电炉炼钢工艺流程及设备ppt课件（电炉炼钢工艺参数的计算）

工艺参数的计算

电弧炉工艺参数计算需与电弧炉的主辅原料成分及冶炼工艺相匹配，本计算过程中主原料和辅料的成分如表1和表2所示。由于目前国内大部分电弧炉冶炼钢厂采用全废钢及废钢-铁水的原料结构，因此需综合考虑不同铁水比例下的电弧炉炼钢工艺参数计算。

1 供碳制度确定

电弧炉炼钢过程中喷碳造泡沫渣有利于降低热量损失，提高电弧炉耐材使用寿命。图1为电弧炉冶炼示意图。全废钢冶炼时，当废钢熔化比例接近80%时，开始进行喷碳造泡沫渣。供碳操作主要发生在熔化末期和氧化升温期，其喷吹量是基于渣的饱和碳粉喷吹量来进行计算，其值与钢液中碳含量有关。全废钢冶炼时，由于钢液中碳含量很低，Ji等研究发现，电炉渣中碳粉的饱和喷入速度大约为12g/ （min-1•kg•slag-1）。

因此，电弧炉炼钢的吨钢喷碳量可采用式（1）进行计算。

Mc=Sc×t×Mslag/1000/wc

（1）

式中，Mc为吨钢喷碳量，kg；Sc为饱和碳粉喷入速度，min-1•kg•slag-1；t为喷碳时间，min；Mslag为吨钢渣的质量，kg；wc为碳粉中碳的质量百分数。

当采用兑铁水的方式进行电弧炉冶炼时，由于铁水中已含有大量的碳，为实现同样的泡沫渣效果，相较全废钢冶炼时，吨钢喷碳量应当进行调整。如采用高比例铁水进行电弧炉冶炼时，由于钢液中初始碳含量很高，泡沫渣冶炼初期仅需吹氧即可。当钢液中碳含量降低至1.0%左右时，脱碳速率会有所降低，此时应向钢液中喷碳。由于钢液中仍含有较多的碳，因此在喷碳造泡沫渣时，所需的喷碳量较全废钢时有所降低。根据全废钢冶炼时碳粉饱和喷入速度可知，为达到良好的泡沫渣效果，脱碳速率应控制在0.08%/min-0.12%/min之间。因此，在兑铁水的条件下，电弧炉炼钢时吨钢喷碳量可按式（1）和式（2）进行计算。

Sc=(D总c-Dc)×106/Mslag （2）

式中，D总c为设定的总脱碳速率（包括钢液中的碳和喷入的碳），min-1；Dc为钢液中碳的脱碳速率，min-1。

根据上述计算方法，以设定总脱碳速率为0.10%/min来进行碳粉喷吹量计算，可得到在全废钢、65%废钢-35%铁水及40%废钢-60%铁水电弧炉冶炼时的吨钢碳粉喷入量。

根据热平衡可知，在65%废钢-35%铁水的原料结构下，电弧炉冶炼的吨钢电耗为222.6kWh/t，熔化期结束时的吨钢电耗为161.2kWh/t，主熔化期结束时的吨钢电耗为70kWh/t。当主熔化期供电时，根据起弧时间为2min，按式（3）可求得烧嘴时间t1=(70×120×3600-48.03×1000×120) /60.67/1000/60=6.71min

t1=(E1×W×3600-P起×1000×t起)/P熔/1000/60（3）

式中，E1为主熔化期结束时的吨钢电耗，kWh；W为电弧炉出钢质量，t；P起为起弧时变压器的有功功率，MVA；t起为起弧时间，s；P熔为废钢熔化时变压器的有功功率，MVA。

熔化期纯吹氧时间t2为钢液中的碳含量减去熔化期纯吹氧阶段结束时钢液中碳含量后除以熔化期吹氧阶段的脱碳速率（式（4））。

t2=((wC-wC1)/1000-mc)/Dc （4）

式中，wC为钢液中碳的质量，kg；wC1为留钢中碳的质量，kg；Dc为钢液脱碳速率，min-1；mc为吹氧阶段结束时钢液中碳质量百分数。

熔化期吹氧阶段造泡沫渣时的脱碳速率设定为0.10%/min（该值不宜过大，一般为0.10%/min左右，不超过0.15%/min），且吹氧阶段结束时钢液中碳含量为1.2%，t2=((18.419-0.240)/1000-1.2%)/0.1%=6.18min。

喷碳时间t3为喷碳造泡沫渣，为主熔化期结束至熔化期结束，按式（5）计算。

t3=(E2×W×3600- E1×W×3600)/ P熔/1000/60-t2

（5）

式中，E2为熔化期结束时的吨钢电耗，kWh。

因此，t3=(161.2×120×3600-70×120×3600)/60.67/1000/60-t2 =4.62min

根据熔化期碳的烧损率为54%，计算熔化期总的脱碳量，从而可知熔化期结束时钢液中碳的含量。设定熔化期喷碳造泡沫渣时间为4.62min，可知喷碳期钢液的脱碳速率为：Dc1=(1.2%-(18.419-0.240)×(1-54%)/1000)/4.62=0.079%/min

