电弧炉炼钢复合吹炼技术研究及应用

冶炼周期长、能量利用率低、生产成本高等问题一直困扰着我国电弧炉炼钢的进一步发展。研究认为，电弧炉熔池搅拌强度弱，动力学条件差，难以满足炉内物质和能量的传输要求，抑制了炼钢反应的快速进行，是造成上述问题的主要原因。

国内外研发并广泛采用的超高功率供电、高强度化学能输入等技术，还没有从根本上解决熔池搅拌强度不足的问题。电弧炉通电过程中，电磁场对熔池热传递和流体流动的影响规律尚不明确；而氧气射流受炉内复杂环境的影响，难以确定满足工艺要求的喷吹参数。北京科技大学等单位针对国内外电弧炉炼钢的现状，在前期研究基础上提出“电弧炉炼钢复合吹炼技术”。

1研究方案

该研究以强化熔池搅拌为核心，从提高单元操作的功能入手，重点解决集束供氧的多功能化和底吹安全长寿问题；探明氧气射流、电磁场和底吹流股三者对熔池搅拌强度的多元耦合影响规律，完成多元炉料结构条件下的各单元操作技术集成；开发电弧炉炼钢温度和成分预报系统，形成操作软件包，满足复合吹炼的精确控制要求，最终实现电弧炉炼钢复合吹炼技术目标。

根据电弧炉炼钢复合吹炼技术的研究目标及内容，通过理论计算、参数设计、数值模拟、水模型模拟、冷热态实验及工业试验等方法，对单元操作及技术集成进行深入研究。

2研究内容

2.1电弧炉炼钢熔池搅拌强度研究

2.1.1电弧炉炼钢动力学条件分析

熔池冶金反应动力学条件较差，一直是电弧炉炼钢的技术难题。电弧炉炼钢熔池搅拌强度不足与其炉型特点有很大关系，传统电弧炉是将废钢作为基本原料，以电能为主，辅以化学能生产合格钢水的装置，因此在炉型设计上具有炉膛大、熔池浅的特点。100t电弧炉的高径比仅为同容量转炉的53%。通常来说，高径比愈大，可承受的供氧强度愈大，考虑到废钢熔化和炉门流渣的影响，电弧炉熔池搅拌强度进一步受到限制，仅为转炉的10%-20%。

熔池搅拌强度可由钢液流动速度来描述。使用数值模拟方法对100t电弧炉的熔池钢液流动情况进行模拟研究，发现电弧炉的钢液平均流动速度为0.06m/s，而对比100t转炉的钢液平均流动速度为0.31m/s。电弧炉的熔池搅拌强度和转炉相差很大。实际生产中，电炉炼钢与转炉炼钢相比，冶炼消耗及生产成本差距明显。

炼钢终点碳氧积、氧含量和渣中（FeO）含量是体现熔池搅拌强度的重要指标，对产品的质量有显著影响。利用多家先进钢铁企业提供的电弧炉及转炉冶炼终点碳含量、氧含量、终渣（FeO）含量等数据，研究表明，电弧炉炼钢终点碳氧积平均值在0.0032左右，平均终渣（FeO）含量超过22.00%，均高于转炉炼钢。

综上所述，受炉型和冶炼工艺等限制，电弧炉熔池搅拌强度低，制约了电弧炉炼钢的技术进步。

2.1.2各单元操作对熔池搅拌的影响

1）电磁场对熔池搅拌的影响

在电弧炉冶炼过程中，通电既为熔池提供能量，同时产生电磁场搅拌熔池。近年来，采用CFX、Fluent等数值模拟软件研究了电磁场对100t电弧炉熔池的搅拌影响，并取得了较大进展。研究显示，电弧炉通电产生的电磁场对熔池电极附近区域有搅拌作用，但对远离电极的区域搅拌作用十分有限。

