部分废钢短缺问题。本文通过对西宁特钢Consteel电弧炉高铁水比例冶炼理论基础进行分析，对电炉的供电曲线、供氧制度、渣料加入制度、电炉耐材设计等工艺进行优化，同时进行了供氧系统和除尘系统的适当改造，实现了65t电炉70%至88%高铁水比例的工业生产，并达到较好的综合经济效益。

1高铁水比冶炼中存在的问题

在高铁水比冶炼工艺方面，西宁特钢三炼分厂存在的主要问题如下：

（1）铁水比例提高后的操作问题

通过实践，65t电弧炉铁水比例已提升至70%-88%，当铁水比例增加后，造成脱碳时间延长，氧耗上升，造成整个冶炼时间也大大延长，严重影响了电弧炉的综合经济指标。

热兑铁水比例增大后，冶炼前期渣稀，炉门口易流渣带钢，而后期脱碳过程渣较粘，易出现大沸腾、炉渣返干现象，当炉渣返干严重时，炉盖及炉墙大量结冷钢，影响下一炉钢的操作，影响冶炼节奏。

（2）热装铁水影响耐火材料寿命

65t电弧炉用耐火材料主要包括镁碳砖和镁钙铁（MgO-CaO-Fe2O3）质干式振捣料这两大主体材料，它们属于碱性材料，适合于碱性环境，兑铁水之前该电弧炉炉龄基本稳定在600炉左右，自电弧炉兑铁水以来，炉衬的使用寿命发生了一系列变化，炉墙砖特别是渣线砖侵蚀速度非常快，炉底侵蚀速度也加快，特别是炉坡下降速度非常快。炉龄表现非常不稳定，平均炉龄约550炉，最低炉龄不足500炉。这种变化主要是由于电弧炉兑铁水后因铁水带来的硅含量增加所致，故对电弧炉的操作、对炉龄影响特别大，随着铁水比例的提高，这种影响也将随之加大，如何降低高比例铁水对炉衬寿命的影响，是铁水比例提高后所面临的关键问题。

(3)供氧系统能力不足

铁水比例提高后，炉内的配碳量将大大提高，炉内的硅含量、磷含量也相应增加，脱碳和脱硅的任务量也相应增大，碳、硅等的氧化反应消耗的氧气量也相应增大。目前西宁特钢65t电弧炉最大的供氧能力为7500m3/h，已无法满足高比例铁水的供养需求，即目前电弧炉的供氧能力必须增强，供养系统的供氧强度必须增加。

电弧炉高比例铁水所带来的一系列问题使得整个操作方案发生改变。高比例铁水热兑存在入炉铁水物理热能大，铁水中含碳总量、含硅总量、含锰总量高，冶炼过程中泡沫渣丰富，钢渣易发生乳化等特点。所以在整个操作过程中，各项操作要求不同于全废钢以及其他中低比例铁水。

2操作工艺的优化及设备改进

2.1 铁水兑入操作

西宁特钢65t电弧炉采取的是铁水经兑铁车由炉门进入电弧炉，当兑入高比例铁水时，废钢加入量相对变少，在铁水兑入过程中要避免炉内的余钢、余渣与铁水发生剧烈反应。在兑铁初期，铁水量要少，待炉内反应稳定后，可加大兑入量。铁水起兑速度要控制在0.2t/s，稳定后待入速度控制在0.4t/s，总兑入时间达到4min以上，随着铁水比例的增加，总兑入时间延长。

2.2 供电优化

为避免送电起弧过程电弧的剧烈冲击而造成的电极折断现象，起弧仍需使用功率较低的档位，由于铁水兑入比例较高，废钢加入量相对减少，铁水加入后炉内熔池基本形成，故起弧后的电流、电压应比较低，其目的在于充分利用热效率，减少电弧光对炉衬的侵蚀，同时避免炉内升温过快造成的磷高、脱碳脱磷不匹配问题。

供电的操作过程如下所示：

兑完铁水后，起弧电压15档、电流2档，起弧后将电压调整至4~8档、电流调整至3档。

当熔清达80%以后，将电压改为12-15档、电流改为2档。

当炉内接近1520℃左右时，停止供电，以避免炉内升温过快造成的氧末磷高、脱碳脱磷不匹配问题。

当炉内碳含量接近目标值，而温度未达到目标值时，重新进行送电操作。

铁水比大于75%时，前期不送电，当炉内碳含量接近目标值，而温度未达到目标值时，重新进行送电操。

若加入Si高铁水，前期不宜送电或低档位少送电。

2.3 供氧优化

由于西宁特钢三炼兑入的铁水比的提高，原有的供氧系统已经不能满足高铁水比冶炼所需要的供氧能力，因此西宁特钢新添加了炉门供氧设备，炉门氧枪最大供氧能力2800Nm3/h。

