工藝參數的計算

　　電弧爐工藝參數計算需與電弧爐的主輔原料成分及冶煉工藝相匹配，本計算過程中主原料和輔料的成分如表1和表2所示。由于目前國内大部分電弧爐冶煉鋼廠采用全廢鋼及廢鋼-鐵水的原料結構，因此需綜合考慮不同鐵水比例下的電弧爐煉鋼工藝參數計算。

　　1 供碳制度确定

　　電弧爐煉鋼過程中噴碳造泡沫渣有利于降低熱量損失，提高電弧爐耐材使用壽命。圖1為電弧爐冶煉示意圖。全廢鋼冶煉時，當廢鋼熔化比例接近80%時，開始進行噴碳造泡沫渣。供碳操作主要發生在熔化末期和氧化升溫期，其噴吹量是基于渣的飽和碳粉噴吹量來進行計算，其值與鋼液中碳含量有關。全廢鋼冶煉時，由于鋼液中碳含量很低，Ji等研究發現，電爐渣中碳粉的飽和噴入速度大約為12g/ （min-1•kg•slag-1）。

　　因此，電弧爐煉鋼的噸鋼噴碳量可采用式（1）進行計算。

　　Mc=Sc×t×Mslag/1000/wc

　　（1）

　　式中，Mc為噸鋼噴碳量，kg；Sc為飽和碳粉噴入速度，min-1•kg•slag-1；t為噴碳時間，min；Mslag為噸鋼渣的質量，kg；wc為碳粉中碳的質量百分數。

　　當采用兌鐵水的方式進行電弧爐冶煉時，由于鐵水中已含有大量的碳，為實現同樣的泡沫渣效果，相較全廢鋼冶煉時，噸鋼噴碳量應當進行調整。如采用高比例鐵水進行電弧爐冶煉時，由于鋼液中初始碳含量很高，泡沫渣冶煉初期僅需吹氧即可。當鋼液中碳含量降低至1.0%左右時，脫碳速率會有所降低，此時應向鋼液中噴碳。由于鋼液中仍含有較多的碳，因此在噴碳造泡沫渣時，所需的噴碳量較全廢鋼時有所降低。根據全廢鋼冶煉時碳粉飽和噴入速度可知，為達到良好的泡沫渣效果，脫碳速率應控制在0.08%/min-0.12%/min之間。因此，在兌鐵水的條件下，電弧爐煉鋼時噸鋼噴碳量可按式（1）和式（2）進行計算。

　　Sc=(D總c-Dc)×106/Mslag （2）

　　式中，D總c為設定的總脫碳速率（包括鋼液中的碳和噴入的碳），min-1；Dc為鋼液中碳的脫碳速率，min-1。

　　根據上述計算方法，以設定總脫碳速率為0.10%/min來進行碳粉噴吹量計算，可得到在全廢鋼、65%廢鋼-35%鐵水及40%廢鋼-60%鐵水電弧爐冶煉時的噸鋼碳粉噴入量。

　　根據熱平衡可知，在65%廢鋼-35%鐵水的原料結構下，電弧爐冶煉的噸鋼電耗為222.6kWh/t，熔化期結束時的噸鋼電耗為161.2kWh/t，主熔化期結束時的噸鋼電耗為70kWh/t。當主熔化期供電時，根據起弧時間為2min，按式（3）可求得燒嘴時間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為主熔化期結束時的噸鋼電耗，kWh；W為電弧爐出鋼質量，t；P起為起弧時變壓器的有功功率，MVA；t起為起弧時間，s；P熔為廢鋼熔化時變壓器的有功功率，MVA。

　　熔化期純吹氧時間t2為鋼液中的碳含量減去熔化期純吹氧階段結束時鋼液中碳含量後除以熔化期吹氧階段的脫碳速率（式（4））。

　　t2=((wC-wC1)/1000-mc)/Dc （4）

　　式中，wC為鋼液中碳的質量，kg；wC1為留鋼中碳的質量，kg；Dc為鋼液脫碳速率，min-1；mc為吹氧階段結束時鋼液中碳質量百分數。

　　熔化期吹氧階段造泡沫渣時的脫碳速率設定為0.10%/min（該值不宜過大，一般為0.10%/min左右，不超過0.15%/min），且吹氧階段結束時鋼液中碳含量為1.2%，t2=((18.419-0.240)/1000-1.2%)/0.1%=6.18min。

　　噴碳時間t3為噴碳造泡沫渣，為主熔化期結束至熔化期結束，按式（5）計算。

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

　　（5）

　　式中，E2為熔化期結束時的噸鋼電耗，kWh。

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

　　根據熔化期碳的燒損率為54%，計算熔化期總的脫碳量，從而可知熔化期結束時鋼液中碳的含量。設定熔化期噴碳造泡沫渣時間為4.62min，可知噴碳期鋼液的脫碳速率為：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