2）氧气射流对熔池搅拌的影响

氧气射流射入熔池，对熔池的搅拌作用将加速冶金反应的进行。对侧吹、顶吹氧气射流的熔池搅拌特性进行了多相流的研究。利用CFD软件的VOF模型建立了不同供氧强度下氧气射流冲击电弧炉熔池的“气-渣-金”三相三维数值模型，随着氧流量的提高，熔池平均流动速度随之增加。100t电弧炉炉壁采用3支集束氧枪，对比氧流量分别为500Nm3/h和2000Nm3/h，后者的熔池平均流动速度为0.054m/s，速度分布呈现“周围高、中心低，表层高、底部低”的趋势。同样100t电弧炉采用单支炉顶集束氧枪，供氧流量分别为6000Nm3/h和4000Nm3/h条件下，熔池中部最大流动速度均超过0.2m/s，有效改善了熔池中上部的搅拌强度。

3）底吹流股对熔池搅拌的影响

数值模拟研究发现：底吹条件下，熔池平均湍流动能和速度分别达到了0.142m2/s2和0.011m/s，尤其是熔池底部的湍流动能和流动速度大大提高，分别达到熔池表面的1/3和1/2，钢液流速提高了约10倍。

2.1.3各单元对熔池搅拌的耦合影响

通过各操作单元对熔池搅拌影响的模拟研究，证实电磁场对熔池的搅拌主要集中在电极附近区域，氧气射流对熔池的搅拌主要集中在熔池上部和靠近炉壁的区域，而底吹流股对熔池的搅拌主要集中在熔池底部区域。但电磁场、氧气射流、底吹流股对电弧炉熔池搅拌的共同作用规律尚不明确，因此复合吹炼条件下，熔池搅拌的多元耦合研究十分重要。

1）“氧气射流+底吹流股”二元耦合对熔池搅拌的影响

在“氧气射流+底吹流股”二元耦合条件下，距熔池底部200、400、600mm各个截面的速度均大于常规无底吹冶炼工艺，电弧炉熔池平均速度由0.05m/s升高到0.07m/s，且速度小于0.01m/s的低流速区域也较常规无底吹冶炼工艺减小了79.2%，电弧炉炼钢熔池搅拌强度与均匀性都得到明显改善。

2）“氧气射流+底吹流股+电磁场”三元等效耦合对熔池搅拌的影响

在二元耦合模拟研究的基础上，尝试将电磁场搅拌作等效处理，确定“氧气射流+底吹流股+电磁场”三元等效耦合对熔池搅拌的影响规律。

如图1所示，电弧炉熔池被划分为8个流动检测研究域，并细分为A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2动态观测块，实时记录和分析实体内部的瞬时质量、速度、湍动能、温度及磁场强度的变化情况，并将检测数据汇总进行全尺寸熔池的动态监测。

对数值模拟所得计算结果与水模拟所得数据（混匀时间、表面流动速度及熔池流线特征等）进行综合对比，显示计算模拟结果可靠。根据监测数据分别建立电弧炉侧吹、底吹、电磁搅拌及三元耦合计算模型，得出不同阶段内的熔池流动特性。三元耦合条件下的熔池搅拌强度大幅提高。通过对熔池瞬时流动特性进行线性分析，得出熔池流动速度与侧吹流量、底吹流量及供电功率三者耦合关系的数学表达式。

V=0.217×log（Q侧/ 1094）+ 0.1039×log（Q底/ 1.073）+ 0.0013×e（s/4539）

式中：V为熔池平均速度，m/s；Q侧为侧吹流量，Nm3/h；Q底为底吹流量，Nm3/h；S为视在功率，kVA。

该关系表达式是首次对熔池流动速度进行定量分析，探明了氧气射流、电磁场和底吹流股对熔池搅拌强度的耦合规律，为电炉炼钢复合吹炼工艺参数的确定提供了理论指导。

2.2集束射流技术的拓展应用研究

2.2.1集束射流技术的研究现状

针对超音速气体射流速度衰减快、氧气利用率低等问题，早在2002年，利用气体可压缩特性，采用在超音速中心射流外包裹高温气体“伴随流”的方法自主开发了集束射流技术，比Praxair-CoJet氧枪更适应国内电弧炉炼钢炉料结构特点，达到国际领先水平，并已在国内外60余座电弧炉应用。集束射流特性的模拟研究结果显示，包裹“伴随流”的集束射流核心段长度是原超音速射流的2倍，显著改善氧气射流的脱碳及搅拌能力。

