工艺参数的计算 　　

　　

　　电弧炉工艺参数的计算应与主辅原料成分和电弧炉冶炼工艺相匹配。本次计算过程中主要原材料和辅助材料的组成见表1和表2。目前国内大部分电弧炉炼钢厂采用全废钢和废铁-铁水的原料结构，需要综合考虑不同铁水比的电弧炉炼钢工艺参数的计算。 　　

　　

　　 　　

　　

　　 　　

　　

　　1碳供应系统的确定 　　

　　

　　在电弧炉炼钢过程中，喷碳造泡沫渣有利于减少热损失，延长电弧炉耐火材料的使用寿命。图1是电弧炉冶炼的示意图。在整个废钢冶炼过程中，当废钢熔化率接近80%时，开始喷碳造泡沫渣。补碳操作主要发生在熔化末期和氧化加热期，其喷吹量根据渣中饱和碳粉的喷吹量计算，其数值与钢水中的碳含量有关。在整个废钢冶炼过程中，由于钢液含碳量较低，吉等发现电炉炉渣中碳粉的饱和喷吹速率约为12g/(min-1kgslag-1)。 　　

　　

　　 　　

　　

　　因此，电弧炉炼钢每吨钢的碳喷入量可以用公式(1)计算。 　　

　　

　　Mc=SctMslag/1000/wc 　　

　　

　　(1) 　　

　　

　　式中，Mc为每吨钢喷碳量，kg；Sc为饱和碳粉的喷吹速度，min-1kg渣-1；t为喷碳时间，min；Mslag为吨钢渣的质量，kg；为wc碳粉中碳的质量百分比。 　　

　　

　　用铁水进行电弧炉冶炼时，由于铁水中已经含有大量的碳，为了达到同样的泡沫渣效果，每吨钢的碳喷吹量要相对于废钢冶炼总量进行调整。如电弧炉冶炼采用高比例铁水时，由于钢水初始碳含量高，泡沫渣冶炼初期只需吹氧。当钢水含碳量降低到1.0%左右时，脱碳速度会下降，所以要向钢水中喷碳。由于钢水中仍含有较多的碳，所以泡沫渣喷吹所需的碳量低于全废钢。根据整个废钢冶炼过程中碳粉的饱和喷吹速度，脱碳速度应控制在0.08%/min ~ 0.12%/min之间，以达到良好的泡沫渣效果。因此，在混铁水的条件下，电弧炉炼钢每吨钢的喷碳量可根据公式(1)和公式(2)计算。 　　

　　

　　Sc=(D总c-Dc)106/Mslag (2) 　　

　　

　　式中，d总c为设定的总脱碳率(包括钢水中的碳和喷吹碳)，min-1；Dc为钢水中碳的脱碳速率，min-1。 　　

　　

　　根据上述计算方法，设定总脱碳率为0.10%/min计算碳粉喷吹量，在电弧炉中冶炼全部废钢、65%废钢-35%铁水、40%废钢-60%铁水时，可得到吨钢碳粉喷吹量。 　　

　　

　　根据热平衡，在65%废钢、35%铁水的原料结构下，电弧炉生产吨钢电耗为222.6kWh/t，熔化期末期吨钢电耗为161.2kWh/t，主熔化期末期吨钢电耗为70 kWh/t，主熔化期供电时， 根据起弧时间2分钟，燃烧器时间t1=(701203600-48.031000120)/60.67/1000/60=6.71分钟，可由公式(3)得到。 　　

　　

　　t1=(E1w3600-p1000T)/Pmelt/1000/60(3) 　　

　　

　　式中，E1为主熔化期结束时每吨钢的电耗，kWh；w是电弧炉的出钢质量，t；p为引弧时变压器的有功功率，MVA；t是起弧时间，s；p为废钢熔化时变压器的有功功率，MVA。 　　

　　

　　熔化期纯氧吹炼时间t2是钢水中的碳含量减去熔化期纯氧吹炼阶段结束时钢水中的碳含量，除以熔化期吹氧阶段的脱碳率(式(4))。 　　

　　

　　t2=((wC-wC1)/1000-mc)/Dc (4) 　　

　　

　　式中wC为钢水中碳的质量，kg；WC1是碳的质量 　　

　　

　　根据熔化期碳的烧损率为54%，计算出熔化期的总脱碳量，从而可以知道熔化期结束时钢水中的碳含量。将熔化期喷碳造泡沫渣的时间设定为4.62min，可知喷碳期钢水脱碳率为DC1=(1.2%-(18.419-0.240)(1-54%)/1000)/4.62=0.079%/min。 　　

p> 　　

Sc=(1.0%-0.079%)×106/75

　　

=2.7min-1kgslag-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