　　熔化期噴碳量為：Mc1=

　　2.7×4.62×75/0.8/1000=1.16kg/t

　　同理，氧化期噴碳量為：Mc2=(0.1%-0.06%)×106×12/0.8/1000=6.02kg/t

　　因此，總耗碳量M=Mc1 Mc2=1.16 6.02=7.18kg/t

　　65%廢鋼-35%鐵水爐料結構下電弧爐煉鋼的冶煉參數總結于表3中。

　　其他計算過程與全廢鋼冶煉時相同，根據熱平衡及物料平衡的計算結果，可得到65%廢鋼-35%鐵水的電弧爐冶煉技術指标，如表4所示。

　　圖2示出了不同原料條件下電弧爐煉鋼的噸鋼碳粉噴入量，從圖中可以看出，采用全廢鋼電弧爐冶煉時，噸鋼碳粉噴入量為18.2kg/t；當鐵水比例為35%時，噸鋼碳粉噴入量降低至7.2kg/t；當鐵水比例提升至60%時，噸鋼碳粉噴入量進一步降低至3.8kg/t。

　　2 供氧制度

　　電弧爐供氧對提高電弧爐煉鋼的冶煉節奏及降低生産成本是非常重要的。合理供氧參數需要與電弧爐的冶煉階段和工藝制度相匹配。根據電弧爐冶煉各階段的工作性質區别，可将電弧爐煉鋼過程分為四個階段：起弧期、主熔化期、熔化末期和氧化精煉期。

　　1）起弧期和主熔化期：主要采用氧燃燒嘴模式供氧，利用天然氣和氧氣的燃燒熱，快速熔化和切割廢鋼，其供氧量為天然氣體積的2倍。

　　2）熔化末期：該階段絕大部分廢鋼已經熔化，需噴碳造泡沫渣。供氧主要用于鋼液中元素氧化和噴吹碳粉造泡沫渣，其供氧量為熔化期所需氧量（可根據物料平衡和熱平衡計算模型計算得到）減去主熔化期燒嘴模式時消耗的氧量。

　　3）氧化期：供氧用于鋼液中元素氧化和噴吹碳粉造泡沫渣，其供氧量可根據物料平衡和熱平衡計算模型計算得到或為總氧量減去熔化期所需的氧量。

　　電弧爐吹氧示意見圖3。

　　電弧爐煉鋼過程供氧量的計算方法，包括如下過程：通過電弧爐煉鋼過程中化學方程式（式（6）-式（13））計算碳粉、天然氣以及鋼液中C、Si、Fe、Mn、P、S等元素燃燒和氧化的需氧量，并依據電弧爐煉鋼過程中起弧期、主熔化期、熔化末期、氧化期四個階段的目的，确定各階段的供氧量。

　　圖4所示為不同原料條件下電弧爐煉鋼噸鋼氧氣消耗量，從圖中可以看出，當原料中鐵水比例從0增加到60%後，噸鋼氧氣消耗量從32.6Nm3/t提高到44.0Nm3/t。

　　3 造渣制度

　　電弧爐煉鋼過程中為滿足脫磷、脫硫和泡沫渣埋弧的要求，需合理控制電弧爐煉鋼的造渣制度。電弧爐煉鋼一般所采用的熔劑為石灰和白雲石，石灰主要用于鋼液脫硫和磷；白雲石一部分可提供CaO，另一部分提供MgO，用于造MgO飽和渣，從而保護爐襯耐材。同時合理的石灰和白雲石添加量為造泡沫渣創造有利條件。石灰和白雲石用量随主原料中平均Si含量及渣堿度要求的不同而變化，根據元素氧化和其他原料帶入的物質，可計算得到熔化期石灰的加入量m1和白雲石的加入量m2。

　　當熔渣的目标堿度為B、MgO百分含量為(MgO)%時，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為除石灰石和白雲石外，其他原料帶入的CaO質量，kg；a2為除石灰石和白雲石外，其他原料帶入的SiO2質量，kg；a3為除石灰石和白雲石外，其他原料帶入的MgO質量，kg；a4為除石灰石和白雲石外，其他原料帶入的渣中氧化物質量，kg；w1%為石灰中CaO的質量百分數；w2%為白雲石中CaO的質量百分數；w3%為石灰中SiO2的質量百分數；w4%為白雲石中SiO2的質量百分數；w5%為石灰中MgO的質量百分數；w6%為白雲石中MgO的質量百分數；w7%為石灰中可進行造渣的氧化物的質量百分數；w8%為白雲石中進行造渣的氧化物的質量百分數。

　　根據一般電弧爐泡沫渣的成分要求，本計算中設定熔渣堿度為2.2，MgO含量為8%。圖5所示為計算得到的不同原料條件下電弧爐煉鋼噸鋼輔料消耗量，從圖中可以看出，全廢鋼冶煉時，噸鋼石灰消耗量為31.4kg，白雲石消耗量為11.5kg；65%廢鋼-35%鐵水冶煉時，噸鋼石灰消耗量為34.5kg，白雲石消耗量為13.3kg；在40%廢鋼-60%鐵水條件下，噸鋼石灰消耗量為37.5kg，白雲石消耗量為15.1kg。

　　4 供電制度

　　供電優化模型以電弧爐冶煉效率和電弧爐耐材損耗為限制因素進行構建，在保證電弧爐耐材使用壽命的同時兼顧電弧供電效率。在選擇煉鋼電流時，需滿足一定的約束條件。

　　1）選擇煉鋼電流的約束條件。

　　2）可行工作電流區域計算。

　　3）最佳電流的計算。

　　來源：世界金屬導報

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