電弧爐煉鋼復合吹煉技術研究及應用
2017-01-10 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
2007年,北京科技大學等單位針對國內外電弧爐煉鋼的現(xiàn)狀,在前期研究的基礎上提出“電弧爐煉鋼復合吹煉技術”,并賦予了新的技術內涵,即以集束供氧應用新技術和同步長壽的多介質底吹技術為核心,實現(xiàn)供電、供氧及底吹等單元的操作集成,滿足多元爐料條件下的電弧爐煉鋼復合吹煉的技術要求,并從2011年開始實現(xiàn)工程化。該技術還入選了世界金屬導報“2015年世界鋼鐵工業(yè)十大技術要聞”。
冶煉周期長、能量利用率低、生產成本高等問題一直困擾著我國電弧爐煉鋼的進一步發(fā)展。研究認為,電弧爐熔池攪拌強度弱,動力學條件差,難以滿足爐內物質和能量的傳輸要求,抑制了煉鋼反應的快速進行,是造成上述問題的主要原因。國內外研發(fā)并廣泛采用的超高功率供電、高強度化學能輸入等技術,還沒有從根本上解決熔池攪拌強度不足的問題。電弧爐通電過程中,電磁場對熔池熱傳遞和流體流動的影響規(guī)律尚不明確;而氧氣射流受爐內復雜環(huán)境的影響,難以確定滿足工藝要求的噴吹參數(shù)。北京科技大學等單位針對國內外電弧爐煉鋼的現(xiàn)狀,在前期研究基礎上提出“電弧爐煉鋼復合吹煉技術”。該研究以強化熔池攪拌為核心,從提高單元操作的功能入手,重點解決集束供氧的多功能化和底吹安全長壽問題;探明氧氣射流、電磁場和底吹流股三者對熔池攪拌強度的多元耦合影響規(guī)律,完成多元爐料結構條件下的各單元操作技術集成;開發(fā)電弧爐煉鋼溫度和成分預報系統(tǒng),形成操作軟件包,滿足復合吹煉的精確控制要求,最終實現(xiàn)電弧爐煉鋼復合吹煉技術目標。根據(jù)電弧爐煉鋼復合吹煉技術的研究目標及內容,通過理論計算、參數(shù)設計、數(shù)值模擬、水模型模擬、冷熱態(tài)實驗及工業(yè)試驗等方法,對單元操作及技術集成進行深入研究。熔池冶金反應動力學條件較差,一直是電弧爐煉鋼的技術難題。電弧爐煉鋼熔池攪拌強度不足與其爐型特點有很大關系,傳統(tǒng)電弧爐是將廢鋼作為基本原料,以電能為主,輔以化學能生產合格鋼水的裝置,因此在爐型設計上具有爐膛大、熔池淺的特點。100t電弧爐的高徑比僅為同容量轉爐的53%。通常來說,高徑比愈大,可承受的供氧強度愈大,考慮到廢鋼熔化和爐門流渣的影響,電弧爐熔池攪拌強度進一步受到限制,僅為轉爐的10%-20%。熔池攪拌強度可由鋼液流動速度來描述。使用數(shù)值模擬方法對100t電弧爐的熔池鋼液流動情況進行模擬研究,發(fā)現(xiàn)電弧爐的鋼液平均流動速度為0.06m/s,而對比100t轉爐的鋼液平均流動速度為0.31m/s。電弧爐的熔池攪拌強度和轉爐相差很大。實際生產中,電爐煉鋼與轉爐煉鋼相比,冶煉消耗及生產成本差距明顯。煉鋼終點碳氧積、氧含量和渣中(FeO)含量是體現(xiàn)熔池攪拌強度的重要指標,對產品的質量有顯著影響。利用多家先進鋼鐵企業(yè)提供的電弧爐及轉爐冶煉終點碳含量、氧含量、終渣(FeO)含量等數(shù)據(jù),研究表明,電弧爐煉鋼終點碳氧積平均值在0.0032左右,平均終渣(FeO)含量超過22.00%,均高于轉爐煉鋼。綜上所述,受爐型和冶煉工藝等限制,電弧爐熔池攪拌強度低,制約了電弧爐煉鋼的技術進步。在電弧爐冶煉過程中,通電既為熔池提供能量,同時產生電磁場攪拌熔池。