电弧炉炼钢中终点控制的机理及应用

郭迪先

摘 要：电弧炉炼钢是冶炼高品质特殊钢材的主要炼钢方法之一，应用这项技术能够为我国的国防军事、交通制造等领域的提供重要的原材料。但是，长期以来，电弧炉炼钢技术一直存在生产周期长、投入成本高、钢材质量差等缺陷，为了有效解决这一问题，炼钢领域的研发团队经过不懈努力，实现了电弧炉炼钢中终点控制技术的突破，为我国成为世界制造强国的目标做出了巨大贡献。本文将围绕电弧炉炼钢中终点控制的机理以及实际应用效果展开全面论述。

关键词：电孤炉；炼钢；终点控制；机理；应用

电炉炼钢中终点控制流程较为复杂，涉及到的物理及化学反应原理较多，在炼钢过程中，终点控制往往受到钢种以及废钢料属性变化的影响，加大了电炉炼钢的投入成本，降低了产出钢材质量。而应用碰撞學理论，建立一个完整的终点控制模型，结合matlab的模型仿真技术对电炉炼钢的终点进行预测和控制，不仅能够保证废钢原料完全熔清，同时也降低了能源与原料消耗，为炼钢企业创造更多的经济效益。

一、建立终点碳控制模型

建立一个终点控制的静态模型对于中小型的电弧炉来说，切合实际、易于实现，在静态模型的建立必须遵循统计学与理论知识相结合的原则，才能借助于静态模型了解和掌握电弧炉炼钢中终点控制机理。

（一）电弧炉的脱碳原理

电弧炉炼钢全过程的起始点从电弧炉通电开始，到熔炼原料熔尽熔清为止，在原料熔炼过程中，对钢材的纯净度要求较高，通常情况下，钢材内部的含碳量应小于等于0.2%，因此，吹氧脱碳过程至关重要。当氧气进入钢熔液当中，与钢铁中的铁元素发生化学反应，生成氧化铁，氧化铁与碳发生化学反应，碳被间接氧化[1]。氧化反应的基本原理是，氧气以泡状形态在钢熔液中扩散，同时与原料中的游离碳发生反应，而泡状氧气四周的氧化铁也与碳发生直接反应，最终产物进入到气泡当中，此时，氧化铁继续向四周扩散，使钢熔液中的氧含量升高。

而碳的氧化不仅仅发生单一的化学反应，同时也会在钢熔液当中发生其它化学反应，这是因为碳在氧化过程中，产生一氧化碳气体，而一氧化碳气体仍然以气泡形态存在，这就使得自身体积大过钢铁熔体的体积，进而提升了反应速率以及熔池的温度，这对提高钢材的纯度与质量起到积极的促进作用。

在电弧炉炼钢过程中，不是所有的碰撞都会发生化学反应，只有一个分子本身的能量巨大，演变成为活化分子，而这些活化分子在符合标准要求的取向上发生的碰撞作用，才能发生化学反应。钢熔池内的熔液浓度越高，单位体积内，所产生的活性分子数量越多，发生碰撞化学反应的几率也越大。随着碰撞化学反应次数的增加，炼钢过程中的反应速率也随之加大。此外，电弧炉内的温度升高，也能加快分子运动速度，这也化学反应速率提升的一个重要原因。由此可知，钢熔液的温度越高，供氧量越大，钢熔液的脱碳反应速度越快，脱碳效果越好。

（二）构建脱碳静态模型

脱碳静态模型的构建需要对脱碳速度进行分析，反应初期，炉内温度较低，脱碳速度缓慢，当钢熔液中的含碳量处于0.1%以上时，可以界定为脱碳反应中期，而到了脱碳后期，随着钢熔液中含碳量的降低，脱碳速度也随之下降。

在低温状态下，不满足脱碳速率恒定要求的温度值，此时，电弧炉内的原料处于熔化期，氧化作用不明显，随着时间的推移，炉内温度逐渐升高，氧气供给充足，含碳量未能达到极限值，此时脱碳速度处于恒值状态，用反应式可以表示为。

在脱碳氧化中期，不计过渡过程，并且供氧量在单位时间保持恒定值，随着钢熔液当中的含碳量降低以及温度的逐步升高，脱碳速率可以简化为式2的形式。

脱碳氧化后期，氧气供给量与温度值处于饱和状态，此时，碳的传质环节限制了脱速度，反应公式为：

将脱碳氧化的中期与后期公式结合到一起，能够得出脱碳速度的近似公式。

通过式4，利用取倒数的方法，能够求解出电弧炉炼钢全过程所消耗的氧气量，计算公式如下：

根据式5可以设定a0的值为0， a1的值为1， a2的值为0.1，此时采用matlab的仿真模型，能够得出脱碳速率的模型，如图1所示。

二、电弧炉炼钢中终点控制模型的实际应用

在脱碳氧化中期，由于钢熔液中的含碳量降低，反应温度升高，此时，根据计算公式能够确定脱碳速率为恒定值。设定a0的数值为0.3、a1的数值为1， a2的数值为1.53，根据设定的具体数值，能够得出钢熔液中含碳量的变化趋势预测曲线，如图2所示。

研发团队根据电弧炉炼钢中终点碳控制静态模型，掌握了脱碳速率的变化原理，同时，采取了以下应对策略，应用于炼钢过程中。

以含碳量作为临界指标，氧气的供给量与电弧炉内的温度值能够控制炼钢熔液中的含碳量。氧气供给量与温度值升高，脱碳速率也相应提高，反之，脱碳速率也随之降低。钢熔液中的含碳量降低到一定数值时，钢熔液中的需氧量急速上升，而此时，为了保持钢熔液中的碳平衡，对渣体中的需氧量也快速攀升，因此，为了使脱碳速度不变，保持恒定值，就必须增加氧气的供给量[2]。

脱碳氧化初期，要想降低钢中的含氧量，就必须控制好出钢温度，因为此时碳与氧的反应过程将放出大量的热量，而使炉内的温度快速上升，脱碳反应逆向进行，由此可见，出钢温度的有效控制，能够降低钢熔液中溶解氧的含量。在反应末期，炉内的反应温度上升，炉渣的泡沫化形态逐渐散失，电弧外露，这时，只有合理的掌控出钢温度，降低电档位与氧气流量以及电弧的产生几率，才能确保出钢质量。

结束语：

综上，通过建立电弧炉炼钢中终点控制的静态模型，使钢熔液中的含碳量与反应温度得到有效控制，借助于该模型，不但能够掌握终点控制机理，而且在实际应用当中也收到了理想效果。

参考文献：

[1]陈庆明.电弧炉炼钢中终点控制的机理及应用[J].自动化应用，2017（6）：12-13，110.

[2]修国顺.电弧炉炼钢装备技术的发展[J].山东工业技术，2018（19）：22.