基于炉后喷粉工艺的电弧炉出钢能量平衡模型与分析

刘唆根,徐阿帆,魏光升,宋水根,刘永刚

(1．新钢特钢公司，江西 新余 338000; 2．北京科技大学 冶金与生态工程学院，北京 100083；)

电弧炉炼钢以废钢铁为主要生产原料，相比于长流程具有能耗低的优势[1-2]。为了降低电耗、提高生产节奏，现代电弧炉普遍采用强化供氧的生产模式[3-4]，导致终点钢液过氧化严重，降低钢材的强度、塑性[5]。在实际生产中往往在出钢过程中向钢包投入块状硅铁合金、硅锰合金等脱氧剂的方法进行钢液预脱氧，然而块状脱氧剂利用效率低[6]，消耗较高。科研工作者提出了电弧炉炼钢出钢过程在线喷粉技术[7-8]，该技术利用脱氧剂-载气混合射流直接冲击出钢钢流，碳质微粒与高温钢液快速接触，瞬态反应生成脱氧气泡实现无铝(硅)优先脱氧，能够提高合金收得率，减少钢中初始沉淀脱氧产物，提升产品质量。但是，采用炉后喷粉工艺对出钢过程钢水能量状况的影响并未得到研究。本文建立了电弧炉出钢过程能量平衡模型，同时结合某特钢50 t电炉的实际生产状况，对模型进行验证，并探究了炉后喷粉工艺对电弧炉出钢过程钢水能量的影响效果。

1 电弧炉出钢过程能量平衡分析

对电弧炉出钢过程进行能量模型的建立[9-10]，能量流动主要有热收入和热支出，其中，热收入主要有钢水物理热、脱氧剂热效应；热支出主要有钢水物理热，出钢辐射热，炉渣物理热，出钢对流换热。式(1)为热平衡模型总的平衡方程：

Qsteelin+Qdeo=Qsteelout+Qc+Qsc+Qh+Qsh+Qslag

(1)

式中：Qsteelin为热收入的钢液物理热，kJ；Qdeo为脱氧剂热效应，kJ；Qsteelout为热支出的钢液物理热，kJ；Qc为吨钢液对流散热量，kJ；Qsc为炉体吨钢对流换热量，kJ；Qh为吨钢液辐射散热量，kJ；Qsh为炉体外表面辐射热，kJ；Qslag为炉渣物理热，kJ。

1.1 出钢过程热收入分析

1.1.1 钢水物理热

由式(2)可以计算得到钢液熔点为

Tf=1 536-6-∑(w(i)×△Ti)

(2)

式中：Tf为钢液熔点， ℃；w(i)为钢液中元素i的质量百分比，%；△Ti为元素i使钢液凝固温度降低值， ℃。

本研究中，各元素△Ti取值见表1。

表1 各元素对钢液熔点影响值 ℃

由式(3)可以计算得到热收入的钢液物理热：

Qsteelin=Wsteel×[Cp,s×(Tf-25)+Cp,l×(T-Tf)+273]

(3)

式中：Qsteelin为热收入钢液物理热，kJ；Cp,s、Cp,l分别为钢液固相比热容和液相比热容，分别取Cp,s=0.699 kJ/(kg·K)，Cp,l=0.837 kJ/(kg·K)；T为电弧炉终点钢液温度， ℃；

1.1.2 脱氧剂热效应

脱氧剂加入钢液后，会历经升温、相变、熔解进入钢液中、与钢液中氧发生化学反应等过程，最终与熔池温度相等，脱氧剂的加入对钢液能量体系会有一定的影响。可以通过分别求出单质元素的化学反应热和物理热计算出脱氧剂的热效应。

脱氧剂物理热可以由式(4)计算得出。

Qi=mici(Tf,i-273)

(4)

式中：Qi为脱氧剂i的物理热，kJ；mi为合金加入量；ci为脱氧剂i的比热容，kJ/kg;Tf,i为脱氧剂i的初始温度。

加入脱氧剂的总的物理热可以由式(5)得到：

Qa=∑Qi=∑mici(Tf,i-273)

(5)

脱氧剂中元素j的熔化热可由式(6)计算：

(6)

式中：Qmj为脱氧剂元素j的熔化热，J；csj，cij分别为脱氧剂元素j的固相、液相比热容，J/(kg·K)；Tfj，Toj，Tsteel分别为脱氧剂元素j的初始温度，液相线温度和钢液温度，K；△Hmj为脱氧剂元素j的熔化潜热，J/kg。

脱氧剂元素熔解于钢液中的熔解热可以由式(7)计算得到

(7)