2.2.2集束射流技术的多功能化应用研究

炉料结构的变化改变电弧炉炼钢的能源构成，影响其生产节奏、成本及产品质量。为提高化学能输入强度和能量利用效率，需对集束射流供氧技术进行多功能化应用研究。北京科技大学开发了炉壁集束模块化供能、炉顶集束供氧及炉壁埋入式供氧等多种形式的喷吹技术，如图2所示。

1）炉壁集束模块化供能技术

氧气射流在炉气中衰减速度快，有效射流长度较短，对电弧炉熔池的冲击力不足。冶炼过程中，为降低渣中氧化铁含量、提高金属收得率，通常采用喷吹粉剂的方法，但粉剂颗粒运动速度小，易受炉内气流扰动，难以进入熔池参加反应，粉剂利用率低。为解决上述问题，开发了炉壁集束模块化供能技术。该技术包括集束供氧、喷粉、一体化水冷模块等多个单元，以满足不同冶炼工艺的要求。

冶炼过程中，各类粉剂（碳粉、脱磷剂等）的喷吹可实现动态切换，满足泡沫渣及脱磷的要求。该技术使碳粉利用率提高30%，保证了冶炼过程形成高质量泡沫渣，有效降低了终点氧含量，提高了金属收得率。100t电弧炉采用本工艺喷吹脱磷剂，脱磷剂消耗量降低了20%，脱磷率较常规工艺提升了5%-10%，

2）炉顶集束供氧喷吹技术

多元炉料（较高铁水比）带入大量的物理热和化学热，减少了电弧炉炼钢过程的电能需求，开发了电弧炉炉顶集束供氧喷吹技术，可在供电与炉顶供氧供能间切换，同时在热量不足时辅助喷吹燃料。电弧炉炉顶集束供氧技术在炉盖上增加操作孔，通过升降机构调节氧枪枪位，完成脱碳、脱硅及造渣脱磷任务。该技术有效改善了熔池中心区域的冶金反应动力学条件，提高了熔池搅拌强度。

3）埋入式供氧技术

电弧炉炼钢供氧主要采用熔池上方喷吹方式。氧气射流需依次穿过炉内烟气流、泡沫渣层，最终与钢液接触进行反应，因此氧气射流速度快速衰减，氧气损耗不可避免。为此，开发了一种电弧炉双流道埋入式吹氧技术。采用气态冷却保护方式将双流道氧枪出口埋入钢液面下，氧气与钢水直接接触，有效地改善了熔池搅拌强度，提高了氧气利用率；通过优化冷却设计，稳定喷射参数，实现埋入式供氧装置与炉龄同步。

通过集束射流技术的拓展应用研究，实现了电弧炉炼钢多方式多点供氧，扩大了氧气射流对熔池的作用区域，满足了不同炉料结构条件下的供氧需求，提高了供氧效率，进一步完善并发展了集束射流技术在电弧炉炼钢的应用。

2.3电弧炉炼钢安全长寿底吹技术的开发

电弧炉底吹技术的关键在于长寿及安全。经过多年的研究探索，北京科技大学和中国钢研科技集团有限公司联合开发了电弧炉安全长寿底吹技术。从失效机理、底吹元件设计、底吹工艺制定及安全报警等方面展开研究，实现了电弧炉底吹的安全长寿。

2.3.1电弧炉底吹元件失效机理研究

影响电弧炉底吹元件寿命的主要原因是底吹元件的质量及底吹工艺。通常底吹元件的损毁原因主要有剧烈热冲击引起的热应力、裂纹和剥落，钢液搅拌对透气砖工作面的冲刷与侵蚀。在高温下，镁砂颗粒与石墨发生固相反应生成镁蒸气与CO一起挥发；镁碳砖在使用中表面氧化脱碳，砖体结合强度下降，使镁砂颗粒与砖体脱离。

