電弧爐氣體攪拌系統(tǒng)的應(yīng)用及節(jié)能效果
近幾年電弧爐氣體攪拌系統(tǒng)作為先進(jìn)的電弧爐技術(shù)在全球又重新被重視。氣體攪拌系統(tǒng)是以最短的投資回收期提高能源效率的一種安全、先進(jìn)的技術(shù)。RHI/INTERSTOP提出一套經(jīng)過全新改造的氣體控制系統(tǒng)，適用于電弧爐、轉(zhuǎn)爐以及鋼包爐等二次精煉設(shè)備。本文介紹了這套新系統(tǒng)的特點(diǎn)及近期有關(guān)耐火材料和氣體控制部件的案例研究和發(fā)展趨勢(shì)。
現(xiàn)代電弧爐煉鋼工藝主要是以非常靈活的生產(chǎn)效率進(jìn)行著粗鋼液的成本最優(yōu)化生產(chǎn)。鋼液的優(yōu)良攪拌有助于改善傳質(zhì)和傳熱，以便加快、促進(jìn)廢鋼和直接還原鐵（DRI）的熔化、脫碳、均勻過熱、合金分布以及避免形成結(jié)渣。底吹氣體直接攪拌不僅能夠有效促進(jìn)整個(gè)熔池的鋼液混合，而且能提供恒定的氣泡柱以避免CO共沸阻滯。
對(duì)整個(gè)氣體攪拌系統(tǒng)的控制——從耐火材料到閥門控制和攪拌策略，對(duì)確保攪拌系統(tǒng)的高可靠性和實(shí)用性來說是至關(guān)重要的。RHI/ INTERSTOP根據(jù)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出一套經(jīng)過全新改造的氣體控制系統(tǒng)，適用于電弧爐、轉(zhuǎn)爐以及鋼包爐等二次精煉設(shè)備。
1氣體攪拌系統(tǒng)在電弧爐煉鋼中的應(yīng)用
電弧爐煉鋼的特點(diǎn)是在生產(chǎn)量和原材料方面具有很大的靈活性。由于含鐵原材料價(jià)格上漲，用于生產(chǎn)高質(zhì)量鋼的廢鋼、DRI、熱壓塊鐵（HBI）、熱裝鐵水（HM）和不同質(zhì)量含鐵廢料的需求也出現(xiàn)上升。含鐵原材料、氧氣、碳和合金利用率的最大化以及能源成本的最小化都是優(yōu)先需要考慮的。對(duì)于現(xiàn)代高效的生產(chǎn)技術(shù)水平，即便對(duì)工藝實(shí)施小的改進(jìn)也能大幅降低成本。比如：通過有效地提高電弧爐傳質(zhì)和傳熱水平，就能實(shí)現(xiàn)這樣的改進(jìn)效果。因此，優(yōu)化熔池內(nèi)鋼液的流動(dòng)方式對(duì)于有效熔化廢鋼和DRI并達(dá)到良好的均勻性是十分重要的。
2合金鋼和不銹鋼冶煉的制約因素
在電弧爐中生產(chǎn)合金鋼、高鉻鋼或者鉻-鎳鋼時(shí)有其他約束條件。由于鋼液中碳和鉻發(fā)生氧化時(shí)的氧氣活度非常相近，所以在電弧爐吹氧期間，要特別注意盡量使鉻的氧化損失減少至最低。鋼液中碳、鉻和氧氣的均勻分布可有效避免濃度梯度形成，并提高金屬收得率。
生產(chǎn)不銹鋼時(shí)，電弧爐渣中鐵氧化物（FeOx）含量低和氧化鉻含量高往往會(huì)抑制泡沫渣的形成。這是由于堿性電弧爐渣中的Cr2O3溶解度低，導(dǎo)致Cr2O3承載物沉淀，且使?fàn)t渣具有較高的黏性。在大多數(shù)情況下，爐內(nèi)鉻的較高氧化是因鋼液中碳的缺乏（與氧槍有關(guān)）造成的。改善混合條件可提高脫碳率和鉻的收得率。
在鑄造廠，鋼液成分的微調(diào)通常在電弧爐內(nèi)進(jìn)行。鐵合金的收得率取決于鋼水中金屬合金的活度以及渣中其氧化物的活度。鋼水中組分濃度梯度導(dǎo)致不必要的、較高的合金氧化。利用DPPs 攪拌鋼液可改善鋼水均質(zhì)化和提高收得率。
3電弧爐底吹氣體攪拌技術(shù)
