电炉冶炼不锈钢工艺最优化

电炉冶炼不锈钢工艺最优化

2007年，德国粗钢产量4860万t，其中31%为电炉生产。近年来，能源和炼钢原材料价格的不断上涨，不仅引起全球的高度重视，也促进了欧洲钢铁工业界开发新的冶炼工艺以降低原材料燃料消耗和生产成本。此外，最近几年欧洲钢铁界也致力于把直接和间接CO2排放量降至最低。通过精确的工艺控制最大限度减少了原材料消耗，欧洲钢铁工业的生产成本有了显著降低。同样，通过严格而准确控制脱C，也降低了原料加工过程中CO2的间接排放。一种新的电炉炼钢工艺的出现使钢铁工业面临着新的机遇和挑战。

Deutsche Edelstahlwerke GmbH公司每年利用电炉生产不锈钢的产量较大。为了最大限度提高喷氧时碳、硅的氧化效率，并最大限度地减少铁和铬氧化造成的经济损失和环境污染。DEW公司（即Deutsche Edelstahlwerke GmbH）对硅、碳氧化与喷氧量的关系进行了研究。

虽然Ellingham图（氧势图）中的内容关于电炉冶炼不锈钢时元素氧化及化学反应，但由于电炉内有很多反应同时进行，而使问题变得复杂化。而且，元素的氧化与温度、氧气分压以及钢液与炉渣的化学成分有关。基于上述原因，以下将对各元素的复杂氧化过程进行更详细讨论。元素氧化模拟：

以冶炼工艺为基础模拟电炉喷氧期间氧化反应，且仅考虑热力学平衡条件而不考虑其它任何因素，例如不考虑传热、传质或动力学因素对模拟的影响。此外，假设模拟时温度和元素分布均匀。

热力学模拟证实，氧喷射出现三个阶段，即早期、中期和末期。喷氧的第一个临界点在早期阶段结束。中间阶段保持在第一个临界点和第二个临界点之间。硅的剧烈氧化在喷氧早期出现。当喷氧强度达4.3kgO2/t钢时，硅氧化结束。随后，钢液中硅维持在较低水平。Ellingham图表明，由于硅氧化的吉布斯能（Gibbs Energy）较低，所以硅的氧化较其它元素更容易。此外，硅的活度系数是一定值，所以随着钢液中硅活度的降低，钢液中的硅活性随之降低。实践证明，硅的低活度遵循亨利定律（Henry Law）。

在此情况下，喷氧中期C和Cr开始强烈氧化。C活性随着钢液中硅浓度的降低而增加，该结果与其它研究结果一致。第一个临界点后，当C的氧化开始减弱时，铬将强烈氧

化。到达第二临界点喷氧浓度达到18.1kgO2/t钢时，Cr将按指数规律氧化。与此同时，当C的氧化进行到第二临界点后，渣中的氧化铁含量开始增加。

该研究对硅和碳在精炼期间的强烈氧化进行了研究，表明脱碳的开始与硅强烈氧化的结束有关。如果硅的强烈氧化能够较早完成，那么强烈的脱碳将会开始。因此，第一临界点将会左移，将导致第二临界点的左移以减少氧气消耗。这时脱碳反应将提早发生，喷氧从6.6kgO2/t钢降至5.4kgO2/t钢，碳硅输入比例将增加到75%。

电炉冶炼的废气分析：

为了获得炉内元素的氧化情况，DEW公司采用废气分析法（分析废气除尘系统中废气的化学成分）以监控电炉冶炼不锈钢期间炉内元素的氧化，便于及时准确调整喷氧等工艺操作。选取了两个测量点即A点和B点进行测量和分析。A点直接固定在电炉弯头，B点固定在距弯头30m测量废气后燃烧完成的废气化学成分。

废气分析设备由水冷探针、过滤器、检测仪和信号转换器等部分组成，用于测量废气成分、温度和流动速度。废气成分如CO和CO2由红外线吸收光谱仪测定，氧气由顺磁机理测定，废气温度薄膜热电偶测定。同时将这些来自检测仪测试的废气的不同压力、温度和成分等参数进行不断地传输和记录以进行连续分析。为此，将探针安装在除尘系统中完成二次燃烧的B点。依靠测得废气的不同压力，废气流动管道的横断面积，利用修正系数对废气的体积流量和质量流量进行计算。

喷氧期间元素氧化监测：

该研究利用废气和炉渣分析结果研究精炼期间元素的氧化过程。A点废气分析证实，温度、浓度和体积流量在炉子径向分布极不均匀。因此，只有利用B点的废气分析结果才能准确监测元素的氧化。此外，利用B点的废气分析得到的CO2含量为基础监测参数有利准确监测，因为B点的CO含量接近于零值。

