CN102628094B - 一种电弧炉炼钢埋入式吹氧脱碳工艺及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于钢铁冶金技术领域，特别涉及到电弧炉炼钢吹氧脱碳工艺。本发明采用电弧炉埋入式吹氧直接脱碳方式，即将供氧用喷嘴安装在钢液面以下，从熔池的下方喷入氧化性气体，实现快速、可控脱碳。采用氧化气体流量及保护气体流量分时段控制控制方法，喷嘴采用双流道喷管，喷嘴材料采用钨铜合金、不锈钢、铬质或刚玉质管材制造。喷嘴中心管气体（氧气、二氧化碳）流量为100-3500Nm3/h，压力为0.2-0.8MPa；环缝气体（二氧化碳、天然气、氮气或氩气等惰性气体）流量为10-1000Nm3/h，压力为0.1-0.45MPa。与通常的吹氧方式比，氧直接与钢液中碳元素接触，保证脱碳反应的速度和可控性。

Description

一种电弧炉炼钢埋入式吹氧脱碳工艺及控制方法
技术领域
本发明属于钢铁冶金技术领域，特别涉及到一种电弧炉炼钢埋入式吹氧脱碳工艺及控制方法。
背景技术
随着电弧炉炼钢冶炼节奏加快，冶炼消耗降低，同时电炉热装铁水比例增加，熔池碳量升高，现有的炼钢方式无法满足熔池脱碳的要求。目前电弧炉炼钢的供氧方法主要有炉壁供氧和炉门供氧。它们的共同特点是：炼钢过程中，供氧喷嘴位于熔池上方，其距离钢液面的垂直位置一般超过200mm；供氧喷嘴使用拉乌尔管产生超音速射流，利用氧气射流的动能穿透炉气和渣层与钢水接触反应脱碳。其缺点是氧气射流在穿过炉内气流及渣层时，氧气射流强度逐步衰减，氧气难以进入熔池，造成熔池的脱碳速度较低。因进入熔池的氧气量难以掌握，无法有效控制熔池中脱碳速度。
电弧炉炼钢传统供氧脱碳过程为：
（1）高压氧气经过拉乌尔管形成超音速射流。根据不同冶炼吨位，氧气流量为1200Nm3/h~3500Nm3/h，设计马赫数为1.5~2.1，氧气压力为0.4MPa~0.85MPa。
（2）氧气射流穿透炉气。氧气射流在炉气运动的距离一般超过200mm，在此过程中射流速度衰减，降低到不超过270m/s，其中部分氧气因炉气干扰直接进入排烟***，损失约占供氧流量的12%。
（3）氧气射流穿透渣层。电弧炉熔池渣层厚度一般超过150mm，由于渣层的阻碍作用，射流速度快速衰减到50m/s以下，其中部分氧气被渣层吸收，约占供氧流量的15%~30%，另有氧气射流在炉渣表面反弹进入烟气***，约占供氧流量的15%左右。
（4）氧溶解进入钢液。与钢液接触时，部分氧气射流在钢液表面未参加反应进入烟气，约占供氧流量的5%左右。由于钢液阻碍氧气射流速度进一步衰减，其速度不超过10m/s，仅对钢液面以下300mm以内钢液有搅拌作用，熔池深部钢水流动速度低。氧与铁发生反应生成FeO，FeO需先饱和溶解进入渣层（渣中FeO饱和含量为30%左右，此部分FeO不参与钢液脱碳反应），剩余的FeO进入钢液的发生以下反应：(FeO)=[Fe]+[O]，氧元素溶解进入钢液；
（5）熔池中碳氧反应。钢液中的碳和氧通过传质与相互接触，发生如下反应：[O]+[C]=CO，产生的CO气泡上升，最终离开钢液进入炉气。钢液中碳与氧的传质是脱碳反应的限制性环节，因钢液面以下超过300mm的深部钢水流动速度低，熔池内溶解氧无法连续有效的脱碳，不利于脱碳反应的进行；
（6）炉气的二次燃烧。一氧化碳气泡在脱离熔池后进入炉气，发生二次燃烧反应，2CO+O2=2CO2。因大量氧气未进入熔池，炉气中富余氧气量大，二次燃烧剧烈，烟气温度高，电炉炉盖和烟气***的寿命降低。
传统的供氧脱碳过程中，氧气与钢水接触困难，约有占总供氧量的30%的氧气直接随炉气直接进入排烟***，15%~32%的氧气被渣层吸收，最终进入熔池参与脱碳反应的不超过45%，且不可控，电弧炉氧气利用率低、脱碳速度慢、控制效果差。电弧炉炉盖与烟气***寿命低。传统电弧炉脱碳方法无法避免这些问题。
