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1、北满特钢电炉兑铁水工艺1. 概述半个世纪以来，随着电炉炼钢技术的不断发展，特别是超高功率 电炉及其相关技术、二次精炼和连铸技术的发展与广泛应用，使电炉 炼钢生产率大幅度提高，电耗显著降低，世界电炉钢产量占总产量的 比例不断升高。废钢资源，特别是优质废钢出现世界性的短缺；废钢 质量也越来越不能适应电炉炼钢工艺发展的要求。为了克服废钢短缺问题，冶金工作者进行了长期的大量的探索， 先后开发成功直接还原铁（DRI）、碳化铁、高炉铁水、COREX融熔 还原铁水等产品替代部分废钢，减缓废钢资源紧缺的压力，提高钢水 纯净度，从而使电炉炼钢原料多样化。20世纪90年代以来，我国电炉炼钢发展很快，这同样得益于超
2、高 功率电炉的广泛应用，全国已建超高功率电炉几十座。但我国是一个 发展中的大国，废钢资源严重短缺，电价昂贵（几乎是美国电价的35 倍），这些都成为制约我国电炉钢发展的关键因素，因而迫切需要寻 找废钢代用品，解决废钢不足、质次、价高的问题。由于资金、技术 和能源方面的问题，在我国DRI、熔融还原铁水等的生产和使用仍处 于起步阶段。在这种情况下，由高炉直接供应铁水热装电炉，取代部 分废钢就成为许多电炉钢厂的首选方案。目前国内有许多电炉陆续采 用部分铁水作为电炉炼钢原料，取得非常显著的效果。2. 电炉热装铁水的效果2.1降低电炉炼钢成本在电炉冶炼碳素钢成本构成中钢铁料、电能、电极等分别居于前 三位，
3、约占炼钢成本的75%。由此可见，这三项是影响成本的关键因 素。降低电炉炼钢成本首先应考虑降低这三项消耗。我国废钢严重短缺，电费昂贵，对炼钢成本影响很大。我国众多 电炉钢厂之所以纷纷采用铁水热装工艺，最根本的原因也是从生产成 本上考虑的。自20世纪后期以来，我国废钢资源一直十分紧张，废钢价格居高不下，以致废钢价格普遍高于铁水价格250300元/t。在此情况下， 电炉钢生产成本较高，在市场竞争中非常被动，以部分铁水代替废钢， 既缓解了废钢的紧张情况，又降低了生产成本。若铁水热装比为 30%50%，由于废钢与铁水的价格差即可降低电炉钢生产成本80 150 元/to成本的降低除了两者原料的价格差外，还
4、由于铁水带入了大量的 物理热。当铁水热装比为30%50%时，仅铁水带来的物理热一项就 相当于可以降低电能68kWh/t113kWh/t。加入的铁水也带入了更多 的碳、硅、锰等化学元素，它们氧化同样会产生大量的化学能。若按 照铁水热装比30%50%，物理热和化学热共降低电耗100200kWh/t 考虑，电耗的降低也可以使电炉钢生产成本降低50100元/to同时由于电耗降低，电极消耗也相应降低，由此还可以降低成本2550元/to上述三项合计共可以降低成本155300元/t。可见，铁水 热装对电炉钢厂降低生产成本非常有效。2.2降低冶炼电耗2.2.1 理论分析(1) 铁水带入的物理热铁水加入熔池带入
5、的物理热：Q = mC (T2 Tj ) -I- L -I- C2 (T3 T)式中：匚分别为生铁的固态、液态平均热容；取C- = 0 75k/kg；匸二=m壬：工二巨.：；L为生铁熔化潜热；取1 = 217 3i；k-；kg；匸、匸、匚分别为常温25C、生铁熔点1089C、铁水温度1250C。贝U： m=1000kg时，铁水带入的物理热为1144973kJ。(2) 铁水带入的化学热铁水中C、Si、Mn、P等元素氧化时，放出大量化学热。在铁水1250 C吹入氧气，元素反应热效应见下表1。表1 元素反应热效应亠 =1=兀素化学反应反应热 kJ/kgCC + |02 = (CO)11300SiSi
6、 4-02 + 2(Ca0) = (2CaO - SiO2)28314Mn7020P2P + -O2+4CCaO) = C4CaOP2O5)257321000kg 铁水带入的化学热=1000 X (11300 X 4% -F 28314 X0.80% -F7020X 0.70% + 25732 X 0.08% -h 2 ) = 737945kJ（3）理论节电值1000kg 铁水带人的热量=144973 十 737945 = 1882918k）换算成电耗为：mm： m；即：每加入1%的铁水理论降低电耗约5.23kWh/t。同时根据北科大李士琦、林纲等人的研究，电炉炉料中使用其他含铁原料取代1%的
7、冷废钢引起能量收支的变化，理论数值见表2：表2含铁原料引起的能量变化序号项目冶炼电耗单位1配加1 %的冷生铁减少1.18kWh/t 钢2配加1 %的热铁水减少4.66kWh/t 钢3配加1 %的直接还原铁增加1.24kWh/t 钢2.2.2 实际效果根据大量文献记录的电炉热装铁水生产实际情况，现将部分钢厂 的节电效果归纳如下：表3部分钢厂铁水热装节电效果表序 号厂家铁水兑入 比例%电耗 全废钢 kWh/t 钢电耗 兑入铁水 kWh/t 钢节电kWh/t 钢备注1安钢loot竖炉28310.24230.3280全废钢 时25% 生铁2安钢loot竖炉35210.913莱钢50t253222616
