电炉热装铁水比例对冶炼工艺的影响分析

王军涛，王宝明，纪连海

（天津钢铁集团有限公司材料部,天津 300301）

电炉热装铁水比例对冶炼工艺的影响分析

王军涛，王宝明，纪连海

（天津钢铁集团有限公司材料部,天津 300301）

热装铁水替代部分废钢，是目前电炉炼钢的发展趋势，既减少了钢液中的有害元素含量，也为降低炼钢成本、提高电炉生产率打下了基础。通过对实际生产中冶炼数据的分析，总结出了不同热装铁水比例对CONCAST 110 t超高功率电弧炉冶炼工艺的影响效果，并确定了合理的热装铁水比例。为优化电炉冶炼模式，提高钢水质量及降低消耗提供了参考。分析认为，选择30%～50%的热装铁水比例，对于CONCAST 110 t电炉而言，综合消耗较为理想。

电炉 热装 铁水 冶炼 周期 电耗

1 引言

近年来，由于废钢数量短缺的问题较为突出，导致目前全废钢冶炼模式的生产成本居高不下。热装铁水是电炉冶炼工艺的一项新技术，是缓解废钢资源不足的重要手段[1]。目前，在国内，利用铁水作为主要原料生产的综合成本远远低于利用废钢生产的成本。由于铁水热装工艺向熔池带入了大量的物理热，为缩短冶炼周期、强化冶炼、提高电炉生产率，创造了良好的条件。

目前，全国很多电炉生产厂家不同程度的采用了铁水热装工艺，如南钢、宝钢、淮钢、安钢、莱钢等企业先后开展了电炉铁水热装试验和生产，取得了较好的效果。太钢一炼钢将其电炉进行转炉化改造，在电极夹持器上加装顶枪装置，入炉铁水比例在70%以上，实现了转炉化炼钢，电极消耗以及电耗都为零，在成本上取得了明显的优势[2]。另外，沙钢、宝通等厂家先后试验了热装铁水比例在70%以上的工艺模式，取得了明显的经济效益[3]。

由于受原料供应、炉型、生产节奏以及供氧模式等因素的影响，导致了不同电炉厂家对热装铁水比例的选择有一定的差异。选择适合本企业的热装铁水比例成为一项十分重要的工作。

本文通过对127炉的冶炼数据进行汇总分析，研究了不同热装铁水比例对110 t超高功率电弧炉（AC CONCAST）冶炼的影响。通过分析，确定合理的热装铁水比例，为降低消耗，缩短电炉冶炼周期，提高钢水质量提供参考。

2 冶炼基本情况

2.1 主要技术参数

电炉型式：110 t-AC-EBT-UHPEAF；

装入量：120 t；

出钢量：100 t；

留钢量：10 t；

出渣方式：热泼渣；

变压器额定容量：90/100 MVA；

二次侧电压：300～892 V；

最大二次侧电流：83.676 kA；

电极直径：610 mm；

氧枪构成：炉壁氧枪；

炉壁氧枪：CONSO×6支；

炉壁碳枪：3支；

最大主氧流量：2 500 Nm3/h；

最大天然气流量：350 Nm3/h。

2.2 工艺流程

EAF→LF→（VD）→CC（弧形方圆坯）。

产品结构：合金结构钢85%，优质碳素结构钢15%

2.3 废钢及铁水成分

废钢的加料方式是在炉盖旋开后，通过料篮从炉顶加入炉内。热装铁水是通过兑铁车从炉门口兑入或通过顶兑方式加入炉内。入炉废钢及铁水的成分要求见表1。

表1 废钢及铁水成分/%

2.4 出钢要求

一般要求：温度范围为1 620～1 640℃，终点碳控制在0.07%～0.08%，P、S及其它有要求的元素按照钢种工艺卡执行。

3 热装铁水比例对工艺的影响

3.1 热装铁水比例对供电时间及电耗的影响

（1）与100%固体料冶炼模式相比，铁水热装模式可以向熔池带入大量的物理热，另外铁水中的C、Si、Mn、P等元素的氧化向熔池释放一定量的化学热。冶炼过程所产生的化学热可以代替部分电能，使熔池升温。与固体料（生铁块）相比，1 t铁水引入的物理热理论计算如公式（1）所示。

式中：Q1为铁水引入的物理热，kWh；C1为生铁的平均热熔，0.79 kJ/kg·℃；C2为铁水的平均热熔，0.75 kJ/ kg·℃；T0为常温，取25℃；T1为生铁的熔点，1 100℃；T2为入炉铁水温度，1 250℃；ΔH为生铁的熔化潜热，285.88 kJ/kg。