发明内容
本发明目的是克服现有的电弧炉炼钢技术当中氧气利用率低、脱碳速度慢、控制效果差。电弧炉炉盖与烟气***寿命低的问题。
本发明提出一种电弧炉炼钢埋入式吹氧脱碳工艺及控制方法。该方法中氧化性气体直接从埋入钢液一定深度的喷嘴喷出，气体即全部进入钢液参加脱碳反应。气体利用率高，脱碳速度可控。
一种电弧炉炼钢埋入式吹氧脱碳工艺及控制方法，喷嘴中心管喷吹氧化性气体（氧气或二氧化碳气体，也可按比例混合喷吹），喷吹流量为100~3500Nm3/h，根据脱碳工艺要求，分时段控制气体流量和比例。环管喷吹保护气体（二氧化碳、天然气、氮气或氩气，也可按比例混合喷吹），喷吹流量为10~1000Nm3/h。不同阶段喷嘴的工作状态，分时段控制气体流量和比例。
本发明的具体脱碳过程：
（1）氧由喷嘴直接进入钢液内部，全部进入钢水，实现了氧的高效传输。根据不同冶炼吨位，中心管单独或混合喷吹氧气、二氧化碳气体，气体总流量为100Nm3/h~3500Nm3/h，气体压力为0.15MPa~0.8MPa。环缝中喷吹二氧化碳、氮气、氩气或天然气，气体流量为10Nm3/h~1000Nm3/h，压力为0.2MPa~0.45MPa。
（2）脱碳反应。气体进入钢水即形成大量均匀气泡，由钢液深部向上运动，带动整个熔池运动。气泡的形成增大了气液的反应面积。气液接触面上，氧直接氧化钢液，发生如下反应，2[C]+O2=2CO、2Fe+O2=2FeO，高浓度的FeO，进一步氧化钢中的碳元素，FeO+[C]=Fe+CO。脱碳速度可达150ppm/min~400ppm/min。
（3）二次燃烧。脱碳产生的CO气泡上浮进入炉气，炉气内氧含量低，抑制了二次燃烧的产生，对电炉炉体和烟气***产生了保护作用。
本发明在电弧炉炼钢过程中将氧气直接吹入熔池参与脱碳反应，可保证100%的氧化性气体进入钢水，熔池流动速度高，大幅度提高脱碳速度。针对电弧炉不同时期的冶炼需求，进行稳定连续喷吹氧化气体（O2、CO2）及保护气体（CO2、CH4、N2或Ar等惰性气体），分时段控制各气体流量，实现脱碳反应的连续可控。根据不同的气源特点，分别按照以下实施方案控制。
实施方案1：氧化性气体：O2，保护气体：N2或Ar
电弧炉冶炼过程中，在冶炼开始前中心喷管保持喷吹N2或Ar，流量为100~800 Nm3/h，环缝喷吹N2或Ar气体流量为10~300 Nm3/h，起到保护喷头，防止喷头烧损、堵塞。
冶炼初期，因金属液温度低，脱碳速度控制在一定值，中心喷管喷吹O2流量为100~800 Nm3/h。环缝喷吹N2或Ar气体流量为20~500 Nm3/h。
冶炼中期为高速脱碳期，中心喷管喷吹O2流量为100-3500 Nm3/h。环缝喷吹N2或Ar气体流量为50~1000 Nm3/h。
冶炼末期，需控制脱碳速度，保证终点碳含量，中心喷管O2流量为200-1500 Nm3/h。环缝喷吹N2或Ar气体流量为20~500 Nm3/h。
实施方案2：氧化性气体：O2和CO2，保护气体：CO2、N2或Ar
电弧炉冶炼过程中，在冶炼开始前中心喷管保持喷吹CO2，流量为100~800 Nm3/h，环缝喷吹CO2、N2或Ar气体流量为10~300 Nm3/h，起到保护喷头，防止喷头烧损、堵塞。
冶炼初期，因金属液温度低，脱碳速度控制在一定值，中心喷管混合喷吹O2和CO2，混合气体中O2与CO2比例为1:1~1:5，气体总流量为100-800 Nm3/h。环缝喷吹CO2、N2或Ar气体流量为20~500 Nm3/h。
冶炼中期为高速脱碳期，中心喷管混合喷吹O2和CO2，混合气体中O2与CO2比例为1:1~1:5，气体总流量为100-3500 Nm3/h。环缝喷吹CO2、N2或Ar气体流量为50~1000 Nm3/h。
