滕立東¹，LJUNGQVIST P r²，鐘云濤3，ANDERSSON Joakim ²

（1．ABB Metallurgy，Process Automation，ABB AB ，V sters SE-721 59，Sweden；2．Outokumpu Stainless AB，Avesta SE-774 41，Sweden；3．ABB（中國(guó)）有限公司，北京100015，中國(guó)）

摘　要：安裝在電爐爐底下方的電磁攪拌器（ArcSave®）能使整個(gè)熔池的鋼液產(chǎn)生有效的混合，從而加速熔煉過(guò)程中鋼液溫度和化學(xué)成分的均勻化。研究了電磁攪拌對(duì)瑞典Outokumpu不銹鋼廠的90t電爐冶煉不銹鋼工藝的影響。熱測(cè)試結(jié)果顯示，ArcSave能加速?gòu)U鋼和鉻鐵合金的熔化，精確控制出鋼量；熔池的溫度也更加均勻，出鋼溫度能得到準(zhǔn)確的控制；穩(wěn)定的電爐出鋼質(zhì)量和出鋼溫度的控制有利于后續(xù)AOD的順利操作。通過(guò)對(duì)鋼液的攪拌能減少熔池液面的過(guò)熱度并提高熔池內(nèi)的熱傳導(dǎo)，使得爐壁和爐蓋的熱損失減少，因此降低了耗電量和電極消耗量，總能耗能降低3％～4％。同時(shí)，攪拌也能強(qiáng)化鋼－渣間的界面反應(yīng)，降低渣中Cr₂O₃的含量，提高合金收得率和降低FeSi的消耗量。還能縮短冶煉周期，并且連續(xù)穩(wěn)定的冶煉操作能提高電爐冶煉的產(chǎn)量約6％～8％。電磁攪拌技術(shù)是提高電爐冶煉不銹鋼工藝水平的一種安全、可靠而有效的解決方案。

關(guān)鍵詞：電爐；電磁攪拌；鉻鐵熔化；鋼／渣反應(yīng)；不銹鋼；能效

當(dāng)今的電弧爐普遍采用超高的輸入功率和較短的冶煉時(shí)間，這就需要較強(qiáng)的熔池?cái)嚢枰詮?qiáng)化傳熱和傳質(zhì)，減少燒損、降低能耗、提高收得率、均勻熔池溫度和成分。目前國(guó)內(nèi)電爐普遍采用底吹氣攪拌，這種攪拌方式存在攪拌不均勻，透氣磚處存在漏鋼危險(xiǎn)等缺點(diǎn)。而電磁攪拌技術(shù)對(duì)鋼水?dāng)嚢韬芫鶆?；與鋼水沒(méi)有任何接觸，不存在任何漏鋼危險(xiǎn)；安裝方便、操作簡(jiǎn)單，是電爐攪拌的發(fā)展趨勢(shì)。瑞典ＡＢＢ公司致力于開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)提高鋼水質(zhì)量和產(chǎn)量的電磁冶金產(chǎn)品已有近７０年的歷史，包括電爐攪拌器、鋼包爐攪拌器等。１９４７年第１套電爐攪拌器（ＥＡＦ－ＥＭＳ）在瑞典的Ｕｄｄｅｈｏｌｍｓ鋼廠投產(chǎn)，至今在全世界范圍內(nèi)投產(chǎn)了１５０多套。最近，ＡＢＢ開(kāi)發(fā)了新一代電爐電磁攪拌器（商標(biāo)名稱ＡｒｃＳａｖｅ?），用于滿足普碳鋼和高合金鋼電爐冶煉工藝的攪拌要求，它能幫助提高電爐操作安全性，增加產(chǎn)量和減少運(yùn)行成本。其中一套ＡｒｃＳａｖｅ已經(jīng)應(yīng)用在瑞典的Ｏｕｔｏｋｕｍｐｕ不銹鋼廠（簡(jiǎn)稱ＯＳＡＢ）的電爐冶煉中，此電爐是出鋼槽出鋼。ＯＳＡＢ 煉鋼車間的工藝流程為ＥＡＦ→ＡＯＤ→ＬＦ→ＣＣ。電爐容量９０ｔ，變壓器功率１１０ＭＶＡ。電爐裝備了１套爐門(mén)噴槍機(jī)械手和３個(gè)燃?xì)鈬娮臁t門(mén)機(jī)械手含有４支噴槍，分別用于噴吹Ｏ_２、Ｎ_２、ＦｅＳｉ和碳粉。ＯＳＡＢ主要生產(chǎn)含鉻量高的特種不銹鋼，由于鉻鐵合金的熔點(diǎn)高、密度大，因此會(huì)經(jīng)常在爐底殘留未熔化的鉻鐵合金爐垢。不斷沉積的爐垢造成了出鋼量的大幅變化、較高的耗電量和電極消耗，并使熔池的有效容積減小以致料籃加料困難。ＯＳＡＢ 廠安裝使用ＡｒｃＳａｖｅ的主要目的是解決鉻鐵合金的熔化問(wèn)題，并同時(shí)降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)量。本文分析總結(jié)了ＯＳＡＢ電爐在安裝ＡｒｃＳａｖｅ后獲得的熱測(cè)試結(jié)果。

