电炉铁水比对供氧量及其利用系数的影响研究.pdf

第45 卷第4期2023年8 月试验研究电炉铁水比对供氧量及其利用系数的影响研究*赵舰，胡砚斌,王雪明,何赛（1 钢铁研究总院有限公司冶金工艺研究所，北京1 0 0 0 8 1;2 江苏沙钢集团有限公司电炉三车间，江苏苏州2 1 5 6 2 5）摘要：在高铁水比电炉生产过程中，铁水比是影响电炉供氧量及其利用系数的重要因素。本研究结合理论分析和现场数据分析，发现在终点碳含量在0.0 49%0.1%，氧气消耗量及其利用系数与铁水比具有较好的线性关系，对高铁水比电炉冶炼制定供氧制度具有一定的借鉴意义。关键词：电炉；高铁水比；电炉供氧；终点碳含量中图分类号：TF741.5文献标识码：A山东冶金Shandong Metallurgy文章编号：1 0 0 4-46 2 0(2 0 2 3)0 4-0 0 2 2-0 3Vol.45 No.4August 2023消耗量及氧气利用率之间有着较好的线性关系，为1 前 言高铁水比电炉供氧操作提供了一定的参考价值。铁水电炉热装工艺是2 0 世纪9 0 年代初发展起来的一种电炉冶炼技术，铁水热装是指在电炉加入废钢的同时加人部分铁水或全部采用铁水作为原料，其中废钢结合铁水作为电炉原料是一定较为常见的铁水热装冶炼方式。电炉热装工艺不仅解决了我国现阶段废钢资源短缺的矛盾，同时在降低冶治炼电耗、生产优质钢水及开发新品种等方面有着一定的积极意义1-3。常规全废钢电炉冶炼工艺与铁水电炉热装冶炼不同，尤其在高铁水比冶炼过程中，相比于全废钢电弧炉冶炼其初始原料中碳含量高，冶炼过程供氧量较大4，这也导致终点碳波动大。供氧过多时，电炉冶炼终点钢液会处于“过氧化”状态，钢水“过氧化”会增加后续出钢及精炼过程中合金料及脱氧剂的消耗，从而增加生产成本5 ；电炉吹氧量不足又不能满足电炉出钢碳含量要求，精准的终点碳含量成为高铁水比电炉冶炼的重要考核指标之一6-8 ,许多研究工作者对于终点碳含量的预报和控制也做了许多研究工作，如李克燕、刘志明等人9-1 0 利用神经网络模型对电弧炉终点碳含量预报做了大量工作，但其模型需要大量的生产数据，同时生产过程中需要提供的数据项较多，在实际生产中使用存在一定的难度。本文主要针对高铁水比电炉吹氧脱碳的过程进行了分析，同时通过对现场数据记录和分析，研究了实际生产过程中高铁水比电炉冶炼过程中铁水比对供氧量及氧气利用率的影响。发现不同铁水比条件下，氧气基金支持：钢铁研究总院专项基金项目（事2 0 1 6 1 1 90 ZD）项目名称：现代生态智能电炉与电炉短流程关键技术开发项目（事20161190ZD)稿日期：2 0 2 3-0 6-1 4作者简介：赵，男，1 97 9年生，硕士研究生，现为钢铁研究总院有限公司高级工程师，从事钢铁企业电炉炼钢、工艺模型开发等方面工作。2227高铁水比电炉吹氧脱碳理论分析2.1高铁水比电炉脱碳过程分析在高铁水比电炉冶炼过程中,式(1)和式(2)为电炉吹氧脱碳反应，在熔池的脱碳反应中，脱碳反应主要的环节有氧在气相的传输、吸附氧与钢液中的Fe生产FeO,氧主要以FeO的形式接触钢液中与碳反应生成CO排出。Fe+1/202(g)=Fe0;C+(FeO)=Fe+CO(g)。现有研究表明，氧在渣中的传质和碳在钢液中的迁移是吹氧脱碳的限制性环节。式(3)为渣中氧的传质速度Ro计算方法，通过式（3)可以看出在一定的吹氧条件下，反应界面处氧越低氧传质越快，而熔池中碳含量高将有利于降低反应界面处氧含量，从而有利于氧的传质，从而提高氧气利用率。Ro=ko Ag p.(Clo)-C(o),(3)式(3)中：ko为元素氧在渣中的传质系数，m/s；A g为气-渣反应界面面积,m;p.为钢液的密度,kg/m;Clo)、C(o)分别为渣和反应界面处氧的摩尔浓度,mol/kg。式(4)为钢液中碳的传质速度Rc的计算方法，从式(4)可以看出,碳的传质和氧传质相似,在一定的条件下，反应界面处的碳降低能提高碳的传质速度，而这一过程也受到氧传质的影响。Rc=kc Ams Pam(Clcl-Cic),式(4)中：kc为元素碳在金属液中的传质系数,m/s；Am为钢-渣反应界面面积,m;pm为钢液的密度,kg/m；Ci c l、Ci c 分别为钢液和反应界面处碳的摩尔浓度,mol/kg。结合式(3)和式(4)可以看出,脱碳反应的速度受氧、碳的传质速度共同影响，其中最终反应速度(1)(2)(4)赵，等取决于氧、碳传质速度小的一方，在高铁水比电炉冶炼初期由于钢液中碳的含量较高,RoRc,这时脱碳反应的限制性环节为碳在钢液内的传质速度。所以对于碳含量高的初始条件下其氧气利用率较高，反之氧气利用率降低，这也说明对于不同高铁水的电炉冶炼条件,其氧气利用率有着一定的区别。结合上述分析及相关文献研究1 2-1 3 得出高铁水比电炉熔池脱碳过程可以分为三个阶段：电炉吹炼初期主要铁水中的Si、M n 元素被氧化，到吹炼中期，熔池温度急剧上升，脱碳反应剧烈，此时脱碳速率达到最大值，到吹炼后期由于碳含量下降，脱碳速率逐步下降。