根据公式（1）计算得出1 t热装铁水向熔池引入的物理热为Q1=1247.63×103 kJ，即：346.6 kWh。

与废钢相比热装铁水引入的各元素的化学热见表2。

表2 热装铁水中各元素的化学热

（2）通过表2可以得出：与废钢相比，理论上1 t铁水释放的化学热Q2=130.6 kWh。

因此，铁水向熔池引入的热量如式2所示。

式中：Q为铁水引入的热量，kWh/t；Q1为铁水引入的物理热，kWh/t；Q2为铁水引入的化学热，kWh/t。

得出1 t铁水向熔池引入的总热量为：Q=477.2 kWh。

（3）从上述理论计算中，可以得出热装铁水向熔池引入了大量的热量。可以替代一定的电能，这是热装铁水能够降低电耗的机理。由于高炉向电炉供应的铁水成分比较稳定。通过对127炉不同热装铁水比例的冶炼数据进行分析，得出不同热装铁水比例对冶炼电耗的影响如图1所示。

（4）通过图1可以看出，随着铁水比例的增加，钢铁料引入熔池的物理热和化学热相应增加，从而降低了冶炼电耗。而在实际生产中，100%固体料冶炼模式的电耗平均为38 550 kWh/炉（27炉全废钢模式冶炼数据的平均值），约合385.5 kWh/t。冶炼电耗的降低决定了供电时间也相应减少。不同铁水比例对供电时间的影响如图2所示。

图1 热装铁水比例对冶炼电耗的影响

图2 热装铁水比例对供电时间的影响

（5）通过图2可以看出，随着热装铁水比例的增加，供电时间呈下降趋势。在实际生产中，100%固体料冶炼模式的供电时间平均为43 min/炉，而所记录的采用铁水热装工艺的100炉中最短的供电时间仅为18 min/炉（该炉次的热装铁水比例为53.3%）。根据理论计算，当热装铁水比例超过75%时，甚至可以不供电而单纯利用热装铁水的物理热和化学能达到冶炼的目的。由于冶炼全过程不消耗电能和电极，具有一定的成本优势。

3.2 热装铁水比例对冶炼周期的影响

（1）热装铁水比例的选择不仅要考虑降低电耗等方面的因素，还要考虑与其他工序的生产相匹配问题。图3反映了实际生产中不同热装铁水比例对冶炼周期的影响。

（2）随着热装铁水比例的增加，供电时间和电耗呈不同程度的下降趋势。由图3可知，随着铁水比例的增大，冶炼周期呈现出先缩短再延长的趋势。而冶炼周期随着热装铁水比例的增加并非呈现下降趋势，这是由于入炉铁水中富集了大量的碳元素，铁水比例越高，熔池中的碳含量越高。当铁水比例达到一定的比例后，熔池的脱碳速度成为缩短冶炼周期的限制性环节，而CONSO氧枪的特性决定了熔池的脱碳速度，其最大的脱碳速度在0.15%/min。图3反映了所统计的127炉冶炼数据中，热装铁水比例在20%～60%范围内的炉次与其对应冶炼周期的关系曲线。从图中可以得出，使用CONSO供氧技术的CONCAST110tEAF在热装铁水比例为30%～50%区间内，冶炼周期相对较短，可以实现快节奏的炼钢生产，从而提高生产效率。另外，与全废钢及采用较小铁水比例的炉次相比，消耗的电能较少。

图3 热装铁水比例对冶炼周期的影响

3.3 热装铁水比例对氧气和天然气消耗的影响

（1）强化用氧技术的使用，使提高铁水比例成为可能。集束氧枪的使用，在降低电耗的同时，也缩短了冶炼周期。CONSO氧枪在冶炼初期作为烧嘴助熔废钢，熔清后作为氧枪向熔池供氧脱碳，并搅拌熔池。图4反映了实际生产中铁水比例对供氧量的影响。

图4 热装铁水比例对供氧量的影响

（2）从图4可以看出，在相同铁水成分的情况下，随着铁水比例的不断增大，氧耗呈增加的趋势。在冶炼过程中，CONSO氧枪的主氧流量不断增大，当主氧流量达到2 000 Nm3/h（设计最大主氧流量2 500 Nm3/ h）时，脱碳速度达到峰值即0.10%～0.15%/min。而铁水比例的增加导致熔池中碳含量较高，在供氧速度一定的情况下，用于[C]-[O]反应的氧量增加，造成供氧时间的延长和供氧量的增加。同时，作为主氧保护气体的天然气消耗与热装铁水比例的关系如图5所示。

图5 热装铁水比例对天然气消耗的影响

（3）从图5可以看出，随着热装铁水比例的增加天然气的消耗增加。CONSO氧枪属于集束氧枪，其集束作用是依靠环绕主氧管道的辅氧以及天然气的相互作用实现的。在增加热装铁水比例的情况下，虽然减少了起助熔废钢作用的天然气用量，但是作为主氧保护气体的天然气随着主氧管道供氧时间的延长，消耗量也相应增加。

