利用化学能的电炉吹氧技术

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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（V＆M）的圣索沃厂在现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，在钢水脱碳时则使用小流量的保持模式。
　　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Alarc－Jet超音速喷嘴的内部紊流程度远低于普通超音速喷嘴。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0.1％～0.15％C／min。
　　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。Alarc－PC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。
　　V＆M的化学能套件
　　瓦卢雷克曼内斯曼（V＆M）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427kWh／t；天然气2.8Nm3／t；氧气27Nm3／t；喷吹碳4.7kg／t；配料碳10kg／t；石灰30kg／t；供电时间41min；冶炼周期70min；电极消耗2.1kg／t；金属收得率93％。该电炉装有精炼和脱碳用的炉门自耗喷枪、一个氧燃烧嘴系统、一个Alarc－PC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Alarc－PC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3000Nm3／h。因为这支枪要拆掉，故PyreJet系统需要具备最大6000Nm3／h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Alarc－PC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15kWh／t（412对427kWh／t），氧气量在27Nm3／t的基础上提高到31Nm3／t。在整个前4个月内，生产操作不断改进，结果电耗降到了400kWh／t，氧气提高到35Nm3／t。碳消耗（配料碳＋喷吹碳）几乎是立即就在16.5kg／t的基础上提高到了18.5kg／t，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（392kWh／t）达标意义重大。理论上，供电时间37min的电耗应当为392kWh／t。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392～405kWh／t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Alarc－PC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提高。这些能量传递给废钢，提高了熔化均匀性和熔化速度。圣索沃厂通过在电炉操作上整合PyreJet和Alarc－PC系统实现了持续的工艺技术进步。因为生产操作不断地向适应ACI化学能系统方向发展，继续获得进步是必然的。目前，已经获得的收益有：电耗从427kWh／t降到了400kWh／t，不远的将来即可实现392kWh／t；因为提高了泡沫渣的质量，提高了对熔池的功率输入，供电时间从41min降到37min。