冶炼末期，需控制脱碳速度，保证终点碳含量，中心喷管单混合喷吹混合喷吹O2和CO2，混合气体中O2与CO2比例为2:1~8:1，气体总流量为200-1500 Nm3/h。环缝喷吹CO2、N2或Ar气体流量为20~500 Nm3/h。
实施方案3：氧化性气体：O2，保护气体：CH4、N2或Ar
电弧炉冶炼过程中，在冶炼开始前中心喷管保持喷吹CH4、N2或Ar，气体流量为100~800 Nm3/h，环缝喷吹CH4、N2或Ar等惰性气体流量为10~300 Nm3/h，起到保护喷头，防止喷头烧损、堵塞。
冶炼初期，因金属液温度低，脱碳速度控制在一定值，中心喷管喷吹O2流量为100-800 Nm3/h。环缝喷吹CH4、N2或Ar气体流量为20~500 Nm3/h。
冶炼中期为高速脱碳期，中心喷管喷吹O2流量为100-3500 Nm3/h。环缝喷吹CH4、N2或Ar气体流量为50~1000 Nm3/h。
冶炼末期，需控制脱碳速度，保证终点碳含量，中心喷管O2流量为200-1500 Nm3/h。环缝喷吹CH4、N2或Ar气体流量为20~500 Nm3/h。
实施方案4：氧化性气体：O2和CO2，保护气体：CO2、CH4、N2或Ar
电弧炉冶炼过程中，在冶炼开始前中心喷管保持喷吹CO2，流量为100~800 Nm3/h，环缝喷吹CO2、CH4、N2或Ar气体流量为10~300 Nm3/h，起到保护喷头，防止喷头烧损、堵塞。
冶炼初期，因金属液温度低，脱碳速度控制在一定值，中心喷管混合喷吹O2和CO2，混合气体中O2与CO2比例为1:1~1:5，气体总流量为20-500 Nm3/h。环缝喷吹CO2、CH4、N2或Ar气体流量为20~500 Nm3/h。
冶炼中期为高速脱碳期，中心喷管混合喷吹O2和CO2，混合气体中O2与CO2比例为1:1~1:5，气体总流量为100-3500 Nm3/h。环缝喷吹CO2、CH4、N2或Ar气体流量为50~1000 Nm3/h。
冶炼末期，需控制脱碳速度，保证终点碳含量，中心喷管单混合喷吹混合喷吹O2和CO2，混合气体中O2与CO2比例为2:1~8:1，气体总流量为200-1500 Nm3/h。环缝喷吹CO2、CH4、N2或Ar气体流量为20~500 Nm3/h。
喷嘴采用双流道喷管结构。喷嘴的中心管为直管喷嘴，内径尺寸为3-20mm，壁厚2~5mm，环缝管内径10-30mm，壁厚3~8mm。喷嘴整体采用钨铜合金、不锈钢、铬质或刚玉质管材加工制造，保证在与钢液接触时不熔化。
根据电弧炉容量的不同，安装2~8支喷嘴，喷嘴数量一般确定方法为：电弧炉容量除以30加减1。喷吹方法喷嘴出口高度为钢液面至熔池底部。喷嘴的横向位置位于炉门及出钢口两侧的多点位置，均匀分布。喷嘴与炉壁法线水平夹角为0~80°（图1中角1），喷嘴与水平面夹角为-40~+90°（图1中角2），如安装在底部则为垂直于炉底。喷管整体埋入耐火材料内部，喷嘴出口超出炉壁深入熔池5~25mm。
本发明适用于5~300t电弧炉炼钢的供氧脱碳。
本发明采用一种新的电弧炉炼钢脱碳工艺及控制方法，将供氧喷嘴埋入钢液面下，氧与钢水直接接触，根据电弧炉冶炼过程的脱碳要求，采用氧化气体流量分段控制方法控制电弧炉脱碳速度。与现有的吹氧方式相比，本发明中氧与钢水直接接触（碳元素），提高了氧利用率，可实现快速、可控脱碳。
附图说明
图1 喷嘴中心管供气模式；
图2 喷嘴环缝供气模式；
图3喷嘴布置方式: 1电炉炉体；2耐火材料；3；脱碳喷嘴；4出钢口；5渣层；6钢液。
图4为图3的A-A剖面图: 3脱碳喷嘴; 5渣层; 6钢液。
图5为图3的B-B剖面图: 1电炉炉体; 2耐火材料;3脱碳喷嘴。
具体实施方式
1. 60吨电弧炉
本发明在60t超高功率电弧炉上应用。氧气、二氧化碳、氮气和氩气分别沿输送管道进入钢液面下底侧吹喷嘴，喷嘴采用不锈钢材质。电弧炉钢口两侧布置2支喷嘴，与炉壁法线夹角为75°，与钢液面水平夹角为3°。气体流量采用分时段控制方法进行：
