电弧炉洁净化冶炼关键技术的发展

朱荣 魏光升 陈凤武

       与国外电弧炉炼钢相比，我国电弧炉一直是特殊钢的生产主力。随着国内制造业对特殊钢质量要求的日益提高，完善我国电弧炉炼钢流程工艺及装备水平成为目前提升电炉钢产品质量的关键。一方面，由于特殊的炉型结构，电弧炉炼钢熔池搅拌强度不足，氧气利用率低、终渣（FeO）含量高、钢水过氧化严重；另一方面，电弧炉炼钢过程包括残余元素、P、S、N、H及夹杂物等的去除，涉及整个工艺流程的匹配与优化，是对电弧炉炼钢流程冶炼高品质钢技术的挑战。从近些年电弧炉炼钢技术的发展不难发现，电弧炉炼钢在原有高效节能冶炼的基础上，在洁净化冶炼方面取得了长足的进步，产品质量显著提升，这对推进我国电弧炉炼钢流程洁净化生产平台构建意义重大。

电弧炉炼钢洁净化冶炼 关键问题

1.冶炼用原材料。

电弧炉炼钢以废钢为主要原料，石灰、增碳剂等为辅助原料。一方面，随着汽车、家电等报废数量的增加，社会废钢成分更加混杂；废钢中Cu、Zn、Pb、Sn等有害杂质元素，随废钢循环次数的增加不断富集。另一方面，辅料的使用同样会带来有害元素，影响钢液洁净度。为尽量降低原材料的影响，需根据钢种对原材料使用制订不同的标准，分钢种分级别进行原辅料的定制化选择。如冶炼优质合金棒材时，采用铁水加废钢、优质废钢或优质废钢加直接还原铁为原料；冶炼低硫钢时，尽量使用低硫石灰；冶炼低碳钢时，选择低碳辅助原料。

2.脱磷操作。

磷在绝大多数钢种中是有害元素，脱磷是电弧炉冶炼的重要任务之一。近年来，随着国民经济的发展，市场对低磷及超低磷高品质特殊钢需求增加，现有电弧炉炼钢工艺很难满足快速低成本脱磷的冶炼要求。其主要原因在于电弧炉炼钢原料结构复杂，熔清磷含量波动大；全废钢冶炼熔清后碳含量低、钢液黏稠度高，且受电弧炉炉型结构限制，熔池流动速度慢，脱磷动力学条件差，冶炼过程脱磷困难。传统电弧炉冶炼低磷钢通常采用多次造渣、流渣操作，冶炼周期长，渣量大，终渣（FeO）含量高，钢水过氧化严重，冶炼成本难以控制。 

3.钢中氧及夹杂物的控制

电弧炉冶炼终点钢液氧含量的稳定控制，是降低钢中夹杂物的关键。电弧炉炼钢普遍采用强化供氧操作以加快冶炼节奏、提高生产效率，但电弧炉炼钢终点控制不精准，钢液过氧化较为严重。这不仅导致后期精炼过程脱氧剂的过度消耗，而且使得精炼期夹杂物的产生量显著增加。为降低终点钢液氧含量，电弧炉炼钢主要采取以下措施：控制出钢前吹氧量，同时喷吹惰性气体强化搅拌；出钢时采用偏心炉底出钢控制下渣量；出钢前加入铁碳镁球，降低钢液氧含量。

4.钢中[N]与[H]的控制

电弧炉采用大功率供电强化废钢熔化，电极放电产生的高温电弧会电离附近空气中N2，致使钢液易吸氮；N2有时会作为底吹气体或粉剂喷吹载气浸入熔池，造成钢液进一步吸氮。同时，电弧炉冶炼原料中含有水分并接触空气，会造成钢液中氢含量偏高。然而，电弧炉炼钢熔清后熔池碳含量偏低，供氧强度不足，冶炼后期脱碳期间熔池内产生的CO气泡数量少，所以不能有效脱除[N]、[H]。解决此类问题的方法主要是通过废钢预热的方式脱除水分，减少氢元素入炉；调整炉料结构，通过加入DRI、提高铁水比等方式提高熔池碳含量，在电弧炉冶炼后期进行高强度脱碳沸腾操作，以脱除钢液内[N]、[H]，再在后续精炼及浇铸过程中加以保护，控制钢中[N]、[H]的含量。

电弧炉洁净化冶炼技术创新

1.废钢破碎分选技术

废钢是钢铁循环利用的优势再生资源。废钢的资源化利用在钢铁工业节能减排、转型升级方面扮演重要角色。废钢的高效破碎与分选是保证电弧炉炼钢原料质量的前提与关键，对电弧炉炼钢实现洁净化冶炼至关重要。

