電弧爐潔凈化冶煉關鍵技術

朱榮1,2  魏光升1,2  劉潤藻1,2  陳鳳武3  邸權3^^

（1.北京科技大學冶金與生態(tài)工程學院，北京100083；2.北京科技大學高端金屬材料特種熔煉與制備北京市重點實驗室，北京100083；3.唐山首唐寶生功能材料有限公司，河北唐山063100）

摘  要：從電弧爐潔凈化冶煉技術出發(fā)，結合國內外應用及研究現(xiàn)狀，介紹并分析了廢鋼破碎分選、電弧爐煉鋼復合吹煉、氣-固噴吹、質量分析監(jiān)控及成本控制等潔凈化冶煉關鍵技術的創(chuàng)新與發(fā)展狀況。指出加快電弧爐煉鋼流程技術創(chuàng)新，特別是潔凈化冶煉技術的完善與突破，構建電弧爐煉鋼流程潔凈化生產(chǎn)平臺，提升電弧爐煉鋼流程產(chǎn)品質量和競爭力，將是未來電弧爐煉鋼的發(fā)展方向。

關鍵詞：電弧爐煉鋼；潔凈化；復合吹煉；氣-固噴吹

Technologies of Purification Production in Electric

Arc Furnace Steelmaking

ZHU Rong 1,2  LIU Runzao 1,2  WEI Guangsheng 1,2  CHEN Fengwu 3

(1. Metallurgical and Ecological Engineering School, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. Beijing Key Laboratory of Special Melting and Preparation of High-End Metal Materials, Beijing 100083, China; 3. Tangshan Shoutang Baosheng functional materials Co. Ltd., Tangshan 063100, China)

Abstract: Based on the application of purification production technologies in electric arc furnace (EAF) steelmaking processes, this article introduced and analyzed the technology developments in high efficiency and purification of EAF steelmaking, such as scrap crushing and sorting, combined blowing, gas-solid injection, quality analysis & cost control.It is indicated that the key to improve product quality and competitiveness of EAF steelmaking is to speed up the technological innovation of purification production and construct the clean production platform for EAF steelmaking processes, which is one of the key development directions of EAF steelmaking in the future.

Key words: EAF steelmaking; Purification; Combined blowing; Gas-solid injection

1前言

電弧爐煉鋼是目前主要煉鋼方法之一，具有流程短、能耗低、碳排少等特點[1,2]。相比于“高爐-轉爐”長流程煉鋼，電弧爐短流程煉鋼以廢鋼為主要原料，具有工序短、投資省、建設快、節(jié)能環(huán)保等突出優(yōu)勢[3]。20世紀90年代以來，我國在現(xiàn)代電弧爐煉鋼技術方面取得了長足的進步，基本形成了電弧爐冶煉-爐外精煉-連鑄-連軋的現(xiàn)代化短流程生產(chǎn)體系。然而，就電爐鋼比例而言，2016年電弧爐鋼占全球鋼產(chǎn)量的25%左右，美國電爐鋼比例高達67%，而我國僅為6%左右，與歐、美等發(fā)達國家相差甚遠。“十三五”《鋼鐵工業(yè)調整升級規(guī)劃（2016-2020年）》指出：“加快發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，隨著我國廢鋼資源的積累增加，按照綠色可循環(huán)理念，注重以廢鋼為原料的短流程電爐煉鋼的發(fā)展�！笨梢灶A見，隨著我國廢鋼循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈的完善、廢鋼積蓄量的增加及鋼鐵行業(yè)淘汰落后產(chǎn)能，電弧爐煉鋼產(chǎn)量將穩(wěn)步增長，給我國電弧爐煉鋼帶來了新的發(fā)展機遇。

與國外電弧爐煉鋼相比，我國電弧爐一直是特殊鋼的生產(chǎn)主力。隨著國內制造業(yè)對特殊鋼質量要求的日益提高，完善我國電弧爐煉鋼流程工藝及裝備水平成為目前提升電爐鋼產(chǎn)品質量的關鍵。一方面，由于特殊的爐型結構，電弧爐煉鋼熔池攪拌強度不足，氧氣利用率低、終渣（FeO）含量高、鋼水過氧化嚴重[4]；另一方面，電弧爐煉鋼過程包括殘余元素、P、S、N、H及夾雜物等的去除，涉及整個工藝流程的匹配與優(yōu)化，是對電弧爐煉鋼流程冶煉高品質鋼技術的挑戰(zhàn)[5]。國內外研究者對此展開了大量研究工作。從近些年電弧爐煉鋼技術的發(fā)展中不難發(fā)現(xiàn)，電弧爐煉鋼在原有高效節(jié)能冶煉的基礎上，在潔凈化冶煉方面取得了長足的進步，產(chǎn)品質量顯著提升，這對推進我國電弧爐煉鋼流程潔凈化生產(chǎn)平臺構建意義重大。

