浅谈电弧炉炼钢复合吹炼技术

林来斌

济南钢铁合金厂



浅谈电弧炉炼钢复合吹炼技术

林来斌

济南钢铁合金厂

本文从探究电炉炼钢复合吹炼技术的背景出发，对电弧炉炼钢复合吹炼技术具体应用进行了详细分析，以供参考。

电弧炉；炼钢；复合吹炼技术

前言

炼钢生产主要有转炉和电炉流程，其中电炉炼钢流程是以废钢为主要原料，具有流程短、品种齐全、节能环保等优点。近年来，世界电炉钢产量占总产量的32%～35%，欧美等发达国家已达50%；我国是世界上最大的电炉钢生产国，随着废钢蓄积量的增加，电弧炉炼钢在中国炼钢生产中的比例将不断提高。

1 电炉炼钢复合吹炼技术的研究背景

目前，电弧炉炼钢工艺遇到的最主要问题是冶炼成本高，即使加入与转炉相同的铁水比例，电炉炼钢生产的钢坯成本仍高于转炉100～400元/t，主要原因是钢铁料、石灰、氧气等消耗均高于转炉炼钢生产，究其根源是受电弧炉炉型的限制。相同吨位的电弧炉和转炉，喷吹相同流量和压力的氧气，即使加上供电产生的电磁搅拌力，电弧炉的熔池搅拌强度也只是转炉的1/10，因此转炉的熔池的动力学条件优于电弧炉的动力学条件。所以电弧炉炼钢如希望提高冶炼节奏、降低冶炼成本，需强化熔池的搅拌，加快冶金反应的速度及效率。电弧炉炼钢复合吹炼技术是以多元炉料结构为基础，以节能及降低成本为目标，通过强化熔池搅拌，将供电、供氧及底吹搅拌等单元操作进行多尺度集成，最大限度地降低金属料及辅助材料消耗、提高氧气利用率。

电弧炉炼钢复合吹炼技术是以多元炉料结构为基础，以节能及降低成本为目标，通过强化熔池搅拌，将供电、供氧及底吹搅拌等单元操作进行多尺度集成，最大限度的降低金属料及辅助材料消耗、提高氧气利用率。

2 电炉炼钢复合吹炼技术

2.1 电炉炼钢底吹技术

由于电弧炉炼钢的突出弱点是熔池搅拌弱，冶炼时间较长，电弧产生的热量主要加热熔池上部的钢液，而底部和电弧区以外的钢液主要是通过热量的对流扩散来加热，因此热量的传递慢。图1采用Fluent模拟电弧炉三相流，发现熔池底部的钢液，即使喷吹3000Nm3/ h的氧气量，熔池底部1秒钟也只循环1mm。

图1 65t电弧炉水模型的几何参数（尺寸：mm）

若能加强熔池搅拌，将会加快炉内反应，缩短冶炼时间，降低冶炼成本。受转炉顶底复吹技术的启迪，上世纪80年代设想向电弧炉熔池底部吹入惰性气体搅拌，加速了熔池中钢液的化学成分和温度的均匀，提高了熔池中渣钢反应速率，根据模拟计算：电弧炉采用底吹技术可以提高熔池的搅拌速度3-5倍，这就是电弧炉底吹气体搅拌技术。

但是由于电弧炉采用留钢操作，电炉生产企业考虑底吹装置对安全可能产生影响，采用底吹搅拌的电弧炉较少。直到近年北京科技大学开发了新型电弧炉底吹技术彻底解决了底吹的安全隐患，使电弧炉底吹技术得到应用。目前该技术主要包括底吹长寿技术、底吹控制技术、底吹与供氧的控制模型。

2.2 电炉炼钢复合吹炼的技术集成

目前，电炉炼钢各单元操作技术已相对成熟，如何将各操作单元进行系统优化，本文采用了多尺度结构理论。电弧炉炼钢能量及成本优化就是依据原料加入及冶金操作将有效供能时间分成若干个时间段，对供电、供氧、底吹及余热利用的操作参数进行分时段设定及优化。借助于辅助软件工具，计算出总能量需求和各个时段内的能量需求，综合考虑各单元的操作参数，实现总能量和各个时段能量的供需，通过强化搅拌，接近理论平衡值，达到炼钢生产高效、节能的目的。

对于铁水加入量大的原料结构，由于总供电量小，采用间断性供电，因此决定电炉炼钢技术指标的主要因素与转炉冶炼类似，即供氧效率及熔池搅拌的强弱。

为了研究电弧炉供氧与底吹搅拌的效果，通常采用供氧与底吹的同步控制方法进行。为确定吹氧及底吹的同步控制操作，针对某特钢65t电弧炉进行了电弧炉水模拟实验研究，确定合适的吹氧及底吹流量。图1为65t电弧炉水模型的几何参数。

该特钢有三支炉壁氧枪和一支炉门枪，最大流量分别为2500Nm3/h和2800Nm3/h。由于电弧炉各个冶炼阶段的任务不同，冶炼所需要的供氧量和底吹气流量均不同。

本文定义了不同时刻的氧气流量形成的冶炼步骤为氧气步骤，简称为氧步；同理，不同时刻的氩气流量形成的步骤称为氩气步骤，简称为氩步。通过在该特钢65t电弧炉的工业试验研究，确定经验公式为：

不同冶炼阶段的氧气和底吹气体匹配情况如下所示。

模式1，非冶炼期：（02A×a+0.2C）/（0.375E×e）.

模式2，加料期：（02A×a+0.2C）/（0.5E×e）

模式3，废钢熔化期：（A×a+B+C）/（0.75E×e）

模式4，脱磷期：（A×a+B+C+D）/（0.375E×e）.

模式5，脱碳升温期：（A×a+B+C+D）/（075E×e）

模式6，出钢前强搅拌：（0.2A×a+0.5B+0.5C+D）/（E×e）

在上式中，A：炉壁氧枪流量，300-5000Nm3/h，一般为1-7支，枪数为a；B：炉门氧枪流量，500-6000Nm3/h；一般为1支C：EBT枪流量，100-5000Nm3/h；一般为一支；D：炉顶氧枪，200-6000Nm3/h；E：底吹流量，5-200NL/min，取1-7支，枪数为e。若电弧炉设备中拥有A，则上面公式中A的值为其相应的流量，否则A的值为0。B、C、D、E的判别情况同A一致。针对不同的冶炼模式，即不同的氧气流量、底吹气体流量进行编档操作，根据设计方案，在不同的时刻调整为不同的冶炼模式，实现冶炼全自动化控制。

通过电弧炉复合吹炼技术，电弧炉供氧和底吹供气结合起来，选择不同模式进行复合吹炼，提高熔池内部的搅拌强度，均匀熔池成分和温度，加快脱碳速度，提高钢液成分和温度的终点控制精度，缩短冶炼时间，达到了优化操作的目的。

3 结束语

总而言之，电弧炉炼钢复合吹炼技术的应用将节能降耗、提高产品质量、降低生产成本作为目，大幅度地降低原料、能量等消耗，提高氧气利用率和电弧炉生产效率，使我国电弧炉炼钢主要技术经济指标达到国际先进水平。

［1］马国宏，朱荣，刘润藻，张文龙，朱长富.电弧炉炼钢复合吹炼技术的研究及应用［J］.中国冶金，2013，12：12-15.

［2］朱荣马国宏.电炉炼钢高效降本有新招［N］.中国冶金报，2013-12-26007.