专利名称：一种电弧炉炼钢埋入式吹氧脱碳工艺及控制方法
技术领域：
本发明属于钢铁冶金技术领域，特别涉及到一种电弧炉炼钢埋入式吹氧脱碳工艺及控制方法。
背景技术：
随着电弧炉炼钢冶炼节奏加快，冶炼消耗降低，同时电炉热装铁水比例增加，熔池碳量升高，现有的炼钢方式无法满足熔池脱碳的要求。目前电弧炉炼钢的供氧方法主要有炉壁供氧和炉门供氧。它们的共同特点是炼钢过程中，供氧喷嘴位于熔池上方，其距离钢液面的垂直位置一般超过200_ ;供氧喷嘴使用拉乌尔管产生超音速射流，利用氧气射流的动能穿透炉气和渣层与钢水接触反应脱碳。其缺点是氧气射流在穿过炉内气流及渣层时，氧气射流强度逐步衰减，氧气难以进入熔池，造成熔池的脱碳速度较低。因进入熔池的氧气量难以掌握，无法有效控制熔池中脱碳速度。电弧炉炼钢传统供氧脱碳过程为
(I)高压氧气经过拉乌尔管形成超音速射流。根据不同冶炼吨位，氧气流量为1200Nm3/h 3500NmVh，设计马赫数为I. 5 2. I，氧气压力为0. 4MPa 0. 85MPa。(2)氧气射流穿透炉气。氧气射流在炉气运动的距离一般超过200mm，在此过程中射流速度衰减，降低到不超过270m/s，其中部分氧气因炉气干扰直接进入排烟系统，损失约占供氧流量的12%。(3)氧气射流穿透渣层。电弧炉熔池渣层厚度一般超过150mm，由于渣层的阻碍作用，射流速度快速衰减到50m/s以下，其中部分氧气被渣层吸收，约占供氧流量的159^30%，另有氧气射流在炉渣表面反弹进入烟气系统，约占供氧流量的15%左右。(4)氧溶解进入钢液。与钢液接触时，部分氧气射流在钢液表面未参加反应进入烟气，约占供氧流量的5%左右。由于钢液阻碍氧气射流速度进一步衰减，其速度不超过IOm/s，仅对钢液面以下300mm以内钢液有搅拌作用，熔池深部钢水流动速度低。氧与铁发生反应生成Fe0，Fe0需先饱和溶解进入渣层(渣中FeO饱和含量为30%左右，此部分FeO不参与钢液脱碳反应)，剩余的FeO进入钢液的发生以下反应(Fe0) = [Fe] +
，氧元素溶解进入钢液；
(5)熔池中碳氧反应。钢液中的碳和氧通过传质与相互接触，发生如下反应+ [C]=C0，产生的CO气泡上升，最终离开钢液进入炉气。钢液中碳与氧的传质是脱碳反应的限制性环节，因钢液面以下超过300mm的深部钢水流动速度低，熔池内溶解氧无法连续有效的脱碳，不利于脱碳反应的进行；
(6)炉气的二次燃烧。一氧化碳气泡在脱离熔池后进入炉气，发生二次燃烧反应，2C0+02=2C02。因大量氧气未进入熔池，炉气中富余氧气量大，二次燃烧剧烈，烟气温度高，电炉炉盖和烟气系统的寿命降低。传统的供氧脱碳过程中，氧气与钢水接触困难，约有占总供氧量的30%的氧气直接随炉气直接进入排烟系统，159^32%的氧气被渣层吸收，最终进入熔池参与脱碳反应的不、超过45%，且不可控，电弧炉氧气利用率低、脱碳速度慢、控制效果差。电弧炉炉盖与烟气系统寿命低。传统电弧炉脱碳方法无法避免这些问题。
发明内容
