電弧爐冶煉電耗控制的研究

電弧爐冶煉電耗控制的研究

1安鋼及其回爐電耗節(jié)約能源是確保經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。鋼鐵企業(yè)是能耗大戶,電能是鋼鐵企業(yè)主要的能量投入項,電弧爐煉鋼過程的主要能源是電能,節(jié)約電能對增加鋼鐵企業(yè)經(jīng)濟效益、提高企業(yè)技術和管理水平有重要意義。安鋼100t豎式電弧爐自1999年11月投產(chǎn)以來,通過技術創(chuàng)新、加強管理和提高操作水平,實現(xiàn)了冶煉電耗的持續(xù)降低,噸鋼電耗最低達160kW·h。本文對電弧爐冶煉電耗進行了理論分析,根據(jù)電弧爐冶煉周期的綜合控制理論,對安鋼電弧爐冶煉電耗低的經(jīng)驗作了系統(tǒng)的討論總結,希望對降低大型電弧爐的能源成本、使國內(nèi)大型電弧爐冶煉電耗指標達到國際先進水平有所裨益。210主要設備技術參數(shù)安鋼100t電弧爐是FUCHS公司開發(fā)的超高功率帶指形裝置的豎式交流電弧爐(UHP-FSF),采用的電弧爐煉鋼新技術有:超高功率供電技術、水冷爐壁技術、水冷碳氧槍技術、泡沫渣技術、爐壁燒嘴技術、豎爐廢鋼預熱、鐵水熱裝技術、圓心底出鋼技術、電極噴淋技術。電弧爐主體裝備技術水平達到90年代國際先進水平,其主要設備技術參數(shù)見表1。其操作工藝為:出鋼口填砂→打開手指裝入第一批廢鋼料→開啟氧油燒嘴、送電、兌鐵水、吹氧→電耗5～9MW·h時兌鐵水完畢,停電加入第二批廢鋼料→送電、吹氧,廢鋼熔清后測溫、取樣、停氧油燒嘴→成分、溫度合適準備出鋼。3提高需求:tb從能量平衡的角度考慮,電弧爐冶煉周期可以用下述公式計算:t=t1+t2(1)t1=(C×W×60)/(Peηcosφ+Pc+Pp)(2)C=(Peηcosφ+Pc+Pp)×t1/(W×60)(3)C=Ce?Cc?Cp(4)t=t1+t2(1)t1=(C×W×60)/(Ρeηcosφ+Ρc+Ρp)(2)C=(Ρeηcosφ+Ρc+Ρp)×t1/(W×60)(3)C=Ce-Cc-Cp(4)式中t——電弧爐冶煉周期(出鋼至出鋼時間),min;t1——供能時間,min;t2——熱停工時間,min;W——鋼液質(zhì)量,t;Pe——表觀輸入電功率,kW;η——電效率;cosφ——功率因數(shù);Pc——由化學熱換算成的電功率,kW;Pp——由物理熱換算成的電功率,kW;C——冶煉電耗,kW·h/t;Ce——Cc與Cp為0的電耗,kW·h/t;Cc——由于化學熱導致的節(jié)電,kW·h/t;Cp——由于物理熱導致的節(jié)電,kW·h/t。由式(3)可見,提高噸鋼輸入功率,可提高η,通電時間縮短,電耗降低;噸鋼輸入能量少,即(Peηcosφ+Pc+Pp)/W小,減少噸鋼輸入功率,可能使通電時間延長,電耗增加。為此,提高噸鋼輸入能量有利于降低電耗。由式(1)可見,減少熱停工時間,可以減小t,減少能量損失,提高生產(chǎn)率,降低電耗?？傊?縮短冶煉周期是降低電弧爐冶煉電耗的基本途徑。4電弧爐冶煉周期的綜合控制理論由式(1)～(4)可見,為了縮短冶煉周期,必須提高噸鋼輸入功率(包括表觀輸入電功率、電效率及功率因數(shù))、化學熱和物理熱、降低電耗和減少熱停工時間,這就是電弧爐冶煉周期的綜合控制理論。下面根據(jù)安鋼的生產(chǎn)實踐,簡單介紹電弧爐冶煉周期的綜合控制理論的應用。4.1鐵水加入比例安鋼從1993年開始,在出鋼量為25t的電弧爐(公稱容量10t)上進行了熱裝鐵水操作及合理鐵水裝入量的試驗。研究結果表明,有一最佳鐵水加入比例。這一最佳值與爐子的供氧能力有關,當供氧能力大時,兌鐵水比例增至50%,噸鋼電耗仍在下降,見圖1。從圖1可知,當兌鐵水比例增至50%時,噸鋼電耗可降至160kW·h。熱裝鐵水可以有效地降低電耗,熱裝30%鐵水,可降低噸鋼電耗100kW·h左右。4.2安鋼電弧爐無功功率供電檢測優(yōu)化供電制度,可提高有效功率,即增加Peηcosφ。安鋼100t豎式電弧爐供電系統(tǒng)配備動態(tài)無功功率補償裝置(SVC),采用低電流高電壓長弧操作。生產(chǎn)運行過程中,對入爐料及不同的鐵水配比進行跟蹤測試,隨著產(chǎn)量的不斷提高,并根據(jù)電路電氣特性曲線,兩次修改制定供電曲線,優(yōu)化供電制度,保證電弧穩(wěn)定的同時,充分利用電弧功率。根據(jù)電弧爐留鋼留渣、熱裝鐵水等工藝情況,安鋼100t豎式電弧爐有功功率供電曲線如圖2所示。