近年來,采用CFX、Fluent等數(shù)值模擬軟件研究了電磁場對100t電弧爐熔池的攪拌影響,并取得了較大進展。研究顯示,電弧爐通電產生的電磁場對熔池電極附近區(qū)域有攪拌作用,但對遠離電極的區(qū)域攪拌作用十分有限。氧氣射流射入熔池,對熔池的攪拌作用將加速冶金反應的進行。對側吹、頂吹氧氣射流的熔池攪拌特性進行了多相流的研究。利用CFD軟件的VOF模型建立了不同供氧強度下氧氣射流沖擊電弧爐熔池的“氣-渣-金”三相三維數(shù)值模型,隨著氧流量的提高,熔池平均流動速度隨之增加。100t電弧爐爐壁采用3支集束氧槍,對比氧流量分別為500Nm3/h和2000Nm3/h,后者的熔池平均流動速度為0.054m/s,速度分布呈現(xiàn)“周圍高、中心低,表層高、底部低”的趨勢。同樣100t電弧爐采用單支爐頂集束氧槍,供氧流量分別為6000Nm3/h和4000Nm3/h條件下,熔池中部最大流動速度均超過0.2m/s,有效改善了熔池中上部的攪拌強度。數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn):底吹條件下,熔池平均湍流動能和速度分別達到了0.142m2/s2和0.011m/s,尤其是熔池底部的湍流動能和流動速度大大提高,分別達到熔池表面的1/3和1/2,鋼液流速提高了約10倍。通過各操作單元對熔池攪拌影響的模擬研究,證實電磁場對熔池的攪拌主要集中在電極附近區(qū)域,氧氣射流對熔池的攪拌主要集中在熔池上部和靠近爐壁的區(qū)域,而底吹流股對熔池的攪拌主要集中在熔池底部區(qū)域。但電磁場、氧氣射流、底吹流股對電弧爐熔池攪拌的共同作用規(guī)律尚不明確,因此復合吹煉條件下,熔池攪拌的多元耦合研究十分重要。1)“氧氣射流+底吹流股”二元耦合對熔池攪拌的影響在“氧氣射流+底吹流股”二元耦合條件下,距熔池底部200、400、600mm各個截面的速度均大于常規(guī)無底吹冶煉工藝,電弧爐熔池平均速度由0.05m/s升高到0.07m/s,且速度小于0.01m/s的低流速區(qū)域也較常規(guī)無底吹冶煉工藝減小了79.2%,電弧爐煉鋼熔池攪拌強度與均勻性都得到明顯改善。2)“氧氣射流+底吹流股+電磁場”三元等效耦合對熔池攪拌的影響在二元耦合模擬研究的基礎上,嘗試將電磁場攪拌作等效處理,確定“氧氣射流+底吹流股+電磁場”三元等效耦合對熔池攪拌的影響規(guī)律。如圖1所示,電弧爐熔池被劃分為8個流動檢測研究域,并細分為A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2動態(tài)觀測塊,實時記錄和分析實體內部的瞬時質量、速度、湍動能、溫度及磁場強度的變化情況,并將檢測數(shù)據(jù)匯總進行全尺寸熔池的動態(tài)監(jiān)測。對數(shù)值模擬所得計算結果與水模擬所得數(shù)據(jù)(混勻時間、表面流動速度及熔池流線特征等)進行綜合對比,顯示計算模擬結果可靠。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分別建立電弧爐側吹、底吹、電磁攪拌及三元耦合計算模型,得出不同階段內的熔池流動特性。三元耦合條件下的熔池攪拌強度大幅提高。通過對熔池瞬時流動特性進行線性分析,得出熔池流動速度與側吹流量、底吹流量及供電功率三者耦合關系的數(shù)學表達式。
