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1、 大型電弧爐煉鋼的爐料結(jié)構(gòu)三角形研究 第39卷第11期 2004年11月 鋼鐵 IRONANDSTEEL Vol_39.No.n November2004 大型電弧爐煉鋼的爐料結(jié)構(gòu)三角形研究 劉潤(rùn)藻李士琦李京社利,彥輝鄭雪蓉姜茂發(fā) (1.東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院,沈陽(yáng)110004;2.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院,北京100083) 摘要在電弧爐煉鋼爐料的研究基礎(chǔ)上,并參照物理化學(xué)中三元相圖濃度三角形的概念,提出了電弧爐煉鋼爐 料結(jié)構(gòu)三角形概念,并定義了一個(gè)新的爐料結(jié)構(gòu)參數(shù)——生鐵廢鋼配入比,使電弧爐煉鋼爐料結(jié)構(gòu)分析趨于合理, 并應(yīng)用于天津鋼管公司煉鋼廠(chǎng)電弧爐煉鋼生產(chǎn)

2、實(shí)際,獲得了良好效果. 關(guān)鍵詞煉鋼爐料結(jié)構(gòu)三角形生鐵廢鋼配入比 中圖法分類(lèi)號(hào)TF741.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A ResearchontheBurdenStructureOfEAFSteelmakingbyTernaryGraphs LIURunzao～,LIShiqi,LIJingshe,SUNYanhui,ZHENGXuerong,JIANGMaofa (1.MaterialandMetallurgySchool,NortheasternUniversity,Shenyang110004; 2.SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering,U

3、niversityofScience andTechnologyBeijing,Beijing100083) ABSTRACTBasedonresearchofEAFburden,theternarygraphofburdenforUHPEAF steelmakingispresentedbyreferringtotheoriesofthreephasesdiagraminphysicochemistry, andanewburdenparameternamelyratioofpigironandscrapisdefinedinthispaper.The burdenstructur

4、eofEAFsteelmakingisanalyzedrationally,whichareappliedtosteelmakingof EAFinTianjinPipeCorporationandhavegoodresults. KEYWORDSsteelmaking,theternarygraph,ratioofpigtoscrap 1前言 最近的幾十年中全球電爐鋼占總鋼產(chǎn)量的比例 一 直穩(wěn)步增長(zhǎng),1989年為26.89/5,2001年為 35.29/5口],而且這一增長(zhǎng)趨勢(shì)還在延續(xù).據(jù)預(yù)測(cè),到 2010年世界電爐鋼的比例有望超過(guò)409/5].電弧 爐煉鋼是主要的廢鋼鐵料

5、再生工藝,然而廢鋼的循 環(huán)使用導(dǎo)致有害殘余元素的積累,這與電弧爐鋼廠(chǎng) 生產(chǎn)高質(zhì)量品種鋼產(chǎn)生了矛盾.為了改善鋼的質(zhì)量, 一 個(gè)重要的對(duì)策就是使用潔凈的含鐵料來(lái)替代部分 低質(zhì)量的廢鋼,最常用的潔凈含鐵料有直接還原鐵 (DRI)和熱壓塊鐵(HBI),生鐵,熱鐵水等]. 天津鋼管公司是我國(guó)石油套管和油井管的專(zhuān)業(yè) 化生產(chǎn)企業(yè),為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量,其含鐵原料除廢 鋼和生鐵外還配加一定的直接還原鐵,用于稀釋廢 鋼原料中的有害金屬殘余元素的百分含量.當(dāng)前全 世界直接還原鐵占電弧爐煉鋼的含鐵料的比例逐年 增加,年用量已超過(guò)4000萬(wàn)t,而我國(guó)直接還原鐵的 使用量?jī)H為10萬(wàn)t左右,遠(yuǎn)低于

6、世界平均水平.天 津鋼管公司煉鋼廠(chǎng)擁有國(guó)內(nèi)容量最大的煉鋼電弧 爐,而且是目前我國(guó)唯一長(zhǎng)期大量配加直接還原鐵 的電弧爐煉鋼廠(chǎng),研究其爐料結(jié)構(gòu)對(duì)我國(guó)電弧爐煉 鋼鐵源的拓寬有重要的指導(dǎo)意義. 2爐料結(jié)構(gòu)三角形的提出 電弧爐煉鋼爐料結(jié)構(gòu)一般是指各種含鐵原料配 入量在含鐵原料總配入量中所占的比例.如果含鐵 原料為廢鋼(scrap),生鐵(pig)和直接還原鐵 (DRI),按傳統(tǒng)意義其爐料結(jié)構(gòu)參數(shù)為scrap,pig和 DRI(其中scrap—Grap/(Gscrap+Gpig+GDRI),Grap, G附,GDR分別為廢鋼,生鐵和直接還原鐵的配入 量).傳統(tǒng)方法分析爐料結(jié)構(gòu)中各參