本发明目的是克服现有的电弧炉炼钢技术当中氧气利用率低、脱碳速度慢、控制效果差。电弧炉炉盖与烟气系统寿命低的问题。本发明提出一种电弧炉炼钢埋入 式吹氧脱碳工艺及控制方法。该方法中氧化性气体直接从埋入钢液一定深度的喷嘴喷出，气体即全部进入钢液参加脱碳反应。气体利用率高，脱碳速度可控。一种电弧炉炼钢埋入式吹氧脱碳工艺及控制方法，喷嘴中心管喷吹氧化性气体(氧气或二氧化碳气体，也可按比例混合喷吹)，喷吹流量为10(T3500Nm3/h，根据脱碳工艺要求，分时段控制气体流量和比例。环管喷吹保护气体(二氧化碳、天然气、氮气或氩气，也可按比例混合喷吹)，喷吹流量为l(Tl000Nm3/h。不同阶段喷嘴的工作状态，分时段控制气体流量和比例。本发明的具体脱碳过程
(I)氧由喷嘴直接进入钢液内部，全部进入钢水，实现了氧的高效传输。根据不同冶炼吨位，中心管单独或混合喷吹氧气、二氧化碳气体，气体总流量为100Nm3/tT3500Nm3/h，气体压力为0. 15MPa^0. 8MPa。环缝中喷吹二氧化碳、氮气、氩气或天然气，气体流量为IONm3/h 1000Nm3/h，压力为 0. 2MPa 0. 45MPa。(2)脱碳反应。气体进入钢水即形成大量均匀气泡，由钢液深部向上运动，带动整个熔池运动。气泡的形成增大了气液的反应面积。气液接触面上，氧直接氧化钢液，发生如下反应，2[C]+02=2C0、2Fe+02=2Fe0，高浓度的FeO，进一步氧化钢中的碳元素，Fe0+[C]=Fe+C0。脱碳速度可达 150ppm/min 400ppm/min。(3 )二次燃烧。脱碳产生的CO气泡上浮进入炉气，炉气内氧含量低，抑制了二次燃烧的产生，对电炉炉体和烟气系统产生了保护作用。本发明在电弧炉炼钢过程中将氧气直接吹入熔池参与脱碳反应，可保证100%的氧化性气体进入钢水，熔池流动速度高，大幅度提高脱碳速度。针对电弧炉不同时期的冶炼需求，进行稳定连续喷吹氧化气体(02、CO2)及保护气体(C02、CH4, N2 *Ar等惰性气体)，分时段控制各气体流量，实现脱碳反应的连续可控。根据不同的气源特点，分别按照以下实施方案控制。实施方案I :氧化性气体02，保护气体N2或Ar
电弧炉冶炼过程中，在冶炼开始前中心喷管保持喷吹N2或Ar，流量为10(T800 Nm3/h，环缝喷吹N2或Ar气体流量为1(T300 Nm3/h，起到保护喷头，防止喷头烧损、堵塞。冶炼初期，因金属液温度低，脱碳速度控制在一定值，中心喷管喷吹O2流量为100^800 Nm3/h。环缝喷吹N2或Ar气体流量为20 500 Nm3/h。冶炼中期为高速脱碳期，中心喷管喷吹O2流量为100-3500 Nm3/h。环缝喷吹N2或Ar气体流量为50 1000 Nm3/h。冶炼末期，需控制脱碳速度，保证终点碳含量，中心喷管O2流量为200-1500 Nm3/h。环缝喷吹N2或Ar气体流量为20 500 Nm3/h。
实施方案2 :氧化性气体02和CO2，保护气体C02、N2或Ar
电弧炉冶炼过程中，在冶炼开始如中心嗔管保持嗔吹CO2,流量为100 800 Nm3/h，环缝喷吹CO2、N2或Ar气体流量为1(T300 Nm3/h，起到保护喷头，防止喷头烧损、堵塞。冶炼初期，因金属液温度低，脱碳速度控制在一定值，中心喷管混合喷吹O2和CO2,混合气体中O2与CO2比例为I: f 1: 5，气体总流量为100-800 Nm3/h。环缝喷吹C02、N2或Ar气体流量为20 500 Nm3A。冶炼中期为高速脱碳期，中心喷管混合喷吹O2和CO2,混合气体中O2与CO2比例为1:1 1:5，气体总流量为100-3500 NmVh0环缝喷吹C02、N2或Ar气体流量为50 1000 Nm3/h0冶炼末期，需控制脱碳速度，保证终点碳含量，中心喷管单混合喷吹混合喷吹O2和CO2,混合气体中O2与CO2比例为2: f 8:1，气体总流量为200-1500 NmVh0环缝喷吹C02、N2或Ar气体流量为20 500 Nm3/h。