本文從電弧爐煉鋼流程潔凈化冶煉關鍵技術出發(fā)，介紹并分析了近年來電弧爐煉鋼流程潔凈化冶煉技術的發(fā)展情況及本研究團隊的最新研究成果。

2電弧爐煉鋼流程技術特點

電弧爐煉鋼經(jīng)歷了幾個階段的發(fā)展，現(xiàn)已逐步建立起現(xiàn)代化的電弧爐煉鋼體系。在電弧爐煉鋼的發(fā)展過程中，電弧爐煉鋼流程核心工藝包括原料及能源結構、鋼液純凈度、鋼中夾雜物、成分控制、生產(chǎn)效率、余熱利用及低成本生產(chǎn)等技術理念也在不斷變化。表1列舉出傳統(tǒng)與現(xiàn)代電弧爐煉鋼工藝的對比情況。

表1傳統(tǒng)電弧爐煉鋼工藝與現(xiàn)代電弧爐煉鋼工藝對比

3電弧爐煉鋼流程潔凈化冶煉關鍵問題

3.1冶煉用原材料

電弧爐煉鋼以廢鋼為主要原料，合金、石灰、增碳劑等為輔助原料[6]。一方面，隨著汽車、機電、家電等報廢數(shù)量的不斷增加，社會回收的廢鋼成分更加混雜，包含黑色金屬、有色金屬、非金屬等。同時，鋼材表面涂層技術和復合材料的廣泛應用使回收廢鋼帶有Cu、Zn、Pb、Sn、Mo、Ni等有害雜質元素，且隨著廢鋼循環(huán)次數(shù)的增加，有害雜質元素在廢鋼中不斷富集。另一方面，輔料的使用同樣會給鋼液帶入有害元素，影響鋼液潔凈度。為盡量降低原材料對冶煉鋼種帶來的影響，需根據(jù)不同鋼種對原材料的使用制定不同的標準，分鋼種分級別進行原輔料的定制化選擇。如冶煉優(yōu)質合金棒材時，采用鐵水加廢鋼、優(yōu)質廢鋼或優(yōu)質廢鋼加直接還原鐵為原料；冶煉低硫鋼盡量使用低硫石灰；冶煉低碳鋼選擇低碳輔助原料。

3.2脫磷操作

磷在絕大多數(shù)鋼種中是有害元素，脫磷是電弧爐冶煉的重要任務之一[7]。近年來，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，對低磷及超低磷高品質特殊鋼需求增加，現(xiàn)有電弧爐煉鋼工藝很難實現(xiàn)快速低成本脫磷的冶煉要求。其主要原因在于電弧爐煉鋼原料結構復雜，熔清磷含量波動大；全廢鋼冶煉熔清后碳含量低、鋼液粘稠度高，且受電弧爐爐型結構限制，熔池流動速度慢，脫磷動力學條件差，冶煉過程脫磷困難。傳統(tǒng)電弧爐冶煉低磷鋼通常采用多次造渣、流渣操作，冶煉周期長、渣量大、終渣（FeO）含量高、鋼水過氧化嚴重、冶煉成本難以控制。

3.3鋼中氧及夾雜物的控制

電弧爐冶煉終點鋼液氧含量的穩(wěn)定控制是降低鋼中夾雜物的關鍵。電弧爐煉鋼普遍采用強化供氧操作以加快冶煉節(jié)奏、提高生產(chǎn)效率，但電弧爐煉鋼終點控制不精準，鋼液過氧化較為嚴重，碳氧積明顯高于轉爐[8]。這不僅導致后期精煉過程脫氧劑的過度消耗，同時使得精煉期夾雜物的產(chǎn)生量顯著增加。為降低終點鋼液氧含量，電弧爐煉鋼主要通過控制出鋼前吹氧量，同時噴吹惰性氣體強化攪拌；出鋼時采用偏心爐底出鋼控制下渣量；出鋼前加入鐵碳鎂球，降低鋼液氧含量。在LF精煉過程中采用“鋁+復合脫氧劑”脫氧方式，將Al2O3類夾雜物轉化為較大尺寸的易上浮夾雜物進而去除；采用雙真空工藝操作，前預真空輕處理，LF精煉后再真空的處理方式深度去除鋼中活度氧及夾雜物。