脱氧剂元素的氧化放热可由式(8)计算得到:

(8)

式中：Qoj为脱氧剂元素j的氧化反应热量，kJ；fj为脱氧剂收得率；△Hoj为脱氧剂元素j的氧化反应热，J/mol。

加入脱氧剂后总的热效应如式(9)所示:

(9)

式中：Qdeo为脱氧剂加入的总热效应，J；M为脱氧剂种类数。

1.2 出钢过程热支出分析

出钢过程能量支出主要包括钢液物理热以及出钢过程的能量耗散。其中，能量耗散主要考虑钢液流动过程的对流散热、出钢过程热辐射、以及炉渣物理热。

1.2.1 对流换热

出钢过程对流换热主要包括出钢钢流以及炉体表面与外界的对流换热。

在出钢过程中，钢液通过出钢口径直流入钢包内，可近似认为钢水在进行湍流运动，与外部空气存在对流换热。根据流体力学公式[11-12]，采用管内强制对流换热公式(10)计算其表面对流传热系数：

(10)

式中：h为流体的表面对流传热系数，W/(m2·K)；λ为钢液导热系数，取670 W/(m·K)；cp为定压比热容，取837 J/(kg·K)；d为出钢钢液柱面直径，本研究中，可看作出电弧炉出钢口直径，m;μ为动力黏滞系数，取0.006 5 Pa·s；v为钢液平均流速， m/s，由式(11)表示:

(11)

式中：G为电弧炉出钢量，t；t为出钢时间，s；出钢吨钢液对流散热量可由式(12)得到：

Qc=1 000·h·S·△t·△T

(12)

式中：Qc为吨钢液对流散热量，kJ；△T为钢液与环境温度差值,K；S为每千克钢液与空气接触面积,m2，可由式(13)计算得到；为钢液进入钢包时间，s，可由式(14)计算得到:

(13)

(14)

式中：ρ为钢液密度， 取7 200 kg/m3；hs为出钢过程出钢口与钢包液面平均距离，m。

以某特钢50 t电弧炉为例，出钢过程各参数如表2所示。

表2 出钢过程参数表

炉体外表面对流换热可由式(15)确定：

(15)

式中：Qsc为炉体吨钢对流换热量，kJ;k为系数，在本研究中取 4.88;As为炉体外表面积，m2；αd为炉体外表面与车间环境对流换热系数,W/(m2·K)；Tb、T0分别为炉体外表面温度和车间环境温度，分别取Tb=473 K，T0=302 K；当车间无横向气流流动时，炉体外表面与车间环境的对流换热系数可由式(16)得到：

αd=(Tb-T0)1/4k1

(16)

式中：k1为常数系数，取k1=2.2。联立式(15)和式(16)，可以得到出钢过程吨钢炉体对流换热为

(17)

1.2.2 辐射换热

在出钢过程中，钢水与外界存在辐射散热，主要为进入钢包中的钢水在其外部环境与上液面之间的辐射散热和炉体外表面向外的辐射换热。

由辐射公式[13-14]推导可知，钢水上液面辐射热可以采用公式18计算：

(18)

式中：Qh为吨钢液辐射散热量，kJ；ε为黑度，取0.85；τ为辐射时间，min；φ为辐射角度系数，取1；ts为电炉出钢温度，取1 620 ℃；te为环境温度，取35 ℃；A为出钢过程钢水上液面与空气的平均接触面积，m2，可由式(19)计算得出；

(19)

式中：DH、DS分别为钢包上口直径和底部直径，m;H为钢包高度，m；h1为钢液面高度，m。

50 t电弧炉出钢过程中钢包尺寸见表3。

表3 50 t电弧炉出钢过程中钢包尺寸

根据式(20)可以得到钢水上液面与空气的平均接触面积A=4.04 m2。

炉体外表面辐射散热由式(20)确定：

(20)

1.2.3 炉渣物理热

出钢过程炉渣物理热[15]可由式(21)表示

Qslag=Wslag×Cslag×(Tslag-273-25)

(21)

式中：Qslag为炉渣物理热，kJ；Wslag为炉渣质量，kg；Cslag为炉渣比热容,取0.88 kJ/(kg·K)；Tslag为炉渣温度，取1 873 K。

2 电弧炉出钢过程在线喷粉工艺应用效果

根据某特钢公司应用常规工艺和电弧炉出钢过程在线喷粉工艺的生产数据，对比分析电弧炉出钢过程在线喷粉工艺对生产指标的影响。

2.1 应用前后平均合金加入量对比

表4为应用前后合金消耗情况对比，发现应用电弧炉出钢过程在线喷粉技术后，硅铁用量从181.4 kg降低至179.8 kg，减少了1.6 kg；高碳铬铁从1 107.2 kg 降低至1 104.6 kg，减少了2.6 kg；高碳锰铁消耗从684.0 kg 降低至675.7kg，减少了2.6 kg；铝消耗由128.8 kg 降低至122.7 kg，减少了6.1 kg，合金用量均有明显的减少。