１　鋼水的攪拌模式

圖１顯示了爐底裝有ＡｒｃＳａｖｅ攪拌器的帶出鋼槽的電爐中鋼液的流動(dòng)模式。攪拌器布置在非磁性（奧氏體不銹鋼）鋼板以下，這種布置的好處是攪拌器與鋼水沒(méi)有直接的接觸，因此僅需要少量的系統(tǒng)維護(hù)。低頻電流通過(guò)攪拌器線圈產(chǎn)生穿透爐底的行波磁場(chǎng)，從而在鋼液中產(chǎn)生推動(dòng)力^［１］。

由于磁場(chǎng)可以穿透整個(gè)熔池高度，因此整個(gè)熔池內(nèi)的鋼液會(huì)朝同一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)的鋼液到達(dá)爐壁的時(shí)候便產(chǎn)生分向爐壁兩邊的回流。當(dāng)行波磁場(chǎng)方向相反時(shí)，鋼液也會(huì)隨之反向流動(dòng)，鋼液流動(dòng)的速度與電流成正比。圖２是在電磁攪拌條件下１００ｔ不銹鋼電爐中鋼液在熔池內(nèi)的鋼渣界面和底部的流動(dòng)模擬計(jì)算結(jié)果^［２］。從圖２可以看出ＡｒｃＳａｖｅ產(chǎn)生了１個(gè)在整個(gè)熔池內(nèi)的全環(huán)流，因此促進(jìn)了整個(gè)熔池內(nèi)鋼液的有效混合。相比于通過(guò)底部透氣磚的氣體攪拌，ＡｒｃＳａｖｅ一個(gè)非常大的優(yōu)勢(shì)是可以提高整個(gè)熔池的混合效果，這大大強(qiáng)化了鋼液溫度和成分的均勻性并促進(jìn)鋼渣反應(yīng)。

通過(guò)對(duì)攪拌器基本參數(shù)的設(shè)置，ＡｒｃＳａｖｅ可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化控制。用戶也可以自定義設(shè)置以滿足電爐對(duì)于不同冶煉階段的攪拌要求，比如廢鋼加熱、均勻化、合金熔化、脫碳、除渣和出鋼等。

ＡｒｃＳａｖｅ具有攪拌成本低、操作安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，有利于優(yōu)化電爐的生產(chǎn)條件和實(shí)現(xiàn)物流的合理控制。

２　結(jié)果和討論

在電爐冶煉工藝中，鋼液攪拌的主要優(yōu)點(diǎn)是加速熔化反應(yīng)和熔池的均勻化。為了比較ＡｒｃＳａｖｅ對(duì)于電爐冶煉工藝的改善效果，采集了２組數(shù)據(jù)，分別為采用和不采用ＡｒｃＳａｖｅ攪拌的３個(gè)月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)比較這２組數(shù)據(jù)對(duì)使用ＡｒｃＳａｖｅ后的電爐工藝優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。