3.4鋼中[N]與[H]的控制

在電弧爐采用大功率供電強化廢鋼熔化時，電極放電產(chǎn)生的高溫電弧會電離附近空氣中N2，致使鋼液吸氮能力大幅增加[9,10]；在電弧爐冶煉過程中，N2有時會作為底吹氣體或粉劑噴吹載氣浸入熔池，鋼液進一步吸氮。同時，電弧爐冶煉原料中含有水分并接觸空氣，會造成鋼液中氫含量偏高。然而，電弧爐煉鋼熔清后熔池碳含量偏低，供氧強度不足，冶煉后期脫碳期間熔池內產(chǎn)生的CO氣泡數(shù)量少，所以不能有效脫除[N]、[H]。解決此類問題的方法主要是通過廢鋼預熱的方式脫除水分減少氫元素入爐；調整爐料結構，通過加入DRI、提高鐵水比等方式提高熔池碳含量[11]，在電弧爐冶煉后期進行高強度脫碳沸騰操作，以脫除鋼液內[N]、[H]，再在后續(xù)精煉及澆注過程中加以保護，控制鋼中[N]、[H]的含量。

4電弧爐潔凈化冶煉技術創(chuàng)新

4.1廢鋼破碎分選技術

廢鋼是鋼鐵循環(huán)利用的優(yōu)勢再生資源[12]。廢鋼的資源化利用在鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排、轉型升級方面扮演重要角色。隨著汽車、機電、家電等報廢數(shù)量的不斷增加，社會回收的廢舊金屬成分更加混雜，包含黑色金屬、有色金屬、非金屬等。廢鋼的高效破碎與分選是保證電弧爐煉鋼原料質量的前提與關鍵，對電弧爐煉鋼實現(xiàn)潔凈化冶煉至關重要[13]。

廢鋼鐵破碎分選研究始于上世紀60年代，最具代表性的是美國的紐維爾公司和德國的林德曼公司、亨息爾公司和貝克公司，他們率先推行破碎鋼片(Shred)入爐，在改善回收鋼品質、提高經(jīng)濟效益方面都具有顯著效果。德國在80年代末推出的廢鋼破碎機(Shredder)在某些方面已超過了美國。圖1為廢鋼破碎分選系統(tǒng)。

廢鋼破碎機主要有兩種：碎屑機和破碎機。碎屑機用于破碎鋼屑，破碎機用于破碎大型廢鋼；破碎機有錘擊式、軋輥式和刀刃式幾種。經(jīng)破碎處理后的廢鋼鐵可很容易地利用干式、濕式或半濕式分選系統(tǒng)將金屬、非金屬，有色金屬、黑色金屬分選回收處理，廢鋼表面的油漆和鍍層均可清除或部分清除[14]。經(jīng)破碎分選后的廢鋼可大大提高原料的潔凈度，為電弧爐煉鋼提供了清潔可靠的原料保障。

4.2電弧爐煉鋼復合吹煉技術

傳統(tǒng)電弧爐煉鋼熔池攪拌強度弱，抑制了爐內物質和能量的傳遞；通常采用超高功率供電、高強度化學能輸入等技術，但沒有從根本上解決熔池攪拌強度不足和物質能量傳遞速度慢等問題。現(xiàn)代電弧爐煉鋼廣泛采用吹氧工藝以加快冶煉節(jié)奏、降低生產(chǎn)成本，相繼開發(fā)出諸如爐壁供氧[15]、爐門供氧[16]、集束射流[17]等強化供氧技術。為了解決熔池攪拌強度不足和物質能量傳遞速度慢等問題開發(fā)了如底吹攪拌[18]、電弧爐煉鋼復合吹煉[19]等關鍵技術。

以高效、低耗、節(jié)能、優(yōu)質生產(chǎn)為目標，本研究團隊首次提出并研發(fā)的新一代電弧爐冶煉技術—“電弧爐煉鋼復合吹煉技術”，以集束供氧、同步長壽底吹攪拌等新技術為核心，實現(xiàn)了電弧爐煉鋼供電、供氧及底吹等單元的操作集成，滿足多元爐料條件下的電弧爐煉鋼復合吹煉的技術要求[20]。圖2為電弧爐煉鋼復合吹煉技術示意圖，圖3為電弧爐煉鋼復合吹煉與常規(guī)冶煉熔池攪拌效果對比。