一般的電弧爐技術(shù)很少能提供動(dòng)量源使鋼液和渣流動(dòng)、混合。比如：交流電弧和氧槍對(duì)鋼液表面的影響很有限，因?yàn)轲ば匀墼鼘痈采w著鋼液。另外，盡管直流電場(chǎng)作用于底電極上面的熔池中部，但到目前為止最有效促使鋼液整體流動(dòng)的方式就是氣體攪拌，從熔池底部至頂部產(chǎn)生很多氣泡柱。自20世紀(jì)80年代初以來，各種氧氣和惰性氣體噴射系統(tǒng)就已經(jīng)被采用，以提高電弧爐的熔化效率。在最近幾年，耐火材料、安裝程序、氣體控制元件已經(jīng)明顯改善。透氣磚的設(shè)計(jì)得到優(yōu)化，氣體消耗量已達(dá)到最低水平。
通過單管或者多孔磚噴吹氣體的底吹攪拌系統(tǒng)已被研制出，它既可以埋入電弧爐爐底搗打料中（即間接攪拌），又可以與鋼液接觸（即直接攪拌）。然而目前，具有多孔磚設(shè)計(jì)的直接攪拌系統(tǒng)是全球鋼鐵工業(yè)電弧爐冶煉采用最多的底吹攪拌系統(tǒng)，比如：RHI直接攪拌透氣磚（DPP）系列。根據(jù)可用性和冶煉限制條件，選擇采用氮?dú)夂?或氬氣。
總的來說，現(xiàn)在約9%的電弧爐配備有底吹氣體攪拌系統(tǒng)，隨著鋼鐵工業(yè)電弧爐煉鋼降本增效的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)底吹氣體攪拌技術(shù)的需求也在不斷增加。全球已有80多家企業(yè)的電弧爐（容積為6-250t）已采用了這種DPP透氣磚。
4電弧爐氣體攪拌系統(tǒng)的安全性
如圖1所示，透氣磚通過一個(gè)由周邊耐火磚砌成的通道安裝于電弧爐爐底內(nèi)，這樣使?fàn)t底透氣磚的更換更容易，并且提高了安全標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)闋t底搗打料的砌筑、脫氣、壓緊、燒結(jié)不影響攪拌系統(tǒng)運(yùn)行。透氣磚周圍的其余縫隙用兩種特殊的填充料填充，并被優(yōu)化達(dá)到透氣磚附近要求的特殊燒結(jié)性能。采用這種標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)襯，可以達(dá)到最高的安全要求。
氣體通過許多鋼管供給熔池，通過提供的多個(gè)小孔，鋼液或熔渣以低氣流速度滲透進(jìn)耐火磚，僅限于透氣磚上部幾毫米。在RADEX DPP氣體攪拌系統(tǒng)運(yùn)行期間，阻塞管重新疏通（氣體通過鄰近管進(jìn)入時(shí)促使熔化物移動(dòng)造成的），并像往常一樣。與此相反，單孔透氣磚在一個(gè)管被深層入滲后一般會(huì)被堵塞。
透氣磚中的磨損指示器建立在壓縮氣體管路之上，壓力下降通過磨損指示線表明剩余最小磚長(zhǎng)度，透氣磚也可以被安全關(guān)閉。
比如，用于鑄造業(yè)的小型電弧爐，為避免鋼液“開眼”（由于渣厚度降低），采用非常低的氣體流速。甚至有時(shí)僅安裝1個(gè)透氣磚，且還需要?dú)怏w攪拌的高可靠性。要保持非常低的氣體流速就要求精確的氣體控制，才能避免滲透和阻塞。具有最優(yōu)氣管數(shù)量和專用混合磚的RADEX DPP透氣磚已廣泛應(yīng)用于以極低氣體流速運(yùn)行的小型電弧爐。
5氣體噴吹
如表1所示，一般的DPP氣體流速為10-100 l/min，如果需要還可更高。采用氮?dú)夂?或氬氣取決于可用性和冶煉限制條件。位于透氣磚和氣體受熱面以上幾厘米處，產(chǎn)生大量均勻分布的氣泡（上升到鋼液表面）。因此，氣流對(duì)鋼液流動(dòng)的影響主要取決于所用的氣體體積，其次是透氣管子數(shù)量、管徑或者管道布置。
