電弧爐煉鋼中終點控制的機理及應用

郭迪先

摘 要：電弧爐煉鋼是冶煉高品質(zhì)特殊鋼材的主要煉鋼方法之一，應用這項技術能夠為我國的國防軍事、交通制造等領域的提供重要的原材料。但是，長期以來，電弧爐煉鋼技術一直存在生產(chǎn)周期長、投入成本高、鋼材質(zhì)量差等缺陷，為了有效解決這一問題，煉鋼領域的研發(fā)團隊經(jīng)過不懈努力，實現(xiàn)了電弧爐煉鋼中終點控制技術的突破，為我國成為世界制造強國的目標做出了巨大貢獻。本文將圍繞電弧爐煉鋼中終點控制的機理以及實際應用效果展開全面論述。

關鍵詞：電孤爐；煉鋼；終點控制；機理；應用

電爐煉鋼中終點控制流程較為復雜，涉及到的物理及化學反應原理較多，在煉鋼過程中，終點控制往往受到鋼種以及廢鋼料屬性變化的影響，加大了電爐煉鋼的投入成本，降低了產(chǎn)出鋼材質(zhì)量。而應用碰撞學理論，建立一個完整的終點控制模型，結(jié)合matlab的模型仿真技術對電爐煉鋼的終點進行預測和控制，不僅能夠保證廢鋼原料完全熔清，同時也降低了能源與原料消耗，為煉鋼企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益。

一、建立終點碳控制模型

建立一個終點控制的靜態(tài)模型對于中小型的電弧爐來說，切合實際、易于實現(xiàn)，在靜態(tài)模型的建立必須遵循統(tǒng)計學與理論知識相結(jié)合的原則，才能借助于靜態(tài)模型了解和掌握電弧爐煉鋼中終點控制機理。

（一）電弧爐的脫碳原理

電弧爐煉鋼全過程的起始點從電弧爐通電開始，到熔煉原料熔盡熔清為止，在原料熔煉過程中，對鋼材的純凈度要求較高，通常情況下，鋼材內(nèi)部的含碳量應小于等于0.2%，因此，吹氧脫碳過程至關重要。當氧氣進入鋼熔液當中，與鋼鐵中的鐵元素發(fā)生化學反應，生成氧化鐵，氧化鐵與碳發(fā)生化學反應，碳被間接氧化[1]。氧化反應的基本原理是，氧氣以泡狀形態(tài)在鋼熔液中擴散，同時與原料中的游離碳發(fā)生反應，而泡狀氧氣四周的氧化鐵也與碳發(fā)生直接反應，最終產(chǎn)物進入到氣泡當中，此時，氧化鐵繼續(xù)向四周擴散，使鋼熔液中的氧含量升高。

而碳的氧化不僅僅發(fā)生單一的化學反應，同時也會在鋼熔液當中發(fā)生其它化學反應，這是因為碳在氧化過程中，產(chǎn)生一氧化碳氣體，而一氧化碳氣體仍然以氣泡形態(tài)存在，這就使得自身體積大過鋼鐵熔體的體積，進而提升了反應速率以及熔池的溫度，這對提高鋼材的純度與質(zhì)量起到積極的促進作用。

在電弧爐煉鋼過程中，不是所有的碰撞都會發(fā)生化學反應，只有一個分子本身的能量巨大，演變成為活化分子，而這些活化分子在符合標準要求的取向上發(fā)生的碰撞作用，才能發(fā)生化學反應。鋼熔池內(nèi)的熔液濃度越高，單位體積內(nèi)，所產(chǎn)生的活性分子數(shù)量越多，發(fā)生碰撞化學反應的幾率也越大。隨著碰撞化學反應次數(shù)的增加，煉鋼過程中的反應速率也隨之加大。此外，電弧爐內(nèi)的溫度升高，也能加快分子運動速度，這也化學反應速率提升的一個重要原因。由此可知，鋼熔液的溫度越高，供氧量越大，鋼熔液的脫碳反應速度越快，脫碳效果越好。

