高鐵水比電爐提高鋼水純凈度的工藝實(shí)踐

王 婧，劉唆根，方 煒，宋水根，劉永剛， 李波毅

(新良特殊鋼有限責(zé)任公司,江西 新余 338013)

電弧爐煉鋼是當(dāng)今世界主要煉鋼方法之一[1-2]。合理利用資源，實(shí)現(xiàn)高效、低耗、清潔生產(chǎn)是電弧爐煉鋼技術(shù)發(fā)展的要求。隨著冶金工藝、裝備的發(fā)展，電弧爐煉鋼技術(shù)也隨之飛速發(fā)展。相對(duì)于轉(zhuǎn)爐煉鋼，其以廢鋼為主要原料，具有流程短、能耗低、碳排少等特點(diǎn)[3-4]，是鋼鐵工業(yè)朝綠色制造發(fā)展的重要方向?，F(xiàn)代電弧爐煉鋼，廣泛采用強(qiáng)化供氧技術(shù)進(jìn)行冶煉。強(qiáng)化供氧冶煉技術(shù)在加快煉鋼節(jié)奏的同時(shí)，也帶來(lái)了冶煉終點(diǎn)困難等問(wèn)題，終點(diǎn)鋼液過(guò)氧化問(wèn)題普遍存在[5-6]。

本公司電爐短流程煉鋼采用高鐵水比不通電冶煉，在生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)顧客使用過(guò)程中的缺陷坯料進(jìn)行成分、金相、掃描電鏡、能譜分析、大樣電解后發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生缺陷的主要原因是MnS、鋁酸鈣以及簇狀的Al2O3等夾雜物，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以及質(zhì)量受限。針對(duì)此，采用復(fù)合吹煉強(qiáng)化熔池?cái)嚢栌行Э刂平K點(diǎn)鋼液氧含量[7-8]；電爐出鋼過(guò)程連續(xù)噴粉脫氧[9]，減少鋼中大型夾雜物；利用精煉渣系優(yōu)化，促進(jìn)夾雜物上浮吸附；優(yōu)化中間包渣系，改進(jìn)保護(hù)澆注，抑制鋼液二次氧化，有效提高了鋼水純凈度。

1 電爐煉鋼終點(diǎn)氧控制

電爐爐型設(shè)計(jì)具有爐膛大、熔池淺的特點(diǎn)，同時(shí)受廢鋼熔化和爐門流渣的影響，熔池?cái)嚢鑿?qiáng)度難以提高，冶金反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件差，造成鋼液成分、溫度不均勻，終點(diǎn)氧含量和渣中氧化鐵含量偏高，最終影響電爐冶煉指標(biāo)和鋼材質(zhì)量。因此，需通過(guò)強(qiáng)化電爐煉鋼熔池?cái)嚢?，加快電爐煉鋼熔池物質(zhì)能量傳遞速度，減輕鋼液過(guò)氧化，降低煉鋼終點(diǎn)碳氧積，穩(wěn)定電爐煉鋼終點(diǎn)鋼液氧含量。

1.1 爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化

爐料結(jié)構(gòu)的合理與否關(guān)系到整個(gè)冶煉工藝、生產(chǎn)成本、產(chǎn)品質(zhì)量等實(shí)際問(wèn)題，不合理的配料往往會(huì)造成冶煉周期延長(zhǎng)，精煉鋼水成分調(diào)整難度增加等問(wèn)題，甚至產(chǎn)生廢品，影響正常生產(chǎn)。

根據(jù)不同鋼種、鐵水成分、溫度制定合理的爐料結(jié)構(gòu)制度，如表1所示，有效降低冶煉波動(dòng)，使終點(diǎn)成分及溫度更加可控。

表 1 電爐冶煉爐料結(jié)構(gòu)制度

1.2 熔池內(nèi)氧氣噴吹+爐壁供氧工藝

在開(kāi)發(fā)電爐煉鋼多功能供氧技術(shù)基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高氧氣利用效率，改善電爐熔池冶金反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件，開(kāi)發(fā)了 “熔池內(nèi)氧氣噴吹+爐壁供氧”新工藝，將電爐噴吹方式從熔池上方移至鋼液面以下，實(shí)現(xiàn)了熔池內(nèi)部氣體大流量噴吹，大大提高了電爐煉鋼熔池?cái)嚢鑿?qiáng)度，為電爐冶煉終點(diǎn)穩(wěn)定控制奠定了基礎(chǔ)。圖1為常規(guī)工藝和新工藝氧槍匹配示意圖，圖2為電爐熔池內(nèi)噴槍耐材砌筑現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖1 電爐熔池內(nèi)噴吹與爐壁氧槍匹配優(yōu)化示意圖

