電弧爐氧槍應(yīng)用研究現(xiàn)狀

電弧爐氧槍應(yīng)用研究現(xiàn)狀

隨著世界能源供應(yīng)的緊張，如何降低電弧爐的生成能力已成為冶金工作者的中心問題。電弧爐爐殼直徑的增大使得爐內(nèi)溫度的不均勻性更加突出,位于三相電極的中心區(qū)和電極圓周圍的廢鋼熔化較快,其它區(qū)域廢鋼熔化較慢。20世紀80年代以來發(fā)展出各種布置在爐壁上的氧燃槍,作為爐內(nèi)冷區(qū)能量的補充來強化廢鋼熔化。氧槍在不同電弧爐爐型布置見圖1。強化用氧技術(shù)(包括超音速氧槍、碳氧槍、氧燃槍、底吹氧槍、二次燃燒技術(shù))趨于成熟,VAI稱之為K-ES技術(shù),Danieli稱之為Danarc技術(shù),Demag稱之為Korfarc技術(shù)。最初的爐門氧槍為人工自耗式;隨后又出現(xiàn)了自耗式氧槍機械手,其缺點是消耗大量吹氧管和供氧強度小。德國Fuchs等公司開發(fā)的水冷氧槍與德國BSE工程公司等開發(fā)的水冷碳氧槍,在強化用氧、促進爐渣泡沫化及縮短熔氧期冶煉時間等方面均取得較好效果。爐壁集束射流技術(shù)研制成功后已逐步取代爐門氧槍。K-ES爐底槍可向爐內(nèi)噴吹氧氣、惰性氣體、氮氣、天然氣,該槍已在意大利菲拉里鋼廠應(yīng)用。轉(zhuǎn)爐化電弧爐CONARC或ARCON爐使用爐頂氧槍已取得了很好的效果。不同爐型電弧爐爐壁氧槍和碳槍的布置如圖1所示。1電弧爐氧槍技術(shù)電弧爐用氧技術(shù)從早期助熔廢鋼、熔池升溫發(fā)展到今天還包括了熔池攪拌加速冶金反應(yīng)、二次燃燒等多種功能。電弧爐用氧技術(shù)正朝著多功能集成、自動化高效控制方向發(fā)展。通過拉瓦爾喉口和結(jié)構(gòu)的相應(yīng)改進,出口馬赫數(shù)已經(jīng)達到2以上。電弧爐的供氧強度在標(biāo)準狀態(tài)下已達1.2m3/(t·min)以上。目前主要的電弧爐氧槍技術(shù)主要有Praxair公司的Cojet技術(shù)、AirLiquid公司的PyreJet技術(shù)、Techint公司的KTinjection技術(shù)、PTI公司的JetBox技術(shù)(見表1)。從1964年開始,我國由首都鋼鐵公司和北京鋼鐵設(shè)計研究總院研制單孔拉瓦爾氧槍并投入工業(yè)應(yīng)用,到目前為止已經(jīng)掌握了大部分國際領(lǐng)先的用氧技術(shù),北京科技大學(xué)開發(fā)的USTB技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到國內(nèi)數(shù)十座電弧爐,均取得了很好的經(jīng)濟效益,國內(nèi)其它氧槍研究及制造單位也紛紛開發(fā)了多種類型的電弧爐用氧工藝技術(shù)。2煤氧槍的組成結(jié)構(gòu)電弧爐氧(氧燃)槍按結(jié)構(gòu)分為單孔結(jié)構(gòu)、雙層帶環(huán)縫結(jié)構(gòu)和三層結(jié)構(gòu)。按水冷形式分為無水冷、單層水冷和雙層水冷結(jié)構(gòu)。其使用介質(zhì)包括煤粉、碳粉、焦粉、石墨粉、甲烷、乙炔氣、煤氣、天然氣、輕柴油、重油等,從而產(chǎn)生了煤氧槍、氧油槍、氧天然氣槍、氧煤氣槍、純氧槍、復(fù)合集束氧槍(包括碳粉、氧氣、天然氣)等結(jié)構(gòu)(見圖2所示)。其按火焰形成的位置分為內(nèi)燃式和外燃式(也被稱為內(nèi)混式和外混式)。按安裝位置則可分為爐門氧槍、爐壁氧槍、EBT氧槍、爐頂氧槍和底吹氧槍。氧油槍根據(jù)油質(zhì)又可分為氧輕柴油槍和氧重油槍。