7、數(shù)對(duì)諸如噸鋼耗 電,出鋼量,冶煉周期等主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響, 是將這三個(gè)因素分別討論,而這三個(gè)爐料結(jié)構(gòu)參數(shù) 應(yīng)滿(mǎn)足總量為1(1009/5)的條件,實(shí)際上只有兩個(gè)獨(dú) 立變量.可見(jiàn),按常規(guī)將三個(gè)參數(shù)scrap,pig和DRI 作為爐料結(jié)構(gòu)參數(shù)在理論上是有缺陷的. 為了更科學(xué)地描述三元爐料的結(jié)構(gòu),參照物理 化學(xué)中三元相圖的濃度三角形的概念l4],引入了電 弧爐煉鋼"爐料結(jié)構(gòu)三角形"(圖1).圖中等邊三角 形的三個(gè)頂點(diǎn)分別表示某一種原料(配入比例為 1009/5),由此構(gòu)成的爐料結(jié)構(gòu)三角形具有與濃度三 收修日期:2004—02—24;聯(lián)系人:李士琦,教授,l

8、ishiqi【@ 第11期劉潤(rùn)藻等:大型電弧爐煉鋼的爐料結(jié)構(gòu)三角形研究 角形類(lèi)似的性質(zhì). 廢鋼 直接還原鐵 O 圖1爐料結(jié)構(gòu)三角形 Fig.1Ternarygraphoftheburden 生鐵/% 由相似三角形的幾何特征可知,其中通過(guò)某頂 點(diǎn)的任一直線(xiàn)上該組元配入比例有所變化,而其他 兩組元的比是一個(gè)常數(shù).如圖1中所示的直線(xiàn)上每 一 點(diǎn)DRI值不同,而生鐵與廢鋼配入比例的比值是 一 常數(shù).由此定義一個(gè)新的爐料結(jié)構(gòu)參數(shù)——生鐵 廢鋼配入比,用PSR表示,即: PSR一監(jiān)(1) scrap 由濃度三角形理論推之,傳統(tǒng)的三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù) 中不相互獨(dú)立的變量D

9、RI,scrap,pig轉(zhuǎn)化為兩個(gè)相 互獨(dú)立的變量DRI和PSR. 3爐料結(jié)構(gòu)三角形的應(yīng)用 3.1爐料結(jié)構(gòu)分布情況 將天津鋼管公司兩個(gè)階段的電弧爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)分 別記為T(mén)P1,TP2,制作出各個(gè)階段爐料結(jié)構(gòu)在三角 形中的散點(diǎn)圖,將TP1和TP2作于圖2.可以看出, 各階段爐料結(jié)構(gòu)參數(shù)均分布在以DRI為頂點(diǎn)到對(duì) 邊的線(xiàn)段上,即在某個(gè)生產(chǎn)階段,PSR是一定的. 3.2爐料結(jié)構(gòu)對(duì)剩余碳的影響 在電弧爐煉鋼過(guò)程中,其他冶煉條件一定的情 況下,所使用的三種含鐵原料中,生鐵配入量與直接 還原鐵的配入量密切相關(guān).這是由于含鐵原料本身 也要進(jìn)行碳氧反應(yīng). 從碳氧平衡方面考慮,含鐵原料中

10、的氧主要是 由直接還原鐵中所含有的鐵氧化物帶入的,而要將 這些鐵氧化物還原,即與含鐵原料中的氧反應(yīng)所需 要的含鐵原料中的碳主要是由生鐵帶入的.將含鐵 原料中的所含有的碳稱(chēng)為自由碳,將含鐵原料中的 所含有的氧稱(chēng)為自由氧.自由碳在與自由氧反應(yīng)后, 廢鋼/% 直接還原鐵/% 生鐵,% 圖2TP1和TP2爐料結(jié)構(gòu)三角形中的散點(diǎn)圖 Fig.2TernarygraphofTP1andTP2 常常還有一部分過(guò)剩碳,這部分過(guò)剩的碳稱(chēng)為剩余 碳. 根據(jù)直接還原鐵的種類(lèi)不同,特性不同,生鐵的 配入量也應(yīng)該有所不同.在含鐵料配入總量一定的 情況下,導(dǎo)致?tīng)t料結(jié)構(gòu)也要進(jìn)行相應(yīng)的變化. 下