实施方案3 :氧化性气体02，保护气体CH4、N2或Ar
电弧炉冶炼过程中，在冶炼开始前中心喷管保持喷吹CH4、N2或Ar，气体流量为10(T800Nm3/h,环缝喷吹CH4、N2或Ar等惰性气体流量为1(T300 Nm3/h，起到保护喷头，防止喷头烧
损、堵塞。冶炼初期，因金属液温度低，脱碳速度控制在一定值，中心喷管喷吹O2流量为100-800 Nm3/h。环缝喷吹CH4、N2或Ar气体流量为20 500 Nm3/h。冶炼中期为高速脱碳期，中心喷管喷吹O2流量为100-3500 Nm3/h。环缝喷吹CH4、N2或Ar气体流量为50 1000 Nm3/h。冶炼末期，需控制脱碳速度，保证终点碳含量，中心喷管O2流量为200-1500 Nm3/h。环缝喷吹CH4、N2或Ar气体流量为20 500 Nm3/h。
实施方案4 :氧化性气体02和CO2，保护气体C02、CH4, N2或Ar电弧炉冶炼过程中，在冶炼开始如中心嗔管保持嗔吹CO2,流量为100 800 Nm3/h，环缝喷吹C02、CH4、N2*Ar气体流量为1(T300 Nm3/h，起到保护喷头，防止喷头烧损、堵塞。冶炼初期，因金属液温度低，脱碳速度控制在一定值，中心喷管混合喷吹O2和CO2,混合气体中O2与CO2比例为I: f 1:5，气体总流量为20-500 Nm3/h。环缝喷吹C02、CH4, N2或Ar气体流量为20 500 Nm3/h。冶炼中期为高速脱碳期，中心喷管混合喷吹O2和CO2,混合气体中O2与CO2比例为I: I 1: 5，气体总流量为100-3500 NmVh0环缝喷吹CO2, CH4、N2或Ar气体流量为50 1000
NmVh0冶炼末期，需控制脱碳速度，保证终点碳含量，中心喷管单混合喷吹混合喷吹O2和CO2,混合气体中O2与CO2比例为2: f 8:1，气体总流量为200-1500 NmVh0环缝喷吹CO2,CH4, N2或Ar气体流量为20 500 Nm3/h。喷嘴采用双流道喷管结构。喷嘴的中心管为直管喷嘴，内径尺寸为3-20_，壁厚2、mm,环缝管内径10-30mm,壁厚3 8mm。喷嘴整体采用鹤铜合金、不锈钢、铬质或刚玉质管材加工制造，保证在与钢液接触时不熔化。
根据电弧炉容量的不同，安装21支喷嘴，喷嘴数量一般确定方法为电弧炉容量除以30加减I。喷吹方法喷嘴出口高度为钢液面至熔池底部。喷嘴的横向位置位于炉门及出钢口两侧的多点位置，均匀分布。喷嘴与炉壁法线水平夹角为(T80° (图I中角1)，喷嘴与水平面夹角为_4(T+90° (图I中角2)，如安装在底部则为垂直于炉底。喷管整体埋入耐火材料内部，喷嘴出口超出炉壁深入熔池5 25mm。本发明适用于5 300t电弧炉炼钢的供氧脱碳。本发明采用一种新的电弧炉炼钢脱碳工艺及控制方法，将供氧喷嘴埋入钢液面下，氧与钢水直接接触，根据电弧炉冶炼过程的脱碳要求，采用氧化气体流量分段控制方法控制电弧炉脱碳速度。与现有的吹氧方式相比，本发明中氧与钢水直接接触(碳元素)，提高了氧利用率，可实现快速、可控脱碳。