圖2 電爐熔池內(nèi)噴槍安裝耐材砌筑現(xiàn)場(chǎng)圖

結(jié)合50t電爐煉鋼現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，對(duì)采用“熔池內(nèi)氧氣噴吹+爐壁氧槍”方式的50 t電爐煉鋼過(guò)程的物料及能量平衡分析，根據(jù)各冶煉時(shí)段內(nèi)電爐煉鋼熔池冶金反應(yīng)特征和操作工藝需求，最終確定了生產(chǎn)過(guò)程的供氣和造渣制度，分別見(jiàn)表2和表3。

表2 供氣制度

表3 造渣制度

2 精煉過(guò)程氧含量控制

2.1 出鋼過(guò)程在線噴粉脫氧

電爐煉鋼普遍采用強(qiáng)化供氧操作，終點(diǎn)鋼液氧含量偏高，通常采用直接向鋼包內(nèi)投入鋁、硅鐵等進(jìn)行鋼液預(yù)脫氧，脫氧劑消耗量較高，預(yù)脫氧后鋼液成分不穩(wěn)定，且產(chǎn)生大量大型夾雜物。

針對(duì)以上問(wèn)題，進(jìn)行了電爐出鋼過(guò)程在線連續(xù)噴粉脫氧改造，如圖3所示，利用脫氧劑-載氣混合射流直接沖擊出鋼鋼流，碳質(zhì)微粒與高溫鋼液快速接觸，瞬態(tài)反應(yīng)生成脫氧氣泡實(shí)現(xiàn)無(wú)鋁(硅)優(yōu)先脫氧達(dá)(150～200)×10-6，鋼中初始沉淀脫氧產(chǎn)物減少40%～50%，鋼液大型夾雜物顯著減少，產(chǎn)品質(zhì)量明顯提升。

圖3 電爐出鋼過(guò)程在線噴粉脫氧系統(tǒng)

2.2 精煉渣系優(yōu)化

精煉渣的基本功能為：脫硫、脫氧、發(fā)泡埋弧、去除鋼中非金屬夾雜物，凈化鋼液、改變夾雜物形態(tài)、防止鋼液二次氧化和保溫。合理的精煉渣成分對(duì)于降低深脫氧脫硫時(shí)間、提高LF作業(yè)效率具有十分重要的意義。

為實(shí)現(xiàn)精煉渣的以上功能，要求精煉渣具有適當(dāng)高的堿度和還原性，以實(shí)現(xiàn)脫氧、脫硫的目的；要求渣鋼之間有較大的界面張力，渣與夾雜物之間的界面張力要小，以具有較高的吸附夾雜物能力，特別是吸收Al2O3的能力；低的熔點(diǎn)和良好的發(fā)泡性能，以實(shí)現(xiàn)快速成渣埋弧加熱、減少熱損失、保護(hù)爐襯的目的。

對(duì)精煉渣系各成分及精煉過(guò)程進(jìn)行觀察和分析，發(fā)現(xiàn)渣中Al2O3偏低，各成分偏差較大，且發(fā)泡能力較差。結(jié)合公司精煉爐現(xiàn)狀，通過(guò)增加爐渣堿度(CaO/SiO2)和渣中Al2O3含量，提高爐渣還原性，如表4所示，爐渣發(fā)泡能力明顯改善，渣-鋼間物質(zhì)傳遞速度加快，夾雜物吸附能力明顯提高。

2.3 軟吹氬

鋼包吹A(chǔ)r除了可以均勻成分、溫度外，還有利氣體的排除和非金屬夾雜物上浮。澆注前采用鈣處理后保持適當(dāng)?shù)能洿禋鍟r(shí)間，對(duì)脫氧良好的電爐鋼液(渣中w(FeO)<0.5%)，可獲得硫、氧、非金屬夾雜物都很低的鋼液，如圖4所示。通過(guò)工藝制度的嚴(yán)格執(zhí)行和考核，軟吹氬>8min合格率達(dá)到95%以上。

