解析利用化学能的电炉吹氧技术

1、利用化学能的电炉吹氧技术 电弧炉走过了30余年的技术进步之路，其效率与技术 先进程度已达到空前水平。然而，人们仍在继续努力提 高电炉产量，降低生产成本。其中一种方法是全面优化 能量的使用，着重降低单位能耗。这个目标可用如下方 法实现： 改进炉外能量的使用，即充分利用钢包炉、废钢预 热、钢包加热和通过预防性维护、培训和改善物流等措 施缩短耽搁或停电的时间； 改进炉内能量的使用，即推动熔池内的放热化学反 应（吹氧和喷碳），利用氧燃烧嘴和炉内二次燃烧对废 钢加热、熔化等。 以最低成本抬升电炉性能的方法是借助氧燃烧嘴与 多点超音速喷枪提高氧气使用效率，扩大用氧。瓦卢雷 克曼内斯曼（VM）的圣索沃厂在现

2、有技术构架内应 用氧气的情况将在下面详细讨论。 氧燃烧嘴 氧燃烧嘴已成为超高功率电炉提高冷点区废钢熔化速度 和均匀熔化的必备工具。这些烧嘴不仅传热效率要高，还 要具备坚固耐用、不易堵塞、能抵抗反冲火焰、寿命长、 维护少等特征。 电炉烧嘴最常见的设计是“管套管”结构，氧气走中 心管，天然气则在两层管间的环缝内流动。这种结构虽然 简单，但冷却欠佳，易被从废钢折回来的反冲火焰烧毁。 一种革新的设计是在铜质喷头上集中了数个燃气孔和辅助 氧气孔。这种设计的另一个特点是水冷燃烧室，它能保护 喷射孔不受钢水和炉渣侵蚀，改善了燃气在喷嘴出口处的 混合效果。这种烧嘴在加热、熔化废钢时通常是满功率的， 在钢水脱碳

3、时则使用小流量的保持模式。 http:/ 超音速喷嘴 在精炼脱碳期内吹氧降低钢水碳含量，通常要降到0.1以下才有 利于磷等元素进入炉渣。理想的用氧包括气流深冲进钢水熔池（提高 氧气收得率）和氧气在钢水内的均衡分配（喷吹点渣中FeO含量保持 一个较低水平，钢水收得率高）。在过去的五年里，机械喷枪和手持 喷枪被高度优化的超音速拉瓦尔孔型的风口取代。这种从炉门喷枪向 炉壁固定喷射器的转变提高了电炉的气密性，降低了能耗，同时还减 少了维护量、增大了安全性。 AirLiquide公司通过模拟和高温试验等手段对超音速射流进行了 研究。由此，经优化后的AlarcJet超音速喷嘴的内部紊流程度远低 于普通超音

4、速喷嘴。计算机模拟表明Alarc射流保持聚焦状态。这个结 果在试验研究中得到了肯定：出口速度的维持距离可以保持到40倍喷 嘴直径（普通喷嘴仅能达到20倍直径）。像Consteel这类“镜面熔池” 工艺和大量使用直接还原铁或热装铁水的炼钢生产均不需要用烧嘴预 热、熔化废钢。在这种电炉内的高温环境中，经过优化的喷嘴是非常 有效的，能使脱碳速度达到0.10.15Cmin。 多功能烧嘴 当电炉采用废钢分批装料时，在加热熔化阶段就需要烧嘴助熔，而精炼阶段又要防止氧气射流被 炉内气氛干扰，这使得多功能超音速喷射烧嘴的这种灵活性非常有价值。像AirLiquideACI的 PyreJet烧嘴，这类多功能工具将

5、优化的内喷嘴与高效PyrOx氧燃外烧嘴组合在了一起。喷碳在同一 个装置上实现，适当的喷吹角度和速度使得能利用文氏管效应向钢水熔池进行传输。这种工具在使 用上可分为保持模式（防止堵塞）、烧嘴模式（加热、熔化废钢）、弱喷枪模式（当钢液面较低时 强化造渣）和超音速喷枪模式（造泡沫渣和脱碳）几档，工作时烧嘴火焰包裹、保护着中心氧气射 流。 多点超音速氧碳联合喷吹强化了熔池反应、金属搅拌，提高了电弧稳定性，反过来，这些因素 又提高了电炉效率和有功功率。同时，只要能保证在整个“镜面熔池”期间有泡沫渣，就能提高二 次电压，且不会增大热损失，也不会影响耐火衬寿命。PyreJet技术一个显著的优点是具有在整个

6、冶炼过程中都能关闭渣门的能力，这能更好的留住泡沫渣，提高金属收得率。 使用PyrOx型设计和水冷燃烧室能确保中心超音速喷射器的高效率与可靠性。这对保持稳定的 冶炼性能、防止钢渣飞溅是极为重要的。喷碳孔的位置对喷碳可靠性的影响很大。在PyreJet上， 喷碳孔位于燃烧室下半部，装料期间可得到防堵塞火焰的保护。 贴近钢水熔池也是实现最佳性能的一个关键。烧嘴能从2m以外将超音速氧气射进钢水熔池， 但ACI打算将它安装得更近一些，以提高喷吹效率。为了优化喷吹位置，根据各个炉子的具体特征 可采用几种冷却壁形式。最主要的准则是耐火砖长度和到熔池面的距离。光面冷却壁主要给小电炉 使用，这种电炉的喷吹点距熔池