废钢破碎机主要有两种：碎屑机和破碎机。碎屑机用于破碎钢屑，破碎机用于破碎大型废钢。破碎机有锤击式、轧辊式和刀刃式几种。经破碎处理后的废钢铁可以很容易地利用干式、湿式或半湿式分选系统将金属、非金属，有色金属、黑色金属进行分选回收处理，废钢表面的油漆和镀层均可清除或部分清除。经破碎分选后的废钢可大大提高原料的洁净度，为电弧炉炼钢提供了清洁可靠的原料保障。

2.电弧炉炼钢复合吹炼技术。

传统电弧炉炼钢熔池搅拌强度弱，抑制了炉内物质和能量的传递；通常采用超高功率供电、高强度化学能输入等技术，但没有从根本上解决熔池搅拌强度不足和物质能量传递速度慢等问题。现代电弧炉炼钢广泛采用吹氧工艺以加快冶炼节奏、降低生产成本，相继开发出诸如炉壁供氧、炉门供氧、集束射流等强化供氧技术。为了解决熔池搅拌强度不足和物质能量传递速度慢等问题，业内开发了如底吹搅拌、电弧炉炼钢复合吹炼等关键技术。

以高效、低耗、节能、优质生产为目标，北科大研究团队首次提出并研发的新一代电弧炉冶炼技术———电弧炉炼钢复合吹炼技术（见附图），以集束供氧、同步长寿底吹搅拌等新技术为核心，实现了电弧炉炼钢供电、供氧及底吹等单元的操作集成，满足多元炉料条件下的电弧炉炼钢复合吹炼的技术要求。

3.集束模块化供能技术

电弧炉集束模块化供能技术，包括炉壁及炉顶集束供氧方式。炉壁集束供氧方式将吹氧和喷粉单元共轴安装在炉壁的一体化水冷模块上，具备助熔、脱碳等模式，实现气—固混合喷射、气体粉剂（碳粉、脱磷剂等）喷吹的动态切换，满足泡沫渣、脱磷及控制钢水过氧化等要求，增强了颗粒的动能，使氧气、粉剂高效输送到渣—钢反应界面，稳定泡沫渣，降低冶炼电耗，提高金属收得率。针对高铁水比的多元炉料结构冶炼，该团队开发出电弧炉炉顶供氧喷吹技术，以加大炉内供氧强度，强化熔池搅拌。该技术可进行供电与供氧切换，完成脱碳和脱磷等冶炼任务，提高供氧效率，缩短冶炼时间，降低冶炼电耗。

埋入式供氧喷吹技术。近年来，在开发多功能集束模块化供能技术的基础上，为进一步提高氧气利用效率，改善电弧炉熔池冶金反应动力学条件，该团队研发了电弧炉炼钢埋入式供氧喷吹技术。该技术将供氧方式从熔池上方移至钢液面以下，利用喷枪将氧气直接输入熔池，加快了冶金反应速度，使氧气利用率提高到98%。针对埋入式喷枪易烧损、氧气流股冲刷侵蚀炉壁耐材的问题，研究者采用环状气旋保护技术，并通过中心主射流“保护—冶炼—出钢”控制模式，控制侵蚀速度，实现喷枪寿命与炉龄同步。该技术显著提高了钢液流动及化学反应速度，有效控制了钢液过氧化，改善了熔池脱磷效率。

4.电弧炉炼钢安全长寿底吹技术。

电弧炉炼钢熔池冶金反应动力学条件差，熔池钢液成分、温度不均匀，终点氧含量和渣中氧化铁含量偏高，最终影响冶炼指标和钢液质量。该团队开发的电弧炉炼钢安全长寿底吹技术，强化了电弧炉熔池搅拌，吨钢氧耗、钢铁料消耗和终渣氧化铁含量明显降低，脱磷效率进一步提高，冶炼终点钢液质量明显改善。开发的具有定向多微孔型结构的长寿命底吹元件，具备优良的透气、耐高温、抗热震、抗冲击等性能。该技术采用基于电弧炉冶炼“熔化—脱磷—脱碳—升温—终点控制”的分段动态底吹工艺模型，既提高了气体搅拌效率，又减少了气液混合脉动流体对底吹元件的机械冲刷和化学侵蚀。具有冗余功能的电弧炉底吹全程安全预警技术，通过监控底吹流量、压力及温度，实现了多点、阶梯、分段的全程报警；采用弓形防渗透结构设计，保证了电弧炉炉底结构安全。工业实践显示，电弧炉底吹寿命超800炉次，实现了与炉龄同步。