（4）在实际生产中，100%固体料冶炼模式的主氧消耗平均为4 200 m3/炉，约合42 m3/t，而天然气的消耗平均为670 m3/炉，约合6.7 m3/t（27炉平均值）。通过对比可知，在热装铁水比例超过50%的情况下，铁水热装冶炼模式的氧耗和天然气耗量与全废钢冶炼模式的耗量基本持平，甚至超过全废钢冶炼模式的耗量。但是从综合成本来看，热装铁水比例例的增加减少了电能的消耗，从而在很大程度上降低了电炉冶炼的成本。

3.4 热装铁水比例对钢水质量的影响

由于废钢质量的不同，导致废钢中的有害元素不易控制，而铁水中的有害元素含量较低。另外，铁水中较高的碳含量为电炉利用脱碳沸腾去除夹杂物和有害气体提供了有利条件。在铁水比例较高的情况下，终点钢水中的有害元素[Cu]、[Sn]、[Pb]的含量分别控制在0.017 5%、0.005 4%、0.000 9%。[N]、[H]的平均含量可以控制在0.001 0%以下，如果熔池反应较为均匀，[N]含量甚至可以控制在0.006%以下。这是由于供电时间的缩短以及较好的埋弧效果减少了钢液的吸氮现象，另外碳氧反应的进行可以将钢液中的氮部分排出。这对于冶炼洁净钢及对[N]含量要求严格的钢种是十分有利的。这种优势是全废钢冶炼模式无法比拟的。

4 实施效果

选用最佳的热装铁水比例，即热装铁水比例在30%～50%的区间内，可以在保证生产节奏稳定的情况下，从一定程度上降低冶炼消耗。

4.1 缩短冶炼周期，提高产量

采用30%～50%的铁水比例，可以使冶炼周期稳定在45～49 min/炉，与之前平均55 min/炉的冶炼周期相比，缩短了6～10 min/炉。与之前的冶炼模式相比，该冶炼模式可多产钢2.8炉/天。

4.2 减少电能消耗

统计实际生产中的57炉20%～30%的热装铁水比例，其每炉钢的电能消耗平均为22998.7 kwh/炉，全废钢模式的电能消耗平均为35 050 kwh/炉。而在采用30%～50%铁水比例的情况下，平均每炉钢的电能消耗为21 542.8 kwh/炉。该模式的电耗与全废钢模式相比降低13 507.2 kwh/炉，与20%～30%的热装铁水比例冶炼模式相比，电耗降低1 455.9 kwh/炉。

5 结论

通过对铁水热装工艺在CONCAST110t超高功率电弧炉生产实践的总结，得出以下结论：

由于热装铁水工艺向熔池引入了大量的物理热和化学热，随着热装铁水比例的提高，氧耗和天然气消耗相应增加，但冶炼电耗降低，供电时间缩短。当热装铁水比例超过75%以后，可以不用供电而利用铁水带入的化学热和物理热达到冶炼的目的。

随着铁水比例的增加，冶炼周期并未呈线性缩短，在较高的铁水比例模式下，冶炼周期延长。在热装铁水比例为30%～50%区间内，冶炼周期相对较短，而且综合消耗较为理想。

热装铁水工艺降低了钢液中的[N]、[Cu]、[Pb]等有害元素，为生产洁净钢及要求较严格的钢种冶炼提供了良好的条件。

[1]俞海明，程杰.70 t电炉热装铁水的实践与进步[J].山东冶金，2004（2）：13.

[2]李学超.太钢一炼钢厂电炉吹氧工艺优化[J].山西冶金，2010（5）：13.

[3]金凤奎，周伟，张新文，等.电炉提高热装铁水比例的生产实践[J].宝钢技术，2009（6）：51.

Analysis of Influence of Molten Iron Hot Charging Ratio on EAF Smelting Process

WANG Jun-tao,WANG Bao-ming and JI Lian-hai
Material Division,Tianjin Iron and Steel Group Company Limited,Tianjin 300301,China

It is a development trend for contemporary EAF steel-making that hot molten iron substitutes partial scrap, which reduces detrimental element content in steel and lays a foundation for lowering production cost and improving productivity.Through analysis on smelting data in actual production, the authors summarize the influential effect of different molten iron hot charging ratios on Concast 110t ultra high power EAF smelting process and determine a reasonable ratio,which provides a reference for optimizing EAF smelting mode,improving steel quality and reducing consumption.By analysis,the authors deem that the overall consumption of Concast 110 t EAF is ideal with 30%～50%molten iron hot charging ratio.

EAF;hot charging;molten iron;smelting;cycle; electric consumption

王军涛（1985—），男，主要从事转炉及电炉炼钢的生产、技术工作。

（收稿 2012-05-20 编辑 崔建华）