喷粉冶金在100t Consteel电炉冶炼中的应用

姚同路，杨 勇，贺 庆，倪 冰，孟华栋，张 贵

（钢铁研究总院冶金工艺研究所，北京100081）

喷粉冶金是20世纪六七十年代发展起来的，根据流化态和气力输送原理，用氩气或其他的气体做载体，向铁水或钢水中喷吹气体和粉剂进行搅拌和精炼的一种冶金工艺[1-3]。我国喷粉冶金研究起步稍晚，从1978年开始，我国在喷粉冶金技术方面开展了大量试验研究工作[4-9]。喷粉冶金发展到现在，技术及装备多种多样，更新换代迅速，近年来逐步向铁水预处理、转炉、电炉、精炼领域纵深发展。

2017 年以来，随着国家对“地条钢”的取缔和对环保的日益重视[10-13]，国内废钢大量积聚，2017年中国废钢使用量1.5亿t，预计2020年中国废钢使用量达到2亿t以上。电炉短流程炼钢以其高废钢比、低能耗、低CO2排放等优势迅速崛起，尤其是近年来Consteel 电炉的大量涌现，使电炉喷碳粉的主要冶金功能由增碳转为造泡沫渣[14-17]，更好地做到埋弧冶炼，有效提高热效率，降低电弧辐射。

喷粉冶金在现代电炉中的应用方式主要是喷碳粉造泡沫渣。电炉喷碳分为炉门喷碳与炉壁喷碳，与吹氧系统合称碳氧枪喷吹系统。为适应Consteel 电炉的全程造泡沫渣需求，目前电炉喷粉已由传统的小料仓、小粉罐发展为大料仓、大粉罐的喷粉系统，喷粉通道升级为耐磨材质，且可实现自动控制，大大提高了喷粉效率与工艺控制精度。

1 喷粉冶金原理概述

1.1 粉剂的沉降与悬浮速度

在喷粉系统工作过程中，要实现冶金粉剂的正常喷射，粉气流必须处于悬浮流动状态，因此首先需要确定粉剂的悬浮速度。

将粉剂粒子简化为球形，直径为dp，粒子在流体中自由下落，受到自身重力、流体阻力及浮力三者作用，在达到均匀等速的平衡状态时，其速度称为沉降速度[18]：

式中：pp为粉剂比重，kg/m3；ρg为气体重度，kg/m3；g为重力加速度，9.8m/s；Cd为迎风阻力系数，与流动状态有关。

式中：Rep为粉剂雷诺数函数。将式（2）～式（4）分别代入式（1），则三种情况下沉降速度表达式如式（5）～式（7）所示：

式中：μ为气体的黏度。

当喷粉罐下方的流化气体以速度Va通过粉剂时，若Va=Vt，则粉粒处于悬浮状态，此时Va即为粉剂的悬浮速度，与沉降速度Vt大小相等，方向相反。对于电炉喷粉而言，碳粉粒度一般要求控制在1～3mm，因此适用于较大颗粒粉剂式（7）。

1.2 粉剂的流态化

粉剂的流态化是使固体粉剂由静止状态转变为流动状态的过程。喷粉冶金就是通过载体使粉剂在罐内流态化，呈悬浮状，通过管道喷入钢液内部[19]。通常条件下，固体粉剂不具备流动能力，如果引进一外力，使粉剂之间的孔隙增大，并使每一个颗粒受到一个与重力方向相反的力，则粉剂就具有一定的流动性也就是粉剂已经流态化了。随着外力的不断加大，固体粉剂将呈现不同的状态，如图1所示。