因为模拟仅仅以热力学平衡条件为基础，可见模拟结果和实测分析结果之间存在着明显的差别。以热力学为基础的模拟结果表明，直到第一个临界点到达时仍无碳氧化。其实，

废气分析表明，在达到第一临界点时碳的氧化虽不强烈，但早已开始。差别是因为元素氧化不仅取决于热力学条件，还与其它许多过程有关。例如，与质量和热量传输、流动机理和动力学条件等。此外，温度和元素分布不均也造成差别，特别是精炼期氧分布不均所致。实践证明，喷氧区的温度越高、喷氧浓度越高，碳的氧化越强烈。喷吹区的大小取决于氧枪位置、氧气的质量流量、钢液密度及其化学成分。

然而，模拟结果与分析结果仍然存在着相似性。例如，废气分析结果与模拟结果均指出，碳的强烈氧化发生在喷氧中期。废气分析证实同样存在着两个临界点。碳开始强烈氧化是在喷氧到达第一临界点在喷氧量为3.4kgO2/t钢之后，即相当于模拟结果的喷氧量为

4.6kgO2/t钢，硅强烈氧化末期。第二临界点在喷氧量为10.5kgO2/t钢，与模拟结果的脱碳速度开始降低、喷氧量为18.1kgO2/t钢相当。

分析表明，硅的强烈氧化是在喷氧的早期阶段。液相质量传输决定着早期喷氧阶段的脱硅速度。在此阶段，脱硅速度取决于每个反应位置的表面积（A），钢液密度（P），钢液重量（W），每一个反应位置的硅传输系数（K），钢液中的硅含量（WT%）和钢液中接近于零的硅平衡含量（WT%）。

因此，强化反应条件，例如钢液良好混合，增大硅和氧之间的接触面积是判断这个时期钢液脱硅速度的重要条件。

中期脱碳速度与喷氧量成线性关系，因为这时的脱碳速度受化学反应控制。喷氧量达到第二个临界点后，脱碳速度随着喷氧量的增加而降低。这说明过剩氧量的脱碳作用很小，这是由于碳在钢液中的浓度降到临界点以下，使碳的活性已经变得很低的缘故。末期脱碳速度降低是由于钢液中碳含量的降低，这是脱碳动力学驱动力不足的原因。

末期，碳的质量传输控制脱碳。脱碳速度取决于钢液中的含碳量，特殊反应位置的质量传输系数（K）以及接近于零的平衡碳含量。

在缺碳条件下，氧气氧化铬和铁。这时可减少10%的喷氧量，即相当于降低氧消耗1.5kgO2/t。

脱碳末期，可喷入氩气促使钢液内部良好混合以强化脱碳。此外，喷入氩气还可降低钢液中的平衡碳浓度水平，提高脱碳速度。

到达第二临界点后停止喷氧，可节约氧气的消耗，还可使铁和铬的氧化降至最低。因为脱碳末期FeO和Cr2O3的生成变得更强烈。通过回归分析后发现，直线截距为0.7kg/t 可知，虽然早期和中期铁的氧化不严重，但已经开始氧化。末期开始前，由于Cr2O3回归直线的截距较高（12.3kg/t，可见这时铬的氧化比铁氧化更强烈，计算结果也与模拟结果一致。

实践与分析指出，铬的氧化与铁略有不同。即铁氧化表明渣中一氧化铁含量与末期喷氧过剩量之间存在着关系。有研究报导，钢液中铬的活性与钢液中铬的含量成非线性关系。超过最佳铬含量，铬的活性与铬在钢液中的含量成负相关。

在第二临界点中止，喷氧不仅可防止铬和铁的进一步氧化，还可使铬被钢渣界面间的一氧化铁氧化造成的损失减至最小，同时改善氧化铬的还原效率。

永久性的废气分析装置：

通过在电炉除尘系统中安装永久性废气分析装置，成功开发了一套动态实时工艺控制装置。它可将在B点的废气中的CO2含量，直观地显示在计算机屏幕上，以便到达第二临界点后。B点的CO2含量显示降低时电炉操作者能够及时中止喷氧。此系统除了可用于电炉，还可用于其它与此相关的脱碳工艺，例如，还可用于氧气顶吹转炉（BOF），氩氧脱碳炉（AOD）和真空吹氧脱碳炉（VOD）。

应用废气分析系统可直接减少铁和铬的氧化，提高金属收得率，增加钢产量，有利于降低吨钢电耗，节约氧气，减少石灰和硅铁用量。

DEW钢厂在热力学模拟实验和炉渣、钢液与废气分析的基础上，成功开发出一套用于电炉炼钢监测炉内各元素氧化的废气分析装置。实验证明，它不仅可监测和掌控炉内元素氧化，且能使炉子冶炼不锈钢时实现最大的硅、碳氧化和最小的铁、铬氧化。从而有效缩短冶炼时间，喷氧时最大限度减少贵重金属损失，有利于增加金属收得率和炉子生产率，全面提高电炉冶炼不锈钢的经济效益。