90 t電弧爐煉鋼集束供氧工藝優(yōu)化實(shí)踐

謝孝容，宋景凌，劉全勝，陳代兵

(衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421000)

供氧是現(xiàn)代電弧爐煉鋼工藝中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是保證爐料熔化速度與熔池升溫速度、控制噴濺、去除鋼中氣體的關(guān)鍵工藝[1-2]。合理的供氧方式對(duì)電弧爐生產(chǎn)效率、鋼水質(zhì)量、鋼鐵料消耗和爐襯的壽命有顯著的影響[3]。傳統(tǒng)氧槍射流存在噴吹距離短，沖擊強(qiáng)度小等缺點(diǎn)，集束氧槍射流較好地改善了這一缺陷[4-5]。

集束射流技術(shù)是近年開發(fā)出來的一種新型的吹氧技術(shù)，該技術(shù)應(yīng)用氣體力學(xué)原理，在氧槍內(nèi)部構(gòu)造上采用主氧拉瓦爾設(shè)計(jì)和伴隨氣流，周圍增加的伴隨氣流使氧氣射流衰減速度放慢，形成類似于激光束的氧氣射流，能在更長(zhǎng)的距離內(nèi)保持初始的軸心線速度，使中心超音速射流擴(kuò)展及衰減更小，噴吹距離更長(zhǎng)，增大了氧氣射流對(duì)熔池的穿透深度及攪拌強(qiáng)度，促進(jìn)鋼渣反應(yīng)、均勻成分與溫度，減少噴濺、提高氧氣利用率和金屬收得率(見圖1)[6-10]。同時(shí)由于射流速度衰減延緩，可提高氧槍的吹煉槍位而不影響射流對(duì)液的沖擊深度，可延長(zhǎng)氧槍噴頭的使用壽命[11-12]。

某公司90 t電弧爐煉鋼供氧原先使用的是普通超音速供氧系統(tǒng)。為了改善冶金效果，縮短冶煉周期，本文通過集束氧氣射流噴吹實(shí)驗(yàn)、熱態(tài)工業(yè)預(yù)試驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用實(shí)踐，進(jìn)行集束供氧系統(tǒng)改造及工藝實(shí)踐優(yōu)化研究。

1 集束氧槍噴吹參數(shù)影響因素分析

在冶煉過程中超音速氧氣射流吹向熔池，氧氣流股對(duì)熔池的沖擊力主要是由氧氣流股的動(dòng)壓來決定的，動(dòng)壓的大小決定了氧氣穿透鋼液的深度(沖擊深度)。合理的沖擊深度可強(qiáng)化熔池?cái)嚢瑁岣邿掍撔Ч托?。與普通超音速氧槍相比，集束氧氣射流的穿透能力和攪拌強(qiáng)度大幅增加，但實(shí)際應(yīng)用應(yīng)考慮以下幾方面的影響：

(1)集束氧氣射流的穿透力增強(qiáng)，對(duì)爐底的直接和間接沖刷的影響；

(2)高強(qiáng)集束氧氣射流與鋼液反應(yīng)能力是增加還是減弱，變化幅度如何；

(3)高強(qiáng)集束氧氣射流的氧氣利用率和脫碳速度的變化；

圖1 集束氧氣射流與普通超音速氧氣射流比較

(4)不同強(qiáng)度集束氧氣射流的化渣能力和氧化鋼液的影響；

(5)高強(qiáng)集束氧氣射流下鋼渣的噴濺程度及對(duì)爐墻、爐蓋設(shè)備的影響。

2 集束氧氣射流噴吹實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

針對(duì)上述問題，搭建了集束射流噴吹實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，如圖2所示，主要包括氧槍固定架、火焰長(zhǎng)度測(cè)量標(biāo)尺、溫度檢測(cè)裝置—熱電偶，利用原來的閥組和控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)區(qū)域?yàn)闋t后的爐蓋停放平臺(tái)(空氣相對(duì)靜止)。本研究用90 t電弧爐集束氧槍槍頭結(jié)構(gòu)見圖2，該集束氧槍采用3層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主氧設(shè)計(jì)流量范圍為150～3 000 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))，拉瓦爾噴嘴設(shè)計(jì)，Ma=2.0；環(huán)氧設(shè)計(jì)流量為200～1 000 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))，燃?xì)庠O(shè)計(jì)流量為100～400 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))。