4.2.1集束模塊化供能技術

電弧爐集束模塊化供能技術[21-23]，包括爐壁及爐頂集束供氧方式。爐壁集束供氧方式將吹氧和噴粉單元共軸安裝在爐壁的一體化水冷模塊上，具備助熔、脫碳等模式，實現(xiàn)氣-固混合噴射、氣體粉劑（碳粉、脫磷劑等）噴吹的動態(tài)切換，滿足泡沫渣、脫磷及控制鋼水過氧化等要求，增強了顆粒的動能，使氧氣、粉劑高效輸送到渣-鋼反應界面，穩(wěn)定泡沫渣，降低冶煉電耗，提高金屬收得率，見圖4。針對高鐵水比的多元爐料結構冶煉，本研究團隊開發(fā)出電弧爐爐頂集束供氧噴吹技術[24]，以加大電弧爐爐內供氧強度，強化熔池攪拌，見圖5。該技術可進行供電與供氧切換，完成脫碳及脫磷等冶煉任務，提高供氧效率，達到縮短冶煉時間、降低冶煉電耗等效果。

4.2.2 埋入式供氧噴吹技術

通過爐壁多功能集束氧槍向爐內噴吹氧氣和燃料，強化冶煉過程化學能輸入，是目前最為普遍的電弧爐煉鋼手段。近年來，在開發(fā)多功能集束模塊化供能技術基礎上，為進一步提高氧氣利用效率，改善電弧爐熔池冶金反應動力學條件，研發(fā)了電弧爐煉鋼埋入式供氧噴吹技術[25,26]，見圖6。該技術將供氧方式從熔池上方移至鋼液面以下，利用雙流道噴槍將氧氣直接輸入熔池，加快了冶金反應速度，使氧氣利用率提高到98%。針對埋入式噴槍易燒損，氧氣流股沖刷侵蝕爐壁耐材的問題，采用環(huán)狀氣旋保護技術，并通過中心主射流“保護-冶煉-出鋼”控制模式，控制侵蝕速度，實現(xiàn)噴槍壽命與爐齡同步。該技術顯著提高了鋼液流動及化學反應速度，有效控制了鋼液過氧化，改善了熔池脫磷效率。

4.2.3電弧爐煉鋼安全長壽底吹技術

電弧爐煉鋼熔池冶金反應動力學條件差，熔池鋼液成分、溫度不均勻，終點氧含量和渣中氧化鐵含量偏高，最終影響冶煉指標和鋼液質量。開發(fā)的電弧爐煉鋼安全長壽底吹技術[27,28]（見圖7），強化了電弧爐熔池攪拌，噸鋼氧耗、鋼鐵料消耗、冶煉終點碳氧積及終渣氧化鐵含量明顯降低，脫磷效率進一步提高，冶煉終點鋼液質量明顯改善，部分指標見圖8�；�于非穩(wěn)態(tài)有摩擦加熱管流微分方程組算法，優(yōu)化多孔氣道及透氣孔間隙參數(shù)設計，制備具有定向多微孔型結構的長壽命底吹元件，其具備優(yōu)良的透氣、耐高溫、抗熱震、抗沖擊等性能。開發(fā)了基于電弧爐冶煉“熔化-脫磷-脫碳-升溫-終點控制”的分段動態(tài)底吹工藝模型（圖9），既提高了氣體攪拌效率，又減少了氣液混合脈動流體對底吹元件的機械沖刷和化學侵蝕。具有冗余功能的電弧爐底吹全程安全預警技術是底吹安全的重要保障，通過監(jiān)控底吹流量、壓力及溫度，實現(xiàn)了多點、階梯、分段的全程報警；并采用弓形防滲透設計，保證了電弧爐爐底結構安全。工業(yè)實踐顯示，底吹元件壽命超800爐次，實現(xiàn)了電弧爐底吹壽命與爐齡同步。

4.3 電弧爐煉鋼氣-固噴吹新技術

20世紀80年代，電弧爐煉鋼氣-固噴吹系統(tǒng)裝置還限制在爐門和爐頂，而不能通過爐壁進行噴射。1980年爐門噴粉系統(tǒng)率先在Eschweiler應用，之后迅速發(fā)展，在全球40余家鋼鐵企業(yè)得到應用；爐頂噴粉系統(tǒng)始于德國克虜伯鋼鐵公司，20世紀90年代后期獲得普及；直到1990年，爐壁噴粉系統(tǒng)才在意大利Triest得到應用，2000年后應用數(shù)量激增，成為最主流的噴粉方式。