２．１　廢鋼的熔化和電弧的穩(wěn)定性

使用和不使用ＡｒｃＳａｖｅ的主要區(qū)別是熔池內(nèi)鋼液對(duì)流強(qiáng)度的變化。通過(guò)電磁攪拌產(chǎn)生的強(qiáng)制對(duì)流能加速大塊廢鋼和鉻鐵合金的熔化，降低廢鋼塌陷的幾率，爐料的布置不再那么嚴(yán)格。ＣＦＤ模擬結(jié)果顯示，采用ＡｒｃＳａｖｅ后熔池內(nèi)鋼液的流動(dòng)速率是自然對(duì)流情況下的１０倍左右^［２］。熔池內(nèi)強(qiáng)烈的對(duì)流有助于溫度的均勻分布和加速?gòu)U鋼熔化。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)通過(guò)快速熔化大塊廢鋼和減少塌陷，ＡｒｃＳａｖｅ在一定程度上有穩(wěn)定電弧的作用。

圖３為不采用攪拌和使用ＡｒｃＳａｖｅ的其中一個(gè)電極的電流波動(dòng)的比較，可以看出使用ＡｒｃＳａｖｅ后，電流波動(dòng)明顯減小。不采用攪拌的電極電流標(biāo)準(zhǔn)偏差是９．３，使用ＡｒｃＳａｖｅ后是３．７。電極電流波動(dòng)減小將提高電爐的有效輸入功率，從而縮短冶煉周期。ＡｒｃＳａｖｅ對(duì)提高電極電弧穩(wěn)定性的作用在另一個(gè)ＥＢＴ出鋼的普碳鋼電爐測(cè)試中也得到了證實(shí)^［３］。

２．２　電弧加熱效率和節(jié)能

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，在沒(méi)有攪拌的傳統(tǒng)交流電爐中廢鋼熔化期（熔池形成后）鋼液的溫度梯度在５０～７０℃內(nèi)^［４］；但采用電磁攪拌后，熔池內(nèi)溫度梯度只是不采用攪拌的２５％左右^［１］。這意味著攪拌減少了電弧加熱過(guò)程中熔池表面的過(guò)熱度，電弧的熱量能快速?gòu)碾娀^(qū)域傳到鋼液內(nèi)^［５］。熔池液面過(guò)熱度的降低能減少電極通電階段爐壁和爐蓋冷卻水帶走的熱損失，從而降低了電耗。在ＯＳＡＢ電爐不使用攪拌爐壁和爐蓋的冷卻水帶走的熱量為８１ｋＷｈ／ｔ，而使用ＡｒｃＳａｖｅ的情況下為５５ｋＷｈ／ｔ。采用ＡｒｃＳａｖｅ后，冷卻水帶走的熱量降低了２６ｋＷｈ／ｔ，大致相當(dāng)于節(jié)省４％的電能。

同時(shí)，攪拌能加速?gòu)U鋼或鉻鐵合金的熔化，提高脫碳速率，從而縮短冶煉周期，這同樣也能減少爐體熱損失。穩(wěn)定的電弧、較低的液面過(guò)熱度、低氧活度的爐渣和較低的電耗等綜合作用使得電極消耗節(jié)省量超過(guò)９％。

２．３　熔池均勻化和降低出鋼溫度

通過(guò)ＡｒｃＳａｖｅ攪拌，在熔池內(nèi)產(chǎn)生紊流，這使得整個(gè)熔池徹底混合，從而獲得非常好的溫度和成分的均勻性。在關(guān)閉電弧的電源后，在同一爐鋼液內(nèi)２個(gè)不同的位置進(jìn)行溫度測(cè)量，測(cè)溫間隔為１～２ｍｉｎ，結(jié)果如圖４所示，在２個(gè)不同位置的相應(yīng)平均溫差小于２℃。

從工藝角度來(lái)看，良好的熔池均勻性是非常重要的。這意味著熔池成分取樣的可靠性，合金加入量計(jì)算的準(zhǔn)確性和溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。使用ＡｒｃＳａｖｅ后，出鋼溫度控制的達(dá)標(biāo)率近乎為１００％，這對(duì)于減輕后續(xù)的ＡＯＤ冶煉操作難度至關(guān)重要。使用ＡｒｃＳａｖｅ后，平均出鋼溫度降低了３０℃，同時(shí)到達(dá)ＡＯＤ工位的鋼水溫度并沒(méi)有顯著的變化。

