电弧炉底吹气搅拌工艺试验研究

曾新光

辽宁大连钢铁集团有限公司科技开发中心

摘　要　通过底吹气搅拌这项新工艺,来取代原5吨电弧炉冶炼不锈钢、模具钢进行人工搅拌钢液工艺的试验,使铬的收得率、冶炼时间和冶炼电耗、钢中气体含量、透气砖使用寿命、操作条件经济效益等各方面均得到了较为满意的效果,从而肯定了新工艺的价值。本文还较为详细地介绍了底吹气搅拌工艺系统,使用条件、工艺要求与特性和各项性能指标。

关键词　底吹气　搅拌工艺　冶炼　收得率　寿命　改善

1　前言

　　大钢集团主要采用5t电弧炉冶炼不锈钢和模具钢,由于依靠人工搅拌钢液,其搅拌力很弱,因此,钢液内部温度和浓度的不均匀性很高,造成冶炼时间长、合金收得率低。为解决这一问题,采用了炉底吹气搅拌工艺进行了一个炉役的工业性试验,通过底吹气体搅拌改善了电炉冶金过程化学反应速度,即快速缩小了冶金过程能量和浓度的梯度,基本消除外供能量造成的炉内热点及未熔废钢和铁合金引起的冷点影响,强化了相间化学反应速度,使钢液内部温度和浓度的不均匀性显著降低,获得了缩短冶炼时间、降低电耗、提高合金收得率及钢质量的良好效果。

2　底吹工艺试验

2.1　底吹系统

底吹系统由透气砖、气源、流量计及压力调节器组成。3块透气砖安装在电炉炉底三相电极之间的冷点区,电极极心圆 900mm、透气砖心圆 1200mm,炉底采用干铺捣打料,透气砖顶部高出炉底约10mm,气源采用瓶氩汇流排集中供气,可单独调节每块透气砖气体流量,如图1所示。

2.2　底吹透气砖

2.2.1　使用条件

钢水温度≥1650℃

钢水量:12～14t

熔池深度:570mm

平均冶炼时间:240minΠ炉供气量:2～5Nm3Πh

供气压力:0.3～1.0MPa

气源:全程吹氩

冶炼钢种:铬不锈钢、模具钢、合结钢

2.2.2　工艺要求

2.2.2.1　使用过程有良好的透气性能、不堵塞、透气砖顶部发生结钢仍能恢复透气性能。

2.2.2.2　有足够的高温力学性能和良好的抗热震性及抗剥落性,抗冲击、抗冲刷,使用寿命≥100炉。

2.2.3　性能指标(1)化学成分

MgO>81%、C>14%、CaO1.09%、SiO20. 36%、Al2O33.0%、Fe2O30.%

(2)物理性能

显气孔率3.4%、体积密度2.93gΠcm3、常温耐压强度56MPa、常温抗折强度23MPa、高温抗折强度(1400℃×0.5h)12.6MPa。

联系人:曾新光工程师辽宁省大连市(116031)大连钢铁集团有限公司科技开发中心Tel:(0411)6679254图1　电炉底吹系统示意图

(3)压力流量特性

PΠMPa　0.020.040.060.080.100.120.14

OΠNm3Πh0.61.72.42.93.33.63.9

底吹透气砖由北京钢研总院新材料总公司研制提供,透气砖耐材采用镁碳砖,内敷 1.0mm不锈钢管空位集束等静压成型。

2.3　底吹气搅拌工艺

冶炼过程底吹气体流量控制:熔化前期,由于炉中残余少量钢水及炉渣,易进入喷嘴堵塞,所以采用大氩气流量搅拌。熔化中期至氧化期,熔池钢水增加,温度升高,此时喷嘴不易堵塞,但为提高熔池传热效率,减少熔池内部温度梯度,采用小氩气流量搅拌。加入铁合金后,为减少温度及浓度梯度,提高熔化均匀速度,采用大氩气流量搅拌,还原期为减少吸气,采用较小氩气流量搅拌。底吹气搅拌工艺如图2所示。

2.4　电炉底吹效果

试验在公称容量5t电弧炉上进行,共冶炼一个炉役80炉钢,试验结果如下:

2.4.1　钢水均匀混合特性

熔池运动是改善许多冶金过程及化学反应的关键,熔池所需能量是由电弧通过渣、钢表面进入熔池,在没有搅拌的熔池中,能量及浓度梯度很大,当熔池受到强烈的持续搅拌后,其内部传质传热速率大大增加,温度及浓度梯度显著减小,使得冶金过程所需时间降低,当加入大量铁合金后,其熔化均匀时间在外供能量一定的情况下,取决于底吹气搅拌能量的大小。本试验加入铬铁后,其熔化后混合均匀的时间在外供能量一定的情况下,取决于底吹气能量的大小。本试验:得到加入铬铁后,其熔化与混合均匀时间τ=73·54ε-0.0的关系,结果如图3所示。由图3可见,随着底吹气搅拌能的增加,加入的铬铁熔化混合均匀时间减少。底吹氩气搅拌能(ε)按下式计算(1):

ε=(Q×0.74ΠG)×T×Ln(1+HΠ148P)

式中:

　Q———氩气流量ΠLΠs;

　G———钢液重量Πt;

　T———钢液温度ΠK;

　H———钢液深度Πcm;