图1 固态颗粒床层与外力接触的不同状态

当流体以较小速度穿过粉剂时，粉剂静止不动，这样的床层为固定床，如图1（a）所示，其高度为Hm；当流体速度继续加大，粉剂颗粒由流体摩擦力承托，整个床层呈现流体状态，此时称为临界流态化，如图1（b）所示，床层高度为Hmf；当流体速度进一步加大，在液-固系中，床层呈现散式流态化状态，在气-固系中，床层呈现聚式流态化状态，如图1（c）、图1（d）所示，此时的床层高度均可用Hf表示；在细高的流化床层中易出现腾涌现象，粉剂呈现上下往复运动，如图1（e）所示，这种不稳定情况要尽量避免；当流速增大到某一数值时，颗粒开始被吹出床层，此时状态称为稀相流态化床，如图1（f），此时的速度称为第二临界速度Ut，在数值上等于粉剂的悬浮速度Va或与沉降速度Vt，也是电炉喷粉罐流化床设计的重要依据。

1.3 粉剂的气力输送

粉剂从喷粉罐吹出后，气力输送使粉剂悬浮于气流中通过管道进行输送，粉剂从喷粉罐到钢液之间的运动称为气力输送。喷粉冶金要求粉剂在管道内的输送应该是一种悬浮流状态，输送过程稳定无“脉动”现象，且能调节输粉量。实际应用气源压力0.6～0.8 MPa，气体流量30～100 m3/h，气粉比为15～30。在气力输送过程中，最理想的状态是形成稳定的悬浮流，最不利的状态是形成柱塞流，靠气体的压力推动输送粉粒体。

2 电炉喷粉冶金设备概述

喷粉冶金设备就是利用喷粉冶金原理，在一定时间内将一定数量的粉状物料均匀而分散地喷入钢水的内部，以完成各种冶金反应。国外对用于钙处理、易氧化元素的合金化和强化冶炼操作，都分别有不完全相同的喷射没备[20]。目前实际应用的有三种基本类型：西德TN 法、瑞典SL 法、法国IRSID 分配器。

我国目前所用喷粉冶金设备，要求可进行多方面的应用，既可向炉内喷射，又可向钢包喷射，既要喷射碳粉等非金属材料，又要喷射硅钙等合金材料，因此很多设计单位参考SL、IRSID设计原理进行改进设计。为适应现代冶金需要，要求操作的灵活性和可靠性，目前多采用遥感、遥控技术，例如电炉碳氧枪控制可通过操作台、遥控器、电脑三种方式完成，喷粉速度可做到在线连续可调等。

喷粉冶金技术在电炉冶炼过程的主要应用表现形式是电炉喷粉。电炉喷粉系统如图2 所示，主要由料仓、喷粉罐、上料装置、流化装置、输粉系统、喷粉枪、控制系统等组成。

3 喷粉冶金在电炉冶炼中的应用实践

随着现代电弧炉大型化、高效化趋势日益明显，尤其是近两年来Consteel 电炉的兴起，使喷碳造泡沫渣的冶金需求日益突出。本文以国内某厂100t电炉喷吹系统改造为例，介绍喷粉冶金在电炉冶炼中的应用情况。

3.1 电炉基本技术参数

该厂100t Consteel 电炉的主要设计技术参数如表1所示。

图2 电炉冶炼喷粉示意图

表1 电炉技术参数及设计指标

3.2 喷粉冶金技术在该厂的应用情况

该厂电炉由50 t普通电炉改为100t Consteel电炉。由于原喷粉系统不再适应Consteel 电炉大粉量的需求，根据现场实际情况，对喷吹系统、工艺、材料等进行了升级改造，使电炉生产指标显著提升。

1）喷粉系统改造

原电炉为普通电炉，实际喷粉量约5 kg/t，设计用粉量300 kg/炉。改造后，Consteel 电炉喷粉量最大设计30 kg/t，用粉量3 000 kg/炉。表2 为新旧喷粉系统设计对比，图3为现场喷粉设备情况，图4为喷粉控制画面。