采用回转炉侵蚀法，对底吹元件的抗渣侵蚀性能进行研究。在MgO-C材料中，熔渣与MgO的接触角很小，很容易被侵蚀，由于石墨的存在，熔渣不能润湿石墨，因此，加入适量的石墨可以提高含碳材料抗渣侵蚀性能。

2.3.2电弧炉底吹元件制备技术的研究

底吹元件是电弧炉底吹的关键部件，由MgO-C复合材料和不锈钢气道、气室组成，主要采用定向多微孔型结构，具备良好的透气性、耐高温性、抗热震性、抗冲击性等性能。镁砂中含有的Al2O3、SiO2、Fe2O3、B2O3等杂质对镁砂中矿物分布和高温性能有很大影响。当CaO/SiO2比值高时，硅酸盐成膜效应差，MgO晶体彼此结合，使得材料的高温性能好。B2O3是一种强熔剂，提高了硅酸盐对方镁石的润湿程度，降低了方镁石晶体间的直接结合程度，使镁砂的高温性能变差。

经实验室和工业试验研究，最终选取镁碳材料的理化指标如下：（MgO）≥76%；（C）=14%；体积密度Bulk density≥2.9g/cm3，常温耐压强度C.C.S.≥30MPa，高温抗折强度HMOR≥12MPa。

对底吹元件中透气孔间隙进行了优化设计，采用稳态有摩擦加热管流微分方程组设计多孔不锈钢管气道的尺寸和数量。并应用等静压成型技术生产电弧炉底吹透气元件，将高温合金气道定位镶嵌在特制的镁碳材料中，在1550℃以上保压烧结成型。等静压成型技术与常规工艺相比，底吹元件的孔隙率及体积密度等关键指标均大幅提升。

2.3.3底吹工艺和具有冗余功能的全程预警技术

具有冗余功能的电炉底吹全程预警技术采用多点阶梯分段监控的全程报警方式，保证了电炉炼钢的安全生产。

通过以上研究及工程实践，底吹元件的寿命已完全满足电弧炉冶炼工艺的需求。目前已在不同炉型、吨位的电弧炉上成功应用。西宁特殊钢股份有限公司等企业的电弧炉底吹元件寿命达750炉以上，实现与炉龄同步 。

2.4电弧炉炼钢复合吹炼技术集成研究

2.4.1电弧炉炼钢复合吹炼集成理论研究

近年来，我国电弧炉炼钢炉料结构呈现多元化的趋势，使复合吹炼的集成应用增大了技术难度。通过电弧炉炼钢物料及能量衡算研究，确定复杂炉料结构下的冶金反应操作参数。

电弧炉炼钢单元操作的合理匹配为：各单元操作按照冶金反应对热力学、动力学条件的需要，将电能、氧气、碳粉、石灰等原料输入熔池，并给予必要的搅拌强度，达到最佳的供需匹配。

将分时段方法引入集成控制，即：冶炼过程分成若干时间段，根据各分段内冶金反应特征，分别设定供氧强度、钢水温度、熔池搅拌强度等目标参数，按照各单元操作及三元等效耦合对熔池搅拌的影响，对供电、供氧、底吹、喷粉等单元进行集成控制，使各个时段内能量、物料、搅拌强度均满足冶金反应要求，实现电弧炉炼钢高效、节能生产。

以天津天管特殊钢有限公司第二炼钢厂100t电弧炉为例，对复合吹炼集成控制进行说明。

1）炉料结构分析

天管100t电弧炉采用铁水和废钢为主要原料，总装入量约为115t，铁水比例为45%，如表1所示，标准出钢量为100t，出钢温度为1640℃。

2）冶炼过程的分时段分析和目标参数设定

根据电弧炉炼钢过程冶金反应特征及操作工艺要求，将冶炼过程分为6个时段，分别记为t1、t2、t3、t4、t5、t6，设定供氧强度、钢水温度、熔池搅拌强度等目标参数，如表2所示。