5.电弧炉CO2-Ar动态底吹技术。

该团队在电弧炉安全长寿底吹技术的基础上，基于CO2物理化学特性和高温冶金熔池内CO2反应机理，发明了电弧炉CO2-Ar动态底吹技术及装备系统。他们探明了金属熔池中CO2-Ar多元介质气泡脱氮机理，发现底吹CO2脱氮是Ar脱氮反应速率的近10倍；建立了电弧炉底吹Ar、CO2条件下钢液搅拌能量密度数学模型，发现底吹CO2的熔池搅拌能力明显大于底吹Ar，在扁平浅熔池的炉型结构条件下，电弧炉底吹CO2可进一步强化熔池搅拌，均匀成分、温度。工业生产数据表明，与底吹Ar相比，采用电弧炉CO2-Ar动态底吹技术后，电弧炉冶炼终点钢液氮含量稳定控制在45�10-6以下，钢液洁净度进一步提升。同时，该团队基于CO2与钢液元素反应吸/放热原理，发明了CO2喷吹提高电弧炉底吹透气砖寿命的控制方法，通过动态控制底吹Ar与CO2的比例与流量，进一步降低了底吹元件的侵蚀速度，延长了底吹寿命。

6.电弧炉炼钢气-固喷吹新技术

在传统炉壁喷粉和埋入式供氧喷吹技术基础上，该团队提出并开发了电弧炉熔池内气—固喷吹冶炼新技术，包括熔池内O2-CaO喷射快速深脱磷和碳粉喷射增碳助熔技术。该技术利用喷枪（埋入钢液面下）向电弧炉熔池内部直接喷射石灰粉或碳粉，实现电弧炉炼钢快速洁净化冶炼，提升钢液品质。该技术将传统熔池上方喷粉方式移到熔池下方，在生产效率、技术指标、钢水质量等方面展现出明显技术优势。

熔池内O2-CaO喷射快速深脱磷技术，利用O2或O2-CO2向熔池内部喷射石灰粉，依靠熔池内部“气—固—渣—金”多相反应体系实现电弧炉炼钢快速深脱磷。该技术改变了传统电弧炉炼钢脱磷方式，提供了全新的电弧炉炼钢高效脱磷手段，利用熔态渣粒微观体系成渣反应快速深脱磷，提高了脱磷效率，提升了钢液品质。

熔池内碳粉喷射增碳助熔技术，利用空气或CO2-O2向熔池内部喷射碳粉，加速钢液渗碳，促进废钢熔化，提高熔清碳含量，改善钢液品质。该技术将碳粉直接喷入钢液内部，避免了碳与炉内高温烟气和熔渣的氧化反应，显著提高了碳粉利用效率；良好的熔池搅拌加速了碳粉在钢液内均匀弥散，熔池渗碳效率提高；较高的熔清碳含量和良好的泡沫渣操作，显著降低了电能消耗和电极消耗。

7.电弧炉炼钢质量分析监控及成本控制系统

随着电弧炉冶炼技术的发展，仅仅依靠操作者的经验来控制电弧炉生产已经无法适应现代电弧炉炼钢的生产节奏。通过数据信息的交流和过程优化控制，可以使电弧炉炼钢过程的成本控制、合理供能等环节最优化，降低成本，提高效率。基于此开发的电弧炉炼钢质量分析监控及成本控制系统具有以下特点：一是通过EAF-LF炼钢工序终点成分控制模型分析EAF-LF炼钢工序成分数据，动态调整成分控制关系式参数，对实时氧含量与合金元素收得率进行预测，指导脱氧工艺与合金加料工艺，实现EAF-LF炼钢工序成分精确控制。二是建立电弧炉冶炼工艺历史数据库，根据成本、能耗最低或冶炼时间最短原则，选择与当前冶炼炉料结构、冶炼环境等相近的最优历史数据，然后根据最优炉次的冶炼工艺进行冶炼，以达到最优冶炼效果。三是建立了电弧炉及精炼工序的成本监控系统，对电弧炉单炉成本进行预测与实时计算，并提供不同炉料结构的供电、供氧优化指导曲线及优化；对精炼炉单炉成本进行预测与实时计算，并提供优化的合金与渣料组合。目前，该系统已在国内外多座电弧炉推广应用。

结论及展望

在电弧炉炼钢流程中，提高钢液洁净度无疑是保证产品质量的关键，而保证钢液洁净度的关键在于各冶炼工序、单元操作的稳定与协调有序配合。在完善现有电弧炉炼钢洁净化冶炼关键技术基础上，进一步构建电弧炉炼钢流程洁净化生产平台，实现生产效率、产品质量和节能环保水平的不断提升，将是未来电弧炉炼钢的重点发展方向之一。

加快电弧炉炼钢流程技术创新，特别是洁净化冶炼技术的完善与突破，构建电弧炉炼钢流程洁净化生产平台，提升电弧炉炼钢流程产品质量和产品竞争力，将对我国钢铁工业结构调整和转型升级起到重要推动作用。

原创： 中国钢铁新闻网