电弧炉炼钢用氧工艺技术的进展

1、作者简介:王振宙(19762 ) , 男(汉族 ) , 北京人,北京科技大学冶金与生态工程学院,博士研究生,从事冶金新设备、 新工艺研究。 电弧炉炼钢用氧工艺技术的进展 王振宙,朱 荣 (北京科技大学 冶金与生态工程学院,北京100083) 摘 要:如何高效率向电弧炉输送氧气,加速熔化废钢,是目前电弧炉提高冶炼节奏的主要问题之一。 文中对国内外氧枪在电弧炉的应用研究现状进行了系统的总结。在介绍各类氧枪应用效果的基础上, 比较了各类氧枪的特点,并对其在电弧炉炼钢的应用前景进行了展望。 关键词:电弧炉;氧枪;节能 中图分类号: tf741 文献标识码: a 文章编号:100221043(2008)

2、0220059204 progress of oxygen lances in eaf steel2making wang zhen2zhou ,zhu rong (school of metallurgical and ecological engineering , university of science oxygen lance ; energy saving 随着世界范围内能源供应的日趋紧张,如何降 低电弧炉炼钢的能耗成为冶金工作者十分关心的 问题。电弧炉炉壳直径的增大使得炉内温度的不 均匀性更加突出,位于三相电极的中心区和电极圆 周围的废钢熔化较快,其它区域废钢熔化较慢 122

3、。 20世纪80年代以来发展出各种布置在炉壁上的 氧燃枪,作为炉内冷区能量的补充来强化废钢熔 化。氧枪在不同电弧炉炉型布置见图1。 强化用氧技术(包括超音速氧枪、 碳氧枪、 氧 燃枪、 底吹氧枪、 二次燃烧技术)趋于成熟,vai 称之为k2es技术,danieli称之为danarc技术, demag称之为korfarc技术。最初的炉门氧枪为 人工自耗式;随后又出现了自耗式氧枪机械手,其 缺点是消耗大量吹氧管和供氧强度小。德国 fuchs等公司开发的水冷氧枪与德国bse工程 公司等开发的水冷碳氧枪,在强化用氧、 促进炉渣 泡沫化及缩短熔氧期冶炼时间等方面均取得较好 效果。炉壁集束射流技术研制成功

4、后已逐步取代 炉门氧枪。k2es炉底枪可向炉内喷吹氧气、 惰 性气体、 氮气、 天然气,该枪已在意大利菲拉里钢 厂应用。转炉化电弧炉conarc或arcon炉 使用炉顶氧枪已取得了很好的效果3 。不同炉型 电弧炉炉壁氧枪和碳枪的布置如图1所示。 1.高阻抗电弧炉2. consteel电弧炉3.带废钢预热的竖式电弧炉 图1 电弧炉冷区及炉壁碳氧枪布置 1 电弧炉氧枪发展现状 电弧炉用氧技术从早期助熔废钢、 熔池升温 发展到今天还包括了熔池搅拌加速冶金反应、 二 95 2008年 4月 第24卷 第2期 炼 钢 steelmaking apr.2008 vol.24no.2 1994-2009 c

5、hina academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 次燃烧等多种功能。电弧炉用氧技术正朝着多功 能集成、 自动化高效控制方向发展。通过拉瓦尔 喉口和结构的相应改进,出口马赫数已经达到2 以上。电弧炉的供氧强度在标准状态下已达1.2 m 3/ (t min) 以上。目前主要的电弧炉氧枪技术 主要有praxair公司的cojet技术、air liquid公 司的pyrejet技术、techint公司的kt injection 技术、pti公司的jetbox技术(见表1)。从1964 年开始,我国由首都钢铁公

6、司和北京钢铁设计研 究总院研制单孔拉瓦尔氧枪并投入工业应用,到 目前为止已经掌握了大部分国际领先的用氧技 术,北京科技大学开发的ustb技术已经成功应 用到国内数十座电弧炉,均取得了很好的经济效 益,国内其它氧枪研究及制造单位也纷纷开发了 多种类型的电弧炉用氧工艺技术。 表1 电弧炉用氧枪设备参数和生产指标 技术 名称 氧枪设备 供应商 使用 单位 氧枪投 产时间 供氧 方式 炉壁供氧能 力/ (m3h- 1) 马赫 数 cojet4praxair宝钢股份公司2004211炉壁喷枪10 0002.0 pyrejet5 air liqude (aci) 江阴兴澄特钢2001210炉壁喷枪8 00