3）复合吹炼的单元操作集成控制

按照各分段内供氧强度、钢水温度、熔池搅拌强度等目标参数，对供电、供氧、底吹、喷粉等单元进行集成控制。

4）复合吹炼技术集成结果

按照复合吹炼的单元操作集成控制的计算方法，完成整个冶炼过程6个分段内冶炼单元操作控制参数的计算。

2.4.2电弧炉炼钢复合吹炼的集成控制研究

在电弧炉炼钢复合吹炼集成理论研究的基础上，将操作单元和控制逻辑实体化，建立了电弧炉冶炼能量分段模块、动态物料衡算预测模块、动态能量衡算模块、能量输入控制模块、供电模块和化学能输入模块。使用PLC现场总线将供氧、供电、底吹、喷粉等单元设备进行协同控制。使用炉气温度、炉气流量测量仪和气体取样器，对冶炼过程的炉气进行在线检测，对钢水的成分和温度进行预报。

开发了电弧炉成本控制软件和电弧炉炼钢复合吹炼控制软件，基于配料结构的K-medoids聚类分析方法，以能耗、成本为指标对海量数据进行筛选、评价，得到冶炼指导范例群组，应用模糊相似理论归纳总结范例的操作特征，制定最优的供电、供氧、喷粉、底吹等工艺参数，实现电弧炉炼钢复合吹炼的集成控制。

2.4.3复合吹炼工艺与烟气余热回收的匹配研究

炉料结构及能量来源的多样化使电弧炉炼钢余热的产生具有间歇性波动的特点。余热回收过程中常出现烟气温度过高或过低的状况，烟气温度过高时，传统工艺通过混入冷空气方式降低烟气温度，虽然保证了设备安全生产，但是影响了富余热量的回收，降低了能量回收比例，是另外一种形式的能量浪费；烟气温度过低时，余热回收系统工作效率不高，系统回收能量不足。

开发的电弧炉炼钢复合吹炼条件下“一种电弧炉与余热回收装置协调生产的方法”，为提高余热回收效率提供了技术上的可能。以炉气分析检测数据为基础，建立了智能型“供电-供氧-脱碳-余热”能量平衡系统，稳定了余热回收系统的烟气温度，实现电弧炉复合吹炼单元操作和余热回收装置协调运行 。

3工程应用结果

该技术在天津天管特殊钢有限公司、西宁特殊钢股份有限公司、新余钢铁集团有限公司、衡阳华菱钢管有限公司、唐山文丰山川轮毂有限公司等企业的冶金效果对比见表3。

4结论

1）实现了电弧炉炼钢复合吹炼技术的工程化应用，确保了高效、优质、环保、低成本生产，使我国电弧炉炼钢主要技术经济指标达到国际先进水平。

2）通过底吹元件制备技术、底吹工艺优化设计和具有冗余功能的全程预警技术的研究，解决了电弧炉底吹的安全长寿问题，实现与炉役同步，底吹寿命超750炉次；研发了炉壁集束模块化供能、炉顶集束供氧及炉壁埋入式供氧等多种形式的喷吹技术，实现了电弧炉炼钢多方式、多点供氧，完善并发展了电弧炉炼钢集束射流技术。

3）实现了电弧炉炼钢复合吹炼单元操作的集成控制，包括：电弧炉炼钢复合吹炼集成方法、电弧炉钢水终点温度和成分预报、电弧炉炼钢复合吹炼控制技术、复合吹炼工艺与烟气余热回收的匹配。

4）建立电弧炉“气-渣-金”三相等效耦合全尺寸模型，掌握了氧气射流、电磁场和底吹流股对熔池搅拌强度的耦合规律，并推导出耦合关系的数学表达式。

5）研究提升了我国电弧炉装备制造及工艺水平，推动了电弧炉炼钢的技术进步。