在傳統(tǒng)爐壁噴粉和埋入式供氧噴吹技術基礎上，本研究團隊提出并開發(fā)了電弧爐熔池內氣-固噴吹潔凈化冶煉新工藝[29,30]，如圖10所示。將傳統(tǒng)熔池上方噴粉方式移到熔池下方，通過在熔池內部噴射碳粉和石灰粉實現(xiàn)電弧爐高效潔凈化冶煉，在生產(chǎn)效率、技術指標、鋼水質量等方面展現(xiàn)出明顯技術優(yōu)勢。冶煉前期，利用空氣或CO2-O2向熔池內部噴射碳粉，加速廢鋼熔化，實現(xiàn)快速熔清的同時提高熔清碳含量；冶煉后期利用O2或O2-CO2向熔池內部噴射石灰粉，強化脫磷的同時，劇烈碳氧反應產(chǎn)生大量CO氣泡可實現(xiàn)深度脫氮、脫氫，顯著改善了終點鋼液潔凈度。圖11為電弧爐煉鋼埋入式氧氣-石灰粉噴吹現(xiàn)場效果圖。

4.4 電弧爐煉鋼質量分析監(jiān)控及成本控制系統(tǒng)

隨著電弧爐冶煉技術的發(fā)展，僅僅依靠操作者的經(jīng)驗來控制電弧爐生產(chǎn)已經(jīng)無法適應現(xiàn)代電弧爐煉鋼的生產(chǎn)節(jié)奏。通過數(shù)據(jù)信息的交流和過程優(yōu)化控制，可以使電弧爐煉鋼過程的成本控制、合理供能等環(huán)節(jié)最優(yōu)化，降低成本，提高效率�；�于此，本研究團隊開發(fā)出電弧爐煉鋼質量分析監(jiān)控及成本控制系統(tǒng)[31-34]。通過EAF-LF煉鋼工序終點成分控制模型（圖12）分析EAF-LF煉鋼工序成分數(shù)據(jù)，動態(tài)的調整成分控制關系式參數(shù)，對實時氧含量與合金元素收得率進行預測，指導脫氧工藝與合金加料工藝，實現(xiàn)EAF-LF煉鋼工序成分精確控制。通過對電弧爐冶煉工藝歷史數(shù)據(jù)的記錄，建立數(shù)據(jù)庫；根據(jù)成本、能耗最低或冶煉時間最短原則，選擇與當前冶煉爐次爐料結構、冶煉環(huán)境等相近的最優(yōu)歷史數(shù)據(jù)，然后根據(jù)最優(yōu)爐次的冶煉工藝進行冶煉，以達到最優(yōu)的冶煉效果。通過建立電弧爐及精煉工序的成本監(jiān)控系統(tǒng)（圖13），對電弧爐單爐成本進行預測與實時計算，并提供不同爐料結構的供電、供氧優(yōu)化指導曲線及優(yōu)化。對精煉爐單爐成本進行預測與實時計算，并提供優(yōu)化的合金與渣料組合。目前，該系統(tǒng)已在國內外多座電弧爐推廣應用。

5 結論及展望

在電弧爐煉鋼流程中，提高鋼液潔凈度無疑是保證產(chǎn)品質量的關鍵，而保證鋼液潔凈度的關鍵在于各冶煉工序、單元操作的穩(wěn)定與協(xié)調有序配合。本文從廢鋼破碎分選、電弧爐煉鋼復合吹煉、氣-固噴吹、質量分析監(jiān)控及成本控制等方面，總結并闡述了近年來電弧爐煉鋼流程潔凈化冶煉技術的創(chuàng)新與發(fā)展。在完善現(xiàn)有電弧爐煉鋼潔凈化冶煉關鍵技術基礎上，進一步構建電弧爐煉鋼流程潔凈化生產(chǎn)平臺，實現(xiàn)生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質量和節(jié)能環(huán)保水平的不斷提升，將是未來電弧爐煉鋼的重點發(fā)展方向之一。

加快電弧爐煉鋼流程技術創(chuàng)新，特別是潔凈化冶煉技術的完善與突破，構建電弧爐煉鋼流程潔凈化生產(chǎn)平臺，提升電弧爐煉鋼流程產(chǎn)品質量和產(chǎn)品競爭力，將對我國鋼鐵工業(yè)結構調整和轉型升級起到重要推動作用。

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