8、14涟钢60t30519426935沙钢90t竖炉30353503702402601106八钢70t15352903247八钢70t20502403008黄石东方钢铁30t55.61769黄石东方钢铁30t6015010韶钢90tCONSTEEL303802879311广钢60tDC475.36420.4654.912广钢40tAC470.56423.4647.12.2.3 铁水废钢比例平衡式上述理论计算值同生产实际数据相比较，理论节电值要大于实际节电值，这主要是由于：a）铁水加入与生铁比较，化学热重复计算,计算的理论节电值偏高；b）由于铁水中硅、磷含量较高，从而使石 灰消耗增加，未考虑石灰等
9、的降温作用；C）由于铁水的加入，化学 反应较为激烈，热量散失增加等等。综合考虑铁水的碳氧等化学反应、物理热、金属收得率等因素，铁水废钢比例平衡式可表示为：1%铁水跆1%清洁废钢+ 3.5kWh/t电能如果北满特钢电炉采取铁水热装工艺，兑入铁水比例按照30%40%考虑，理论节电可以达到105140kWh/t钢。2.3缩短冶炼周期2.3.1 理论分析（1）熔化期缩短铁水加入，带进大量的物理热，可以预热废钢，使废钢熔化加快； 由于铁水的渗碳作用，使废钢的熔点降低，熔化迅速；铁水热装配合 留钢操作可以实现提前吹氧，使废钢接触紧密，从而使热传导系数提 高，传热速度加快。（2）氧化期缩短由于铁水加入，熔池
10、较早形成，有利于熔化期去磷，减轻了氧化 期任务；由于铁水加入，配碳量提高，使C-O反应激烈进行，熔池搅 拌加强，有利于泡沫渣的形成和埋弧操作，传热效率提高，升温迅速。（3）热停工时间减少由于铁水加入，对于一些小容量的电炉，装料次数可以由原来的三次或四次加料，减少为二次或三次加料，相应减少一次加料时间。 对于一些大容量的电炉，若采用铁水溜槽、连续加入铁水的方案，也 可以减少一次加料时间。每减少一次加料时间，相当于减少热停工时 间3min。同时由于铁水加入后，冶炼熔池较为稳定，断电极次数相应 减少，非通电时间也会缩短。（3）其他问题铁水比为15%35%时，随铁水量增加冶炼周期下降幅度较快，但是当铁
11、水量再加大时，冶炼周期下降幅度减慢，甚至会延长。当铁水比低于15%时，入炉废钢较多，废钢熔化时间较长，冶炼 周期缩短效果不明显。当铁水比大于35%时，理论分析冶炼时间也会 缩短，但实际结果不太理想，甚至还会延长。主要原因是在供氧强度 一定的情况下，入炉炉料碳含量太高，供氧不足，导致熔清碳含量太 高，脱碳速度较慢，脱碳速度成为制约冶炼周期缩短的限制性环节。 同时因为钢水中硅、磷含量增加，石灰加入量相应增加，渣量增加， 钢水升温速度也会减慢。2.3.2 实际效果根据大量文献记录的电炉热装铁水生产实际情况，现将部分钢厂的冶炼周期归纳如下：表3部分钢厂热装铁水冶炼周期序 号厂家铁水兑入 比例%冶炼周期
12、 全废钢min冶炼周期 兑入铁水min缩短时间min备注1安钢100t竖炉2854486炉壁开 口兑铁2安钢loot竖炉3547.62序 号厂家铁水兑入 比例%冶炼周期 全废钢min冶炼周期 兑入铁水min缩短时间min备注3莱钢50t25756015炉顶加 入4涟钢60t30165130355沙钢90t竖炉3035644548最快38铁水溜 槽6八钢70t15354255炉顶加 入7八钢70t205040508韶钢90tCONSTEEL30644915铁水溜 槽9广钢60tDC74611310广钢40tAC1008614如果北满特钢电炉采取铁水热装工艺，兑入铁水比例按照30%考虑，相应可以缩
13、短冶炼周期约1015min。2.4减少电极消耗由于铁水加入，冶炼周期缩短，电极的高温氧化和剥落时间减少， 电极吨钢消耗减少。同时由于废钢装料减少，电极折断的次数减少， 电极使用率提高。因此，尤其是对于普通高功率小电炉来说，能够有 效的降低电极消耗。涟钢一炼钢60t电炉，1997年热装铁水前电极消耗为5.39kg/t钢； 1999年热装铁水后为4.23kg/t钢，平均降低电极消耗1.16kg/t钢，月度 最好指标为3.98kg/t钢。当然对于大型超高功率电炉也能在一定程度上减少电极消耗，沙钢90t超高功率电炉，1999年热装铁水前电极消耗为1.77kg/t钢1.82kg/t钢；2000年热装铁水
14、后为1.591.79kg/t钢，平均降低电极消 耗 0.11kg/t 钢。2.5提高钢水质量2.5.1 稀释钢液中的有害元素废钢中残余兀素含量较咼，特别是Cu、Cr、Ni等不易氧化兀素, 在全废钢时，有时含量甚至高达0.25%以上，影响了品种的开发，同 时也影响钢水的内部质量。铁水作为一种比较纯净的金属炉料，其中 Cu、 As、 Sn、 Sb、 Bi 等有害残余兀素含量很低。兑入铁水能够有效的稀释废钢中的有害兀 素。淮钢曾做过铁水热装比例对钢液中有害兀素的影响试验，其结果 见表4。表4 铁水热装比例对钢中有害兀素的影响铁水热装比%Ni%Cu%Pb%Sn%As%00.170.22 0.0010.00450.0068100.130.15 0.0010.00210.0042150.110.14