图I喷嘴中心管供气模式；
图2喷嘴环缝供气模式；
图3喷嘴布置方式I电炉炉体；2耐火材料；3 ;脱碳喷嘴；4出钢口 ；5渣层；6钢液。图4为图3的A-A剖面图3脱碳喷嘴；5渣层；6钢液。图5为图3的B-B剖面图I电炉炉体；2耐火材料；3脱碳喷嘴。
具体实施例方式I. 60吨电弧炉
本发明在60t超高功率电弧炉上应用。氧气、二氧化碳、氮气和氩气分别沿输送管道进入钢液面下底侧吹喷嘴，喷嘴采用不锈钢材质。电弧炉钢口两侧布置2支喷嘴，与炉壁法线夹角为75°，与钢液面水平夹角为3°。气体流量采用分时段控制方法进行
I)在冶炼前保持中心喷管喷吹N2，流量为400 Nm3/h，环缝喷吹N2，流量为50 Nm3/h。2)冶炼开始(T6min，中心喷管停止喷吹N2,改喷吹02，流量为400 Nm3/h，环缝N2流量为 70 Nm3/h。3) 6 12min，中心喷管O2流量为600 Nm3/h,环缝N2流量为70 Nm3/h。4) 12 20min，中心喷管O2流量为800 Nm3/h，环缝N2流量为100 Nm3/h。5) 20min 40min,中心喷管O2流量为1000 Nm3A,环缝停止喷吹N2,改喷吹Ar,流量为 100 Nm3A。6)冶炼结束后，中心喷管停止喷吹02，改喷吹N2，流量为400 Nm3/h，环缝喷吹停止喷吹Ar，改喷吹N2,流量为50 Nm3A。根据不同入炉铁水和废钢比例，冶炼过程中稳定连续可调节氧气、二氧化碳、氮气和氩气的压力和流量。采用本发明后，脱碳速度达到200ppm/min，冶炼周期缩短7%。2. 150吨电弧炉
本发明在150t超高功率电弧炉上应用。因冶炼钢种对氮含量有要求，冶炼过程中禁止吹入氮气，气体分别沿输送管道进入钢液面下底侧吹喷嘴。喷嘴采用不锈钢材质电弧炉钢口两侧布置4支喷嘴，与炉壁法线夹角为80°，与钢液面水平夹角为5°。气体流量采用分时段控制方法进行
I)在冶炼前保持中心喷管喷吹CO2，流量为400 Nm3/h，环缝喷吹N2，流量为50 Nm3/h。2)冶炼开始(T6min，中心喷管喷吹O2与CO2混合气体，O2与CO2比例为1: 1，总流量为600 Nm3/h，环缝Ar流量为100 Nm3/h。3) 6 lOmin，中心喷管喷吹O2与CO2混合气体，O2与CO2比例为1: 1，总流量为900NmVh，环缝 Ar 流量为 150 Nm3/h。4)l(Tl7min，中心喷管喷吹02与0)2混合气体，02与0)2比例为4:1，总流量为1200NmVh，环缝 Ar 流量为 150 Nm3/h。5)17mirT38min，中心喷管喷吹O2与CO2混合气体，O2与CO2比例为4:1，总流量为1500 Nm3/h，环缝停止喷吹Ar，改喷吹CIV流量为180 Nm3/h。
6)冶炼结束后，中心喷管停止喷吹O2与CO2混合气，单独喷吹CO2，流量为400 Nm3/h,环缝停止喷吹CH4,改喷吹N2流量为50 Nm3/h。根据不同入炉铁水和废钢比例，冶炼过程中稳定连续可调节氧气、二氧化碳、天然气和氩气的压力和流量。采用本发明后，脱碳速度达到250ppm/min，冶炼周期缩短9%。