V=0.217×log(Q側/ 1094)+ 0.1039×log(Q底/ 1.073)+ 0.0013×e(s/4539)式中:V為熔池平均速度,m/s;Q側為側吹流量,Nm3/h;Q底為底吹流量,Nm3/h;S為視在功率,kVA。該關系表達式是首次對熔池流動速度進行定量分析,探明了氧氣射流、電磁場和底吹流股對熔池攪拌強度的耦合規(guī)律,為電爐煉鋼復合吹煉工藝參數(shù)的確定提供了理論指導。針對超音速氣體射流速度衰減快、氧氣利用率低等問題,早在2002年,利用氣體可壓縮特性,采用在超音速中心射流外包裹高溫氣體“伴隨流”的方法自主開發(fā)了集束射流技術,比Praxair-CoJet氧槍更適應國內電弧爐煉鋼爐料結構特點,達到國際領先水平,并已在國內外60余座電弧爐應用。集束射流特性的模擬研究結果顯示,包裹“伴隨流”的集束射流核心段長度是原超音速射流的2倍,顯著改善氧氣射流的脫碳及攪拌能力。爐料結構的變化改變電弧爐煉鋼的能源構成,影響其生產節(jié)奏、成本及產品質量。為提高化學能輸入強度和能量利用效率,需對集束射流供氧技術進行多功能化應用研究。北京科技大學開發(fā)了爐壁集束模塊化供能、爐頂集束供氧及爐壁埋入式供氧等多種形式的噴吹技術,如圖2所示。氧氣射流在爐氣中衰減速度快,有效射流長度較短,對電弧爐熔池的沖擊力不足。冶煉過程中,為降低渣中氧化鐵含量、提高金屬收得率,通常采用噴吹粉劑的方法,但粉劑顆粒運動速度小,易受爐內氣流擾動,難以進入熔池參加反應,粉劑利用率低。為解決上述問題,開發(fā)了爐壁集束模塊化供能技術。該技術包括集束供氧、噴粉、一體化水冷模塊等多個單元,以滿足不同冶煉工藝的要求。冶煉過程中,各類粉劑(碳粉、脫磷劑等)的噴吹可實現(xiàn)動態(tài)切換,滿足泡沫渣及脫磷的要求。該技術使碳粉利用率提高30%,保證了冶煉過程形成高質量泡沫渣,有效降低了終點氧含量,提高了金屬收得率。100t電弧爐采用本工藝噴吹脫磷劑,脫磷劑消耗量降低了20%,脫磷率較常規(guī)工藝提升了5%-10%,多元爐料(較高鐵水比)帶入大量的物理熱和化學熱,減少了電弧爐煉鋼過程的電能需求,開發(fā)了電弧爐爐頂集束供氧噴吹技術,可在供電與爐頂供氧供能間切換,同時在熱量不足時輔助噴吹燃料。電弧爐爐頂集束供氧技術在爐蓋上增加操作孔,通過升降機構調節(jié)氧槍槍位,完成脫碳、脫硅及造渣脫磷任務。該技術有效改善了熔池中心區(qū)域的冶金反應動力學條件,提高了熔池攪拌強度。電弧爐煉鋼供氧主要采用熔池上方噴吹方式。氧氣射流需依次穿過爐內煙氣流、泡沫渣層,最終與鋼液接觸進行反應,因此氧氣射流速度快速衰減,氧氣損耗不可避免。為此,開發(fā)了一種電弧爐雙流道埋入式吹氧技術。采用氣態(tài)冷卻保護方式將雙流道氧槍出口埋入鋼液面下,氧氣與鋼水直接接觸,有效地改善了熔池攪拌強度,提高了氧氣利用率;通過優(yōu)化冷卻設計,穩(wěn)定噴射參數(shù),實現(xiàn)埋入式供氧裝置與爐齡同步。通過集束射流技術的拓展應用研究,實現(xiàn)了電弧爐煉鋼多方式多點供氧,擴大了氧氣射流對熔池的作用區(qū)域,滿足了不同爐料結構條件下的供氧需求,提高了供氧效率,進一步完善并發(fā)展了集束射流技術在電弧爐煉鋼的應用。電弧爐底吹技術的關鍵在于長壽及安全。經過多年的研究探索,北京科技大學和中國鋼研科技集團有限公司聯(lián)合開發(fā)了電弧爐安全長壽底吹技術。