2.1氧或氧槍氧槍的單孔結(jié)構(gòu)由于射流距離短,現(xiàn)已漸漸被新的結(jié)構(gòu)形式所取代。氧槍多層結(jié)構(gòu)是在中心射流外層增加一層環(huán)繞氣體,外層環(huán)狀火焰保護中心射流在更長的距離內(nèi)保持一定強度。隨著能源不斷漲價,集束氧(燃)槍逐漸取代了氧油槍。而由于復(fù)合集束氧槍同時具有造泡沫渣和助熔作用,其越來越廣泛地被應(yīng)用在電弧爐上。2.2臨床應(yīng)用實例煤氧槍出現(xiàn)較早。與層狀燃燒相比,煤粉燃燒具有燃燒溫度較高、效率高的特點。我國煤炭資源豐富,成本低廉,因而在20世紀90年代初期有一些應(yīng)用實例。北京科技大學(xué)從1982年開始進行電弧爐煤氧槍的研究,1985年在唐鋼5t電弧爐應(yīng)用取得了每噸鋼平均節(jié)電(500～100)kW·h、冶煉時間縮短20～30min的效果。該技術(shù)在國內(nèi)部分電弧爐鋼廠被推廣應(yīng)用,主要應(yīng)用的電弧爐多為30t以下的小電弧爐,且采用”三期”操作,變壓器水平多在15000kVA左右。由于受煤粉制作及設(shè)備復(fù)雜的限制,煤氧槍使用成本較高,目前已基本不再使用。2.3電弧爐氧油槍在世界范圍內(nèi)的石油危機來臨之前,氧油槍(輕柴油或重柴油)以其熱效率高的特點得到了快速發(fā)展。截止到1996年2月,僅Fuchs公司就在全世界安裝了57套氧燃槍,其中73個重油槍,45個輕油槍,113個氧燃槍,該技術(shù)也取得了明顯的節(jié)電效果,節(jié)電最高可達40kW·h/t。20世紀90年代以來,氧油槍在我國也得到了較為迅速的發(fā)展,天津鋼管公司150tDEMAG電弧爐、安陽鋼廠100tFuchs電弧爐、撫順特鋼50tFuchs電弧爐都配備了氧油槍。撫順特鋼50tFuchs電弧爐爐壁安裝4個ACI公司Pyrox氧輕油槍(2×5MW),其前端有一個內(nèi)燃室,燃燒室起到形成火焰、控制火焰形狀的作用。淮鋼70t電弧爐裝有MORE型爐壁氧油槍(3×3MW),氧氣流量(在標(biāo)準狀態(tài)下)800m3/h,實際使用中供應(yīng)的能量典型值為50kW·h/t,使用過程出現(xiàn)的問題是油氧槍火焰短,如安裝位置低,則爐渣易堵塞槍。天津鋼管公司150tUHP電弧爐投產(chǎn)初期使用3×3MW氧油槍,取得節(jié)電(10～15)kW·h/t的效果,但氧槍結(jié)構(gòu)不合理,操作工藝不完善,導(dǎo)致氧槍噴頭經(jīng)常堵塞,甚至產(chǎn)生“回火燒槍”現(xiàn)象。萊蕪特鋼廠50t電弧爐使用USTB提供的油氧助熔二次燃燒兩用噴嘴及EBT氧槍技術(shù)后,降低電弧爐氧耗40m3/t、電耗130kW·h/t、柴油消耗4kg/t,冶煉時間縮短到65min。使用油氧槍的缺點是油價上漲導(dǎo)致成本增加。2.4氧燃槍的使用氧燃(氣)槍多在距離天然氣產(chǎn)地較近的電弧爐鋼廠使用,在距離產(chǎn)地遠的電弧爐煉鋼廠多使用液化石油氣。氧燃槍的優(yōu)點是設(shè)備可靠性好,助熔效果穩(wěn)定,適合以廢鋼為主原料的企業(yè)。國外電弧爐煉鋼廠多采用該方法助熔廢鋼。2.5次燃燒技術(shù)二次燃燒技術(shù)在20世紀70年代末由貝洛瓦爾鋼廠開發(fā)成功。二次燃燒的目的是將爐氣中未完全燃燒的CO與O2燃燒生成CO2,從而釋放熱量。1m3氧氣與碳完全燃燒時,化學(xué)熱換算的電能應(yīng)有7.41kW·h。近來二次燃燒技術(shù)的應(yīng)用有增加的趨勢。轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法煉鋼、轉(zhuǎn)爐精煉不銹鋼、RH-KTB技術(shù)都應(yīng)用二次燃燒氧槍。