Sc=(1.0%-0.079%)×106/75

=2.7min-1•kg•slag-1

熔化期喷碳量为：Mc1=

2.7×4.62×75/0.8/1000=1.16kg/t

同理，氧化期喷碳量为：Mc2=(0.1%-0.06%)×106×12/0.8/1000=6.02kg/t

因此，总耗碳量M=Mc1 Mc2=1.16 6.02=7.18kg/t

65%废钢-35%铁水炉料结构下电弧炉炼钢的冶炼参数总结于表3中。

其他计算过程与全废钢冶炼时相同，根据热平衡及物料平衡的计算结果，可得到65%废钢-35%铁水的电弧炉冶炼技术指标，如表4所示。

图2示出了不同原料条件下电弧炉炼钢的吨钢碳粉喷入量，从图中可以看出，采用全废钢电弧炉冶炼时，吨钢碳粉喷入量为18.2kg/t；当铁水比例为35%时，吨钢碳粉喷入量降低至7.2kg/t；当铁水比例提升至60%时，吨钢碳粉喷入量进一步降低至3.8kg/t。

2 供氧制度

电弧炉供氧对提高电弧炉炼钢的冶炼节奏及降低生产成本是非常重要的。合理供氧参数需要与电弧炉的冶炼阶段和工艺制度相匹配。根据电弧炉冶炼各阶段的工作性质区别，可将电弧炉炼钢过程分为四个阶段：起弧期、主熔化期、熔化末期和氧化精炼期。

1）起弧期和主熔化期：主要采用氧燃烧嘴模式供氧，利用天然气和氧气的燃烧热，快速熔化和切割废钢，其供氧量为天然气体积的2倍。

2）熔化末期：该阶段绝大部分废钢已经熔化，需喷碳造泡沫渣。供氧主要用于钢液中元素氧化和喷吹碳粉造泡沫渣，其供氧量为熔化期所需氧量（可根据物料平衡和热平衡计算模型计算得到）减去主熔化期烧嘴模式时消耗的氧量。

3）氧化期：供氧用于钢液中元素氧化和喷吹碳粉造泡沫渣，其供氧量可根据物料平衡和热平衡计算模型计算得到或为总氧量减去熔化期所需的氧量。

电弧炉吹氧示意见图3。

电弧炉炼钢过程供氧量的计算方法，包括如下过程：通过电弧炉炼钢过程中化学方程式（式（6）-式（13））计算碳粉、天然气以及钢液中C、Si、Fe、Mn、P、S等元素燃烧和氧化的需氧量，并依据电弧炉炼钢过程中起弧期、主熔化期、熔化末期、氧化期四个阶段的目的，确定各阶段的供氧量。

图4所示为不同原料条件下电弧炉炼钢吨钢氧气消耗量，从图中可以看出，当原料中铁水比例从0增加到60%后，吨钢氧气消耗量从32.6Nm3/t提高到44.0Nm3/t。

3 造渣制度

电弧炉炼钢过程中为满足脱磷、脱硫和泡沫渣埋弧的要求，需合理控制电弧炉炼钢的造渣制度。电弧炉炼钢一般所采用的熔剂为石灰和白云石，石灰主要用于钢液脱硫和磷；白云石一部分可提供CaO，另一部分提供MgO，用于造MgO饱和渣，从而保护炉衬耐材。同时合理的石灰和白云石添加量为造泡沫渣创造有利条件。石灰和白云石用量随主原料中平均Si含量及渣碱度要求的不同而变化，根据元素氧化和其他原料带入的物质，可计算得到熔化期石灰的加入量m1和白云石的加入量m2。

当熔渣的目标碱度为B、MgO百分含量为(MgO)%时，可列出求解公式：

B=(m1×w1% m2×w2% a1)

/(m1×w3% m2×w4% a2) （17）

(MgO)%=(m1×w5% m2×w6%

a3)/(m1×w7% m2×w8% a4)

（18）

式中，a1为除石灰石和白云石外，其他原料带入的CaO质量，kg；a2为除石灰石和白云石外，其他原料带入的SiO2质量，kg；a3为除石灰石和白云石外，其他原料带入的MgO质量，kg；a4为除石灰石和白云石外，其他原料带入的渣中氧化物质量，kg；w1%为石灰中CaO的质量百分数；w2%为白云石中CaO的质量百分数；w3%为石灰中SiO2的质量百分数；w4%为白云石中SiO2的质量百分数；w5%为石灰中MgO的质量百分数；w6%为白云石中MgO的质量百分数；w7%为石灰中可进行造渣的氧化物的质量百分数；w8%为白云石中进行造渣的氧化物的质量百分数。

根据一般电弧炉泡沫渣的成分要求，本计算中设定熔渣碱度为2.2，MgO含量为8%。图5所示为计算得到的不同原料条件下电弧炉炼钢吨钢辅料消耗量，从图中可以看出，全废钢冶炼时，吨钢石灰消耗量为31.4kg，白云石消耗量为11.5kg；65%废钢-35%铁水冶炼时，吨钢石灰消耗量为34.5kg，白云石消耗量为13.3kg；在40%废钢-60%铁水条件下，吨钢石灰消耗量为37.5kg，白云石消耗量为15.1kg。

4 供电制度

供电优化模型以电弧炉冶炼效率和电弧炉耐材损耗为限制因素进行构建，在保证电弧炉耐材使用寿命的同时兼顾电弧供电效率。在选择炼钢电流时，需满足一定的约束条件。

1）选择炼钢电流的约束条件。

2）可行工作电流区域计算。

3）最佳电流的计算。

来源：世界金属导报

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