7、02.0 ktinjection system6 techint天津钢管200127炉壁喷枪 大于 9 500 2.1 jetbox7pti淮钢集团总厂200224炉壁喷枪6 0002.0 ustb8 北京科 技大学 安阳钢铁公司200624炉壁喷枪12 0002.0 技术 名称 供氧模块 数量/组 布置 形式 燃料 公称 容量/ t 炉型 废钢预 热温度 cojet44 主氧枪,碳粉 枪,二次燃烧枪 氧气,焦 炉煤气 150 直流 (双壳) pyrejet5 3套pyrejet 2套pyrox 氧枪,碳粉枪氧气100直流 ktinjection system6 3氧枪,碳粉枪氧气150交流无

8、 jetbox73氧枪,碳粉枪 天然气,氧气70交流 ustb84氧枪,碳粉枪氧气100交流无 技术 名称 电弧炉 设备供 应商 底电 极形 式 变压器 容量/ mva 炉壳 直径/ mm 石墨电 极直径/ mm 铁水 兑入 量/ % 其它 辅助 能源 cojet4clecim水冷钢棒式333 7 30071133(常规)无 pyrejet5demag钢棒式906 6007114050 天然气 0.78m3/ t ktinjection system6 sms2 demag 1007 0006103540无 jetbox7danieli60 + 20 5 80055020 天然气 (未用) u

9、stb8fuchs726 0776102050 油枪(柴油) 1.53l/ t 技术 名称 设计年 产钢水 量/万t 冶炼 周期/ min 每吨钢 电耗/ (kw h) 每吨钢 电极消 耗/ kg 每吨钢 氧气消 耗/ m3 最高 日产 炉数 留钢 量/ t 碳粉 消耗/ (kg t - 1) cojet410051236.200.74042.2029 15 20 5.0 10.0 pyrejet56844177.000.67056.003015 5.0 10.0 ktinjection system6 6045275.001.20035.0028 15 20 5.0 jetbox740 42

10、 45 265.001.40039.0028 15 20 5.0 ustb86741167.870.80945.4730255.8 注:“ 22” 表示无相关设备 2 电弧炉氧枪分类及特点 电弧炉氧(氧燃)枪按结构分为单孔结构、 双 层带环缝结构和三层结构。按水冷形式分为无水 冷、 单层水冷和双层水冷结构。其使用介质包括 煤粉、 碳粉、 焦粉、 石墨粉、 甲烷、 乙炔气、 煤气、 天 然气、 轻柴油、 重油等,从而产生了煤氧枪、 氧油 枪、 氧天然气枪、 氧煤气枪、 纯氧枪、 复合集束氧枪 (包括碳粉、 氧气、 天然气)等结构(见图2所示)。 其按火焰形成的位置分为内燃式和外燃式(也被 称为内

11、混式和外混式)。按安装位置则可分为炉 门氧枪、 炉壁氧枪、ebt氧枪、 炉顶氧枪和底吹氧 枪。氧油枪根据油质又可分为氧轻柴油枪和氧重 油枪。 图2 喷嘴和喷碳口 2.1 氧(燃)枪应用情况 氧枪的单孔结构由于射流距离短,现已渐渐 被新的结构形式所取代。氧枪多层结构是在中心 射流外层增加一层环绕气体,外层环状火焰保护 中心射流在更长的距离内保持一定强度。随着能 源不断涨价,集束氧(燃)枪逐渐取代了氧油枪。 而由于复合集束氧枪同时具有造泡沫渣和助熔作 06 炼 钢第24卷 1994-2009 china academic journal electronic publishing house. a

12、ll rights reserved. 用,其越来越广泛地被应用在电弧炉上。 2.2 煤氧枪 煤氧枪出现较早。与层状燃烧相比,煤粉燃 烧具有燃烧温度较高、 效率高的特点。我国煤炭 资源丰富,成本低廉,因而在20世纪90年代初期 有一些应用实例。北京科技大学从1982年开始 进行电弧炉煤氧枪的研究,1985年在唐钢5t电 弧炉应用取得了每吨钢平均节电(500100) kwh、 冶炼时间缩短2030min的效果。该技 术在国内部分电弧炉钢厂被推广应用 9 ,主要应 用的电弧炉多为30t以下的小电弧炉,且采用” 三期” 操作,变压器水平多在15 000kva左右。 由于受煤粉制作及设备复杂的限制,煤