大量的小管降低了阻塞的風(fēng)險(xiǎn)，即使在非常低的氣體流速下，也可產(chǎn)生大量氣泡。另外，低氣體流速不僅可使氣體利用率最大化，而且還可避免鋼液表面形成“開眼”。在大部分的DPP應(yīng)用中，這種所謂的“軟吹”是常見的操作方式。然而，有一些用戶在電弧爐特殊運(yùn)行條件下，采用較高的氣體流速來實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)。
6電弧爐底吹攪拌系統(tǒng)的氣體控制
RHI可提供整套氣體攪拌系統(tǒng)，包括耐火磚和耐火泥、安裝程序、過程支持及氣體控制裝置，氣體控制裝置是由INTERSTOP/RHI公司根據(jù)幾十年的經(jīng)驗(yàn)研發(fā)出來的。
一個(gè)氣體控制站管控電弧爐中1-6個(gè)RADEX DPP透氣磚。每個(gè)透氣磚可單獨(dú)控制，采用氮?dú)夂?或氬氣。通過使用特定的電弧爐操作參數(shù)，或?qū)⑵浼傻诫娀t控制系統(tǒng)，氣體流速的調(diào)節(jié)就可單獨(dú)進(jìn)行，而不依賴于電弧爐的控制。
通過供應(yīng)和安裝具有最佳技術(shù)解決方案的全套氣體攪拌系統(tǒng)，就可在電弧爐整個(gè)服役期內(nèi)顯著增加氣體攪拌的可用性和可靠性。新型氣體攪拌系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)具體如下：
◆ 模塊化設(shè)計(jì)便于維修；
◆ 用環(huán)形密封標(biāo)準(zhǔn)塊替代管子，可實(shí)現(xiàn)100%無泄漏；
◆ 可控制攪拌效率；
◆ 根據(jù)用戶需求，將所有輸入、輸出信號(hào)可視化；
◆ 出具故障檢測(cè)錯(cuò)誤報(bào)告；
◆ 工藝數(shù)據(jù)的可用性，通過嵌入現(xiàn)有IT基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與處理；
◆ 程序語言Siemens Step7/WinCC Fl exibl e或 者TIA Portal；
◆ 多孔氣體攪拌系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)精確又個(gè)性化的流速控制；
◆ 該系統(tǒng)的保證參數(shù)：100%無泄漏系統(tǒng)、流速控制精度±3%、設(shè)定時(shí)間<500ms。
用于電弧爐和二次精煉的該氣體攪拌系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：
◆ 具有整套氣體攪拌解決方案——對(duì)整個(gè)氣體攪拌技術(shù)的控制（從耐火材料到閥門控制和攪拌策略）；
◆ 對(duì)系統(tǒng)和耐火材料實(shí)施一站式工程管理；
◆ 專長(zhǎng)于工藝知識(shí)的專家進(jìn)行技術(shù)支持；
◆ 供應(yīng)商優(yōu)勢(shì)的結(jié)合——INTERSTOP氣體控制系統(tǒng)和RHI耐火材料；
◆ 先進(jìn)的技術(shù)解決方案；
◆ 通過L0級(jí)-L2級(jí)自動(dòng)化技術(shù)將該系統(tǒng)全部集成到用戶的工藝控制系統(tǒng)中；
◆ 模塊化設(shè)計(jì)使得操作簡(jiǎn)便、降本增效；
◆高精度的質(zhì)量流量控
制——新一代MFCs；
◆ 流速對(duì)設(shè)定值的響應(yīng)快；
◆ 來自氣體供給、控制、透氣裝置、冶金技術(shù)的集成解決方案；
◆ 用戶友好型直覺控制面板和可視化；
◆ 設(shè)計(jì)緊湊，占用空間少；
◆ 滿足用戶特殊要求的軟件解決方案；
◆ 可精確調(diào)節(jié)整爐攪拌氣體的類型和流速；