1）在冶炼前保持中心喷管喷吹N2，流量为400 Nm3/h，环缝喷吹N2，流量为50 Nm3/h。
2）冶炼开始0~6min，中心喷管停止喷吹N2，改喷吹O2，流量为400 Nm3/h，环缝N2流量为70 Nm3/h。
3）6~12min，中心喷管O2流量为600 Nm3/h，环缝N2流量为70 Nm3/h。
4）12~20min，中心喷管O2流量为800 Nm3/h，环缝N2流量为100 Nm3/h。
5）20min~40min，中心喷管O2流量为1000 Nm3/h，环缝停止喷吹N2，改喷吹Ar，流量为100 Nm3/h。
6）冶炼结束后，中心喷管停止喷吹O2，改喷吹N2，流量为400 Nm3/h，环缝喷吹停止喷吹Ar，改喷吹N2，流量为50 Nm3/h。
根据不同入炉铁水和废钢比例，冶炼过程中稳定连续可调节氧气、二氧化碳、氮气和氩气的压力和流量。采用本发明后，脱碳速度达到200ppm/min，冶炼周期缩短7%。
2. 150吨电弧炉
本发明在150t超高功率电弧炉上应用。因冶炼钢种对氮含量有要求，冶炼过程中禁止吹入氮气，气体分别沿输送管道进入钢液面下底侧吹喷嘴。喷嘴采用不锈钢材质电弧炉钢口两侧布置4支喷嘴，与炉壁法线夹角为80°，与钢液面水平夹角为5°。气体流量采用分时段控制方法进行：
1）在冶炼前保持中心喷管喷吹CO2，流量为400 Nm3/h，环缝喷吹N2，流量为50 Nm3/h。
2）冶炼开始0~6min，中心喷管喷吹O2与CO2混合气体，O2与CO2比例为1:1，总流量为600 Nm3/h，环缝Ar流量为100 Nm3/h。
3）6~10min，中心喷管喷吹O2与CO2混合气体，O2与CO2比例为1:1，总流量为900 Nm3/h，环缝Ar流量为150 Nm3/h。
4）10~17min，中心喷管喷吹O2与CO2混合气体，O2与CO2比例为4:1，总流量为1200 Nm3/h，环缝Ar流量为150 Nm3/h。
5）17min~38min，中心喷管喷吹O2与CO2混合气体，O2与CO2比例为4:1，总流量为1500 Nm3/h，环缝停止喷吹Ar，改喷吹CH4流量为180 Nm3/h。
6）冶炼结束后，中心喷管停止喷吹O2与CO2混合气，单独喷吹CO2，流量为400 Nm3/h，环缝停止喷吹CH4，改喷吹N2流量为50 Nm3/h。
根据不同入炉铁水和废钢比例，冶炼过程中稳定连续可调节氧气、二氧化碳、天然气和氩气的压力和流量。采用本发明后，脱碳速度达到250ppm/min，冶炼周期缩短9%。

Claims (3)

1.一种电弧炉炼钢埋入式吹氧脱碳工艺，其特征是：在电弧炉内将氧化性气体及保护气体，采用单一气体喷吹或混合气体喷吹方式，通过双流道或单流道喷嘴产生的高速气流，吹入熔池的氧能直接与碳元素发生反应；喷吹气体直接从埋入钢液一定深度的喷嘴喷出，喷嘴采用双流道喷管稳定连续喷吹；氧化性气体为氧气或二氧化碳，喷吹流量为100～3500Nm3/h，根据脱碳工艺要求，分时段控制气体流量和比例；保护气体为二氧化碳、天然气、氮气、氩气或其他惰性气体，分时段控制气体流量，按比例混合喷吹，喷吹流量为10～1000Nm3/h；采用氧化气体流量及保护气体流量分时段控制控制吹氧脱碳，根据不同的气源特点，分别按照以下实施方案控制：
(1)：氧化性气体：O2，保护气体：N2或Ar；
电弧炉冶炼过程中，在冶炼开始前中心喷管保持喷吹N2或Ar，流量为100～800Nm3/h，环缝喷吹N2或Ar气体流量为10～300Nm3/h，起到保护喷头，防止喷头烧损、堵塞；
冶炼初期，因金属液温度低，脱碳速度控制在一定值，中心喷管喷吹O2流量为100～800Nm3/h，环缝喷吹N2或Ar气体流量为20～500Nm3/h；