13、氧枪使用 成本较高,目前已基本不再使用。 2.3 氧油枪 在世界范围内的石油危机来临之前,氧油枪 (轻柴油或重柴油)以其热效率高的特点得到了快 速发展。截止到1996年2月,仅fuchs公司就在 全世界安装了57套氧燃枪,其中73个重油枪,45 个轻油枪,113个氧燃枪,该技术也取得了明显的 节电效果,节电最高可达40kwh/ t。20世纪90 年代以来,氧油枪在我国也得到了较为迅速的发 展,天津钢管公司150t demag电弧炉、 安阳钢 厂100t fuchs电弧炉、 抚顺特钢50t fuchs电弧 炉都配备了氧油枪。抚顺特钢50t fuchs电弧炉 炉壁安装4个aci公司pyrox氧轻油

14、枪(25 mw) ,其前端有一个内燃室,燃烧室起到形成火 焰、 控制火焰形状的作用。淮钢70t电弧炉装有 more型炉壁氧油枪(33mw) ,氧气流量(在 标准状态下)800m 3/ h ,实际使用中供应的能量 典型值为50kwh / t ,使用过程出现的问题是油 氧枪火焰短,如安装位置低,则炉渣易堵塞枪。天 津钢管公司150tu hp电弧炉投产初期使用3 3mw氧油枪,取得节电(1015) kwh / t的效 果,但氧枪结构不合理,操作工艺不完善,导致氧 枪喷头经常堵塞,甚至产生 “回火烧枪” 现象。莱 芜特钢厂50t电弧炉使用ustb提供的油氧助 熔二次燃烧两用喷嘴及ebt氧枪技术后,降低

15、电 弧炉氧耗40m 3/ t 、 电耗130kwh / t、 柴油消耗 4kg/ t ,冶炼时间缩短到65min。使用油氧枪的 缺点是油价上涨导致成本增加 10 。 2.4 氧燃(气)枪 氧燃(气)枪多在距离天然气产地较近的电弧 炉钢厂使用,在距离产地远的电弧炉炼钢厂多使 用液化石油气。氧燃枪的优点是设备可靠性好, 助熔效果稳定,适合以废钢为主原料的企业。国 外电弧炉炼钢厂多采用该方法助熔废钢。 2.5 二次燃烧氧枪 二次燃烧技术在20世纪70年代末由贝洛瓦 尔钢厂开发成功。二次燃烧的目的是将炉气中未 完全燃烧的co与o2燃烧生成co2,从而释放热 量。1m 3氧气与碳完全燃烧时 ,化学热换算

16、的电 能应有7.41kwh。 近来二次燃烧技术的应用有 增加的趋势。转炉双联法炼钢、 转炉精炼不锈钢、 rh2ktb技术都应用二次燃烧氧枪 11 。 美国nucor公司与praxair公司合作在其 60t电弧炉上应用二次燃烧技术,每1m 3 氧气可 取得0.9美元的效益。美国空气液化公司与瓦鲁 赫钢厂和德国bsw公司使用二次燃烧技术,每 吹10m 3氧气(在标准状态下) 每吨钢可降低电耗 43kwh、 缩短冶炼时间3.7min。aci公司的二 次燃烧技术可以通过由废气取样结合工艺分析完 成闭环控制。 目前,二次燃烧技术在美国、 日本、 德国、 法国 及意大利均达到工业应用水平。pti公司使用环

17、 氧用于二次燃烧,aci公司则使用单独的二次燃 烧氧枪布置在熔池上方,西宁特钢将二次燃烧由 consteel电弧炉炉内转移到炉外的废钢预热通道 中进行,使废钢在回收废气显热的同时,又回收了 化学潜热,平均温度高达600650,每吨钢节 电95kwh 12 。二次燃烧氧枪的特点是渗透力 较小则对脱碳和熔池搅拌影响不大,其目前研究 方向是在泡沫渣中的应用。 2.6 碳氧枪 碳氧枪的结构是中心不锈钢管喷吹碳粉或石 墨粉、 焦粉,外层是环氧。如果是三层结构则分别 是环绕天然气及环绕氧气。其作用是炉内造泡沫 渣,实现埋弧操作。 碳氧枪的布置方式多采用在冷却氧枪的铜块 上开孔固定角度的方法。pti jet

