60 t电弧炉全废钢熔炼技术

安 杰，李 涛，王 哲，马永强，战东平

(1.抚顺特殊钢股份有限公司 总工办，辽宁 抚顺 1130012.东北大学 材料与冶金学院， 辽宁 沈阳 110819)

某钢厂自1999年引进60 t交流竖井式电弧炉，主要用于生产汽车齿轮钢、风电轴承钢以及不锈钢管坯等高档特殊钢品种。该电弧炉使用废钢、生铁作为主要的入炉钢铁料，最初的生铁配入比例高达35%～40%。近年市场形势和环保压力驱使炼钢用生铁资源极度紧缺，促使生铁与废钢的价差逐渐扩大，当前生铁与废钢的差价一般在600～800元/t，这是导致电弧炉炼钢流程成本高的主要原因之一。所以，减少电弧炉生铁配入比例，被作为降低冶炼原材料成本的首要任务。通过开展工艺攻关逐渐减少生铁配入量，最终实现了电弧炉的全废钢熔炼。某钢厂60 t竖井式电弧炉主要设备参数，见表1。

表1 60 t电弧炉主要参数

1 优化料型结构，保证生产顺行

某钢厂60 t竖井式电弧炉是采用料蓝两遍铁的方式装炉，即1遍旋炉盖+1遍竖井加入。从大量配入生铁转变为全废钢熔炼时，首先要面临的问题是生铁与废钢的堆比重差异带来的炉料体积增加，两遍铁装炉时出现长时间平铁，甚至三遍铁装炉现象，既增加冶炼时间，又严重阻碍生产顺行。通过优化料型结构，使用堆比重良好的重型废钢代替生铁，如单一的轮毂废钢，同时做到重型、中型、粉碎料等废钢料型的合理搭配，确保两遍铁装炉，解决了生铁配入量逐渐减少，乃至不配入时影响生产效率的问题。电弧炉使用的生铁、轮毂废钢及粉碎料常用废钢料型等，见图1。

图1 常用废钢料型

2 电弧炉全废钢熔炼的钢水成分控制

某钢厂冶炼特殊钢的工艺流程一般为60 t电弧炉→LF精炼→VD脱气→连铸，其中电弧炉的主要任务是废钢熔化后的钢水脱磷。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[1]。某钢厂生产的汽车齿轮钢、风电轴承钢以及不锈钢管坯等高档特殊钢的磷元素要求严格，钢中的Cr、Ni、Mo、W等合金元素含量多且高，需要在电炉炉后至精炼过程加入大量的合金料进行合金化操作，而合金料中磷含量不稳定，为防止电炉出钢后的精炼过程钢水增磷超出标准要求，电弧炉出钢需要低控钢中的磷，一般控制电炉出钢w(P)≤0.010%，部分品种甚至更低。

国家标准中炼钢用生铁的标准要求w(P)≤0.150%，具体分析结果一般为w(P)=0.080%～0.100%。当生铁配入量减少时，理论计算配入磷含量和实测电炉全熔磷含量，见表2。

表2 生铁配入比例与磷元素控制的关系 %

表2中，假设废钢中磷含量为0.030%，计算出生铁配入比例在10%～40%时的配料磷含量。为促进电弧炉熔化期脱磷，电炉装料前使用白灰垫炉底，所以熔炼过程无法采集配入的原始磷含量，一般通过熔炼过程的全熔磷含量间接表征原材料中磷含量的高与低。由表2可知，电弧炉配料随着生铁配入量的减少，钢水全熔磷含量呈降低的趋势。采用全废钢熔炼时，电弧炉配入的磷含量达到最低的控制水平，缓解了电弧炉的脱磷压力，同时硫含量的控制与磷含量存在类似的现象，后续精炼脱硫压力亦得到了缓解。另外，大部分高档特殊钢品种有残余“五害”元素的标准要求，受炼钢用生铁冶炼原材料的影响，不同的生铁来源，其中含有的“五害”元素波动大，使用全废钢熔炼后，同样改善了残余元素“五害”超标的风险。

3 电弧炉全废钢熔炼工艺改进

1)解决配碳量不足问题

电弧炉原废钢+生铁配料模式中，炼钢用生铁的碳含量约为4%，生铁是配料中最主要的配碳材料。采用全废钢熔炼后，直接将入炉钢铁料的配碳量由1.6%～1.8%降至极低的水平，势必会显著增加电弧炉熔炼过程的钢铁料烧损，造成成本流失和出钢钢水过氧化，所以需要对电弧炉全废钢熔炼的工艺进行完善。

生产实践中，使用300～500 kg/炉的石墨压球随钢铁料装入炉中，同时通过熔炼过程中增强喷碳粉操作的方式改善炉内氧化性气氛，经过工艺调整和摸索喷碳粉量由起初的7～8 kg/t增加至16～17 kg/t，用以弥补配碳量不足的问题，并且需要与供氧曲线的调整相配合。

2)优化供氧曲线

随着电弧炉的生铁配入比例逐渐降低，为避免熔炼过程严重的钢水过氧化现象，电弧炉炉门氧枪的供氧方式也需随之进行调整：①延长出钢前中、低氧供氧时间，缓解钢水在高温低碳区的氧化程度；②下调主供氧阶段的最大氧气流量，由最初的2 500 m3/h阶段性下调至2 000～2 300 m3/h(生铁配比22%～24%)[2]，当采用全废钢熔炼时最大氧气流量降低至1 500～1 700 m3/h，各阶段供氧曲线对比，见图2～图4。

图2 生铁配比35%～40%的供氧曲线

图3 生铁配比22%～24%的供氧曲线

图4 全废钢熔炼的供氧曲线

如图4所示，电弧炉全废钢熔炼的主供氧强度降低后，缓解了熔炼过程钢水过氧化问题，为后续精炼操作创造有利条件，对稳定产品质量具有很高的贡献度。

4 消耗指标的改善

电弧炉采用全废钢配料后，配合较为合理的熔炼工艺改进，即可得到与原生铁+废钢配料模式更好的钢水条件，可使钢铁料收得率稳定控制在88%～89%。电弧炉使用白灰作为脱磷材料，全废钢配料的全熔磷含量可控制在0.015%以下，明显低于配入生铁的情况，大幅改善了脱磷操作的原始条件，熔炼过程再无频繁加入白灰脱磷操作，白灰消耗由原63 kg/t降至42 kg/t，取样分析碳、磷元素次数多的现象亦可避免，冶炼时间由原88 min降至80 min。同时，电极消耗、电耗以及氧气消耗等参数均得到了不同程度的改善。另外，对于磷含量要求不高的品种，电弧炉使用白灰造渣只需起到稳弧的作用，可最低限度的降低白灰消耗。

5 改善效果

经测算，采用全废钢熔炼技术比原生铁35%～40%+废钢配料模式，配料成本可降低150元/t以上。通过上述工艺优化，除配料成本大幅降低外，电弧炉各项消耗指标同样得到不同程度的改善，具体见表3。

表3 消耗指标的改善

6 结 论

实践证明，60 t竖井式电弧炉通过优化配料结构、改进供氧曲线、加强喷碳粉操作等措施，实现了全废钢熔炼的目的，大幅降低配料成本，同时改善消耗指标。