权利要求
1.一种电弧炉炼钢埋入式吹氧脱碳工艺及控制方法，其特征是在电弧炉内将氧化性气体及保护气体，采用单一气体喷吹或混合气体喷吹方式，通过双流道或单流道喷嘴产生的高速气流，吹入熔池的氧能直接与碳元素发生反应；喷吹气体直接从埋入钢液一定深度的喷嘴喷出，喷嘴采用双流道喷管稳定连续喷吹；氧化性气体为氧气或二氧化碳，喷吹流量为10(T3500Nm3/h，根据脱碳工艺要求，分时段控制气体流量和比例；保护气体为二氧化碳、天然气、氮气、氩气或其他惰性气体，分时段控制气体流量，按比例混合喷吹，喷吹流量为I (Tl OOONmVh。
2.如权利要求I所述一种电弧炉炼钢埋入式吹氧脱碳工艺及控制方法，其特征是采用氧化气体流量及保护气体流量分时段控制控制吹氧脱碳， (O :氧化性气体02，保护气体:N2 *Ar ； 电弧炉冶炼过程中，在冶炼开始前中心喷管保持喷吹N2或Ar，流量为10(T800 Nm3/h，环缝喷吹N2或Ar气体流量为1(T300 Nm3/h，起到保护喷头，防止喷头烧损、堵塞； 冶炼初期，因金属液温度低，脱碳速度控制在一定值，中心喷管喷吹O2流量为10(Γ800Nm3/h,环缝喷吹N2或Ar气体流量为20 500 NmVh ； 冶炼中期为高速脱碳期，中心喷管喷吹O2流量为100-3500 Nm3/h，环缝喷吹N2*Ar气体流量为50 1000 NmVh ； 冶炼末期，需控制脱碳速度，保证终点碳含量，中心喷管O2流量为200-1500 NmVh,环缝喷吹N2或Ar气体流量为2(T500 Nm3/h ； (2)、氧化性气体02和CO2，保护气体C02、N2或Ar， 电弧炉冶炼过程中，在冶炼开始如中心嗔管保持嗔吹CO2,流量为100 800 Nm3/h,环缝喷吹C02、N2或Ar气体流量为1(T300 Nm3/h，起到保护喷头，防止喷头烧损、堵塞； 冶炼初期，因金属液温度低，脱碳速度控制在一定值，中心喷管混合喷吹O2和CO2,混合气体中O2与CO2比例为I: I 1: 5，气体总流量为100-800 Nm3/h，环缝喷吹C02、N2或Ar气体流量为20 500 NmVh ； 冶炼中期为高速脱碳期，中心喷管混合喷吹O2和CO2,混合气体中O2与CO2比例为I: I 1: 5，混合气体总流量为100-3500 Nm3/h,环缝喷吹C02、N2或Ar气体流量为50 1000Nm3/h ； 冶炼末期，需控制脱碳速度，保证终点碳含量，中心喷管单混合喷吹混合喷吹O2和CO2,混合气体中O2与CO2比例为2: f 8:1，气体总流量为200-1500 Nm3/h，环缝喷吹C02、N2 *Ar气体流量为20 500 NmVh ； (3)、氧化性气体02，保护气体CH4、N2或Ar， 电弧炉冶炼过程中，在冶炼开始前中心喷管保持喷吹CH4、N2或Ar，气体流量为10(Γ800Nm3/h,环缝喷吹CH4、N2或Ar等惰性气体流量为1(T300 Nm3/h，起到保护喷头，防止喷头烧损、堵塞； 冶炼初期，因金属液温度低，脱碳速度控制在一定值，中心喷管喷吹O2流量为100-800Nm3/h,环缝喷吹CH4、N2或Ar气体流量为20 500 NmVh ； 冶炼中期为高速脱碳期，中心喷管喷吹O2流量为100-3500 NmVh,环缝喷吹CH4、N2或Ar气体流量为50 1000 NmVh ； 冶炼末期，需控制脱碳速度，保证终点碳含量，中心喷管O2流量为200-1500 NmVh,环缝喷吹CH4、N2或Ar气体流量为2(T500 NmVh ； (4)、氧化性气体02和CO2，保护气体:C02、CH4、N2或八!