采用低功率起弧、高功率穿井,熔池形成后最大功率供電,鋼水升溫速度較快。在操作上采取熔化期和氧化期結合方式,做好低溫脫磷,氧化末期泡沫渣效果差,可降低有功功率輸入。由圖2可見,安鋼100t電弧爐供電有功功率高達55～60MW,變壓器功率應用較充分(額定功率為72MW)。4.3石灰渣造林安鋼100t電弧爐冶煉鋼種90%為低碳鋼,采用留鋼留渣操作。爐渣主要化學成分見表2。實踐表明,留鋼留渣中FeO含量高,加快泡沫渣的形成;適時加入石灰,渣中形成第二相粒子2CaO·SiO2,可提高爐渣的穩(wěn)定性,延長泡沫化時間。特別值得指出的是安鋼首創(chuàng)了采用改性生鐵造泡沫渣的技術。改性生鐵是由鐵水和高品位燒結礦鑄壓成形的一種新的廢鋼代用材料(燒結礦約占20%),為安鋼自主開發(fā)產(chǎn)品。改性生鐵內(nèi)部含有的燒結礦與生鐵中的碳發(fā)生氧化反應,起到沸騰、造泡沫渣作用。4.4化學熱及氧燃燒敞氣提高Pc,有利于縮短冶煉周期,Pc主要來自鋼中元素氧化的化學熱及氧燃燒嘴提供的化學熱。元素(主要是碳)氧化的化學熱可占煉鋼所需總能量的30%左右,當二次燃燒率高時,這一比例還會更大些;氧燃燒嘴提供的化學熱一般占總能量的5%～10%。4.4.1氧油、輕柴油氧油燒嘴使用效率一方面取決于廢鋼溫度與受熱面積,熔化初期廢鋼受熱面積大,燒嘴效率可高達80%,另一方面,燒嘴完全燃燒取決于在不同時間溫度階段合適氧油比例,氧氣、輕柴油的理想配比為2.33∶1,100t電弧爐氧氣與柴油消耗實際比例為2.85∶1。適當過量氧氣可以保證燃燒效果。同時根據(jù)豎井設計特點及采用負壓操作形式,氧化反應產(chǎn)物CO氣體通過氧油燒嘴上方位置,CO氣體與氧油燒嘴過量氧氣反應,增加二次燃燒熱,加快豎井內(nèi)廢鋼熔化。生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明噸鋼油耗量在6.5～7L較為合適,噸鋼油耗增加到9.5L,噸鋼冶煉電耗并沒有降低,主要是由于廢鋼料熔清后氧油燒嘴繼續(xù)燃燒,燃油能量利用效率低。4.4.2供氧電弧爐的電化學生產(chǎn)過程1m3氧氣與碳反應,當碳完全燃燒時,化學熱換算的電能應有7.41kW·h,但目前實際為4kW·h左右。電弧爐供氧帶來的節(jié)電效果是通過Fe、C氧化放熱來實現(xiàn)的。鋼液中碳含量大于0.3%時,無需配碳造泡沫渣;碳含量低于0.3%,泡沫渣效果不好,且氧化反應放熱少,升溫困難,要通過噴吹碳粉或加入焦粒造泡沫渣,氧化放熱及泡沫渣的屏蔽對冶煉電耗的降低有很好的效果。4.5提高操作水平，縮短操作周期4.5.1出入量為400t時,+鋼指數(shù)和原料配比安鋼100t豎式電弧爐總裝入量控制在125t時,單位時間鋼產(chǎn)量最高;在合適的爐容量內(nèi),裝入量增加,噸鋼電耗有下降趨勢,當裝入量為136t時,噸鋼冶煉電耗為206kW·h,提高了電能利用率。對電弧爐煉鋼來說,廢鋼是基本原料,在生產(chǎn)方面除加強廢鋼管理、預加工過程中挑選和分離外,還應注意禁止配入長的輕薄料、長的鋼絲繩,以防二批料加入后廢鋼料在豎井內(nèi)搭橋。豎爐正常塌料電耗為14～18MW·h,如電耗超過18MW·h未塌料就會影響冶煉時間和冶煉電耗,生產(chǎn)實踐表明塌料遲一般能影響噸鋼電耗25kW·h。4.5.2后期脫磷、增磷脫磷反應放出熱量較少,但生產(chǎn)中如脫磷操作不當,造成后期脫磷,會延長冶煉時間、增加噸鋼冶煉電耗。脫磷操作上要做好前期低溫脫磷,控制好爐渣堿度和氧化性。4.5.3縮短熱中斷時間熱停工時間是指裝廢鋼時間、接電極時間、出鋼時間、補爐時間。安鋼100t豎式電弧爐熱停工時間每爐僅3～5min。4.5.4其他節(jié)能技術高效化生產(chǎn)、合適的出鋼溫度、紅包出鋼、減少下渣量、定期對設備進行預防性維修以減少設備故障等措施,對降低冶煉電耗也很有效。4.6經(jīng)濟效益分析安鋼100t交流豎式電弧爐,應用電弧爐冶煉周期綜合控制理論指導生產(chǎn)實踐,收到了良好效果,電弧爐冶煉周期平均為41min,2003年鋼產(chǎn)量達108萬t,生產(chǎn)率超過每噸爐容量每年1萬t,電弧爐冶煉電耗平均為222kW·h/t,取得了顯著的經(jīng)濟效益。5安鋼、鐵、鋼的應用(1)對電弧爐冶煉電耗進行了理論分析,指出降低電弧爐冶煉電耗的基本途徑是縮短冶煉周期。(2)在安鋼的條件下,當鐵水加入量為50%時,電耗可降至180kW·h