（二）構(gòu)建脫碳靜態(tài)模型

脫碳靜態(tài)模型的構(gòu)建需要對脫碳速度進行分析，反應初期，爐內(nèi)溫度較低，脫碳速度緩慢，當鋼熔液中的含碳量處于0.1%以上時，可以界定為脫碳反應中期，而到了脫碳后期，隨著鋼熔液中含碳量的降低，脫碳速度也隨之下降。

在低溫狀態(tài)下，不滿足脫碳速率恒定要求的溫度值，此時，電弧爐內(nèi)的原料處于熔化期，氧化作用不明顯，隨著時間的推移，爐內(nèi)溫度逐漸升高，氧氣供給充足，含碳量未能達到極限值，此時脫碳速度處于恒值狀態(tài)，用反應式可以表示為。

在脫碳氧化中期，不計過渡過程，并且供氧量在單位時間保持恒定值，隨著鋼熔液當中的含碳量降低以及溫度的逐步升高，脫碳速率可以簡化為式2的形式。

脫碳氧化后期，氧氣供給量與溫度值處于飽和狀態(tài)，此時，碳的傳質(zhì)環(huán)節(jié)限制了脫速度，反應公式為：

將脫碳氧化的中期與后期公式結(jié)合到一起，能夠得出脫碳速度的近似公式。

通過式4，利用取倒數(shù)的方法，能夠求解出電弧爐煉鋼全過程所消耗的氧氣量，計算公式如下：

根據(jù)式5可以設定a0的值為0， a1的值為1， a2的值為0.1，此時采用matlab的仿真模型，能夠得出脫碳速率的模型，如圖1所示。

二、電弧爐煉鋼中終點控制模型的實際應用

在脫碳氧化中期，由于鋼熔液中的含碳量降低，反應溫度升高，此時，根據(jù)計算公式能夠確定脫碳速率為恒定值。設定a0的數(shù)值為0.3、a1的數(shù)值為1， a2的數(shù)值為1.53，根據(jù)設定的具體數(shù)值，能夠得出鋼熔液中含碳量的變化趨勢預測曲線，如圖2所示。

研發(fā)團隊根據(jù)電弧爐煉鋼中終點碳控制靜態(tài)模型，掌握了脫碳速率的變化原理，同時，采取了以下應對策略，應用于煉鋼過程中。

以含碳量作為臨界指標，氧氣的供給量與電弧爐內(nèi)的溫度值能夠控制煉鋼熔液中的含碳量。氧氣供給量與溫度值升高，脫碳速率也相應提高，反之，脫碳速率也隨之降低。鋼熔液中的含碳量降低到一定數(shù)值時，鋼熔液中的需氧量急速上升，而此時，為了保持鋼熔液中的碳平衡，對渣體中的需氧量也快速攀升，因此，為了使脫碳速度不變，保持恒定值，就必須增加氧氣的供給量[2]。

脫碳氧化初期，要想降低鋼中的含氧量，就必須控制好出鋼溫度，因為此時碳與氧的反應過程將放出大量的熱量，而使爐內(nèi)的溫度快速上升，脫碳反應逆向進行，由此可見，出鋼溫度的有效控制，能夠降低鋼熔液中溶解氧的含量。在反應末期，爐內(nèi)的反應溫度上升，爐渣的泡沫化形態(tài)逐漸散失，電弧外露，這時，只有合理的掌控出鋼溫度，降低電檔位與氧氣流量以及電弧的產(chǎn)生幾率，才能確保出鋼質(zhì)量。

結(jié)束語：

綜上，通過建立電弧爐煉鋼中終點控制的靜態(tài)模型，使鋼熔液中的含碳量與反應溫度得到有效控制，借助于該模型，不但能夠掌握終點控制機理，而且在實際應用當中也收到了理想效果。

參考文獻：

[1]陳慶明.電弧爐煉鋼中終點控制的機理及應用[J].自動化應用，2017（6）：12-13，110.

[2]修國順.電弧爐煉鋼裝備技術的發(fā)展[J].山東工業(yè)技術，2018（19）：22.