◆ 根據(jù)不同鋼種或者生產(chǎn)計(jì)劃，可程序化氣體流速。
1）氣體攪拌系統(tǒng)可靠的關(guān)鍵因素
鋼廠和耐火材料供應(yīng)商主要關(guān)注于耐火材料的透氣性產(chǎn)品，比如：透氣磚及其在氣泡形成、流速、壓力、使用壽命等方面的特性。但也要同樣關(guān)注氣體的調(diào)節(jié)、管道系統(tǒng)和系統(tǒng)的維護(hù)方案。
2）質(zhì)量流量控制器（MFC）
現(xiàn)代攪拌系統(tǒng)的核心設(shè)備是MFC。新一代MFC具有以下特點(diǎn)：
◆基于一套熱量測(cè)量系統(tǒng)；
◆精度可達(dá)到±1.5%；
◆流量調(diào)節(jié)采用比例換向閥；
◆根據(jù)應(yīng)用情況，調(diào)節(jié)范圍為：0.5-20Nl/min；2-100Nl/min；6-300Nl/min；12-600Nl/min；24-1200Nl/ min；30-1500Nl/min；
◆設(shè)定時(shí)間＜500ms。
3）系統(tǒng)的可用性和維護(hù)
在設(shè)計(jì)系統(tǒng)零部件的過程中，采用了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)理念。因此，相同的基本組件都可用于電弧爐、轉(zhuǎn)爐和鋼包爐的攪拌站。這使得系統(tǒng)的維修方便、快捷，一個(gè)專業(yè)人員就可維修所有的攪拌站。
7電弧爐應(yīng)用氣體攪拌系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的效益
電弧爐冶煉工藝采用直接噴吹氣體攪拌系統(tǒng)可以增強(qiáng)整體熔池鋼液的流動(dòng)，并使鋼液上下混合更加均勻。RADEX DPP 底吹氣體攪拌系統(tǒng)用于不銹鋼生產(chǎn)獲得的效益如下：
1）增強(qiáng)鋼液熱量和溫度的均勻性：
◆減少廢鋼和DRI的熔化時(shí)間；
◆在過熱期間，傳熱增強(qiáng)；
◆能量輸送的效率提高；
◆單位耗電量降低；
◆電弧爐和鋼包爐中測(cè)得的鋼液溫度偏差降低；
◆避免出鋼后電弧爐爐底結(jié)渣或留有殘?jiān)灰睙挷讳P鋼時(shí)減少或避免電弧爐爐底堆積殘?jiān)?/span>
2）增強(qiáng)鋼液化學(xué)成分的均勻性：
◆增加金屬收得率；
◆提高二次含鐵原料的利用（如：DRI、HBI、HM）；
◆減少鋼液成分分析的差異——較好的工藝控制；
◆提高合金添加劑收得率；
◆提高碳氧化速率，特別是熱裝鐵水；
◆[C]×[O]指標(biāo)接近平衡條件，導(dǎo)致合金添加劑用量減少、較好的合金預(yù)測(cè)結(jié)果、鋼包運(yùn)行更加平穩(wěn)；
◆改善脫磷條件；
◆提高吹氧效率。
3）鋼液內(nèi)氣泡量的產(chǎn)生：
避免鋼液中CO瞬時(shí)起泡或延遲起泡。
DPP系統(tǒng)的節(jié)電量大于5kWh/t，通電時(shí)間減少0.5min，產(chǎn)量增加0.5%。與其他增強(qiáng)電弧爐能效的措施相比，底吹氣體攪拌系統(tǒng)的投資回收期最短。
8電弧爐冶煉非合金鋼應(yīng)用DDP系統(tǒng)的案例分析
近期DPP系統(tǒng)應(yīng)用于電弧爐煉鋼工藝，實(shí)施了以下具體改進(jìn)措施：
1）一座用于生產(chǎn)結(jié)構(gòu)鋼的250t 電弧爐，以100%廢鋼為原料，配備了5個(gè)DPP（氣體流速40-70 l/min）。生產(chǎn)效率提高0.9爐次/天，出鋼量增加了1.6t，產(chǎn)量提高1.6%。
