CN102732668B - 一种预热氧气提高射流速度的吹氧炼钢方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于冶金技术领域，涉及一种预热氧气提高射流速度的吹氧炼钢方法。氧气从常温管道流入预热系统，通过炼钢的高温烟气、或电加热及燃料燃烧系统产生的热量预热氧气，氧气温度通过调节热量输入量进行控制，预热后的氧气利用氧枪喷头产生的超音速射流进行喷吹炼钢。本发明的特点在于对氧气进行预热，通过氧枪喷吹被预热的高温氧气，可显著增加氧气的射流速度，达到增强搅拌效果、改善熔池反应的动力学条件、和提高氧枪喷头寿命的目的。本发明适用于30-200吨电弧炉和30-350吨转炉炼钢工艺，与传统炼钢过程相比，脱碳及脱磷速度明显改善，冶炼周期缩短2分钟以上，金属收得率提高1%以上，渣料消耗减少10%。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种预热氧气提高射流速度的吹氧炼钢方法。
背景技术
吹氧是转炉、电弧炉炼钢过程中的重要工艺手段，由于高压氧气管道阻力、能量转换等因素的限制，马赫数设计在2.3以下，多数控制在1.4-2.1之间。因此炼钢过程存在氧气有效喷吹距离相对较短、氧气搅拌强度受到限制、熔池成分和温度均匀较慢等缺点。
通常常温氧气喷吹至熔池中的氧气射流温度低至213K（-60℃）以下，与高温熔池发生热量交换导致高温熔池的热量损失约占熔池内铁水总物理显热的3-6%，同时，氧气射流进入炼钢炉经历了“加热—反应”的过程，降低了钢渣反应速度。
本发明提出一种采用预热氧气提高射流速度的吹氧炼钢方法，利用烟气余热、电加热或燃料燃烧等加热方式预热氧气，提高氧枪出口温度、实现射流速度增加，达到增强搅拌强度，增加喷头寿命的目的；同时减少炼钢过程中热量损失及渣料熔化时间，促进化渣，为熔池反应提供良好条件。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高氧枪出口射流速度和有效射流长度、增强熔池搅拌强度、缩短冶炼周期的预热氧气的吹氧炼钢方法。
本发明的原理是：通过预热氧气，氧枪出口处射流速度提高，射流长度增加。气流中任一指定点的速度与当地气流中声速之比叫做该点气流的马赫数，以Ma表示：
式中，K常数，T为绝热温度。对于氧气来说，
设计氧枪时是根据拉瓦尔喷管出口马赫数进行计算的，则在保证拉瓦尔喷管出口马赫数相同的情况下，若绝热温度升高，声速越大，则喷管出口处射流速度也成比例增大，射流长度变长。如图1所示。
本发明的技术方案是：利用烟气余热加热方式、电加热、燃料燃烧加热等或多种方式协同作用，预热用于炼钢过程喷吹的氧气，预热后的氧气温度可达到500-1200K，压力为0.3-1.8MPa，高温氧气经氧枪后形成高速射流，射流长度延长，强化熔池搅拌能力，提高冶金效果。同时，高温射流可减少氧气吸收熔池热量的20-25%，高温射流作用于熔池，气体和液体分子传质系数随着温度升高而增加，反应动力学条件良好。
具体包括以下步骤：
利用氧气控制系统控制氧气流量，氧气从常温氧气管道流入预热系统，通过高温烟气管道、电加热系统或燃料燃烧系统产生的热量在预热系统内对氧气进行预热，预热后氧气温度通过调节热量来源进行控制，预热后的氧气温度达到500-1200K，压力为0.3-1.8MPa，将预热获得的高温氧气，预热后的氧气流经高温氧气管道，输送至超音速射流氧枪喷头处，利用超音速射流氧枪产生的超音速射流作用，搅拌炼钢炉熔池，促进脱磷脱碳等氧化反应的进行，有利于均匀熔池成分和温度。
预热氧气工艺可采用烟气余热加热、或电加热、或燃料燃烧加热等方式进行。将氧气从300K预热到1200K耗能约16000-55000kJ/t钢，在电加热工艺中，考虑到能量转化过程中的利用率，采用电加热的方式耗电约5-11kWh，燃料加热根据所选燃料不同，燃料消耗量存在一定变化。电加热工艺可调性好，控制精确，燃料燃烧加热工艺可快速有效预热氧气。也可采用转炉、电弧炉或其他工业炉窑的烟气余热预热氧气，达到改善冶金效果的目的。
本发明中用于炼钢生产的超音速射流氧枪内流经高温高速氧气，为控制热量损失在5%以内，以获得高速射流，氧枪外壁覆盖一层耐热耐磨材料，避免高温氧气对氧枪的侵蚀和热损。同时，高温氧气管道外部覆一层5-40mm厚的陶瓷耐热保温材料，以避免高温氧气对管壁的侵蚀和热量逸失。
本发明适用于30-200吨电弧炉炼钢过程，电弧炉炼钢可通过炉壁氧枪、炉门氧枪、顶吹氧枪或底吹喷枪喷吹经预热后的高温氧气，氧气流量为100-5000Nm3/h，根据电弧炉炼钢过程熔化、脱碳及均匀成分的需要，氧气温度控制为500-1200K，射流压力为0.2-1.3MPa。
本发明适用于30-350吨转炉炼钢过程，转炉炼钢通过顶吹超音速氧枪或侧面氧枪喷吹高温氧气，氧气流量控制在6000-80000Nm3/h，压力0.5-1.8MPa。根据转炉炼钢过程化渣、脱磷及脱碳的需要，氧气温度控制为500-1200K。由于射流速度增加，射流长度延长，使得炼钢冶炼过程中氧枪枪位控制更加灵活，减少了钢渣喷溅对氧枪和喷头的侵蚀，提高氧枪和喷头寿命。
