淺談電弧爐煉鋼復(fù)合吹煉技術(shù)

林來斌

濟(jì)南鋼鐵合金廠

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淺談電弧爐煉鋼復(fù)合吹煉技術(shù)

林來斌

濟(jì)南鋼鐵合金廠

本文從探究電爐煉鋼復(fù)合吹煉技術(shù)的背景出發(fā)，對(duì)電弧爐煉鋼復(fù)合吹煉技術(shù)具體應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)分析，以供參考。

電弧爐；煉鋼；復(fù)合吹煉技術(shù)

前言

煉鋼生產(chǎn)主要有轉(zhuǎn)爐和電爐流程，其中電爐煉鋼流程是以廢鋼為主要原料，具有流程短、品種齊全、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。近年來，世界電爐鋼產(chǎn)量占總產(chǎn)量的32%～35%，歐美等發(fā)達(dá)國家已達(dá)50%；我國是世界上最大的電爐鋼生產(chǎn)國，隨著廢鋼蓄積量的增加，電弧爐煉鋼在中國煉鋼生產(chǎn)中的比例將不斷提高。

1 電爐煉鋼復(fù)合吹煉技術(shù)的研究背景

目前，電弧爐煉鋼工藝遇到的最主要問題是冶煉成本高，即使加入與轉(zhuǎn)爐相同的鐵水比例，電爐煉鋼生產(chǎn)的鋼坯成本仍高于轉(zhuǎn)爐100～400元/t，主要原因是鋼鐵料、石灰、氧氣等消耗均高于轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)，究其根源是受電弧爐爐型的限制。相同噸位的電弧爐和轉(zhuǎn)爐，噴吹相同流量和壓力的氧氣，即使加上供電產(chǎn)生的電磁攪拌力，電弧爐的熔池?cái)嚢鑿?qiáng)度也只是轉(zhuǎn)爐的1/10，因此轉(zhuǎn)爐的熔池的動(dòng)力學(xué)條件優(yōu)于電弧爐的動(dòng)力學(xué)條件。所以電弧爐煉鋼如希望提高冶煉節(jié)奏、降低冶煉成本，需強(qiáng)化熔池的攪拌，加快冶金反應(yīng)的速度及效率。電弧爐煉鋼復(fù)合吹煉技術(shù)是以多元爐料結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以節(jié)能及降低成本為目標(biāo)，通過強(qiáng)化熔池?cái)嚢?，將供電、供氧及底吹攪拌等單元操作進(jìn)行多尺度集成，最大限度地降低金屬料及輔助材料消耗、提高氧氣利用率。

電弧爐煉鋼復(fù)合吹煉技術(shù)是以多元爐料結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以節(jié)能及降低成本為目標(biāo)，通過強(qiáng)化熔池?cái)嚢?，將供電、供氧及底吹攪拌等單元操作進(jìn)行多尺度集成，最大限度的降低金屬料及輔助材料消耗、提高氧氣利用率。

2 電爐煉鋼復(fù)合吹煉技術(shù)

2.1 電爐煉鋼底吹技術(shù)

由于電弧爐煉鋼的突出弱點(diǎn)是熔池?cái)嚢枞酰睙挄r(shí)間較長，電弧產(chǎn)生的熱量主要加熱熔池上部的鋼液，而底部和電弧區(qū)以外的鋼液主要是通過熱量的對(duì)流擴(kuò)散來加熱，因此熱量的傳遞慢。圖1采用Fluent模擬電弧爐三相流，發(fā)現(xiàn)熔池底部的鋼液，即使噴吹3000Nm3/ h的氧氣量，熔池底部1秒鐘也只循環(huán)1mm。

圖1 65t電弧爐水模型的幾何參數(shù)（尺寸：mm）

若能加強(qiáng)熔池?cái)嚢?，將?huì)加快爐內(nèi)反應(yīng)，縮短冶煉時(shí)間，降低冶煉成本。受轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹技術(shù)的啟迪，上世紀(jì)80年代設(shè)想向電弧爐熔池底部吹入惰性氣體攪拌，加速了熔池中鋼液的化學(xué)成分和溫度的均勻，提高了熔池中渣鋼反應(yīng)速率，根據(jù)模擬計(jì)算：電弧爐采用底吹技術(shù)可以提高熔池的攪拌速度3-5倍，這就是電弧爐底吹氣體攪拌技術(shù)。

但是由于電弧爐采用留鋼操作，電爐生產(chǎn)企業(yè)考慮底吹裝置對(duì)安全可能產(chǎn)生影響，采用底吹攪拌的電弧爐較少。直到近年北京科技大學(xué)開發(fā)了新型電弧爐底吹技術(shù)徹底解決了底吹的安全隱患，使電弧爐底吹技術(shù)得到應(yīng)用。目前該技術(shù)主要包括底吹長壽技術(shù)、底吹控制技術(shù)、底吹與供氧的控制模型。

