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1、大型电弧炉炼钢的炉料结构三角形研究第39卷第11期2004年11月钢铁IRONANDSTEELVol_39.No.nNovember2004大型电弧炉炼钢的炉料结构三角形研究刘润藻李士琦李京社利,彦辉郑雪蓉姜茂发(1.东北大学材料与冶金学院,沈阳110004;2.北京科技大学冶金与生态工程学院,北京100083)摘要在电弧炉炼钢炉料的研究基础上,并参照物理化学中三元相图浓度三角形的概念,提出了电弧炉炼钢炉料结构三角形概念,并定义了一个新的炉料结构参数生铁废钢配入比,使电弧炉炼钢炉料结构分析趋于合理,并应用于天津钢管公司炼钢厂电弧炉炼钢生产实际,获得了良好效果.关键词炼钢炉料结构三角形生铁废钢配
2、入比中图法分类号TF741.5文献标识码AResearchontheBurdenStructureOfEAFSteelmakingbyTernaryGraphsLIURunzao,LIShiqi,LIJingshe,SUNYanhui,ZHENGXuerong,JIANGMaofa(1.MaterialandMetallurgySchool,NortheasternUniversity,Shenyang110004;2.SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Be
3、ijing100083)ABSTRACTBasedonresearchofEAFburden,theternarygraphofburdenforUHPEAFsteelmakingispresentedbyreferringtotheoriesofthreephasesdiagraminphysicochemistry,andanewburdenparameternamelyratioofpigironandscrapisdefinedinthispaper.TheburdenstructureofEAFsteelmakingisanalyzedrationally,whichareappli
4、edtosteelmakingofEAFinTianjinPipeCorporationandhavegoodresults.KEYWORDSsteelmaking,theternarygraph,ratioofpigtoscrap1前言最近的几十年中全球电炉钢占总钢产量的比例一直稳步增长,1989年为26.89/5,2001年为35.29/5口,而且这一增长趋势还在延续.据预测,到2010年世界电炉钢的比例有望超过409/5.电弧炉炼钢是主要的废钢铁料再生工艺,然而废钢的循环使用导致有害残余元素的积累,这与电弧炉钢厂生产高质量品种钢产生了矛盾.为了改善钢的质量,一个重要的对策就是使用洁净的含
5、铁料来替代部分低质量的废钢,最常用的洁净含铁料有直接还原铁(DRI)和热压块铁(HBI),生铁,热铁水等.天津钢管公司是我国石油套管和油井管的专业化生产企业,为了保证产品的质量,其含铁原料除废钢和生铁外还配加一定的直接还原铁,用于稀释废钢原料中的有害金属残余元素的百分含量.当前全世界直接还原铁占电弧炉炼钢的含铁料的比例逐年增加,年用量已超过4000万t,而我国直接还原铁的使用量仅为10万t左右,远低于世界平均水平.天津钢管公司炼钢厂拥有国内容量最大的炼钢电弧炉,而且是目前我国唯一长期大量配加直接还原铁的电弧炉炼钢厂,研究其炉料结构对我国电弧炉炼钢铁源的拓宽有重要的指导意义.2炉料结构三角形的提
6、出电弧炉炼钢炉料结构一般是指各种含铁原料配入量在含铁原料总配入量中所占的比例.如果含铁原料为废钢(scrap),生铁(pig)和直接还原铁(DRI),按传统意义其炉料结构参数为scrap,pig和DRI(其中scrapGrap/(Gscrap+Gpig+GDRI),Grap,G附,GDR分别为废钢,生铁和直接还原铁的配入量).传统方法分析炉料结构中各参数对诸如吨钢耗电,出钢量,冶炼周期等主要技术经济指标的影响,是将这三个因素分别讨论,而这三个炉料结构参数应满足总量为1(1009/5)的条件,实际上只有两个独立变量.可见,按常规将三个参数scrap,pig和DRI作为炉料结构参数在理论上是有缺陷
7、的.为了更科学地描述三元炉料的结构,参照物理化学中三元相图的浓度三角形的概念l4,引入了电弧炉炼钢炉料结构三角形(图1).图中等边三角形的三个顶点分别表示某一种原料(配入比例为1009/5),由此构成的炉料结构三角形具有与浓度三收修日期:20040224;联系人:李士琦,教授,lishiqi【第11期刘润藻等:大型电弧炉炼钢的炉料结构三角形研究角形类似的性质.废钢直接还原铁O图1炉料结构三角形Fig.1Ternarygraphoftheburden生铁/%由相似三角形的几何特征可知,其中通过某顶点的任一直线上该组元配入比例有所变化,而其他两组元的比是一个常数.如图1中所示的直线上每一点DRI值