２．４　鋼渣反應(yīng)和Ｃｒ_２Ｏ_３還原

與鋼包爐相比，電弧爐具有較大的熔池表面和較淺的熔池深度，因此電磁攪拌對(duì)電爐中鋼渣反應(yīng)的促進(jìn)作用比鋼包爐中明顯。如果不采用攪拌，那么往返于反應(yīng)區(qū)域的傳質(zhì)主要依靠擴(kuò)散作用。采用電磁攪拌后，由于鋼渣界面摩擦力的作用，ＡｒｃＳａｖｅ產(chǎn)生的鋼液運(yùn)動(dòng)能對(duì)爐渣產(chǎn)生一定的攪拌效果，使鋼渣的各個(gè)部分會(huì)被攪拌到鋼渣界面的反應(yīng)區(qū)域，從而縮短了反應(yīng)界面區(qū)域的擴(kuò)散距離，加快了鋼渣界面反應(yīng)的速度，對(duì)流傳質(zhì)對(duì)于脫硫和渣中Ｃｒ_２Ｏ_３的還原是非常有利的。在氧化期，鉻被氧化并進(jìn)入爐渣，Ｃｒ_２Ｏ_３被還原使得Ｃｒ重新返回到鋼液是非常重要的。通過(guò)優(yōu)化攪拌參數(shù)，可以有效地控制渣中的Ｃｒ_２Ｏ_３含量。ＡｒｃＳａｖｅ攪拌和吹氧的優(yōu)化配合，使渣中平均Ｃｒ_２Ｏ_３質(zhì)量分?jǐn)?shù)可減少３．１％。在采用ＡｒｃＳａｖｅ后，主要用于增強(qiáng)攪拌作用的氮?dú)夂牧繙p少了７０％。事實(shí)上，采用ＡｒｃＳａｖｅ后就沒(méi)有必要從爐門(mén)噴吹氮?dú)饬恕?/span>

２．５?。疲澹樱楹驮煸鼊┑暮牧?/span>

在使用ＡｒｃＳａｖｅ前，ＯＳＡＢ電爐操作中消耗的硅鐵合金要比常規(guī)范圍高許多。造成硅鐵合金消耗高的原因是大量使用氧氣，以獲得額外的能量幫助鉻鐵合金的熔化。使用ＡｒｃＳａｖｅ后，硅鐵合金添加量顯著減少，耗量大概減少１５ ％。當(dāng)然，硅鐵合金耗量的減少會(huì)相應(yīng)的增加電耗，增加的電耗是為了熔化鉻鐵合金。減少硅鐵合金的用量能降低渣中ＳｉＯ_２的含量，因此能同時(shí)減少石灰的耗量約９％，以維持渣的堿度基本保持不變。使用ＡｒｃＳａｖｅ后，更穩(wěn)定的電弧也能減少爐渣總量。

２．６　鉻鐵合金的熔化和出鋼量的控制

在ＯＳＡＢ電爐冶煉中，過(guò)高的ＦｅＣｒ合金添加量和較短的出鋼周期（小于６５ｍｉｎ）常常產(chǎn)生爐底結(jié)垢問(wèn)題。結(jié)垢是未熔化ＦｅＣｒ合金和大塊廢鋼在爐底的沉積造成的。ＦｅＣｒ合金在爐底的沉積使得出鋼量的控制變得十分困難，同時(shí)逐漸升高的爐底也減少了熔池的有效容積，使得裝料次數(shù)增加。如前所述，ＯＳＡＢ鋼廠安裝ＡｒｃＳａｖｅ的一個(gè)主要目的是解決ＦｅＣｒ合金熔化問(wèn)題。由于ＦｅＣｒ合金具有較高的熔化溫度和較大的密度而易于在爐底沉積，而爐底又是鋼液溫度較低的區(qū)域，因此，沒(méi)有攪拌措施，合金熔化就成了一個(gè)大問(wèn)題。在電爐裝備了ＡｒｃＳａｖｅ后，整個(gè)熔池溫度均勻。同時(shí)，由于攪拌產(chǎn)生的強(qiáng)對(duì)流加速了ＦｅＣｒ合金的熔化，也包括大塊廢鋼。這意味著熔池溫度的均勻和強(qiáng)對(duì)流共同促進(jìn)了ＦｅＣｒ合金的熔化。測(cè)試證明采用了ＡｒｃＳａｖｅ后，由于提高了ＦｅＣｒ合金的熔化速率，因此消除了爐底合金的結(jié)垢問(wèn)題，這使得出鋼量準(zhǔn)確率提高了２４％以上：沒(méi)有采用攪拌時(shí)，出鋼量準(zhǔn)確率為６９ ％；采用ＡｒｃＳａｖｅ后，出鋼量準(zhǔn)確率提高到９３％。