從失效機理、底吹元件設計、底吹工藝制定及安全報警等方面展開研究,實現(xiàn)了電弧爐底吹的安全長壽。影響電弧爐底吹元件壽命的主要原因是底吹元件的質量及底吹工藝。通常底吹元件的損毀原因主要有劇烈熱沖擊引起的熱應力、裂紋和剝落,鋼液攪拌對透氣磚工作面的沖刷與侵蝕。在高溫下,鎂砂顆粒與石墨發(fā)生固相反應生成鎂蒸氣與CO一起揮發(fā);鎂碳磚在使用中表面氧化脫碳,磚體結合強度下降,使鎂砂顆粒與磚體脫離。采用回轉爐侵蝕法,對底吹元件的抗渣侵蝕性能進行研究。在MgO-C材料中,熔渣與MgO的接觸角很小,很容易被侵蝕,由于石墨的存在,熔渣不能潤濕石墨,因此,加入適量的石墨可以提高含碳材料抗渣侵蝕性能。底吹元件是電弧爐底吹的關鍵部件,由MgO-C復合材料和不銹鋼氣道、氣室組成,主要采用定向多微孔型結構,具備良好的透氣性、耐高溫性、抗熱震性、抗沖擊性等性能。鎂砂中含有的Al2O3、SiO2、Fe2O3、B2O3等雜質對鎂砂中礦物分布和高溫性能有很大影響。當CaO/SiO2比值高時,硅酸鹽成膜效應差,MgO晶體彼此結合,使得材料的高溫性能好。B2O3是一種強熔劑,提高了硅酸鹽對方鎂石的潤濕程度,降低了方鎂石晶體間的直接結合程度,使鎂砂的高溫性能變差。經實驗室和工業(yè)試驗研究,最終選取鎂碳材料的理化指標如下:(MgO)≥76%;(C)=14%;體積密度Bulk density≥2.9g/cm3,常溫耐壓強度C.C.S.≥30MPa,高溫抗折強度HMOR≥12MPa。對底吹元件中透氣孔間隙進行了優(yōu)化設計,采用穩(wěn)態(tài)有摩擦加熱管流微分方程組設計多孔不銹鋼管氣道的尺寸和數(shù)量。并應用等靜壓成型技術生產電弧爐底吹透氣元件,將高溫合金氣道定位鑲嵌在特制的鎂碳材料中,在1550℃以上保壓燒結成型。等靜壓成型技術與常規(guī)工藝相比,底吹元件的孔隙率及體積密度等關鍵指標均大幅提升。具有冗余功能的電爐底吹全程預警技術采用多點階梯分段監(jiān)控的全程報警方式,保證了電爐煉鋼的安全生產。通過以上研究及工程實踐,底吹元件的壽命已完全滿足電弧爐冶煉工藝的需求。目前已在不同爐型、噸位的電弧爐上成功應用。西寧特殊鋼股份有限公司等企業(yè)的電弧爐底吹元件壽命達750爐以上,實現(xiàn)與爐齡同步 。近年來,我國電弧爐煉鋼爐料結構呈現(xiàn)多元化的趨勢,使復合吹煉的集成應用增大了技術難度。通過電弧爐煉鋼物料及能量衡算研究,確定復雜爐料結構下的冶金反應操作參數(shù)。電弧爐煉鋼單元操作的合理匹配為:各單元操作按照冶金反應對熱力學、動力學條件的需要,將電能、氧氣、碳粉、石灰等原料輸入熔池,并給予必要的攪拌強度,達到最佳的供需匹配。將分時段方法引入集成控制,即:冶煉過程分成若干時間段,根據(jù)各分段內冶金反應特征,分別設定供氧強度、鋼水溫度、熔池攪拌強度等目標參數(shù),按照各單元操作及三元等效耦合對熔池攪拌的影響,對供電、供氧、底吹、噴粉等單元進行集成控制,使各個時段內能量、物料、攪拌強度均滿足冶金反應要求,實現(xiàn)電弧爐煉鋼高效、節(jié)能生產。以天津天管特殊鋼有限公司第二煉鋼廠100t電弧爐為例,對復合吹煉集成控制進行說明。天管100t電弧爐采用鐵水和廢鋼為主要原料,總裝入量約為115t,鐵水比例為45%,如表1所示,標準出鋼量為100t,出鋼溫度為1640℃。根據(jù)電弧爐煉鋼過程冶金反應特征及操作工藝要求,將冶煉過程分為6個時段,分別記為t1、t2、t3、t4、t5、t6,設定供氧強度、鋼水溫度、熔池攪拌強度等目標參數(shù),如表2所示。