·， 电弧炉冶炼过程中，在冶炼开始如中心嗔管保持嗔吹CO2,流量为100 800 Nm3/h,环缝喷吹C02、CH4, N2或Ar气体流量为1(T300 Nm3/h，起到保护喷头，防止喷头烧损、堵塞； 冶炼初期，因金属液温度低，脱碳速度控制在一定值，中心喷管混合喷吹O2和CO2,混合气体中O2与CO2比例为I: I 1: 5，气体总流量为20-500 Nm3/h ;环缝喷吹CO2, CH4、N2或Ar气体流量为20 500 NmVh ； 冶炼中期为高速脱碳期，中心喷管混合喷吹O2和CO2,混合气体中O2与CO2比例为I: I 1: 5，气体总流量为100-3500 Nm3/h ;环缝喷吹CO2, CH4、N2或Ar气体流量为50 1000Nm3/h ； 冶炼末期，需控制脱碳速度，保证终点碳含量，中心喷管单混合喷吹混合喷吹O2和CO2,混合气体中O2与CO2比例为2: f 8:1，气体总流量为200-1500 Nm3/h ;环缝喷吹C02、CH4、N2或Ar气体流量为20 500 Nm3/h。
3.如权利要求I或2所述一种电弧炉炼钢埋入式吹氧脱碳工艺及控制方法，其特征是中心喷管内径尺寸为3-20mm，环缝管内径10_30mm ;喷嘴的中心管为直管喷嘴，喷嘴材料采用钨铜合金、不锈钢、铬质或刚玉质管材加工制造。
4.如权利要求I或2所述一种电弧炉炼钢埋入式吹氧脱碳工艺及控制方法，其特征是根据电弧炉冶炼吨位选用21支喷枪，喷枪自炉壁深入熔池5 25_，位置位于炉门及出钢口两侧的任何位置，埋入式喷嘴与炉壁法线夹角为5 80°，如安装在底部为垂直于炉底。
5.如权利要求I或2所述一种电弧炉炼钢埋入式吹氧脱碳工艺及控制方法，其特征是本发明应用于5 300t电弧炉炼钢的供氧脱碳工艺。
全文摘要
本发明属于钢铁冶金技术领域，特别涉及到电弧炉炼钢吹氧脱碳工艺。本发明采用电弧炉埋入式吹氧直接脱碳方式，即将供氧用喷嘴安装在钢液面以下，从熔池的下方喷入氧化性气体，实现快速、可控脱碳。采用氧化气体流量及保护气体流量分时段控制控制方法，喷嘴采用双流道喷管，喷嘴材料采用钨铜合金、不锈钢、铬质或刚玉质管材制造。喷嘴中心管气体(氧气、二氧化碳)流量为100-3500Nm3/h，压力为0.2-0.8MPa；环缝气体(二氧化碳、天然气、氮气或氩气等惰性气体)流量为10-1000Nm3/h，压力为0.1-0.45MPa。与通常的吹氧方式比，氧直接与钢液中碳元素接触，保证脱碳反应的速度和可控性。
文档编号C21C5/52GK102628094SQ20121010896
公开日2012年8月8日 申请日期2012年4月16日 优先权日2012年4月16日
发明者冯小明, 刘福海, 朱荣, 苏荣芳, 董凯, 陈三芽 申请人:冯小明, 朱荣