本實(shí)驗(yàn)針對(duì)不同主氧、環(huán)氧及燃?xì)饬髁織l件下的集束氧氣射流特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)試主氧不同流量的射程和環(huán)封氣體的直徑，確定最佳環(huán)封氣體比例。

圖2 90 t電弧爐集束氧槍結(jié)構(gòu)及集束射流噴吹實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

不同噴吹參數(shù)情況下的集束射流效果見圖3～圖6。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，氧然比在2.1～2.3時(shí)，集束射流的封套效果最佳，可以明顯看出主氧與環(huán)氧之間有白亮線分層，封套直徑不變的核心段長(zhǎng)度可以達(dá)到1米左右，前端封套最大直徑400～500 mm；在主氧流量為2 500 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))時(shí)，有效射程可達(dá)1.8 m。同時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在主氧流量超過2 500 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))后，即使再增加主氧流量，集束射流的有效射程變化增加不多，也只有1.8～1.9 m。

圖3 不同氧燃比情況下集束射流的封套效果(主氧流量2 000m3/h(標(biāo)準(zhǔn))保持不變)

圖4 良好的封套效果：主氧流量變化，氧燃比2.0保持不變

圖5 致密封套效果(氧燃比2.1～2.3)

圖6 封套效果差(氧燃比<1.8)

3 集束氧氣射流熱態(tài)工業(yè)預(yù)試驗(yàn)

根據(jù)集束氧氣射流噴吹實(shí)驗(yàn)結(jié)果，制定工業(yè)預(yù)試驗(yàn)噴吹參數(shù)方案，如表1所示，并在90 t電弧爐進(jìn)行了工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐，各方案試驗(yàn)20爐次，相關(guān)冶煉指標(biāo)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表2。

表1 工業(yè)預(yù)試驗(yàn)集束氧槍噴吹參數(shù)設(shè)計(jì)

表2 氧槍流量參數(shù)對(duì)比試驗(yàn)效果

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，方案1集束射流效果最好，冶煉綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)最優(yōu)。同時(shí)，根據(jù)集束氧氣射流噴吹效果，發(fā)現(xiàn)：方案1的低、高氧參數(shù)的火焰“干凈利落”，能充分燃燒，封套效果明顯；方案2和方案3的燃?xì)饬髁吭黾雍?，能形成封套，但在氧槍出?00 mm封套附近有少量氣體燃燒，其原因在于環(huán)氧流量增大后，出口壓力相應(yīng)增加，而燃?xì)獾牧吭黾雍螅隹趬毫p少(工廠燃?xì)饪偭髁坎蛔?，造成氧燃比增加，多余的氧氣與爐內(nèi)的其他氣體燃燒而發(fā)散，射流噴吹效果相對(duì)差些。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，確定90 t電弧爐集束氧槍噴吹參數(shù)設(shè)定為：主氧流量2 500 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))，燃?xì)狻醚鯕?1∶2.1～2.3，脫碳模式的燃?xì)饬髁吭?20～150 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))能滿足集束效果的需要，各項(xiàng)綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)最優(yōu)。

4 工業(yè)應(yīng)用實(shí)踐

4.1 集束氧槍供氧工藝曲線的確定

實(shí)際生產(chǎn)過程中，集束氧槍的冶金效果不僅與參數(shù)設(shè)定有關(guān)，還應(yīng)考慮以下因素：

1)鐵水比例

鐵水比例低時(shí)，配碳量低，需控制用氧強(qiáng)度，以防止鋼水過氧化，但同時(shí)還應(yīng)考慮熔池?cái)嚢栊Ч?，縮短冶煉時(shí)間。鐵水比例高時(shí)，脫碳任務(wù)重，應(yīng)強(qiáng)化供氧，保證生產(chǎn)效率，但需防止熔化前期氧氣流反彈吹漏氧槍、槍座及爐壁水冷件，還需防止?fàn)t渣返干。

2)廢鋼結(jié)構(gòu)

廢鋼中重型料(如注余冷鋼、大型機(jī)械件、密實(shí)打包塊等)比例較大時(shí)，熔化時(shí)間長(zhǎng)，為防止熔化前期氧氣流反彈，氧槍燒嘴模式需要開啟較長(zhǎng)時(shí)間。如廢鋼以輕型料為主，為提高生產(chǎn)效率及降低燃?xì)庀?，則可適當(dāng)縮短氧槍燒嘴模式開啟時(shí)間。