18、box系统喷碳 枪布置在氧枪的右下方,这种平行布置有利于泡 沫渣的快速形成,但喷碳孔容易堵塞。北科大 ustb喷碳枪为解决喷孔易堵塞的问题,将喷碳 枪单独布置在炉壁水冷块上,与氧枪形成一定夹 角,取得了良好的效果。 2.7 集束氧枪 普通超音速射流受电弧炉炉内烟气流影响, 衰减较快且射流距离短,当氧气射流到达熔池时, 16第2期王振宙,等:电弧炉炼钢用氧工艺技术的进展 1994-2009 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 气流速度已较低且冲击力弱,无法有效切割废钢 助熔,也不能穿透熔

19、池表面进行有效脱碳,造成氧 气的利用率低、 节电效果差。 美国praxair公司开发了凝聚射流技术,与 此同时北京科技大学也开发了集束射流技术。其 原理是在传统拉瓦尔喷管周围加上环管,外层环 绕氧(燃气 ) , 燃烧形成火焰,当内层气体以超音速 出现时不会马上与周围气体发生反应,使射流的 前进在高温低密度的介质中进行,射流在超过喷 嘴直径70倍的喷吹距离内都可以保持其原有的 速率、 气体的浓度及喷吹冲击力,传统氧枪0.254 mm处的冲击力与凝聚射流1.37mm处的冲击力 相当,集束射流对熔池的冲击深度要高两倍以上、 气流的扩展和衰减小、 可减少熔池喷溅及喷头粘 钢。集束射流的使用效果为:脱碳

20、效率提高 20%;喷枪损耗下降33%;造泡沫渣用碳降低了 60%;渣中氧化铁下降5%;冶炼时间缩短10 min。 抚顺钢铁公司60t电弧炉应用了北科大 ustb集束射流技术及其模块化控制系统。安装 在炉壁上的集束氧枪部分代替了炉门氧枪和炉壁 氧枪,可用于加热废钢、 熔池脱碳和二次燃烧。与 传统用氧相比,该装置可使全废钢条件下的冶炼 时间缩短7min ,电耗下降37kwh / t ;铁水条 件下 的 冶 炼 时 间 缩 短11min ,电 耗 下 降 18kwh / t ,电极消耗下降0.3kg/ t。目前该技 术已在国内三十余座电弧炉上应用。 3 结 论 (1)我国近年来大量使用热装铁水作为电

21、弧 炉炼钢的原料,强化供氧对高铁水比情况下的脱 碳是非常有利的,同时还可缩短冶炼时间、 降低生 产成本、 提高产品质量。 (2)现阶段电弧炉供氧方式以炉壁氧枪占主 流位,一座电弧炉可以使用不同功能氧枪,氧枪的 应用使得低电耗冶炼成为可能。 (3)列举了国内5家不同工况的大型电弧炉 使用5种炉壁氧枪的炼钢实绩,表明我国已具备 设计安装电弧炉用氧设备的能力。 (4)我国大型电弧炉炼钢吨钢生产需要的电 耗、 氧耗已达到国际先进水平。然而,随着电弧炉 炉料结构变化,如何合理、 高效、 均衡的供氧、 供电 是非常重要的。 参 考 文 献 1 傅杰,史美伦.现代炼钢流程冶炼工序的共性问题j .中国 冶金,

22、2005,12(12 ) : 11213. 2 李士琦,陈煜,刘润藻.现代电弧炉炼钢技术进展j .中国 冶金,2005,15(6 ) : 8213. 3voswinckel ,nordmeyer ,hr. deppner ,meierling. conarc 20002 最灵活的炼钢方法j .冶金设备,2000,122(4 ) : 162 18. 4 崔健.电弧炉炼钢技术若干问题的实践与认识c/ /中国电 炉流程与工程技术研讨会文集.上海:冶金工业出版社, 2005:992117. 5qian gang , li wenshuang , xu xiaohong. aci pyrejettm t

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