电弧炉氧枪应用研究现状

电弧炉氧枪应用研究现状

随着世界能源供应的紧张，如何降低电弧炉的生成能力已成为冶金工作者的中心问题。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。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K-ES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后已逐步取代炉门氧枪。K-ES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。不同炉型电弧炉炉壁氧枪和碳枪的布置如图1所示。1电弧炉氧枪技术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1.2m3/(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、AirLiquid公司的PyreJet技术、Techint公司的KTinjection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。2煤氧枪的组成结构电弧炉氧(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。2.1氧或氧枪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用,其越来越广泛地被应用在电弧炉上。2.2临床应用实例煤氧枪出现较早。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(500～100)kW·h、冶炼时间缩短20～30min的效果。该技术在国内部分电弧炉钢厂被推广应用,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15000kVA左右。由于受煤粉制作及设备复杂的限制,煤氧枪使用成本较高,目前已基本不再使用。2.3电弧炉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40kW·h/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150tDEMAG电弧炉、安阳钢厂100tFuchs电弧炉、抚顺特钢50tFuchs电弧炉都配备了氧油枪。抚顺特钢50tFuchs电弧炉炉壁安装4个ACI公司Pyrox氧轻油枪(2×5MW),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(3×3MW),氧气流量(在标准状态下)800m3/h,实际使用中供应的能量典型值为50kW·h/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150tUHP电弧炉投产初期使用3×3MW氧油枪,取得节电(10～15)kW·h/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,降低电弧炉氧耗40m3/t、电耗130kW·h/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。2.4氧燃枪的使用氧燃(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次燃烧技术二次燃烧技术在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。1m3氧气与碳完全燃烧时,化学热换算的电能应有7.41kW·h。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、RH-KTB技术都应用二次燃烧氧枪。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1m3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10m3氧气(在标准状态下)每吨钢可降低电耗43kW·h、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600～650℃,每吨钢节电95kW·h。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炉内造泡沫渣,实现埋弧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。PTIJetBox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采用集束射流技术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,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0.254mm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10min。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37kW·h/t;铁水条件下的冶炼时间缩短11min,电耗下降18kW·h/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电弧炉低电耗炼焦技术已具备的设备(1)我国近年来大量使用热装铁水作为电弧炉炼钢的原料,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