电炉炼钢高效洁净低成本生产技术进展

电炉炼钢高效洁净低成本生产技术进展北京科技大学特殊钢冶炼学术委员会（暨全国大电炉协调组）2011年10月交流内容1我国电炉钢生产的现状2电炉炼钢高效洁净低成本生产技术3用多尺度理论解决现代炼钢问题4高品质特殊钢发展趋势北京科技大学朱荣我国电炉炼钢以特钢生产为主（70%）电炉炼钢流程的总体装备水平不高电炉炼钢生产成本较高，部分产品市场竞争力较弱电炉炼钢废钢原料质量差、价格高，难以生产高质量钢材大量采用铁水，电炉转炉化，能源消耗提高与转炉钢相比，能耗低不意味低成本，同品种钢吨高200-500元电炉传统产品有部分已转向转炉生产北京科技大学朱荣电炉钢比例下降2003-2009年间，从17.6%下降到10%。2010年我国钢产量达到5.8亿吨，电炉钢钢产量仅为6000万吨左右（世界第一）。1我国电炉钢生产的现状电炉钢生产技术理念的变革炼钢核心工艺传统工艺方法新工艺理念多元原料结构废钢+生铁+DRI废钢+生铁+铁水+DRI+铁矿能源结构变化电能为主+辅助化学能根据原料构成调整能源结构提高钢水纯净度同一反应器内耦合进行按反应规律分工位进行控制钢中夹杂物电炉脱氧+LF精炼处理降低钢水氧化性，采用真空前、后处理（+LF）提高生产效率扩大装入量加快生产节奏低成本生产技术使用低质原辅料、简化工艺流程优化单元操作、工序组合北京科技大学朱荣工序单元组合优化，提高生产节奏合理利用金属资源，提高能源利用率2.1电炉钢生产的高效化北京科技大学朱荣2电炉炼钢高效洁净低成本生产技术提高电炉生产节奏供电时间缩短到25～30min，冶炼周期≤45min，全废钢冶炼电耗≤350kWh/t，电极消耗≤1kg/t。超高功率供电，比功率达到1000kVA/t提高化学能输入比例（燃气及铁水），供O2强度～1.5Nm3/t.min废钢预热，平均废钢预热温度≥600℃连续加料，缩短加料时间减少辅助时间，如减少补炉时间等技术措施北京科技大学朱荣北京科技大学朱荣电炉高效吹炼技术进步人工吹氧从1根氧管到3根氧管炉壁氧燃烧嘴辅助能量炉门吹氧机械装置强化供氧及安全生产炉壁、EBT氧枪解决冷区、温度成分均匀集束射流氧枪助熔、脱碳、喷粉及二次燃烧供氧+底吹搅拌+喷粉脱碳、脱磷钢水温度成分均匀在废钢短缺及电力价格高的条件下，提高电炉配碳（生铁及铁水）的电炉复吹强化技术（吹氧、喷粉及底吹）是降低电炉炼钢生产成本，增强电炉炼钢生产的竞争力的重要手段。粉气流石灰粉碳粉萤石粉„„气源电炉底吹控制系统N2/Ar/CO2粉气流技术历程电炉炼钢集束(coherence)供氧技术传统超音速射流外裹高速低密度介质前期满足废钢助熔、中期脱碳及二次燃烧与喷碳配合控制改善搅拌条件，脱碳效果好，满足铁水脱碳实现电炉高效化快速冶炼，冶炼时间40min以内90%铁水吹炼，零电耗及零电极操作脱碳助熔北京科技大学朱荣三种射流的速度衰减单孔超音速、环氧超音速、集束射流的衰减情况速度m/s北京科技大学朱荣氧气射流对熔池搅拌的影响（不同流量）a-北京科技大学朱荣教授1450m3/h1800m3/h2000m3/h500m3/h水模实验及射流模拟装置大型水模试验场冷、热态集束射流试验北京科技大学朱荣集束射流氧枪全冷料炼钢试验研究北京科技大学朱荣出钢助熔取样脱碳注：同品种、废钢和铁水同价100吨电炉(60%铁水)与100吨转炉(85%铁水)消耗及成本对比成本项目转炉电炉消耗金额,元消耗金额,元1.钢铁料kg1087.502827.501108.532882.182.合金料kg17.79110.3416.1590.923.铁矿石kg6.996.014.熔炼费169.04307.64(1)能源及动力减煤气回收100.63246.14(2)辅助材料kg8140.526328.73(3)耐火材料30.8936.915.