7、液面要小得多。大型电炉使用更厚的冷却壁（Deep、Dragon和 Fin），使得射流冲击点远离耐火砖衬，减轻对炉衬的冲刷。 采用Fin型冷却壁的冷却系统在设计时借助了先进的流体流动模拟技术，仅靠冷却壁的背、底 就能实现冷却，因此，裸露在电炉内的部分无须水冷。这个特征带来高安全性，不再有遭废钢冲撞 后破裂、漏水的危险。冷却壁凸进电炉内部（最大可达0.5m），使得喷射器端部几乎与耐火砖平齐。 这极大地提高了超音速氧气射流的效率，延长了耐火衬寿命。碳从渣线下喷进电炉，提高了炉渣的 携碳量，降低了碳损与除尘系统的负荷。 二次燃烧 对于某些电炉的操作，适宜在废钢熔化期进行二次燃烧，这主要是 那些涉及到大

8、量配碳或装生铁的电炉。尽可能早的进行二次燃烧很重 要，此时废钢仍有能力吸收这部分热能。AlarcPC技术就是针对这 个目的开发的。 要充分利用二次燃烧的能量，则喷射器应靠近CO发生源，应该 保持低速以延长CO在废钢中的滞留时间，使传热达到最大。氧气流 速要低，以促进与炉内煤气的混合，避免氧化废钢和火焰反冲。二次 燃烧区经常会过热，喷射器要做到充分冷却。由于这个原因，将氧气 流分成两束也是更可取的，这能更均匀地分配能量，接触到更多的废 钢。 应在冷区给二次燃烧和安装炉壁烧嘴留出适当的空间，使化学能 分布均匀且得到充分利用。然而，由于空间的限制或者出于维护的考 虑，可能更偏爱将所有功能（烧嘴、超音

9、速吹氧与喷碳、二次燃烧） 整合到一个装置上。ACI为此开发了一个组合式Dragon冷却壁。 VM的化学能套件 瓦卢雷克曼内斯曼（VM）是一家跨国钢铁企业，在巴西、德 国、法国和美国设有工厂。法国圣索沃厂有1台90t交流电炉，为无缝 钢管行业生产长材。2004年初，该电炉年产能60万t，其特征参数如 下：变压器功率85MVA，交流；出钢温度1691；终点碳0.064； 电耗427kWht；天然气2.8Nm3t；氧气27Nm3t；喷吹碳4.7kg t；配料碳10kgt；石灰30kgt；供电时间41min；冶炼周期 70min；电极消耗2.1kgt；金属收得率93。该电炉装有精炼和脱 碳用的炉门自耗

10、喷枪、一个氧燃烧嘴系统、一个AlarcPC系统，另 有用于吹氧脱碳的炉底风口。在2004年，将年产量从60万t提高到65 万t已非常必要。这就要求冶炼周期从70min缩短到64min，供电时间 从41min减至37min。为实现这些目标，原有辅助设备需要升级改造 以提高电炉的整体性能。厂方决定用PyreJet烧嘴替换炉底风口以提 高灵活，便于在碳钢和高铬钢之间灵活切换。 设计标准 圣索沃厂采用全废钢两次装料操作。因 为此前已经采用了二次燃烧技术，ACI建议 保留AlarcPC系统，以充分利用CO的化 学能，还有利于控制布袋除尘的温度。自 耗炉门喷枪精炼期最大能力是3000Nm3h。 因为这支枪

11、要拆掉，故PyreJet系统需要具 备最大6000Nm3h的吹氧能力才保证年产 65万t条件下的熔池脱碳速度。另外，圣索 沃还打算更换原有烧嘴系统。 设计方案 为达到产量和性能目标，ACI建议炉子安 装3个PyreJet烧嘴和3个AlarcPC二次燃 烧喷嘴，配置如图所示。为节省空间，安 装了两个Dragon型冷却壁（Jet1和Jet2）， 这样，二次燃烧和超音速喷枪可同处一个 位置。Jet3安装在EBT区，因此，须与烧嘴 分开安装。由于圣索沃方面担心Dragon冷 却壁接触到钢水，其安装位置高出电炉拼 合面约200mm。耐火衬高度增至冷却壁底 部。 初试结果 新配置的电炉对整个炼钢工艺的影响

12、很大，因此，有必要放慢调整 速度以实现表1的产量目标和既定性能。这样，在新化学能套件于 2004年9月投产后的前4个月内，氧气输入量逐步提高。 投产后即刻显现的效果是电耗较参照值下降15kWht（412对 427kWht），氧气量在27Nm3t的基础上提高到31Nm3t。在整 个前4个月内，生产操作不断改进，结果电耗降到了400kWht，氧 气提高到35Nm3t。碳消耗（配料碳喷吹碳）几乎是立即就在 16.5kgt的基础上提高到了18.5kgt，同时，平均供电时间在最初 的4个月结束时降到了37min，达到了公司的既定目标。然而，要达到 电耗目标还需要后续的调整。供电时间（37min）先于电耗

13、 （392kWht）达标意义重大。理论上，供电时间37min的电耗应当 为392kWht。这表明，由于泡沫渣质量改善，提高了电弧稳定性， 增大了入炉电功率。 今后的改进 在生产4个月后，圣索沃人掌握了用 PyreJet系统炼钢时的冲突与改进效果。在 2005年一月初，将Dragon冷却壁降到了拼 合面的位置，这一改变目前仍在试验中。 初期的结果是令人鼓舞的。一月份的前两 周，日平均电耗在392405kWht间波动， 日平均供电时间稳定在37min；氧气消耗似 乎有些下降，而碳耗略有升高。总之，电 炉操作实现了意义重大的技术进步。 结论 PyreJet与AlarcPC系统通过在几个位置分配 氧气而提高用氧效率、降低炉渣中的氧化物以及 从来自废钢与熔池的CO和H2中掘取化学能等手 段，有利于电炉整体效率的