90 t電弧爐煉鋼集束供氧工藝優化實踐

謝孝容，宋景凌，劉全勝，陳代兵

(衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421000)

供氧是現代電弧爐煉鋼工藝中的一個重要環節，是保證爐料熔化速度與熔池升溫速度、控制噴濺、去除鋼中氣體的關鍵工藝[1-2]。合理的供氧方式對電弧爐生產效率、鋼水質量、鋼鐵料消耗和爐襯的壽命有顯著的影響[3]。傳統氧槍射流存在噴吹距離短，沖擊強度小等缺點，集束氧槍射流較好地改善了這一缺陷[4-5]。

集束射流技術是近年開發出來的一種新型的吹氧技術，該技術應用氣體力學原理，在氧槍內部構造上采用主氧拉瓦爾設計和伴隨氣流，周圍增加的伴隨氣流使氧氣射流衰減速度放慢，形成類似于激光束的氧氣射流，能在更長的距離內保持初始的軸心線速度，使中心超音速射流擴展及衰減更小，噴吹距離更長，增大了氧氣射流對熔池的穿透深度及攪拌強度，促進鋼渣反應、均勻成分與溫度，減少噴濺、提高氧氣利用率和金屬收得率(見圖1)[6-10]。同時由于射流速度衰減延緩，可提高氧槍的吹煉槍位而不影響射流對液的沖擊深度，可延長氧槍噴頭的使用壽命[11-12]。

某公司90 t電弧爐煉鋼供氧原先使用的是普通超音速供氧系統。為了改善冶金效果，縮短冶煉周期，本文通過集束氧氣射流噴吹實驗、熱態工業預試驗和工業應用實踐，進行集束供氧系統改造及工藝實踐優化研究。

1 集束氧槍噴吹參數影響因素分析

在冶煉過程中超音速氧氣射流吹向熔池，氧氣流股對熔池的沖擊力主要是由氧氣流股的動壓來決定的，動壓的大小決定了氧氣穿透鋼液的深度(沖擊深度)。合理的沖擊深度可強化熔池攪拌，提高煉鋼效果和效率。與普通超音速氧槍相比，集束氧氣射流的穿透能力和攪拌強度大幅增加，但實際應用應考慮以下幾方面的影響：

(1)集束氧氣射流的穿透力增強，對爐底的直接和間接沖刷的影響；

(2)高強集束氧氣射流與鋼液反應能力是增加還是減弱，變化幅度如何；

(3)高強集束氧氣射流的氧氣利用率和脫碳速度的變化；

圖1 集束氧氣射流與普通超音速氧氣射流比較

(4)不同強度集束氧氣射流的化渣能力和氧化鋼液的影響；

(5)高強集束氧氣射流下鋼渣的噴濺程度及對爐墻、爐蓋設備的影響。

2 集束氧氣射流噴吹實驗

2.1 實驗裝置及方法

針對上述問題，搭建了集束射流噴吹實驗測試平臺，如圖2所示，主要包括氧槍固定架、火焰長度測量標尺、溫度檢測裝置—熱電偶，利用原來的閥組和控制系統實驗，實驗區域為爐后的爐蓋停放平臺(空氣相對靜止)。本研究用90 t電弧爐集束氧槍槍頭結構見圖2，該集束氧槍采用3層結構設計，主氧設計流量范圍為150～3 000 m3/h(標準)，拉瓦爾噴嘴設計，Ma=2.0；環氧設計流量為200～1 000 m3/h(標準)，燃氣設計流量為100～400 m3/h(標準)。

本實驗針對不同主氧、環氧及燃氣流量條件下的集束氧氣射流特性進行了實驗研究，測試主氧不同流量的射程和環封氣體的直徑，確定最佳環封氣體比例。

圖2 90 t電弧爐集束氧槍結構及集束射流噴吹實驗測試平臺

2.2 實驗結果分析

不同噴吹參數情況下的集束射流效果見圖3～圖6。由實驗結果可知，氧然比在2.1～2.3時，集束射流的封套效果最佳，可以明顯看出主氧與環氧之間有白亮線分層，封套直徑不變的核心段長度可以達到1米左右，前端封套最大直徑400～500 mm；在主氧流量為2 500 m3/h(標準)時，有效射程可達1.8 m。同時，根據實驗結果可以發現，在主氧流量超過2 500 m3/h(標準)后，即使再增加主氧流量，集束射流的有效射程變化增加不多，也只有1.8～1.9 m。

圖3 不同氧燃比情況下集束射流的封套效果(主氧流量2 000m3/h(標準)保持不變)

圖4 良好的封套效果：主氧流量變化，氧燃比2.0保持不變

圖5 致密封套效果(氧燃比2.1～2.3)

圖6 封套效果差(氧燃比<1.8)