表4 改進(jìn)前后精煉爐終渣成分對(duì)比 %

圖4 軟吹時(shí)間對(duì)鋼中w([O])的影響

3 減少連鑄過(guò)程二次氧化

3.1 中間包覆蓋劑改良

中間包液面加碳化稻殼覆蓋能夠絕熱保溫，防止鋼液二次氧化。減少鋼液吸入氧、氮?dú)怏w等，但不能吸附上浮夾雜物，而且鋼水容易增碳；如果單純使用覆蓋劑，保溫效果又不能滿足要求。采用中間包液面加一層低碳覆蓋劑(見(jiàn)表5)，形成液渣層，具有吸附上浮夾雜物的作用；在液渣層上面再加一層碳化稻殼，實(shí)現(xiàn)雙層覆蓋，利于鋼液夾雜物的吸附和中間包鋼水的保溫。

表5 中間包雙層覆蓋劑成分 %

3.2 連鑄長(zhǎng)水口保護(hù)澆注

對(duì)大包長(zhǎng)水口保護(hù)澆注采用不同的密封墊形式、氬氣流量、套管形式對(duì)比(見(jiàn)表6)，認(rèn)為長(zhǎng)水口保護(hù)澆注頂壓力不足是密封效果不良的主要原因。

表6 保護(hù)澆注試驗(yàn)結(jié)果(各100爐) ×10-6

對(duì)此，采取了氣缸增加配重的方式：

(1)在套管手柄直管段焊接安裝板，安裝板下方地面預(yù)制混凝土基礎(chǔ)，同時(shí)澆注好預(yù)埋鐵，用于固定氣缸底座，氣缸與安裝板連接。

(2)排一路氮?dú)夤艿乐寥晃逋姶艙Q向閥，利用電磁閥控制氣缸上下，向下拉緊時(shí)，拉力通過(guò)管臂傳遞到大包套管，使套管與鋼包下水口壓緊、密封。

同時(shí)對(duì)連鑄大包套管進(jìn)行改造(見(jiàn)圖5)，保護(hù)澆注效果改善顯著。以連鑄鋁損≤0.005%為合格計(jì)算合格率，合格率由去年的30%提高到65%。

圖5 大包套管改進(jìn)

4 實(shí)施后取得的效果

4.1 鋼中氧含量降低

采取上述一系列措施后，鋼水中的氧含量顯著降低，平均氧含量由25.45×10-6下降至14.87×10-6，如圖6所示。

圖6 改進(jìn)前后鋼中氧含量對(duì)比

4.2 鋼中夾雜物含量降低

技術(shù)應(yīng)用后，鑄坯中夾雜物含量顯著降低，由19.43 mg/10 kg下降至5.12 mg/10 kg，同比下降74.6%；同時(shí)，>300 μm和<80 μm夾雜物得到了穩(wěn)定控制，無(wú)明顯可見(jiàn)夾雜。大型氧化物夾雜重量及分布情況分別如表7和圖7所示。

表7 改進(jìn)前后大樣電解夾雜物對(duì)比

圖7 改進(jìn)前后大型夾雜物分布情況(放大20倍)

4.3 品種結(jié)構(gòu)改善

連鑄坯品種結(jié)構(gòu)也由此發(fā)生較大變化，主要集中在某重點(diǎn)用戶，銷量由4.8萬(wàn)t提高到5.9萬(wàn)t，占公司圓坯產(chǎn)量的26.66%，合金鋼比由32.35%提高到70.12%，見(jiàn)圖8。

圖8 某重點(diǎn)用戶各鋼種比例對(duì)比

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)優(yōu)化爐料結(jié)構(gòu)，采用“爐壁供氧+熔池內(nèi)供氧”方式，形成了電弧爐高鐵水比條件下煉鋼多介質(zhì)復(fù)合噴吹終點(diǎn)氧控制技術(shù)，有效改善鋼液質(zhì)量。

(2)研發(fā)了電弧爐出鋼過(guò)程在線噴粉脫氧技術(shù)，精準(zhǔn)控制出鋼后鋼液氧含量、降低脫氧劑消耗、減少夾雜物產(chǎn)生，穩(wěn)定精煉環(huán)節(jié)工藝節(jié)奏。

(3)通過(guò)精煉渣系優(yōu)化、控制軟吹氬時(shí)間、中間包覆蓋劑結(jié)構(gòu)優(yōu)化等手段，有效提升夾雜物去除效率，抑制鋼液二次氧化，提升產(chǎn)品質(zhì)量。