3)余鋼量的控制

爐內(nèi)余鋼量少時(shí)，熔池形成慢，低溫狀態(tài)下的廢鋼不能被氧氣直接快速熔化，氧槍燒嘴模式需要開啟較長(zhǎng)時(shí)間；爐內(nèi)余鋼量大時(shí)，熔池形成塊，可適當(dāng)縮短氧槍燒嘴模式開啟時(shí)間。

根據(jù)90 t電弧爐生產(chǎn)現(xiàn)狀和前期預(yù)試驗(yàn)冶煉情況，確定集束氧槍噴吹工藝曲線如圖7所示，主要針對(duì)一次加料后和二次加料后熔化期噴吹工藝曲線進(jìn)行了調(diào)整。在氧化期，需根據(jù)鋼水碳含量調(diào)整開啟氧槍支數(shù)，并根據(jù)爐齡調(diào)整主氧流量。

圖7 集束氧槍熔化期噴吹工藝曲線

4.2 工業(yè)生產(chǎn)效果分析

1) 冶煉周期縮短，電弧爐冶煉能力提升

連鑄￠330規(guī)格生產(chǎn)時(shí)(連鑄通鋼能力強(qiáng)，不制約電爐生產(chǎn)節(jié)奏)平均冶煉時(shí)間及產(chǎn)量變化統(tǒng)計(jì)見表3和圖8。由實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)可知，90 t電弧爐使用普通超音速氧槍，冶煉周期約53 min，而采用集束氧槍后，隨著相關(guān)工藝參數(shù)的日益成熟和穩(wěn)定，冶煉節(jié)奏逐漸加快，冶煉周期不斷縮短，可控制在46 min內(nèi)，產(chǎn)量增長(zhǎng)明顯。

2)渣中FeO含量降低，鋼鐵料消耗減少

90 t電弧爐集束氧槍參數(shù)和工藝優(yōu)化后，氧槍的氧氣射流集束性能提高顯著，大大減輕了對(duì)鋼液中Fe的氧化，電弧爐氧末爐渣成分對(duì)比見圖9，渣中FeO含量降低4.71%，TFe含量降低3.66%。圖10所示為90 t電弧爐冶煉鋼鐵料消耗變化，與改造前使用普通超音速氧槍相比，集束氧槍應(yīng)用后鋼鐵料消耗指標(biāo)改善明顯，噸鋼減少7.7 kg，經(jīng)濟(jì)效果顯著。

3)渣中FeO含量降低，耐材侵蝕速度減緩

電弧爐冶煉過程中，渣中FeO含量降低，降低了爐渣的氧化性，且提高爐渣堿度及黏度，有利于爐壁自動(dòng)掛渣，減輕對(duì)爐襯的侵蝕。同時(shí)通過強(qiáng)化爐壁氧槍供氧能力，減少爐門氧槍供氧強(qiáng)度及供氧時(shí)間，減輕了對(duì)爐門口附近耐材的侵蝕。采用集束供氧技術(shù)后，90 t電弧爐爐齡從平均588爐提高至773爐，電弧爐使用周期從22天提高到30天，既降低了耐材消耗，又提升了有效生產(chǎn)時(shí)間，生產(chǎn)成本大幅降低。

表3 2017年6月—2019年8月電弧爐平均冶煉時(shí)間對(duì)比

圖8 90 t電弧爐冶煉時(shí)間及產(chǎn)量變化情況

圖9 集束氧槍應(yīng)用前后電弧爐渣樣成分對(duì)比

5 結(jié) 論

結(jié)合90 t電弧爐生產(chǎn)現(xiàn)狀，對(duì)90 t電弧爐進(jìn)行了集束供氧系統(tǒng)升級(jí)改造，利用集束氧氣射流噴吹實(shí)驗(yàn)、工業(yè)預(yù)試驗(yàn)等手段對(duì)90 t電弧爐集束供氧工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并開展了工業(yè)應(yīng)用實(shí)踐。實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果表明，90 t電弧爐集束供氧系統(tǒng)運(yùn)行良好，工藝穩(wěn)定。與改造前采用普通超音速氧槍相比，90 t電弧爐采用集束氧槍進(jìn)行生產(chǎn)，平均冶煉周期縮短約7 min，渣中FeO含量降低4.71%，TFe含量降低3.66%，噸鋼鋼鐵料消耗降低7.7kg，爐齡增加185爐，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。