11、面是根據(jù)噸鋼剩余碳計(jì)算爐料結(jié)構(gòu)的過(guò)程, 以100t含鐵原料配入量為計(jì)算基礎(chǔ). (1)假設(shè)直接還原鐵中鐵氧化物均以FeO形 式存在,則根據(jù)反應(yīng)方程式 FeO+C—Fe+CO(2) 由一定的直接還原鐵配入比例可計(jì)算出與自由 氧反應(yīng)消耗的自由碳量W.…. W...一1000NDRINFeODRIN12/72(3) 式中W.…——與自由氧反應(yīng)消耗的自由碳 量,kg; FeODRI——直接還原鐵中FeO的百分含 量,. (2)由于爐料中配碳量主要由生鐵帶入,則 W.1—1000NpigNC眥(4) 而Wt.tal—W...+Wd(5) Wd一℃NG(6) 式中W.l——配

12、碳量,kg; Wd——剩余碳量,kg; C——生鐵中碳的百分含量,; 叫噸鋼剩余碳量,kg/t; G——出鋼量,t. 由式(4)～(6)可以計(jì)算出pig. (3)根據(jù)以上兩步通過(guò)DRI和pig計(jì)算出 scrap 分別將訓(xùn)為6和7kg/t的條件下,直接還原鐵 鋼鐵第39卷 配入比例由1～5o時(shí)的爐料結(jié)構(gòu)計(jì)算出來(lái),并 以散點(diǎn)形式在電弧爐煉鋼爐料結(jié)構(gòu)三角形中表示. l00 廢鋼,% 廢鋼,% 直接還原鐵,o/0 圖3TP1爐料結(jié)構(gòu)散點(diǎn)圖 Fig.3TernarygraphofTP1 直接還原鐵 圖4TP2爐料結(jié)構(gòu)散點(diǎn)圖 Fig.4Ternarygrapho

13、fTP2 0生鐵/% 0生鐵/% 圖3,4為T(mén)P1,TP2的實(shí)際爐料結(jié)構(gòu)與叫為6和7 kg/t時(shí)直接還原鐵配入比例為1%～5o%的散點(diǎn) 圖. 3.3爐料結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響 電弧爐煉鋼在使用直接還原鐵的生產(chǎn)條件下, 直接還原鐵的配入比例對(duì)噸鋼電耗,出鋼量,冶煉周 期等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響尤為重要.由前述,爐料結(jié) 構(gòu)參數(shù)分別為相互獨(dú)立的PSR和DRI時(shí),可以在 以大量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的前提下,運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對(duì) 各基本統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行分析.在相關(guān)和回歸分析中,可以 將技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)作為因變量和將新定義的爐料結(jié)構(gòu) 參數(shù)作為自變量,則分析式可以寫(xiě)成 F—f(PSR,DRI)

14、(7) 式(7)中F可以為噸鋼電耗(SEC),出鋼量 (G),冶煉周期(丁)等,這樣可以分析在不同的PSR 下,DRI對(duì)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的定量影響. 噸鋼耗電是考核電弧爐煉鋼運(yùn)行情況的主要經(jīng) 濟(jì)技術(shù)指標(biāo),如果綜合考慮各主要因素對(duì)電耗的影 響,又可以寫(xiě)成 SEC—f(G,T,PSR,DRI)(8) 4結(jié)論 (1)針對(duì)傳統(tǒng)的爐料結(jié)構(gòu)參數(shù)的不合理性,提 出了新的爐料結(jié)構(gòu)參數(shù)——生鐵廢鋼配入比,使?fàn)t 料結(jié)構(gòu)參數(shù)成為兩個(gè)完全獨(dú)立的參數(shù),可以更科學(xué) 和合理地對(duì)爐料結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析. (2)采用爐料結(jié)構(gòu)三角形對(duì)電弧爐煉鋼的爐料 結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,可直觀地反映出爐料結(jié)構(gòu)點(diǎn)在三角 形中的位

15、置,并可根據(jù)碳氧平衡對(duì)爐料結(jié)構(gòu)點(diǎn)分布 的合理區(qū)域給出評(píng)價(jià). 參考文獻(xiàn) 1DarleneFritz.LatestEAFStatisticsfromIISI.SteelTechnology,1999,(11):64～67. 2TAOJin.ApplicationofDRIinEAFProcess.SpecialSteel,1997,18(1):25～28.(陶晉.電弧爐煉鋼中直 接還原鐵的利用.特殊鋼,1997,18(1):25～28.) 3SONGJiapeng,JIANGGuilian.TechnologyofHighQualitySteelProductionin150tUHP—EAF.Steelmaking, 2000,16(10):18～19.(宋嘉鵬,姜桂連.15Ot超高功率電弧爐生產(chǎn)高質(zhì)量鋼的工藝技術(shù).煉鋼,2000,16 (10):18～19.) 4RichardsonFD.PhysicalChemistryofMeltsinMetallurgy.NewYork:AcademicPress,1974.127～132.