冶炼中期为高速脱碳期，中心喷管喷吹O2流量为100-3500Nm3/h，环缝喷吹N2或Ar气体流量为50～1000Nm3/h；
冶炼末期，需控制脱碳速度，保证终点碳含量，中心喷管O2流量为200-1500Nm3/h，环缝喷吹N2或Ar气体流量为20～500Nm3/h；
(2)、氧化性气体：O2和CO2，保护气体：CO2、N2或Ar，
电弧炉冶炼过程中，在冶炼开始前中心喷管保持喷吹CO2，流量为100～800Nm3/h，环缝喷吹CO2、N2或Ar气体流量为10～300Nm3/h，起到保护喷头，防止喷头烧损、堵塞；
冶炼初期，因金属液温度低，脱碳速度控制在一定值，中心喷管混合喷吹O2和CO2，混合气体中O2与CO2比例为1:1～1:5，气体总流量为100-800Nm3/h，环缝喷吹CO2、N2或Ar气体流量为20～500Nm3/h；
冶炼中期为高速脱碳期，中心喷管混合喷吹O2和CO2，混合气体中O2与CO2比例为1:1～1:5，混合气体总流量为100-3500Nm3/h，环缝喷吹CO2、N2或Ar气体流量为50～1000Nm3/h；
冶炼末期，需控制脱碳速度，保证终点碳含量，中心喷管单混合喷吹混合喷吹O2和CO2，混合气体中O2与CO2比例为2:1～8:1，气体总流量为200-1500Nm3/h，环缝喷吹CO2、N2或Ar气体流量为20～500Nm3/h；
(3)、氧化性气体：O2，保护气体：CH4、N2或Ar，
电弧炉冶炼过程中，在冶炼开始前中心喷管保持喷吹CH4、N2或Ar，气体流量为100～800Nm3/h，环缝喷吹CH4、N2或Ar流量为10～300Nm3/h，起到保护喷头，防止喷头烧损、堵塞；
冶炼初期，因金属液温度低，脱碳速度控制在一定值，中心喷管喷吹O2流量为100-800Nm3/h，环缝喷吹CH4、N2或Ar气体流量为20～500Nm3/h；
冶炼中期为高速脱碳期，中心喷管喷吹O2流量为100-3500Nm3/h，环缝喷吹CH4、N2或Ar气体流量为50～1000Nm3/h；
冶炼末期，需控制脱碳速度，保证终点碳含量，中心喷管O2流量为200-1500Nm3/h，环缝喷吹CH4、N2或Ar气体流量为20～500Nm3/h；
(4)、氧化性气体：O2和CO2，保护气体：CO2、CH4、N2或Ar，
电弧炉冶炼过程中，在冶炼开始前中心喷管保持喷吹CO2，流量为100～800Nm3/h，环缝喷吹CO2、CH4、N2或Ar气体流量为10～300Nm3/h，起到保护喷头，防止喷头烧损、堵塞；
冶炼初期，因金属液温度低，脱碳速度控制在一定值，中心喷管混合喷吹O2和CO2，混合气体中O2与CO2比例为1:1～1:5，气体总流量为20-500Nm3/h；环缝喷吹CO2、CH4、N2或Ar气体流量为20～500Nm3/h；
冶炼中期为高速脱碳期，中心喷管混合喷吹O2和CO2，混合气体中O2与CO2比例为1:1～1:5，气体总流量为100-3500Nm3/h；环缝喷吹CO2、CH4、N2或Ar气体流量为50～1000Nm3/h；
冶炼末期，需控制脱碳速度，保证终点碳含量，中心喷管单混合喷吹混合喷吹O2和CO2，混合气体中O2与CO2比例为2:1～8:1，气体总流量为200-1500Nm3/h；环缝喷吹CO2、CH4、N2或Ar气体流量为20～500Nm3/h。
2.如权利要求1所述一种电弧炉炼钢埋入式吹氧脱碳工艺，其特征是：中心喷管内径尺寸为3-20mm，环缝管内径10-30mm；喷嘴的中心管为直管喷嘴，喷嘴材料采用钨铜合金、不锈钢、铬质或刚玉质管材加工制造。
3.如权利要求1所述一种电弧炉炼钢埋入式吹氧脱碳工艺，其特征是根据电弧炉冶炼吨位选用2～8支喷枪，喷枪自炉壁深入熔池5～25mm，位置位于炉门及出钢口两侧的任何位置，埋入式喷嘴与炉壁法线夹角为5～80°。
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