65t电弧炉1#、2#、3#炉壁氧枪改为大氧枪，供氧能力由原来的最大2000Nm3/h提高至2500Nm3/h。电弧炉各个氧枪的参数如表1所示。

由于60%以上的铁水加入后，炉壁氧枪周围仍为冷区，故送电起弧后仍考虑使用天然气70Nm3/h，及低流量氧气400Nm3/h，以避免氧气反弹对氧枪的烧损。但因炉内废钢量减少，在40%以下，故铁水加入后炉内熔池较多，故氧气流量可提前改变（增大），以达到提前加石灰、脱硅提前化渣、脱磷的目的。

表1 西宁特钢三炼电弧炉各个氧枪参数（改进后）

具体操作：刚开始送电后，4支炉壁氧枪及3支碳枪氧气流量均氧气400Nm3/h，天然气70Nm3/h，氧耗达500Nm3时，天然气改为150Nm3/h，氧气改为800Nm3/h，氧耗达900Nm3时，开始开启氧枪2000Nm3/h，完全熔清后氧枪开启2500Nm3/h，同时开启炉门氧枪进行最大流量2800Nm3/h供氧，冶炼中后期根据炉内反应和炉渣情况，及时调整氧枪开启支数和流量。

供氧总原则：在供氧过程，若出现钢渣飞溅，应立即停止强供氧，采取1000Nm3/h的低流量化渣操作，造泡沫渣，泡沫渣形成后再进行强供氧。

高比例铁水兑入后，炉内已经基本形成熔池。枪口前方废钢遮挡较少，氧枪开启低流量时间应相对缩短，之后开启中等流量氧气进行短时间的缓冲，之后开启高流量供氧，否则会因炉内无泡沫渣而造成钢渣严重飞溅。待炉内第一批石灰熔化后，开启高流量供氧铁水中的硅去除。

随着铁水中硅去除至一定值，伴随流渣操作，当炉内泡沫渣碱度达到2.5以上，泡沫渣情况正常，温度达到1530℃以上时，已经有明显的脱碳反应，可将供氧能力提高至最大值10300Nm3/h，进行脱碳操作。

此时，在提高供氧强度的同时，要避免因脱碳反应过于剧烈产生的其他不良反应。当碳氧反应过于剧烈，炉门口流渣带钢严重时，应适当调整氧气流量或者氧枪开启支数；当炉渣发粘时，要及时降低氧气供入强度，用减少单支氧枪的氧气供入量来实现降低氧气穿透力的从而进行化渣操作。

当钢水中碳含量接近冶炼终点时，降低炉壁氧枪使用数目，在对钢水成分进行化验分析后，根据钢水化验结果进行氧枪使用的调整。

2.4 造渣优化

表2和表3分别是60%和80%左右铁水比例冶炼各阶段平均炉渣成分，从表2可以看出，60%左右铁水熔清（氧化前期）渣偏稀，氧化中期出现炉渣返干，从渣中SiO2及FeO含量可以看出，熔清渣中平均SiO2较高，为19.32%，渣中FeO含量适中，平均为23.12%，氧化中期随着前期高SiO2含量的炉渣部分流出，渣中SiO2含量稍有下降，为15.72%，并且随着冶炼过程进行脱碳阶段，渣中FeO含量有所下降，平均为19.52%，故冶炼中期炉渣出现返干现象，但因渣中FeO含量下降不明显，故炉渣返干时间较短，稍减少氧枪流量既可消除返干现象，至氧化末期，炉渣基本正常。

从表3可以看出，80%左右比例铁水熔清（氧化前期）渣特稀，氧化中期炉渣返干较严重，从渣中SiO2及FeO含量可以看出，熔清渣中SiO2更高，平均为21.34%，渣中FeO含量适中，平均为22.23%，至氧化中期，随着前期高SiO2含量的炉渣部分流出，渣中SiO2含量稍有下降，但随着冶炼过程进行脱碳阶段，因脱碳任务加重，渣中FeO含量下降较多，平均为16.34%故冶炼中期炉渣返干现象较严重，炉渣返干时间较长。

表2 60%左右铁水比例冶炼各阶段平均炉渣成分 %

表3 80%左右铁水比例冶炼各阶段平均炉渣成分 %

当加入80%左右铁水时，带入的硅较高，炉内刚熔清后的渣中SiO2含量较高，故刚熔清后的炉渣碱度较低，具体表现在前期炉渣较稀，吹氧时无脱碳反应，炉衬渣线部分浸蚀严重。