8、不同,而生铁与废钢配入比例的比值是一常数.由此定义一个新的炉料结构参数生铁废钢配入比,用PSR表示,即:PSR一监(1)scrap由浓度三角形理论推之,传统的三个结构参数中不相互独立的变量DRI,scrap,pig转化为两个相互独立的变量DRI和PSR.3炉料结构三角形的应用3.1炉料结构分布情况将天津钢管公司两个阶段的电弧炉生产数据分别记为TP1,TP2,制作出各个阶段炉料结构在三角形中的散点图,将TP1和TP2作于图2.可以看出,各阶段炉料结构参数均分布在以DRI为顶点到对边的线段上,即在某个生产阶段,PSR是一定的.3.2炉料结构对剩余碳的影响在电弧炉炼钢过程中,其他冶炼条件一定的情况下
9、,所使用的三种含铁原料中,生铁配入量与直接还原铁的配入量密切相关.这是由于含铁原料本身也要进行碳氧反应.从碳氧平衡方面考虑,含铁原料中的氧主要是由直接还原铁中所含有的铁氧化物带入的,而要将这些铁氧化物还原,即与含铁原料中的氧反应所需要的含铁原料中的碳主要是由生铁带入的.将含铁原料中的所含有的碳称为自由碳,将含铁原料中的所含有的氧称为自由氧.自由碳在与自由氧反应后,废钢/%直接还原铁/%生铁,%图2TP1和TP2炉料结构三角形中的散点图Fig.2TernarygraphofTP1andTP2常常还有一部分过剩碳,这部分过剩的碳称为剩余碳.根据直接还原铁的种类不同,特性不同,生铁的配入量也应该有所
10、不同.在含铁料配入总量一定的情况下,导致炉料结构也要进行相应的变化.下面是根据吨钢剩余碳计算炉料结构的过程,以100t含铁原料配入量为计算基础.(1)假设直接还原铁中铁氧化物均以FeO形式存在,则根据反应方程式FeO+CFe+CO(2)由一定的直接还原铁配入比例可计算出与自由氧反应消耗的自由碳量W.W.一1000NDRINFeODRIN12/72(3)式中W.与自由氧反应消耗的自由碳量,kg;FeODRI直接还原铁中FeO的百分含量,.(2)由于炉料中配碳量主要由生铁带入,则W.11000NpigNC眦(4)而Wt.talW.+Wd(5)Wd一NG(6)式中W.l配碳量,kg;Wd剩余碳量,k
11、g;C生铁中碳的百分含量,;叫吨钢剩余碳量,kg/t;G出钢量,t.由式(4)(6)可以计算出pig.(3)根据以上两步通过DRI和pig计算出scrap分别将训为6和7kg/t的条件下,直接还原铁钢铁第39卷配入比例由15o时的炉料结构计算出来,并以散点形式在电弧炉炼钢炉料结构三角形中表示.l00废钢,%废钢,%直接还原铁,o/0图3TP1炉料结构散点图Fig.3TernarygraphofTP1直接还原铁图4TP2炉料结构散点图Fig.4TernarygraphofTP20生铁/%0生铁/%图3,4为TP1,TP2的实际炉料结构与叫为6和7kg/t时直接还原铁配入比例为1%5o%的散点图.
12、3.3炉料结构参数对主要技术经济指标的影响电弧炉炼钢在使用直接还原铁的生产条件下,直接还原铁的配入比例对吨钢电耗,出钢量,冶炼周期等技术经济指标的影响尤为重要.由前述,炉料结构参数分别为相互独立的PSR和DRI时,可以在以大量数据为基础的前提下,运用统计学的方法对各基本统计量进行分析.在相关和回归分析中,可以将技术经济指标作为因变量和将新定义的炉料结构参数作为自变量,则分析式可以写成Ff(PSR,DRI)(7)式(7)中F可以为吨钢电耗(SEC),出钢量(G),冶炼周期(丁)等,这样可以分析在不同的PSR下,DRI对主要技术经济指标的定量影响.吨钢耗电是考核电弧炉炼钢运行情况的主要经济技术指标
13、,如果综合考虑各主要因素对电耗的影响,又可以写成SECf(G,T,PSR,DRI)(8)4结论(1)针对传统的炉料结构参数的不合理性,提出了新的炉料结构参数生铁废钢配入比,使炉料结构参数成为两个完全独立的参数,可以更科学和合理地对炉料结构进行分析.(2)采用炉料结构三角形对电弧炉炼钢的炉料结构进行分析,可直观地反映出炉料结构点在三角形中的位置,并可根据碳氧平衡对炉料结构点分布的合理区域给出评价.参考文献1DarleneFritz.LatestEAFStatisticsfromIISI.SteelTechnology,1999,(11):6467.2TAOJin.ApplicationofDRI
14、inEAFProcess.SpecialSteel,1997,18(1):2528.(陶晋.电弧炉炼钢中直接还原铁的利用.特殊钢,1997,18(1):2528.)3SONGJiapeng,JIANGGuilian.TechnologyofHighQualitySteelProductionin150tUHPEAF.Steelmaking,2000,16(10):1819.(宋嘉鹏,姜桂连.15Ot超高功率电弧炉生产高质量钢的工艺技术.炼钢,2000,16(10):1819.)4RichardsonFD.PhysicalChemistryofMeltsinMetallurgy.NewYork:AcademicPress,1974.127132.
