100t高阻抗电弧炉泡沫渣工艺分析与优化

卢 斌

上海电气上重铸锻有限公司 上海 200245

泡沫渣是碱度在一定范围内的渣，允许埋弧操作，可以提高电能利用率。在泡沫渣中，充足的一氧化碳气体溢出与扩散使得钢液熔池起泡。泡沫渣良好的埋弧效果可以降低电弧对炉衬的辐射作用，延长炉衬耐火材料的使用寿命，并有效防止钢液对氮气等的吸气。供电曲线、炉渣碱度、渣量、配碳量、温度、吹氧强度等因素都对泡沫渣的发泡质量有重要影响。

1 泡沫渣发泡原理

电弧炉[1]冶炼的泡沫渣一般在熔化末期和氧化期形成，通过碳氧反应生成一氧化碳，或向炉渣中喷入一定粒度的焦炭粉并以氧气吹扫熔渣，反应生成的一氧化碳分散于渣中，使熔渣发泡，实现炉渣的泡沫化[2]。

在电炉条件下，炉渣泡沫化的气体主要来源途径有以下几种： ① 吹入氧气与碳作用，发生碳氧反应；② 渣中不稳定氧化物与钢中的碳反应；③ 渣中不稳定氧化物与渣中的碳反应。

2 100t高阻抗电弧炉主要设备参数

为了满足大型铸锻件的产品需求，铸锻公司于2006年投产使用重机行业内首台100t级高阻抗偏心炉底电弧炉，该电弧炉主要技术参数如表1～表3所示。

表1 100t电弧炉基本技术参数

表2 100t电弧炉变压器供电参数

表3 100t电弧炉炉门自耗式炭氧枪机构参数

炉门炭氧枪机构中，主氧枪最大流量为 20Nm3/min，炉壁第四孔下方配置小氧枪，氧枪和炭枪均可独立控制。

3 现有泡沫渣工艺与操作存在的问题

根据电弧炉参数，制定了100t电弧炉相应的供电曲线工艺操作方法，如图1所示。

图1 100t电弧炉供电曲线工艺操作方法

在熔炼的不同阶段，分别设置了相应的输入功率，以匹配起弧、穿井、氧化等需求。但是，在实际操作中，却存在一些问题。

从运行效率和能耗看，经多年的实际生产统计，变压器的功率因数cosφ为0.6～0.7，电弧炉的吨钢电耗平均值为 560kWh，吨钢电极消耗量为 4.5kg。功率因数cosφ、最大功率利用率C2和时间利用率tu依次如式(1)～式(3)所示：

(1)

(2)

(3)

式中：P为有功功率；U为变压器二次电压；I为电极电流；Pr为熔化期平均输入功率；Po为氧化期平均输入功率；Pe为变压器额定功率；t1为上炉出钢至下炉通电的间隔时间；t2为熔化时间；t3为精炼时间；t4为热停工时间。

结合实际运行参数，并经统计取平均值，得到如表4所示的数据。

表4 100t电弧炉数据

当功率因数cosφ=0.6时，虽然时间利用率达到0.81，处于较高的水平，但是最大功率利用率只有0.50，远低于高功率高阻抗电弧炉功率利用率0.70的平均水平。优化供电曲线、提高功率因数是非常关键的问题。当功率因数提高到0.8时，将会显著提高有功功率，也即提高最大功率利用率。

从电耗看，20世纪80年代，电弧炉功率水平不断提高，工艺不断优化，电耗可以降低到400kWh/t，结合废钢预热、煤氧喷吹等技术，还可以将电耗降至350kWh/t[3]。虽然100t电弧炉使用方式不同于冶金行业的连续生产，存在间断性生产的特点，加之产品对象复杂多变，客观上存在电耗较高的不利因素，但是平均560kWh/t的电耗表明供电曲线、泡沫渣工艺存在不合理的情况。根据泡沫渣质量保守估计，若泡沫渣质量良好，可以将电耗降低30kWh/t。