制造费用36.6561.83变动成本合计3321.583654.35北京科技大学朱荣钢铁料消耗增加氧气的变化增加合金消耗增加电极消耗增加固定电费取消渣量增加设备维护费用提高成本略有下降（废钢因素）北京科技大学朱荣原料为85%铁水的电炉与转炉冶炼对比违背了电炉炼钢的初衷，但利用了电炉的柔性调节功能高径比对熔池搅拌的影响电炉转炉熔池深度h＝880mm熔池深度h＝1170mm熔池直径D＝5988mm熔池直径D＝4372mm熔池高径比h/D＝0.146熔池高径比D/h＝0.2676转炉熔池高径比是电炉的1.83倍，不利于电炉熔池的搅拌，及废钢的预热，加上电炉炉门跑渣跑钢，吹炼强度更受限制。根据水模及数模的研究，转炉熔池的搅拌强度是电炉的10-20倍。同是100吨炼钢炉，熔池体积是一致的（13.9m3），但电炉与转炉熔池高径比的区别：北京科技大学朱荣电弧炉炼钢底吹技术进步统计统计炉数冶炼时间初炼电耗氧气消耗石灰消耗氮气氩气钢铁料铁水比minkwh/tm3/tkg/tm3/tm3/tKg/t无底吹73659136.2342.561.5111360.40%有底吹6885512832.451.16．00.166109760.40%指标对比-4-8.23-10.1-10.416价格对比元/吨-4.11-5.85-41.80.8-48.0脱磷率提高30-50%,氧含量下降100-200ppm北京科技大学朱荣电炉炼钢复吹技术进步电炉炼钢实现终点自动控制的时间已经不远解决了终点氧、氮及脱磷等问题电炉高效、洁净及低成本生产路线成为可能目前需解决的问题：底吹砖寿命问题电炉原料结构变化对底吹工艺的影响北京科技大学朱荣提高能量利用效率从某种意义讲，冶炼是一种以能量换取合格钢生产量的过程。冶炼能耗用于合格钢水的物理热——有用能量380kwh/t～steel或1368MJ/t～steel合格钢水与杂质的分离——冶炼操作耗能可利用的余热——物理余热和化学余热热损失北京科技大学朱荣炉料结构冷废钢100%冷生铁100%热铁水100%直还铁100%总物料量kg1109115811481265.0用氧m312.368.960.010.1总能量kwh456.4614.8614.8571.5收入项物理热kwh5.36.9355.07.1化学热kwh60.5335.6335.649.5总收入热kwh65.8342.5690.656.6支出钢水kwh380.2380.2380.2380.2炉渣kwh17.351.851.8107.9炉尘kwh15.415.415.414.5炉气kwh1.244.644.62.2其它kwh42.3122.8122.866.7总支出热kwh456.4614.8614.8571.6需补充热能kwh390.6272.3514.9多余热能kwh75.8四种金属料的物料和能量计算（1000kg钢水）北京科技大学朱荣北京科技大学朱荣教授20根据物料及热平衡估算80％废钢＋20％生铁：(800kg×390+200kg×270)/1000＝366kwh/t70％废钢＋30％铁水：(700kg×390－300kg×76)/1000＝250kwh/t40％废钢＋60％铁水：(400kg×390－600kg×76)/1000＝110kwh/t50％废钢＋20％DRI＋30％铁水：(500kg×390＋200×514－300kg×76)/1000＝275kwh/t20％废钢+80％铁水：(160kg×390－840kg×76)/1000＝0kwh/t当原料中碳高时，优先供氧，充分利用化学能，即先氧后电当原料中碳低时，优先供电，合理利用电能，即先电后氧191856407564777062788677946492兑铁水10.4810.467.3U2=811VI2=62kA75.4U2=865VI2=66kA63.1U2=786VI2=60kA67.5U2=839VI2=58kA60.7U2=739VI2=59kA6时段Ⅰ时段Ⅱ时段Ⅲ时段Ⅳ时段Ⅴ电弧炉炼钢过程的单元集成优化按冶金操作将有效供能时间