2.2电炉氧气利用系数的计算电炉供氧脱碳除生成CO外，在吹氧脱碳过程中，尤其在碳的传质成为限制性环节后，炉气中的CO将与氧气发生二次燃烧,如式(5)所示,所以在脱碳反应过程中部分碳是以生成CO2消耗。(5)2C0(g)+02(g)=2CO2(g)。计算电炉氧气消耗过程中其中最主要的是碳氧化的消耗，式（6)为根据电弧炉原料条件计算初始碳含量Mc。(6)Mc=E=iGw(C),式(6)中：G为人炉的第i种(共n种)原料质量,kg;wi(C)为第i中原料中的碳元素含量，%。在高铁水炉号钢水重量/氧气消耗/m191.292102.7310102.151298.8336102.3438105.1739103.7040102.1246102.46图1 为原料中铁水比例与吨钢氧气消耗量之间的关系，通过线性拟合得到铁水比例与吨钢氧气消耗量之间存在如式(8)所示关系。Q=-0.845+0.404%w,式(8)中：Q为氧气的消耗量，%w为原料中铁水比。通过上述数据分析可以看出，在终点碳控制在0.049%0.1%时，吨钢氧气消耗量与铁水比之间有着较好的线性关系，其相关系数达到0.99,可见在实际生产过程中可以按照铁水比例指导供氧操作，可以减少电炉冶炼过程中取样次数。电炉铁水比对供氧量及其利用系数的影响研究如式(7)所示。ko,=(CO,)式(7)中:(CO2)和(CO)分别为碳氧反应后CO2和CO的生成比例；Cs为铁水中氧化的碳的质量(kg);Vo,为吹人的氧气量(m)。3铁水比对氧气消耗量及其利用率的影响通过上述分析，理论上不同铁水比的原料对氧气的消耗量及利用系数有着重要的影响，对此统计并分析了1 0 0 t超高功率竖式电炉在不同铁水比例条件下冶炼同一钢种的氧气利用系数情况，表1 为连续生产的5 0 炉中具有代表性的9炉，其铁水比由31.33%升高至7 6.38%。其中钢水重量、氧气消耗、废钢量、铁水量及终点碳是统计的实际生产记录和化验的数据,通过上述数据计算了对应的冶炼结束时钢液减少的碳量、碳氧化消耗的氧气及氧气利用率。本研究分析的冶炼炉次都在相同的冶炼工艺条件下进行，假设电弧炉内碳氧反应生成的CO的体积分数为7 0%，C02的体积分数为30%，同时铁水初始碳含量均以4%计算。表1 不同铁水比条件下的冶炼参数废钢量/铁水量/终点碳/%减少的碳量/kg矿3 003.0073.294 799.0051.703 787.0076.613.714.0072.814 187.0046.774.571.0062.435 836.0044.185419.0044.264.567.0069.512023年第4期比冶炼电炉中其中碳的来源主要以铁水为主，所以本文在分析过程中主要计算铁水中带人的碳量电炉冶炼过程中一方面由于Si、M n 消耗的氧气量较少,所以在不考虑考虑Si、M n 等元素氧化引起的氧气消耗的条件下，冶炼终点氧气利用系数ko,计算)22.4/Vo,(7)1224碳氧化消耗氧气/m氧气利用系数/%铁水比/%39.950.04969.200.05432.000.09540.700.07556.200.05850.900.05968.800.06278.000.06546.650.058(8)1553.272.712.521 182.961553.882 188.641973.952.687.713.053.621 806.57图1 吨钢氧气消耗量与铁水比例的关系3.2铁水比与氧气利用系数的关系根据记录的电弧炉冶炼数据，利用式(7)计算氧气利用系数，得到如图2 所示铁水比例与氧气利231 884.633 291.201 435.321885.372 655.562.395.063 261.083 705.062 191.973025201510304050607080铁水比例/%32.9036.0345.2441.3748.0051.6352.4057.0253.7843.7667.3631.3341.1854.9148.4066.3576.3845.532023年8 月用系数之间的关系，通过线性回归处理得出电弧炉冶炼过程中铁水比例与脱碳反应的氧气利用系数的关系如式(9)所示。ko,=0.825%w+12.728,式(9)中：ko,为氧气的利用系数，%w为电炉冶炼过程中铁水加入比例。80%/燥当由706050403030 4050607080铁水比例/%图2 氧气利用系数与铁水比例的关系从图2 可以看出，铁水比直接影响电弧炉炼钢过程中氧气利用系数，铁水比越高，氧气利用系数越高，这也证明在供氧强度一定的条件下，随着铁水中碳含量的下降，铁水中碳的传质是脱碳反应的限制性环节，吹入的部分氧未被利用。在实际冶炼过程中，可以根据不同电弧炉炉况及现场生产数据可以得到不同铁水条件下氧气利用率的变化趋势，适当调整氧气流量可以提高氧气的利用率，这样可以更好的指导供氧操作工艺，也可以更加准确预测和控制终点钢水中碳含量。4结论4.1通过上述分析可以看出氧气消耗量与铁水比例有着较好的线性关系，可以通过铁水比来指导供氧量，以减少取样次数。