泡沫渣工艺与操作不合理还造成了电极消耗量的增加。电极消耗量与电流的平方成正比，较大的电流会带来较大的电极消耗量，因此要求输入有功功率保证大电压、小电流。大电压会带来电弧的拉长，长弧操作需要相匹配的泡沫渣技术，进而起埋弧作用。同时，埋弧操作会形成对电极的有效包裹，降低电极在高温环境下的氧化性损耗。

除上述分析，在氧化阶段，为去磷、去碳，会进行过量的吹氧操作。由于没有有效的泡沫渣操作，导致了钢液的暴露，进而造成钢液过氧化、吸气吸氮等。实际测定值显示，针对氧化出钢至精炼炉的钢水，定氧仪器无法测出其含氧量，因为含氧量已经超出仪器测定范围。经过预脱氧的钢水氧含量也高于50mg/L，从而给后续的炉外精炼增加了时间，提高了难度。

4 泡沫渣工艺优化方法

结合铸锻公司现有的设备、产品与参数设置，可以从几方面进行泡沫渣工艺优化。

4.1 炉渣碱度控制

由于铸锻公司的产品对象中有较多对于硅成分的控制与要求，部分甚至要求小于0.05%，因此，渣中的二氧化硅含量很低。经测定，熔化末期与氧化前期的碱度可以达到4.0及以上，即使在氧化期，碱度也一直高于3.0。许多研究都指出，碱度为2.0左右时，发泡高度最高。碱度距离2.0的偏差越大，发泡高度就越低[4]。高碱度抑制了炉渣的发泡能力。同时，高碱度带来了极差的流动性，不仅产生不了一定高度与厚度的泡沫渣，甚至会影响自动流渣与脱磷，极端情况下会产生加入的氧化钙有未溶解的情况。改善流动性的方式只能是不断添加萤石，从而造成对炉衬的侵蚀。氧化中后期的过度吹氧，导致渣中氧化亚铁含量急剧增加，也会抑制熔渣的表面张力，使发泡高度和寿命下降。从碱度角度看，现有的造渣工艺并不能保证造出良好的泡沫渣。利用现场观察法，可以得出结论，大电压配电操作导致了电弧光的裸露，电弧炉冶炼全过程都有严重的弧光反射至炉衬，且通电时期声响持续在110db左右。

基于碱度的需求，需要对现有的熔渣进行重新配比，以碱度2.0为目标，在熔氧的不同阶段进行灵活调配[5]。100t电弧炉为纯氧化法冶炼，需进行偏心炉底留钢留渣操作，合理的碱度控制不会造成钢水中回硅的情况发生。

4.2 渣量的控制与添加

大渣量是形成泡沫渣高度和厚度的必要条件。没有大渣量，就没有泡沫渣高度。泡沫渣质量不好，也就达不到埋弧要求。渣量与泡沫渣是线性关系，大渣量对于冶炼的各个阶段都有好处。5%的渣量对于泡沫渣的形成至关重要，同时流渣与添渣的操作时机也非常重要。虽然当前操作时有渣量添加，但是由于过早流渣、多次脱磷流渣，会使泡沫渣的高度和厚度得不到保证。熔化末期、氧化前期的低温熔渣总量控制对于泡沫渣的形成较为关键，而氧化后期的泡沫渣则直接关系到升温速度与热效率利用，无论是采取照料配比，还是发泡剂添加，都可以随料进行3%左右的装料入炉[6]。