分成五个时段北京科技大学朱荣装料毕，通电铁水天然气石灰冶炼终点停电，出钢出钢毕出钢毕冶金操作tmin2603012986803911575986556181945947补充电能用氧5606吹氧18860吹氧5254吹氧11247吹氧5061吹氧40t废钢生铁70t天然气天然气直接还原铁天然气天然气1000石灰20t25℃1521℃1580℃1623℃1640℃各时段能量需求30t87164774400温度能量状况(kWh)时段Ⅰ“穿井”时段Ⅱ熔化期时段Ⅲ氧化期时段Ⅳ氧化期时段Ⅴ氧化期钢铁原料化学能时刻熔清1040084001040072001400600石灰600600150042110石灰石灰10003164+++++O时刻碳粉10碳粉30碳粉5520253540m3/hm3/hkgkg/min+铁水物理热12708==该工况下的生产效果：冶炼氧耗40m3/t冶炼电耗326kWh/t出钢量141t炼钢分段冶金操作及能量集成状况现以典型工况下的炼钢过程来说明能量集成过程：使用四元炉料结构，炼钢生产采用一篮装料制度。其炉料结构为：冷废钢装入量70t占43.8%；冷生铁装入量20t占12.5%；热铁水装入量40t占25.0%；还原铁装入量30t占18.7%；总装入量160t100.0%。北京科技大学朱荣余热蒸汽利用(50t电炉为例)序号名称符号单位数值1冶炼周期内换热量Q×107kJ2.452热效率η％853蒸汽压力PMPa1.84冶炼周期内平均产蒸汽量Gpjt7.76每小时蒸汽产量Gbt/h227外供蒸汽量G10-18t/h18(260kg/t)8热管式余热锅炉出力Gmt/h25序号名称符号单位数值1VD炉蒸汽喷射泵工作一次需要的蓄热量QkJ67502蓄热器容积Vm3803蓄热器数量n台2北京科技大学朱荣电弧炉烟气余热的特点转炉烟气排出的二次能源的总热量约为：1.0-1.2*103MJ/t。电炉根据加铁水的比例确定二次能源的输出量。由于电炉铁水加入量的不确定性（特别是联合企业），稳定控制烟气输出能量尤为重要。前述电炉加60%铁水，蒸汽量为260kg/t,利用的为160kg/t，相当于250MJ/t多余的热量基本浪费。电炉的煤气潜热基本要在炉内及烟道燃烧，蒸汽成为主要二次能源。蒸汽的利用成为问题：供真空炉有富余，多余的应考虑并网或发电等方法。北京科技大学朱荣电弧炉-余热蒸汽回收的协调运行北京科技大学朱荣将电弧炉能量分段控制系统与余热回收系统连接，实现电弧炉冶炼和余热回收协调统一运行。稳定烟气目标成份、温度和流量，减少混风量，提高余热回收效率，实现余热回收热量的均衡高效。钢水金属料蒸汽炉气钢水钢水电弧炉LF炉VD炉2.2电炉钢生产的洁净化钢质的洁净化（内在洁净化）钢的洁净化生产（外部洁净化）北京科技大学朱荣钢质的洁净化目标：成分控制精度：C（±0.01%）;Si、Mn（±0.02%）;△Ti,△V,△Nb（0.01%）。夹杂物：dS≤10（μm），无脆性夹杂物。合理配料，提高钢水洁净度高效脱磷技术，[P]0.008%强化供氧，并控制终点[O]≤450ppm，实现低氧出钢，低氮出钢炉外强化脱硫，合理选择精炼工艺流程钢水保护浇注电磁制动与大型夹杂控制技术技术措施北京科技大学朱荣品种用途用户要求生产目标薄板DI罐防止裂纹DA40μm超深冲板非常薄较高抗拉强度Di40μm防止碳化物、氮化物的析出汽车轮箍防止勾形裂纹DA100μm汽车轮盘极好的穿孔性能DM20μm门窗框架防止冲压时产生裂纹DA20μm护板防止酸浸颜色不同防止加工时产生裂纹DA5μm管材无缝管防止因氢产生的裂纹全部为球形夹杂棒材轴承滚动接触寿命长DA15μm丝抗疲劳钢丝高抗拉强度防止冲压时断裂T[O]10ppm弹簧高强度，疲劳寿命长减少非塑性夹杂注：DA为Al2O3直径，DM为MnS直径，Di为所有夹杂物直径。钢材夹杂物含量和尺寸的要求废钢中残余元素含量的限制HBI/DRI/碳化铁生铁1号工业