2）一座130t電弧爐配備了4個(gè)DPP。電耗降低了7.3kWh/t，氧氣輸入量輕微上升了0.9m3/t，出鋼時(shí)鋼液溫度控制得到改善。
3）一座45t電弧爐配備了3個(gè)DPP。在變壓器容量平均增加0.23MW的情況下，電耗降低8.7kWh/t。煤的添加量減少了0.4kg/t，總耗氧量降低0.25m3/t。同時(shí)，脫碳率增加了0.05%/h。產(chǎn)量提高了0.6%，通電時(shí)間減少了1.5min，生產(chǎn)率提高1.9t/h。
9冶煉不銹鋼時(shí)應(yīng)用DPP系統(tǒng)的案例分析
電弧爐采用DPP氣體攪拌系統(tǒng)也可生產(chǎn)不銹鋼、特殊鋼以及鑄造產(chǎn)品。以下應(yīng)用表明該系統(tǒng)是具有可持續(xù)性的電弧爐冶煉技術(shù)。
1）一座用于生產(chǎn)不銹鋼的100t電弧爐，配備3個(gè)DPP后，產(chǎn)量提高0.5%，耗氧量減少0.5m3/t，電耗降低5kWh/t。根據(jù)電弧爐生產(chǎn)工序，氣體流速介于50-110 l/min。
2）一座用于生產(chǎn)不銹鋼的140t電弧爐，配備了3個(gè)DPP透氣磚，氣體流速恒定為100 l/min。通過增強(qiáng)熔池?cái)嚢枇蜔崃哭D(zhuǎn)換，電能轉(zhuǎn)換效率得到提高，耗氧量明顯減少10m3/t。氧氣輸入量降低導(dǎo)致產(chǎn)量增加4.5%，出鋼時(shí)間縮短9min。隨著出渣中鉻的減少，石灰需求量降低2kg/t。
3）一座用于生產(chǎn)特殊鋼和高合金鋼的6t鑄造電弧爐，采用1個(gè)DPP底吹氣體攪拌系統(tǒng)后，合金添加劑的收得率明顯提高，氣體流速為10 l/min。
4）一座10t電弧爐配備1個(gè)DPP系統(tǒng)后，鐵合金收得率提高，出鋼時(shí)間和耗電量均減少。該系統(tǒng)的氣體流速為7-10 l/min。
5）一座用于生產(chǎn)不銹鋼的150t電弧爐，配備4個(gè)DPP后，出鋼時(shí)間更短，產(chǎn)量明顯增加。氣體攪拌系統(tǒng)已經(jīng)成為電弧爐的標(biāo)準(zhǔn)化操作。
6）一座用于生產(chǎn)高合金鋼和不銹鋼的30t電弧爐，配備1個(gè)DPP透氣磚后，金屬收得率提高3%，合金收得率增加8%，通電時(shí)間減少7min。
10結(jié)論
1）電弧爐冶煉非合金鋼、高合金鋼的過程中，采用底吹氣體攪拌系統(tǒng)可提高熔池的均勻性、吹氧效率、脫碳效率，從而提高合金元素的收得率、降低電能需求。另外，還可使熔池中鋼液混合更加均勻，加強(qiáng)工藝監(jiān)控。使渣中FeO的控制得到提高。通過減少CO氣體的瞬時(shí)排放和沸騰（由于延遲混合和氧化反應(yīng)），可以提高生產(chǎn)的安全性。
2）由于煉鋼生產(chǎn)的質(zhì)量和成本要求提高，惰性氣體系統(tǒng)成為滿足要求的重要工具。這些系統(tǒng)不僅能提供簡(jiǎn)單的氣體流量控制，而且也適用于復(fù)雜的生產(chǎn)操作，還能提供高級(jí)別的操作界面（在添加改良控制器、PLCs、HMIs時(shí)）。另外，統(tǒng)一的系統(tǒng)方法是實(shí)現(xiàn)預(yù)期冶金效果（降低成本）的關(guān)鍵，因?yàn)楣に嚨玫阶畲蠡刂啤?/span>
3）但是從整體考慮氣體攪拌系統(tǒng)、耐火材料透氣元件、維修方案，不將氣體調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)與功能性耐火透氣產(chǎn)品分開也是非常重要的。本文介紹的這種系統(tǒng)可以改善整個(gè)過程控制、達(dá)到成本降低的目的。（計(jì)宏 路俊萍 寇君 郝宏偉）