天津钢管公司150t超高功率电弧炉炼钢工艺技术的发展
谷立功 张露 周国平（天津钢管公司）
摘要：天津钢管公司10年来通过炉料结构的改善、泡沫渣、供电和电极调节人工智能的应用，超音速氧枪和二次燃烧、炉顶喷吹等冶炼工艺技术的进展，使150t超高功率电弧炉的冶炼时间≤65min，年钢产量超过90万t，电耗402kWh/t，电极消耗1.4kg/t，炉壳寿命＞500次。
关键词：150t超高功率电弧炉 炼钢工艺 进展
天津钢管公司150t UHP-EAF于10年前投产，全套设备和技术由曼内斯曼德马克公司引进，主要生产优质石油套管。
为提高钢的质量和改善钢材的使用性能，天津钢管公司在电弧炉生产工艺上采用喷入氧气、碳粉、石灰粉和直接还原铁（DRI）细粉、二次燃烧、炉顶喷吹等技术。通过不同工艺的实践对比，形成了合理的装备及生产工艺流程，提高了EAF的生产效率；同时还降低了生产成本。
1、EAF基本参数和优化炉料配比结构
电弧炉容量：150t（UHP AC EBT）；炉壳直径：7000mm；电极直径：610mm（喷淋水）；留钢量：≥20t；变压器功率：90/100MVA；电压：300-890V；电流：64.7-83.6A；进料次数：2次/炉（100%冷废钢冶炼）；电极升降系统：神经网络控制。
生产初期，由于DRI、HBI、废钢等在配比和供电技术上存在一些差距，造成冶炼时间长、电耗高、炉壁寿命短、泡沫渣不理想等问题。经过几年来的工艺探索和技术创新，掌握了DRI的最佳佳配比及加入速度与供电功率的关系和熔化温度、渣子碱度、DRI中脉石含量、金属化率等与电耗的关系等。使DRI融化温度在1550-1580℃、R=2.0-2.5、冶炼时间、消耗、泡沫渣等都较为理想。
2、泡沫渣工艺的完善和炉门机械氧枪的创新
原设计造泡沫渣是采用炉顶第5孔加入焦炭粉的方法，由于焦炭粉被除尘系统吸走或随炉渣流到炉外，故造成消耗大、利用率低、泡沫渣高度不理想、保持时间短、埋弧差等问题；针对上述问题，开发了炉门喷吹焦炭粉技术，并制定合理的造渣工艺，控制炉渣碱度、FeO含量、钢渣比等；泡沫渣高度平均可达600mm左右，埋弧好，护炉效果明显，炉壁寿命由原300多次达到500次以上，电能利用充分，脱磷速度加快，钢中气体含量降低。
原机械式自耗氧枪，由于吹氧效率低，供氧量不足，吹氧管剩余过长，更换频率高，不能很好地配合造泡沫渣，为此对原有的机构氧枪进行了改造创新，完成引进BSE炉门三枪操作（二枪供氧，一枪喷吹焦炭粉），强化了供氧操作，满足了熔化和泡沫渣工艺的需求。
3、供电曲线的优化和电极调节系统人工智能的应用
引进的供电曲线在生产运行一段时间后，发现存在一些问题，如在使用较高级电压时，电弧不稳定，易跳闸，电弧不能连续燃烧等。对此，在原供电曲线的基础上，结合生产实际条件，对原变压器工作点进行了完善和修改，工序能耗的分配更趋合理，运行结果证明安全、稳定、可靠，满足工艺要求，取得了较好的结果。
为了更进一步优化150t UHP-EAF操作，公司引进了美国NCURAL公司一套人工智能电析调节系统（IAF），通过记忆、对比、映射等方式，记忆各种运行状态，周期性优化内部控制参数，同时参照大量的记忆和当前输入的信息，预测电弧即将出现的变化，提高发出控制信号，减少和避免变化造成的影响，采用此项技术后，电弧炉供电跳闸次数明显减少，变压器得到了保护，电效率得到了提高，杜绝了电极折断现象。
4、炉壁喷枪及二次燃烧系统和炉顶喷吹系统
为满足用户对管材质量和产量的更高要求，公司主要在以下几方面对炼钢系统进行了一次较大的创新改造，电弧炉喷枪系统主要由LANCE/STEIN公司负责。
（1）全面完善现有的炉门喷碳系统，在炉壳周围增设3只炉壁超音速氧枪（2.5MW/个），分布在3个冷区，其作用是前期可通过双射流工艺，降低电耗，保持炉渣的一致性；完善泡沫渣操作，强化冶炼，使炉内用氧制度更加合理。
（2）炉壁增加2支碳粉喷枪，优化炉后及出钢位泡沫渣工艺，保护炉壁。中后期配合氧枪、燃气烧嘴进行二次燃烧。
（3）在炉壁上安装4只燃气烧嘴（2.5MW/个）缩短熔化期，实施二次燃烧。烧嘴装在氧枪旁边使“火焰形状及燃烧”最佳化，能以较低的能耗更快地熔化炉料，其作用是熔炼前期助熔废钢，中后期进行二次燃烧。
（4）安装1个ERI细粉喷射系统，可直接喷吹DRI（或粉料），降低熔化DRI的能耗，达到“DRI粉料”能充分利用的目的，无需再造冷压块，提高收得率，降低成本。
（5）炉顶安装3只轻烧镁砂、石灰喷射系统，分别向炉内3个热区的渣线部件总裁 吹轻烧镁砂或氧化钙来覆盖“热区”，以降低炉壳热区耐火材料损耗，提高耐火炉衬寿命。该措施有利于缩短补炉时间和喷补次数，缩短停电时间，提高作业率。
5、效果分析
经过生产实践证明，主要技术经济指标完全达到创新设计目标，与生产初期比较，效果非常明显；达到了节能降耗、改善环境、同时在保证生产纯净钢时，作业率明显提高，表1是2002年各项技术指标及消耗情况。
表1 2002年天津钢管公司150t电弧炉主要指标的进展
| 技术创新项目 | 技术创新前 | 技术创新后 |
| 天然气消耗/m3·t-1 | - | 6 |
| 碳粉消耗/kg·t-1 | 10 | 8 |
| MgO喷吹速度/kg·min-1 | - | ≤90 |
| DRI喷吹速度（粉）/kg·min-1 | - | ≤500 |
| 日冶炼炉数 | ≥14 | ≥20 |
| 出钢-出钢时间/min | ≤100 | ≤65 |
| 产量/万t·y-1 | 60 | ≥90 |
| 电耗（不含LF）/kWh·t-1 | 531 | 402 |
| 电极消耗（不含LF）kg·t-1 | 2.9 | 1.4 |
| 氧耗/m3·t-1 | 21 | 43 |
| 气体含量/10-6 | O＜40，H＜20 | O＜20，H＜2 |
| 炉壳寿命/次 | ＞300 | ＞500 |
通过技术创新，使铸坯质量、产量明显提高，达到了节能降耗的目标。主要表现在以下方面：
（1）熔化期化学能转变成热能可有效利用。
（2）进入除尘系统的气体温度降低。除尘燃烧室处理CO负担减轻，CO的排放量降低。
（3）有效快速脱碳，缩短冶炼周期。炉壁得到了有效保护（高温区），降低耐火材料消耗。
（4）碳粉喷入利用率高。泡沫渣形成快，连续性长。
（5）提高电弧稳定性，有效提高输入功率。
（6）实现了全自动控制操作等。