4.2通过分析铁水比例和氧气利用系数的关系可以The Effect of High Hot Metal Charging Rate on Oxygen Consumption and(1 Metallurgical Technology Institute,Central Iron and Steel Research Institute,Beijing 100081,China;2 Electric Furnace Workshop No.3,Jiangsu Shagang Group Co.,Ltd.,Suzhou 215625,China)Abstract:For the high hot metal charging rate in electric arc furnace(EAF),the rate of hot metal is an important factor to affectoxygen consumption and utilization coefficient.Therefore,it is necessary to study the relationship between the ratio of hot iron andoxygen consumption and utilization coefficient in the process of high ratio of hot iron in EAF.Through the analysis of the theoreticaland production data,the carbon content at the end point was in the range of 0.049%-0.1%,the oxygen consumption,oxygenutilization coefficient and the ratio of hot iron have a good linear relationship.It is of practical significance to use the ratio of hot ironto guide the oxygen supply operation in actual production process.Key words:electric arc furnace;high hot metal charging rate;oxygen supply in eaf;end carbon content山东冶金看出，电炉冶炼过程中碳含量的高低直接影响了氧气的利用系数,碳含量越高,氧气的利用系数越高。4.3高铁水比电炉冶炼过程中可以通过统计和分(9)析不同铁水比条件下对氧气消耗量及其利用率的影响规律，从而得到不同铁水比及不同冶炼阶段合适的供氧流量以提高氧气的利用率。参考文献：1王新东，上官方钦，邢奕，等“双碳 目标下钢铁企业低碳发展的技术路径J.工程科学学报，2 0 2 3,45（5)：8 5 3-8 6 2.2黄涛，梁晨，元福川.莱钢5 0 t电炉提高热装铁水比例实践J.山东冶金,2 0 1 6,38(5)：1 2-1 3.3上官方钦，殷瑞钰，李煜，等.论中国发展全废钢电炉流程的工战略意义J.钢铁,2 0 2 1,5 6(8)：8 6-9 2.4任燕雄，何文浩，喻成军，等.缩短电炉冶炼周期的生产实践J.江西冶金,2 0 2 2,42(5)：6 4-6 9.5何文浩，彭超，任燕雄，等.电转炉钢水过氧化问题的成因分析及改进措施J.江西冶金，2 0 2 3,43(1)：6 5-6 9.6王广连，申景霞，王学利，等.5 0 tEAF-LF冶炼终点（TPC)和窄成分（NCC)控制技术的应用J.特殊钢，2 0 0 7(3)：5 9-6 1.7杨华峰，董大西，刘勇，等.6 0 t电弧炉冶炼GCr15轴承钢终点碳精确控制工艺实践J.河北冶金，2 0 1 1,1 8 5（5)：31-33.8江萍萍，程婧播，李冰，等.基于MATLAB的BP神经网络对电弧炉炼钢的终点预报J.铸造技术,2 0 1 6,37(2)：31 2-31 6.9李克燕.基于神经网络的电弧炉炼钢终点预报方法的研究D.沈阳：东北大学，2 0 1 0.10】刘志明，战东平，葛启桢，等.基于BP神经网络的电炉终点碳质量分数预报模型J.工业加热，2 0 1 8,47(4)：2 8-31.11 3王庆祥.转炉吹氧炼钢去碳过程模型的研究J.炼钢，1 996(4):4043.12王仁贵，李伟东，孙群.1 8 0 t转炉脱碳速度分析J.鞍钢技术,2 0 0 8(3):35-37.13李洪根.低碳钢XM06BA终点碳控制实践J.福建冶金，2022,51(5):26-29.Utilization Coefficient in EAFZHAO 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