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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 劉潤藻李士琦李京社利,彥輝鄭雪蓉姜茂發(fā) (1.東北大學材料與冶金學院,沈陽110004;2.北京科技大學冶金與生態(tài)工程學院,北京100083) 摘要在電弧爐煉鋼爐料的研究基礎上,并參照物理化學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, 并應用于天津鋼管公司煉鋼廠電弧爐煉鋼生產(chǎn)

2、實際,獲得了良好效果. 關鍵詞煉鋼爐料結(jié)構(gòu)三角形生鐵廢鋼配入比 中圖法分類號TF741.5文獻標識碼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,1989年為26.89/5,2001年為 35.29/5口],而且這一增長趨勢還在延續(xù).據(jù)預測,到 2010年世界電爐鋼的比例有望超過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)使用導致有害殘余元素的積累,這與電弧爐鋼廠 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 個重要的對策就是使用潔凈的含鐵料來替代部分 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石油套管和油井管的專業(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4000萬t,而我國直接還原鐵的 使用量僅為10萬t左右,遠低于

6、世界平均水平.天 津鋼管公司煉鋼廠擁有國內(nèi)容量最大的煉鋼電弧 爐,而且是目前我國唯一長期大量配加直接還原鐵 的電弧爐煉鋼廠,研究其爐料結(jié)構(gòu)對我國電弧爐煉 鋼鐵源的拓寬有重要的指導意義. 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)對諸如噸鋼耗 電,出鋼量,冶煉周期等主要技術經(jīng)濟指標的影響, 是將這三個因素分別討論,而這三個爐料結(jié)構(gòu)參數(shù) 應滿足總量為1(1009/5)的條件,實際上只有兩個獨 立變量.可見,按常規(guī)將三個參數(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. 為了更科學地描述三元爐料的結(jié)構(gòu),參照物理 化學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 形的三個頂點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期劉潤藻等:大型電弧爐煉鋼的爐料結(jié)構(gòu)三角形研究 角形類似的性質(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,其中通過某頂 點的任一直線上該組元配入比例有所變化,而其他 兩組元的比是一個常數(shù).如圖1中所示的直線上每 一 點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)的三個結(jié)構(gòu)參數(shù) 中不相互獨立的變量D

9、RI,scrap,pig轉(zhuǎn)化為兩個相 互獨立的變量DRI和PSR. 3爐料結(jié)構(gòu)三角形的應用 3.1爐料結(jié)構(gòu)分布情況 將天津鋼管公司兩個階段的電弧爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)分 別記為TP1,TP2,制作出各個階段爐料結(jié)構(gòu)在三角 形中的散點圖,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為頂點到對 邊的線段上,即在某個生產(chǎn)階段,PSR是一定的. 3.2爐料結(jié)構(gòu)對剩余碳的影響 在電弧爐煉鋼過程中,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.這是由于含鐵原料本身 也要進行碳氧反應. 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為自由碳,將含鐵原料中的 所含有的氧稱為自由氧.自由碳在與自由氧反應后, 廢鋼/% 直接還原鐵/% 生鐵,% 圖2TP1和TP2爐料結(jié)構(gòu)三角形中的散點圖 Fig.2TernarygraphofTP1andTP2 常常還有一部分過剩碳,這部分過剩的碳稱為剩余 碳. 根據(jù)直接還原鐵的種類不同,特性不同,生鐵的 配入量也應該有所不同.在含鐵料配入總量一定的 情況下,導致爐料結(jié)構(gòu)也要進行相應的變化. 下

11、面是根據(jù)噸鋼剩余碳計算爐料結(jié)構(gòu)的過程, 以100t含鐵原料配入量為計算基礎. (1)假設直接還原鐵中鐵氧化物均以FeO形 式存在,則根據(jù)反應方程式 FeO+C—Fe+CO(2) 由一定的直接還原鐵配入比例可計算出與自由 氧反應消耗的自由碳量W.…. W...一1000NDRINFeODRIN12/72(3) 式中W.…——與自由氧反應消耗的自由碳 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)可以計算出pig. (3)根據(jù)以上兩步通過DRI和pig計算出 scrap 分別將訓為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時的爐料結(jié)構(gòu)計算出來,并 以散點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)散點圖 Fig.3TernarygraphofTP1 直接還原鐵 圖4TP2爐料結(jié)構(gòu)散點圖 Fig.4Ternarygrapho

13、fTP2 0生鐵/% 0生鐵/% 圖3,4為TP1,TP2的實際爐料結(jié)構(gòu)與叫為6和7 kg/t時直接還原鐵配入比例為1%～5o%的散點 圖. 3.3爐料結(jié)構(gòu)參數(shù)對主要技術經(jīng)濟指標的影響 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噸鋼電耗,出鋼量,冶煉周 期等技術經(jīng)濟指標的影響尤為重要.由前述,爐料結(jié) 構(gòu)參數(shù)分別為相互獨立的PSR和DRI時,可以在 以大量數(shù)據(jù)為基礎的前提下,運用統(tǒng)計學的方法對 各基本統(tǒng)計量進行分析.在相關和回歸分析中,可以 將技術經(jīng)濟指標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對主要技術經(jīng)濟指標的定量影響. 噸鋼耗電是考核電弧爐煉鋼運行情況的主要經(jīng) 濟技術指標,如果綜合考慮各主要因素對電耗的影 響,又可以寫成 SEC—f(G,T,PSR,DRI)(8) 4結(jié)論 (1)針對傳統(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,使爐 料結(jié)構(gòu)參數(shù)成為兩個完全獨立的參數(shù),可以更科學 和合理地對爐料結(jié)構(gòu)進行分析. (2)采用爐料結(jié)構(gòu)三角形對電弧爐煉鋼的爐料 結(jié)構(gòu)進行分析,可直觀地反映出爐料結(jié)構(gòu)點在三角 形中的位

15、置,并可根據(jù)碳氧平衡對爐料結(jié)構(gòu)點分布 的合理區(qū)域給出評價. 參考文獻 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.煉鋼,2000,16 (10):18～19.) 4RichardsonFD.PhysicalChemistryofMeltsinMetallurgy.NewYork:AcademicPress,1974.127～132.