4.3 炉门氧炭枪的合理使用

如表3所示，100t电弧炉配备的是炉门炭氧枪和炉壁小氧枪。在实际冶炼操作中，炉门炭氧枪存在较多问题。

渣中的氧化亚铁含量对泡沫渣的效果起重要作用，渣中20%的氧化亚铁含量可以保证泡沫渣质量，如图2所示。由于配料中没有配入氧化铁皮，在熔氧结合阶段，渣中的氧化亚铁含量只有10%左右，即使配备较大的渣量也不能保证泡沫渣的有效形成。要增加渣中的氧化亚铁，只能通过炉门吹氧。炉门自耗式氧枪在实际使用中发挥不出真正的作用，原因是液压式气动操作模式使精确控制氧枪变得困难，无论是角度控制、长度控制，还是摇摆控制，都不能得到及时、准确的预期效果，达不到大强度供氧形成泡沫渣的要求，也不能产生脱碳去磷的效果。在氧化中后期，随着进一步的脱磷要求，一般要求小于0.003%的磷含量。由于渣量减少、碱度降低，强吹氧导致钢液过氧化与渣乳化，渣黏度降低，没有明显的脱碳反应，时常还有跑钢的情况发生。事实上，更多的脱碳任务依靠炉壁小氧枪持续供氧完成。不合理的氧枪使用还带来了频繁的氧枪更换，耗费了大量的人力与热能。

图2 供氧强度与泡沫渣高度的关系

炭枪的使用也不尽合理，当前的电炉吨钢炭粉消耗为7kg左右，在实际观察中发现，炭枪只有约20°的操作角度，一方面导致电弧光下方区域烧损，另一方面导致第四孔除尘将炭粉吸走。

可见，炭氧枪的不合理使用形成不了良好的泡沫渣，并会造成能耗损失。因此，需要对现有的炉门自耗式氧枪进行结构改造，甚至完全改造为水冷式超声速氧枪。即使不进行改造，也要在炭氧枪的操作技术上进行改进，控制好操作角度，改善供氧操作，结合脱碳与脱磷任务，合理造渣[7-8]。

4.4 配碳量的优化

由于现有工艺将100t电弧炉定位为化铁炉，更多关注终点碳与磷的控制，因此忽略了对配碳量和脱碳量的要求。此外，炉门氧枪作用小，也使得炉前操作人员不习惯高配碳量操作，会造成出钢等脱碳的现象。现有的炉前配碳量只能通过15%～20%的生铁带入，熔清碳只有0.50%左右，甚至更低。加之炉门炭枪的效果不佳，因此缺少了大量一氧化碳气体的来源，炉渣无法被气体分散成泡沫状。在现有基础上，可以进一步提高配碳量至0.80%，甚至更高。提高配碳量的方法相对简单，将现有的废旧电极加工成50～100mm电极块随料入炉即可。由此可见，合理利用废旧物资、降低能耗也是一个重要课题[9-10]。

5 结束语

对实际生产中泡沫渣的分析、持续改进是一个长期且重要的课题。影响泡沫渣质量的因素很多，对于铸锻公司100t电弧炉而言，碱度、渣量、吹氧与配碳控制是比较突出、需要改进的主要问题。

在高功率电弧炉使用中，泡沫渣技术是一项成熟、关键的技术，泡沫渣质量的优劣直接影响冶炼的能耗与质量。

[1] 胡博，郑飞，于威威，等.电弧炉自动加料车的设计与试验[J].机械制造，2015，53(7)： 37-40.

[2] 王新江.现代电炉炼钢生产技术手册[M].北京： 冶金工业出版社，2009.

[3] 钱永辉.竖式电炉废钢预热工艺[J].现代冶金，2010，38(6)： 34-35.

[4] 沈才芳，孙社成，陈建斌.电弧炉炼钢工艺与设备[M].2版.北京： 冶金工业出版社，2001.

[5] 上海五钢有限公司.电炉炼钢500问[M]. 2版.北京： 冶金工业出版社，1999.

[6] 董中奇，时彦林.电弧炉炼钢工[M].北京： 化学工业出版社，2012.

[7] 魏鑫燕，朱荣，刘立德，等.100t转炉氧枪的优化设计[J].冶金设备，2011(4)： 14-17，63.

[8] GATES L, FUJIMOTO K, OKADA Y, et al. Installation of Praxair’s CoJet®Gas Injection System at Sumikin Steel and other EAFs with Hot Metal Charges[C]. AISTech 2008 Iron & Steel Technology Conference and Exposition, Pittsburgh,2008.

[9] 张灵芳，陈永波，宋雷钧，等.AP1000主管道大锻件研究[J].装备机械，2013(2)： 14-18.

[10] 张伯明.再议铸造的能耗[C].2010全国机电企业工艺年会,上海，2010.