表4 应用前后合金消耗情况对比

表5为应用前后电弧炉终点和LF进站成分情况对比，发现在应用出钢过程在线喷粉工艺模式后LF进站钢液中[Si]、[Mn]和[Al]含量分别可以达到 0.26%、0.77%和0.038%，相比于传统工艺分别增加了0.01%，0.01%，0.003%，LF 进站合金元素成分有一定的提高。结合表4和表5，可以看到，应用电弧炉出钢过程在线喷粉技术后，在合金消耗减少的同时，保证了LF进站钢液成分基本稳定，出钢过程喷粉预脱氧效果明显。

表5 应用前后LF进站成分对比 %

2.2 应用前后合金回收率影响分析

两个工艺各采集200炉次数据进行分析，表6为出钢过程在线喷粉炉次和常规炉次的合金平均回收率对比情况。出钢过程在线喷粉炉次的平均硅铁、锰铁、铝的回收率分别为 89.21%，95.42%，19.36%，相比于常规炉次平均收得率分别提高了3.42%，3.05%， 4.12%。由此可见，电弧炉出钢过程在线喷粉可以有效提高合金收得率。

表6 应用前后合金平均回收率对比 %

3 结果与讨论

3.1 模型验证

图1为传统工艺和出钢过程在线喷粉脱氧工艺电弧炉出钢后温度计算结果和实际结果。可以发现应用炉后喷粉后，计算温度和实际温度波动基本在5 ℃以内，可以较好地模拟实际生产过程的能量变化。

图1 两种工艺出钢前后钢液平均温度对比图

由图1可以看出，传统工艺下，电弧炉出钢前后钢液平均温度为1 590.86 ℃，而出钢过程在线喷粉工艺下，电弧炉出钢前后钢液平均温度为1 586.10 ℃。相比传统工艺，电弧炉出钢过程在线喷粉脱氧工艺使钢液平均温度降低 4.76 ℃。

3.2 能量输入输出分析

选取工艺应用前后典型代表炉次模型计算结果，建立能量收支平衡，如图2、图3所示。

从图2和图3中可以看出，钢水物理热在两种工艺的热收入和热支出中都占有极大的比重。工艺应用前后能量变化较大的部分分别是热收入的脱氧剂热效应、热支出的炉渣物理热和钢水物理热。相比于传统工艺，出钢过程在线喷粉工艺脱氧剂热效应减少了7 494.82 kJ，炉渣物理热减少了1 374.73 kJ，热支出的钢水物理热减少了7 655.83 kJ。可以看出，出钢过程在线喷粉工艺相比于传统工艺，降低了脱氧剂热效应的热收入，这是由于新工艺的应用能够减少合金的氧化，提高了合金的收得率，减少了热支出的炉渣物理热和钢水物理热。

图2 传统工艺出钢过程能量平衡图

图3 出钢过程在线喷粉工艺能量平衡图

3.3 喷粉参数对出钢能量的影响

图4为根据典型炉次计算的电炉出钢过程钢液温降随碳粉喷入量和碳粉利用率的变化情况。可以发现，当碳粉利用率由40%提高到90%时，钢液温度随吨钢喷粉量的变化率将由-2.22降低至-13.61，说明当碳粉喷吹量一定时，出钢钢液温降随着碳粉利用率的减小而增大。当碳粉利用率一定时，出钢钢液温降随着碳粉喷吹量的增大而增大。这说明提高出钢过程喷吹碳粉利用率与喷粉量，将会提高出钢过程的能量损失。

图4 电炉出钢过程钢液温降随碳粉喷入量和碳粉利用率的变化

4 结 论

(1)建立了炉后喷粉工艺能量平衡模型，发现该模型出钢温度的计算温度和实际温度相差在5 ℃以内，能够较好的拟合实际生产过程，相比传统工艺，炉后喷粉工艺使钢液平均温度降低 4.76 ℃。

(2)相比传统工艺，炉后喷粉工艺减少了合金的氧化，提高了收得率，其脱氧剂热效应减少了7 494.82 kJ。

(3)应用炉后喷粉工艺，当碳粉喷吹量一定时，出钢钢液温降随着碳粉利用率的减小而增大。当碳粉利用率一定时，出钢钢液温降随着碳粉喷吹量的增大而增大。