美國Nucor公司與Praxair公司合作在其60t電弧爐上應(yīng)用二次燃燒技術(shù),每1m3氧氣可取得0.9美元的效益。美國空氣液化公司與瓦魯赫鋼廠和德國BSW公司使用二次燃燒技術(shù),每吹10m3氧氣(在標(biāo)準狀態(tài)下)每噸鋼可降低電耗43kW·h、縮短冶煉時間3.7min。ACI公司的二次燃燒技術(shù)可以通過由廢氣取樣結(jié)合工藝分析完成閉環(huán)控制。目前,二次燃燒技術(shù)在美國、日本、德國、法國及意大利均達到工業(yè)應(yīng)用水平。PTI公司使用環(huán)氧用于二次燃燒,ACI公司則使用單獨的二次燃燒氧槍布置在熔池上方,西寧特鋼將二次燃燒由Consteel電弧爐爐內(nèi)轉(zhuǎn)移到爐外的廢鋼預(yù)熱通道中進行,使廢鋼在回收廢氣顯熱的同時,又回收了化學(xué)潛熱,平均溫度高達600～650℃,每噸鋼節(jié)電95kW·h。二次燃燒氧槍的特點是滲透力較小則對脫碳和熔池攪拌影響不大,其目前研究方向是在泡沫渣中的應(yīng)用。2.6爐內(nèi)造泡沫渣,實現(xiàn)埋弧碳氧槍的結(jié)構(gòu)是中心不銹鋼管噴吹碳粉或石墨粉、焦粉,外層是環(huán)氧。如果是三層結(jié)構(gòu)則分別是環(huán)繞天然氣及環(huán)繞氧氣。其作用是爐內(nèi)造泡沫渣,實現(xiàn)埋弧操作。碳氧槍的布置方式多采用在冷卻氧槍的銅塊上開孔固定角度的方法。PTIJetBox系統(tǒng)噴碳槍布置在氧槍的右下方,這種平行布置有利于泡沫渣的快速形成,但噴碳孔容易堵塞。北科大USTB噴碳槍為解決噴孔易堵塞的問題,將噴碳槍單獨布置在爐壁水冷塊上,與氧槍形成一定夾角,取得了良好的效果。2.7采用集束射流技術(shù)普通超音速射流受電弧爐爐內(nèi)煙氣流影響,衰減較快且射流距離短,當(dāng)氧氣射流到達熔池時,氣流速度已較低且沖擊力弱,無法有效切割廢鋼助熔,也不能穿透熔池表面進行有效脫碳,造成氧氣的利用率低、節(jié)電效果差。美國Praxair公司開發(fā)了凝聚射流技術(shù),與此同時北京科技大學(xué)也開發(fā)了集束射流技術(shù)。其原理是在傳統(tǒng)拉瓦爾噴管周圍加上環(huán)管,外層環(huán)繞氧(燃氣),燃燒形成火焰,當(dāng)內(nèi)層氣體以超音速出現(xiàn)時不會馬上與周圍氣體發(fā)生反應(yīng),使射流的前進在高溫低密度的介質(zhì)中進行,射流在超過噴嘴直徑70倍的噴吹距離內(nèi)都可以保持其原有的速率、氣體的濃度及噴吹沖擊力,傳統(tǒng)氧槍0.254mm處的沖擊力與凝聚射流1.37mm處的沖擊力相當(dāng),集束射流對熔池的沖擊深度要高兩倍以上、氣流的擴展和衰減小、可減少熔池噴濺及噴頭粘鋼。集束射流的使用效果為:脫碳效率提高20%;噴槍損耗下降33%;造泡沫渣用碳降低了60%;渣中氧化鐵下降5%;冶煉時間縮短10min。撫順鋼鐵公司60t電弧爐應(yīng)用了北科大USTB集束射流技術(shù)及其模塊化控制系統(tǒng)。安裝在爐壁上的集束氧槍部分代替了爐門氧槍和爐壁氧槍,可用于加熱廢鋼、熔池脫碳和二次燃燒。與傳統(tǒng)用氧相比,該裝置可使全廢鋼條件下的冶煉時間縮短7min,電耗下降37kW·h/t;鐵水條件下的冶煉時間縮短11min,電耗下降18kW·h/t,電極消耗下降0.3kg/t。目前該技術(shù)已在國內(nèi)三十余座電弧爐上應(yīng)用。3電弧爐低電耗煉焦技術(shù)已具備的設(shè)備(1)我國近年來大量使用熱裝鐵水作為電弧爐煉鋼的原料,強化供氧對高鐵水比情況下的脫碳是非常有利的,同時還可縮短冶煉時