２．７?。粒希牟僮鞯姆€(wěn)定性

使用ＡｒｃＳａｖｅ后電爐出鋼質(zhì)量和出鋼溫度的可控性穩(wěn)定了后續(xù)ＡＯＤ操作的初始條件。正確的出鋼質(zhì)量能減少在ＡＯＤ冶煉中額外的合金添加量。這種額外的合金化工藝將會(huì)增加在ＡＯＤ冶煉中ＦｅＳｉ、石灰和氧氣耗量。低于ＡＯＤ 要求的初始出鋼溫度也會(huì)增加ＦｅＳｉ合金耗量，因?yàn)樾枰獜模疲澹樱橹蝎@得更多的化學(xué)能用于提高ＡＯＤ熔池的溫度。ＡＯＤ連續(xù)穩(wěn)定的操作對(duì)于增加產(chǎn)量和減少操作成本也有很大潛力。

２．８　工藝可靠和安全性

安全性和可靠性一直是電爐冶煉操作中非常重要的方面。上面討論的ＡｒｃＳａｖｅ對(duì)于電爐冶煉工藝的積極影響對(duì)提高電爐工藝的可靠性具有重要的作用。大塊廢鋼和鉻鐵合金的完全熔化能促進(jìn)熔池溫度和成分的快速均勻，這確保了出鋼溫度和質(zhì)量的準(zhǔn)確性。對(duì)熔池的攪拌能減少?gòu)U鋼塌陷，穩(wěn)定電極電弧和降低電極斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。整個(gè)熔池內(nèi)溫度的均勻性能保證順利出鋼從而減少出鋼延誤。消除熔池內(nèi)的熱分層也能明顯的降低出鋼溫度達(dá)到３０℃。使用ＡｒｃＳａｖｅ后，熔池的熱點(diǎn)和冷點(diǎn)也得以消除。一年多的操作試驗(yàn)證實(shí)ＡｒｃＳａｖｅ對(duì)爐底的耐材層沒(méi)有任何的副作用，反而能明顯地減少熱點(diǎn)和渣線區(qū)域的耐材腐蝕從而降低噴補(bǔ)料的消耗。

２．９　實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)

電磁攪拌器能改善電爐冶煉工藝中鋼液的傳熱和傳質(zhì)的動(dòng)力學(xué)條件，提高廢鋼和鉻鐵合金的熔化速率，獲得溫度均勻的熔池，出鋼溫度和出鋼質(zhì)量控制更加準(zhǔn)確，減少能耗和電極消耗，優(yōu)化了后續(xù)ＡＯＤ 工位的操作。攪拌可以強(qiáng)化渣的還原，提高鉻的收得率并降低硅鐵合金和石灰的消耗。較短的出鋼周期和連續(xù)穩(wěn)定的出鋼操作也能提高電爐的產(chǎn)量。電磁攪拌對(duì)電爐冶煉工藝的改善作用見(jiàn)表１所示。

３　結(jié)　論

１）電磁攪拌能均勻熔池內(nèi)溫度和成分，不同位置的溫差小于２℃。

２）使用ＡｒｃＳａｖｅ后，縮短廢鋼熔化時(shí)間約４％～５ ％，電極電流更加穩(wěn)定，電極消耗減少８％～１０％。

３）通過(guò)電磁攪拌能降低電耗約４％，減少Ｎ２耗量約７０％，減少合金耗量約１５％。

４）使用電磁攪拌后，出鋼量準(zhǔn)確率達(dá)到９３％，出鋼溫度命中率達(dá)到１００％。

５）ＡｒｃＳａｖｅ能減少用電時(shí)間４％～５％，較短的冶煉時(shí)間能提高產(chǎn)量６％～８％。

６）與底吹氣攪拌相比，采用電磁攪拌鋼水溫度和成分更加均勻，由于攪拌器不和鋼水直接接觸，因此不會(huì)造成漏鋼事故，而且安裝方便、操作簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)。ＡｒｃＳａｖｅ是一種維護(hù)極低但是能幫助冶煉工藝的技術(shù)，它能使冶煉工藝更安全、更快，生產(chǎn)成本更低。

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