2.2 電爐煉鋼復(fù)合吹煉的技術(shù)集成

目前，電爐煉鋼各單元操作技術(shù)已相對(duì)成熟，如何將各操作單元進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，本文采用了多尺度結(jié)構(gòu)理論。電弧爐煉鋼能量及成本優(yōu)化就是依據(jù)原料加入及冶金操作將有效供能時(shí)間分成若干個(gè)時(shí)間段，對(duì)供電、供氧、底吹及余熱利用的操作參數(shù)進(jìn)行分時(shí)段設(shè)定及優(yōu)化。借助于輔助軟件工具，計(jì)算出總能量需求和各個(gè)時(shí)段內(nèi)的能量需求，綜合考慮各單元的操作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)總能量和各個(gè)時(shí)段能量的供需，通過強(qiáng)化攪拌，接近理論平衡值，達(dá)到煉鋼生產(chǎn)高效、節(jié)能的目的。

對(duì)于鐵水加入量大的原料結(jié)構(gòu)，由于總供電量小，采用間斷性供電，因此決定電爐煉鋼技術(shù)指標(biāo)的主要因素與轉(zhuǎn)爐冶煉類似，即供氧效率及熔池?cái)嚢璧膹?qiáng)弱。

為了研究電弧爐供氧與底吹攪拌的效果，通常采用供氧與底吹的同步控制方法進(jìn)行。為確定吹氧及底吹的同步控制操作，針對(duì)某特鋼65t電弧爐進(jìn)行了電弧爐水模擬實(shí)驗(yàn)研究，確定合適的吹氧及底吹流量。圖1為65t電弧爐水模型的幾何參數(shù)。

該特鋼有三支爐壁氧槍和一支爐門槍，最大流量分別為2500Nm3/h和2800Nm3/h。由于電弧爐各個(gè)冶煉階段的任務(wù)不同，冶煉所需要的供氧量和底吹氣流量均不同。

本文定義了不同時(shí)刻的氧氣流量形成的冶煉步驟為氧氣步驟，簡稱為氧步；同理，不同時(shí)刻的氬氣流量形成的步驟稱為氬氣步驟，簡稱為氬步。通過在該特鋼65t電弧爐的工業(yè)試驗(yàn)研究，確定經(jīng)驗(yàn)公式為：

不同冶煉階段的氧氣和底吹氣體匹配情況如下所示。

模式1，非冶煉期：（02A×a+0.2C）/（0.375E×e）.

模式2，加料期：（02A×a+0.2C）/（0.5E×e）

模式3，廢鋼熔化期：（A×a+B+C）/（0.75E×e）

模式4，脫磷期：（A×a+B+C+D）/（0.375E×e）.

模式5，脫碳升溫期：（A×a+B+C+D）/（075E×e）

模式6，出鋼前強(qiáng)攪拌：（0.2A×a+0.5B+0.5C+D）/（E×e）

在上式中，A：爐壁氧槍流量，300-5000Nm3/h，一般為1-7支，槍數(shù)為a；B：爐門氧槍流量，500-6000Nm3/h；一般為1支C：EBT槍流量，100-5000Nm3/h；一般為一支；D：爐頂氧槍，200-6000Nm3/h；E：底吹流量，5-200NL/min，取1-7支，槍數(shù)為e。若電弧爐設(shè)備中擁有A，則上面公式中A的值為其相應(yīng)的流量，否則A的值為0。B、C、D、E的判別情況同A一致。針對(duì)不同的冶煉模式，即不同的氧氣流量、底吹氣體流量進(jìn)行編檔操作，根據(jù)設(shè)計(jì)方案，在不同的時(shí)刻調(diào)整為不同的冶煉模式，實(shí)現(xiàn)冶煉全自動(dòng)化控制。

通過電弧爐復(fù)合吹煉技術(shù)，電弧爐供氧和底吹供氣結(jié)合起來，選擇不同模式進(jìn)行復(fù)合吹煉，提高熔池內(nèi)部的攪拌強(qiáng)度，均勻熔池成分和溫度，加快脫碳速度，提高鋼液成分和溫度的終點(diǎn)控制精度，縮短冶煉時(shí)間，達(dá)到了優(yōu)化操作的目的。

3 結(jié)束語

總而言之，電弧爐煉鋼復(fù)合吹煉技術(shù)的應(yīng)用將節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本作為目，大幅度地降低原料、能量等消耗，提高氧氣利用率和電弧爐生產(chǎn)效率，使我國電弧爐煉鋼主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

［1］馬國宏，朱榮，劉潤藻，張文龍，朱長富.電弧爐煉鋼復(fù)合吹煉技術(shù)的研究及應(yīng)用［J］.中國冶金，2013，12：12-15.

［2］朱榮馬國宏.電爐煉鋼高效降本有新招［N］.中國冶金報(bào)，2013-12-26007.