　P———钢液面上方环境压力Πatm

2.4.2　铬回收率

底吹氩气,使得钢水与炉搅拌强度增加,炉渣得到充分还原,出钢前(Cr2O3)大大降低,基本趋于平衡值,其结果如图4所示。

常规冶炼时,加入铬铁后,主要靠吹氧升温溶化铬,因此,铬的氧化损失较大。采用底吹氩气搅拌后,由于熔池充分地搅拌,大大改善了熔池中传质传热条件,所以,铬铁融化时间缩短,氧化消耗降低,铬回收率由人工搅拌工艺的85.82%提高到96.53%。由于还原

期吹氩搅拌,使得钢液均匀性显著提高。因此,铬铁融化与混合均匀时间较人工搅拌工艺缩短11min ,其钢中成品Cr 与预计控制Cr 成分偏差较人工搅拌工艺减少0.17%,所以采用底吹氩搅拌工艺可减少钢中Cr 含量0.17%进行成分控制,试验结果见表1

。

图2　

电炉底吹气搅拌工艺

图3　底吹ε与熔化混合时间t

的关系

图4　底吹搅拌工艺(Cr 2O 3)%变化

表1　不同工艺Cr 成分控制偏差及收得率对比,wt %

工艺|[Cr ]1-[Cr ]2|

ηCr

底吹气搅拌0.1996.53人工搅拌0.3685.82差值

0.17

10.71

　　注:表1中|[Cr ]1-[Cr ]2|为预计成品钢中Cr 含量与实际成品钢中Cr 含量偏差的绝对值,ηCr 为铬铁收得率。

2.4.3　冶炼电耗与冶炼时间

采用人工搅拌工艺,熔池温度梯度高,并且三氧化二铬(Cr 2O 3)较高,炉渣流动性差,电弧传热受阻,热效率低,废钢及合金铁熔化时间长,电耗较高。采用底吹氩气全程搅拌工艺后,改善了熔池的传热条件,冶炼时间及电耗分别

降低16min Π炉和37kWh Πt ,其试验结果见表2。

表2　不同工艺平均冶炼时间及冶炼电耗对比

项　目底吹气搅拌工艺人工搅拌工艺差值

冶炼时间Πmin Π炉20722316冶炼电耗ΠkWh Πt

369

406

37

2.4.4　钢中气体含量

底吹氩气搅拌工艺与人工搅拌工艺钢中气体含量相当,见表3。由表3可见,底吹氩气搅拌对钢中气体含量无明显影响,当钢中Cr 含量

较高时,[N ]含量将显著增加。2.4.5　透气砖使用寿命

表3　不同工艺[O ]、[N ]平均含量　%

钢　　种

底吹气搅拌工艺人工搅拌工艺

[O ]

[N ][O ][N ]铬不锈钢0.0007150.0032150.000630.00321模具钢0.0005430.0030.0007140.00295合金结构钢

0.00034

0.00079

0.000335

0.00078

试验炉体寿命80次,透气砖原始长度

535mm ,残砖长度330mm ,侵蚀速度为2.5mm Π

炉,若砖的使用长度考虑为435mm ,推测其使

2.4.6　操作条件改善

采用人工搅拌工艺,铬铁合金熔化后,每炉约需人工搅拌6个铁耙来均匀钢水。底吹气完全实现无人工搅拌操作,大大降低了劳动强度。并且由于减少了熔池中温度不均匀现象,而使熔化期塌铁大沸腾现象基本消除,安全操作性提高,而常规工艺熔化期塌铁大沸腾炉次占70%以上。氧化期结束,关闭炉门口处透气砖,使得除渣操作易于进行。

2.5　底吹气搅拌工艺经济效益对比

底吹气搅拌工艺经济效益对比见表4。

表4　两种工艺消耗对比

项　目

底吹搅拌工艺人工搅拌

kgΠt元Πt kgΠt元Πt 差　值元Πt

电369173.43406190.8217.39铬铁1932412.502202750.00337.50铁耙00415.2015.20氩气Π瓶Πt0.4221.840021.84透气砖0.0847.78007.78合计2615.552956.02340.473　结束语

　　5t电弧炉采用炉底吹氩全程搅拌技术,可大大减弱外供能量造成的炉内热点及未熔废钢和铁合金引起的冷点对钢液内部温度和浓度不均匀性的影响,加快铬铁及废钢的熔化速度,促进铬的还原反应,缩短平衡时间,使其在电炉内基本趋于平均,在不锈钢、模具钢冶炼中获得下列效果:

(1)铬回收率提高10.71%。

(2)钢水均匀性提高,成品钢中铬含量与炉中预计控制铬含量平均绝对偏差较人工搅拌工艺减小0.17%。

(3)节约冶炼用电37kWhΠt。

(4)缩短冶炼时间16minΠ炉。

(5)钢中气体含量与常规工艺相当。

(6)劳动强度显著降低。

(7)炉内塌料大沸腾现象基本消除,安全操作性提高。

(8)降低成本340元Πt。

参考文献

第四届国际喷吹冶金会议录,第1册,MEFOS.1986.P1～26

中国海尔集团与韩国浦项工程与建筑公司

签定再建一条彩涂生产线合同

今年10月12日,韩国浦项钢铁公司下属的浦项工程和浦项建筑公司与中国海尔集团签定合同,合同价值700万美元,韩国负责设计和提供主要设备。在年底浦项工程和浦项建筑公司将在安徽省开始为海尔建1条彩涂线,预计项目建成需要13个月,建设中所用基板将全部由我国提供,建成时,年生产能力将达到7万吨。

浦项工程和浦项建筑公司在我国建的第一条彩涂生产线是在1998年11月,其生产能力5万吨,地点在大连,基版由浦项提供,资金为联合投资。