80%左右铁水在氧化中期取渣样时，渣中SiO2含量只比60%左右铁水时略高，但渣中FeO急骤；下降至16%左右，表现在炉渣较粘，喷溅严重，炉盖及炉墙粘大量冷渣钢，严重时炉盖无法旋开，影响下一步操作。

兑入铁水后，电耗≥6Mwh时，连续加入第一批石灰1000-1500kg，并补加白云石500kg，在熔清第一批渣基本流出后，开始加入第二批石灰500kg，第三批石灰加入时机应根据炉内碳含量情况定，应在炉内温度1580℃以下完成，加入量因熔清样磷含量来确定，但石灰与白云石总量应控制在3000kg内。

2.5 耐火材料优化

根据铁水比例提高后对炉衬耐料的影响分析及65t电弧炉冶炼过程的炉底捣打料的变化情况，对炉底捣打料做出了一定的优化措施：

(1)镁钙铁砂与高档镁砂配合使用，借助于高温下原位反应，使MgO吸收大量的Fe2O3，形成固液体（Mg.Fe）Os，使镁钙铁砂中的液相量逐渐减少以致消失，从而提高电弧炉炉底的使用寿命。

(2)严格限制Al2O3和SiO2含量，要求Al2O3小于0.6%，SiO2小于1.3%。

(3) 在保证炉底烧结良好的情况下，降低捣打料中Fe2O3成分的含量，增加MgO成分的含量。捣打料的主要成分为MgO和CaO，具有优异的抵抗熔渣渗透侵蚀的特性。当捣打料与高SiO2熔渣相遇时，材料中的CaO与SiO2反应生成高熔点的硅酸二钙（C2S）、硅酸三钙（C3S）富集层，C2S和C3S这两种高熔点硅酸盐富集层的形成，对高SiO2熔渣的渗透起着缓和与阻滞作用。

3优化前后冶炼效果分析

从西宁特钢生产的实际数据可以看出，随着铁水比例的逐渐增高，吨钢冶炼电耗明显降低。西宁特钢65t电弧炉在铁水比例为65%-83%范围内，每增加1%的铁水平均吨坯可降低电耗5.04kwh/t。电极消耗也随着铁水比的升高逐渐提高，每增加1%的铁水，平均吨坯降低电极消耗0.02095Kg/t。高铁水比例冶炼时，由于熔池中带入的碳量增多，吨钢冶炼氧耗略有升高，每增加1%的铁水，平均坯增加氧气消耗0.32m3/t。

根据理论计算，铁水比例从60%提高至80%时，吨钢石灰消耗将增加14.67kg，但在实际操作中并非如此。在实际操作中热兑铁水冶炼与全废钢冶炼对比，吨钢石灰消耗不升反降，这是因为虽然由于铁水含硅量较高，电弧炉热兑操作的前期（第一批）石灰加入量增加，但加入铁水后能很快形成熔池，氧射流的搅拌作用能覆盖整个熔池，加大了熔渣与钢水的接触面，很大程度了加强了脱磷反应，另外，由于热兑铁水冶炼配碳碳量较高，渣泡沫化效果大大提高，脱磷效果也大大加强，即使在较高的温度下、较少的渣量也能达到脱磷的效果，致使冶炼中期第二批、第三批石灰加入量反而大大减少，故兑铁水冶炼比全废钢冶炼石灰加入量大大减少。

2012年前半年65t电弧炉石灰消耗为56kg/t钢，后半年电弧炉石灰消耗略有增加，达到59kg/t钢左右，随着铁水比例的增加，只是增大了冶炼前期的石灰加入量，每炉钢石灰消耗总量变化并不大。

电弧炉热兑铁水后，加入熔池中的废钢量变少，废钢所带入的有害元素也相应减少。因此熔池中的残余元素含量、气体含量较全废钢冶炼时均大大降低，钢水洁净度大大提高，随着兑入铁水比例的增加钢中的残余元素含量、气体含量均进一步降低，大大提高了钢水的质量，有利于钢铁厂冶炼高质量的钢种。热兑铁水前后钢水中的参与元素和气体含量对比分析得出，随着铁水比例的增加，VD前后的氧含量及氮含量均呈下降趋势，特别是氮含量，铁水比例的增加后，氮含量大大下降，吊包氮达到了43ppm，基本接近转炉炼钢的钢中氮含量水平。

4结语

通过对西宁特钢65t电弧炉进行高铁水比冶炼工艺的改造，电耗、电极消耗明显得到了降低，氧气消耗和石灰消耗增幅不大，钢水质量较铁水比低时改善明显，有助于冶炼高品质的钢种，然而电炉高铁水冶炼过程中，存在着铁水硅高和磷高的问题，严重影响了电炉冶炼的节奏，这些问题需要进一步研究。

来源：泰科钢铁整理编辑