由表2、图3、图4 可知，为适应Consteel 电炉大喷粉量的需求，新喷粉系统最大的特点是加大了料仓、喷粉罐的储粉量，并将喷粉管道材质升级为耐磨材料。参考研究者对喷粉系统设计研究[21-22]，实际设计参数如下：料仓容积30 m3，最大储粉量21 t，喷粉罐容积3.5 m3。先从上方料仓将碳粉经由下粉管道装入喷粉罐，然后罐内充压至0.25～3.0 MPa，通入流化气使碳粉呈稀相流态化状态，由压力0.2～0.25 MPa 的N2将碳粉带入耐磨输粉管道，最后经由炉门/炉壁碳枪喷射进炉内。独特的双仓双罐加料模式，有效保证了碳粉供应。

表2 新旧喷粉系统对比

图3 独特的双仓双罐喷粉设计

图4 100 t Consteel电炉喷粉系统控制画面

2）碳粉粒径研究

研究人员对冶金过程用碳粉或煤粉粒径作了大量研究[23-24]，结论并不一致，但总体而言，目前碳粉的粒度一般规定为1～3 mm。以上研究是基于粉剂侵入金属液增碳为目的，对造泡沫渣的碳粉粒径并无文献研究。但塞里兹认为，要使炉渣起泡，碳粉粒径应大于2 mm，这样才能更好地与渣中FeO 反应并保持一定时间，如若太细容易被吸走或燃烧掉，降低其利用率；太粗则容易堵塞输粉管道，且对管道内壁造成损伤。

考虑到现场碳粉实际粒径很难完全保证在3 mm以下，将粒径要求放宽至1～4 mm，加大料仓筛网孔径至6～8 mm 并增加了振动装置，保证了喷粉顺利进行，且造渣效果良好。

3）氧枪喷头设计优化

正式生产后，碳粉消耗量大，波动在25～32 kg/t，平均28 kg/t，经多次工艺优化后改变不大。课题组讨论研究后认为原炉门枪氧流量过大，且为单孔射流，使氧气流股穿透力强，大部分氧气参与熔池内部脱碳反应而表面化渣效果差，造成炉渣FeO 低，大量碳粉未能参与反应而被抽走，且对耐材冲刷严重，炉龄仅300 炉左右。

根据电炉喷头设计理论，重新设计喷头参数如表3所示，图5为喷头轴向视图对比。

表3 新旧氧枪喷头设计参数对比

图5 新旧氧枪喷头对比

由表3及图5可知，新喷头最大的改变是将单孔变为双孔，并将马赫数由2.1 降至2.0。经测算，改为双孔喷头之后，显著减少了冲击深度，由原来的85 cm减至68 cm。这样做的好处一是减小了氧气射流对炉衬的冲击侵蚀，二是使更多的氧气可以吹渣，渣中与碳粉反应的FeO 增多，可以更好地造泡沫渣，提高了碳粉利用率。

经改进喷粉系统及优化喷头设计后，该厂电炉生产顺行，工艺效果明显，碳粉耗量由28 kg/t降至22 kg/t，炉龄由300炉增至大于400炉，电耗降低30～60 kW·h/t至350 kW·h/t，冶炼周期缩短至42 min。

4 结 语

喷粉冶金作为20 世纪六七十年代发展起来的技术，距今已有50 多年的历史，现在仍广泛应用于冶金过程。本文对喷粉冶金的国内外状况进行了充分调研，对喷粉冶金技术、装备、原理进行了系统论述，并以某厂100 t Consteel 电炉喷粉系统应用实践为例，阐述了喷粉冶金在电炉冶炼中的重要作用。电炉喷碳粉从机理上符合造泡沫渣的条件，既能产生气泡，又能提高泡沫的稳定性，对超高功率电炉长弧操作意义重大。根据现场实践结果，100 t 全废钢Consteel 电炉采用新改造优化喷粉系统后，碳粉耗量由28 kg/t降至22 kg/t，电耗降至350 kW·h/t，缩短冶炼周期至42 min。