3 集束氧氣射流熱態工業預試驗

根據集束氧氣射流噴吹實驗結果，制定工業預試驗噴吹參數方案，如表1所示，并在90 t電弧爐進行了工業生產實踐，各方案試驗20爐次，相關冶煉指標統計數據見表2。

表1 工業預試驗集束氧槍噴吹參數設計

表2 氧槍流量參數對比試驗效果

根據上述試驗結果，方案1集束射流效果最好，冶煉綜合經濟技術指標最優。同時，根據集束氧氣射流噴吹效果，發現：方案1的低、高氧參數的火焰“干凈利落”，能充分燃燒，封套效果明顯；方案2和方案3的燃氣流量增加后，能形成封套，但在氧槍出口300 mm封套附近有少量氣體燃燒，其原因在于環氧流量增大后，出口壓力相應增加，而燃氣的量增加后，出口壓力減少(工廠燃氣總流量不足)，造成氧燃比增加，多余的氧氣與爐內的其他氣體燃燒而發散，射流噴吹效果相對差些。

根據上述試驗結果，確定90 t電弧爐集束氧槍噴吹參數設定為：主氧流量2 500 m3/h(標準)，燃氣∶氧氣=1∶2.1～2.3，脫碳模式的燃氣流量在120～150 m3/h(標準)能滿足集束效果的需要，各項綜合經濟技術指標最優。

4 工業應用實踐

4.1 集束氧槍供氧工藝曲線的確定

實際生產過程中，集束氧槍的冶金效果不僅與參數設定有關，還應考慮以下因素：

1)鐵水比例

鐵水比例低時，配碳量低，需控制用氧強度，以防止鋼水過氧化，但同時還應考慮熔池攪拌效果，縮短冶煉時間。鐵水比例高時，脫碳任務重，應強化供氧，保證生產效率，但需防止熔化前期氧氣流反彈吹漏氧槍、槍座及爐壁水冷件，還需防止爐渣返干。

2)廢鋼結構

廢鋼中重型料(如注余冷鋼、大型機械件、密實打包塊等)比例較大時，熔化時間長，為防止熔化前期氧氣流反彈，氧槍燒嘴模式需要開啟較長時間。如廢鋼以輕型料為主，為提高生產效率及降低燃氣消耗，則可適當縮短氧槍燒嘴模式開啟時間。

3)余鋼量的控制

爐內余鋼量少時，熔池形成慢，低溫狀態下的廢鋼不能被氧氣直接快速熔化，氧槍燒嘴模式需要開啟較長時間；爐內余鋼量大時，熔池形成塊，可適當縮短氧槍燒嘴模式開啟時間。

根據90 t電弧爐生產現狀和前期預試驗冶煉情況，確定集束氧槍噴吹工藝曲線如圖7所示，主要針對一次加料后和二次加料后熔化期噴吹工藝曲線進行了調整。在氧化期，需根據鋼水碳含量調整開啟氧槍支數，并根據爐齡調整主氧流量。

圖7 集束氧槍熔化期噴吹工藝曲線

4.2 工業生產效果分析

1) 冶煉周期縮短，電弧爐冶煉能力提升

連鑄￠330規格生產時(連鑄通鋼能力強，不制約電爐生產節奏)平均冶煉時間及產量變化統計見表3和圖8。由實際生產數據可知，90 t電弧爐使用普通超音速氧槍，冶煉周期約53 min，而采用集束氧槍后，隨著相關工藝參數的日益成熟和穩定，冶煉節奏逐漸加快，冶煉周期不斷縮短，可控制在46 min內，產量增長明顯。

2)渣中FeO含量降低，鋼鐵料消耗減少

90 t電弧爐集束氧槍參數和工藝優化后，氧槍的氧氣射流集束性能提高顯著，大大減輕了對鋼液中Fe的氧化，電弧爐氧末爐渣成分對比見圖9，渣中FeO含量降低4.71%，TFe含量降低3.66%。圖10所示為90 t電弧爐冶煉鋼鐵料消耗變化，與改造前使用普通超音速氧槍相比，集束氧槍應用后鋼鐵料消耗指標改善明顯，噸鋼減少7.7 kg，經濟效果顯著。

3)渣中FeO含量降低，耐材侵蝕速度減緩

電弧爐冶煉過程中，渣中FeO含量降低，降低了爐渣的氧化性，且提高爐渣堿度及黏度，有利于爐壁自動掛渣，減輕對爐襯的侵蝕。同時通過強化爐壁氧槍供氧能力，減少爐門氧槍供氧強度及供氧時間，減輕了對爐門口附近耐材的侵蝕。采用集束供氧技術后，90 t電弧爐爐齡從平均588爐提高至773爐，電弧爐使用周期從22天提高到30天，既降低了耐材消耗，又提升了有效生產時間，生產成本大幅降低。

表3 2017年6月—2019年8月電弧爐平均冶煉時間對比

圖8 90 t電弧爐冶煉時間及產量變化情況

圖9 集束氧槍應用前后電弧爐渣樣成分對比

5 結 論

結合90 t電弧爐生產現狀，對90 t電弧爐進行了集束供氧系統升級改造，利用集束氧氣射流噴吹實驗、工業預試驗等手段對90 t電弧爐集束供氧工藝參數進行了優化設計，并開展了工業應用實踐。實際生產結果表明，90 t電弧爐集束供氧系統運行良好，工藝穩定。與改造前采用普通超音速氧槍相比，90 t電弧爐采用集束氧槍進行生產，平均冶煉周期縮短約7 min，渣中FeO含量降低4.71%，TFe含量降低3.66%，噸鋼鋼鐵料消耗降低7.7kg，爐齡增加185爐，取得了顯著的經濟效益。