按照各分段內供氧強度、鋼水溫度、熔池攪拌強度等目標參數(shù),對供電、供氧、底吹、噴粉等單元進行集成控制。按照復合吹煉的單元操作集成控制的計算方法,完成整個冶煉過程6個分段內冶煉單元操作控制參數(shù)的計算。在電弧爐煉鋼復合吹煉集成理論研究的基礎上,將操作單元和控制邏輯實體化,建立了電弧爐冶煉能量分段模塊、動態(tài)物料衡算預測模塊、動態(tài)能量衡算模塊、能量輸入控制模塊、供電模塊和化學能輸入模塊。使用PLC現(xiàn)場總線將供氧、供電、底吹、噴粉等單元設備進行協(xié)同控制。使用爐氣溫度、爐氣流量測量儀和氣體取樣器,對冶煉過程的爐氣進行在線檢測,對鋼水的成分和溫度進行預報。開發(fā)了電弧爐成本控制軟件和電弧爐煉鋼復合吹煉控制軟件,基于配料結構的K-medoids聚類分析方法,以能耗、成本為指標對海量數(shù)據(jù)進行篩選、評價,得到冶煉指導范例群組,應用模糊相似理論歸納總結范例的操作特征,制定最優(yōu)的供電、供氧、噴粉、底吹等工藝參數(shù),實現(xiàn)電弧爐煉鋼復合吹煉的集成控制。爐料結構及能量來源的多樣化使電弧爐煉鋼余熱的產生具有間歇性波動的特點。余熱回收過程中常出現(xiàn)煙氣溫度過高或過低的狀況,煙氣溫度過高時,傳統(tǒng)工藝通過混入冷空氣方式降低煙氣溫度,雖然保證了設備安全生產,但是影響了富余熱量的回收,降低了能量回收比例,是另外一種形式的能量浪費;煙氣溫度過低時,余熱回收系統(tǒng)工作效率不高,系統(tǒng)回收能量不足。開發(fā)的電弧爐煉鋼復合吹煉條件下“一種電弧爐與余熱回收裝置協(xié)調生產的方法”,為提高余熱回收效率提供了技術上的可能。以爐氣分析檢測數(shù)據(jù)為基礎,建立了智能型“供電-供氧-脫碳-余熱”能量平衡系統(tǒng),穩(wěn)定了余熱回收系統(tǒng)的煙氣溫度,實現(xiàn)電弧爐復合吹煉單元操作和余熱回收裝置協(xié)調運行 。該技術在天津天管特殊鋼有限公司、西寧特殊鋼股份有限公司、新余鋼鐵集團有限公司、衡陽華菱鋼管有限公司、唐山文豐山川輪轂有限公司等企業(yè)的冶金效果對比見表3。1)實現(xiàn)了電弧爐煉鋼復合吹煉技術的工程化應用,確保了高效、優(yōu)質、環(huán)保、低成本生產,使我國電弧爐煉鋼主要技術經濟指標達到國際先進水平。2)通過底吹元件制備技術、底吹工藝優(yōu)化設計和具有冗余功能的全程預警技術的研究,解決了電弧爐底吹的安全長壽問題,實現(xiàn)與爐役同步,底吹壽命超750爐次;研發(fā)了爐壁集束模塊化供能、爐頂集束供氧及爐壁埋入式供氧等多種形式的噴吹技術,實現(xiàn)了電弧爐煉鋼多方式、多點供氧,完善并發(fā)展了電弧爐煉鋼集束射流技術。3)實現(xiàn)了電弧爐煉鋼復合吹煉單元操作的集成控制,包括:電弧爐煉鋼復合吹煉集成方法、電弧爐鋼水終點溫度和成分預報、電弧爐煉鋼復合吹煉控制技術、復合吹煉工藝與煙氣余熱回收的匹配。4)建立電弧爐“氣-渣-金”三相等效耦合全尺寸模型,掌握了氧氣射流、電磁場和底吹流股對熔池攪拌強度的耦合規(guī)律,并推導出耦合關系的數(shù)學表達式。5)研究提升了我國電弧爐裝備制造及工藝水平,推動了電弧爐煉鋼的技術進步。
來源:世界金屬導報
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