本发明所使用的设备包括氧气控制系统（1）、常温氧气管道（2）、氧气预热系统（3）、高温氧气管道（4）、超音速射流氧枪（5）、炼钢炉（6）；氧气预热系统热量来源于高温烟气管道（7）或电加热系统（8）或燃料燃烧加热系统（9）；高温氧气管道（4）外壁覆一层耐热保温材料，避免高温氧气的热量逸失；超音速射流氧枪（5）氧枪中心管外壁采用保温材料，减少冷却水带走高温氧气的热量；燃烧室（10）中的燃料燃烧，产生的高温热量传递给燃料燃烧加热系统（9）。利用氧气控制系统（1）控制氧气流量，氧气从常温氧气管道（2）流入预热系统（3），通过高温烟气管道（7）中回收的烟气余热、电加热系统（8）或燃烧室（10）中燃料燃烧产生的热量在氧气预热系统（3）、电加热系统（8）或燃料燃烧加热系统（9）内进行热交换，预热后的氧气流经高温氧气管道（4），利用氧枪（5）产生的超音速射流作用，搅拌炼钢炉（6）中钢液，促进反应速度，完成炼钢任务。
与传统炼钢过程相比，采用本发明进行吹氧炼钢，脱碳及脱磷效率明显改善，冶炼周期缩短2分钟以上，金属收得率提高1%以上，渣料消耗减少10%。
附图说明
图1为本发明射流长度随温度变化图。
图2为用于电弧炉的预热氧气连接装置的装配图。
图3为用于转炉的预热氧气连接装置的装配图。
图2、图3中1、氧气控制系统，2、常温氧气管道，3、氧气预热系统4、高温氧气管道，5、超音速射流氧枪，6、炼钢炉，7、高温烟气管道，8、电加热系统，9、燃料燃烧加热系统，10、燃烧室。
具体实施方式：
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
（1）本发明应用在50吨电弧炉的炉壁氧枪，喷头马赫数为2，氧枪流量1500Nm3/h，压力0.8MPa。冶炼分段控制过程为：
熔化期：供氧流量为1000Nm3/h，经烟气预热后氧气来流温度可达到900K，喷头出口处射流速度可达840m/s，认为速度高于100m/s的射流对熔池搅拌效果显著，此时射流长度1.54m，增加约0.52m，熔池温度、成分快速均匀，废钢熔化时间缩短0.3-0.8分钟；
脱碳期：供氧流量为2000Nm3/h，经烟气预热后氧气来流温度可达到1200K，喷头出口处射流速度可达840m/s，认为速度高于100m/s的射流对熔池搅拌效果显著，此时射流长度2.18m，射流长度增加约0.73m，搅拌强度大，钢渣界面充分接触，脱碳反应动力学条件良好，脱碳期缩短0.7-1.2分钟，钢液温度及成分快速趋于均匀，降低炉渣铁损，提高金属收得率。
（2）本发明应用在150吨电弧炉的炉门氧枪，喷头马赫数为2，氧枪流量2500Nm3/h，压力0.8MPa。
熔化期：供氧流量为2000Nm3/h，经烟气预热后氧气来流温度可达到900K，喷头出口处射流速度可达840m/s，认为速度高于100m/s的射流对熔池搅拌效果显著，此时射流长度2.18m，射流长度增加约0.73m，熔池温度成分快速均匀，废钢熔化时间缩短0.3-0.8分钟；
脱碳期：供氧流量为3000Nm3/h，经烟气预热后温度可达到1200K，喷头出口处射流速度可达840m/s，认为速度高于100m/s的射流对熔池搅拌效果显著，此时射流长度2.65m，射流长度增加约0.89m，搅拌强度大，钢渣界面充分接触，脱碳反应动力学条件良好，脱碳期缩短0.7-1.2分钟，钢液温度及成分快速趋于均匀，降低炉渣铁损，提高金属收得率。
（3）本发明应用在100吨转炉顶吹氧枪，四孔氧枪喷头马赫数为2，流量为20000Nm3/h，单孔流量5000Nm3/h，压力0.8MPa。冶炼过程中，氧气射流经烟气预热后温度可达到800K，喷头出口处射流速度可达840m/s，认为速度高于100m/s的射流对熔池搅拌效果显著，此时射流长度超过3.24m，射流长度增加约0.94m，搅拌强度大，钢渣界面充分接触，反应动力学条件良好，脱碳期缩短0.7-1.2分钟，钢液温度及成分快速趋于均匀，降低炉渣铁损，提高金属收得率，冶炼周期缩短，氧枪及喷头寿命提高。
（4）本发明应用在300吨转炉顶吹氧枪，六孔氧枪喷头马赫数为2.10，流量为60000-62000Nm3/h，单孔流量约10000Nm3/h，压力0.8MPa。冶炼过程中，氧气射流经烟气预热后温度可达到1000K，喷头出口处射流速度可达890m/s，认为速度高于100m/s的射流对熔池搅拌效果显著，此时射流长度超过4.58m，射流长度增加约1.40m，搅拌强度大，钢渣界面充分接触，脱碳反应动力学条件良好，脱碳期缩短0.7-1.2分钟，钢液温度及成分快速趋于均匀，降低炉渣铁损，提高金属收得率，冶炼周期缩短3分钟。
Claims (5)
1.一种预热氧气提高射流速度的吹氧炼钢方法，其特征在于利用氧气控制系统控制氧气流量，氧气从常温氧气管道流入预热系统，通过高温烟气管道、电加热系统或燃料燃烧系统多种方式单独或多种方式共同产生的热量在预热系统内对氧气进行预热，预热后氧气温度通过调节热量来源进行控制，预热后的氧气温度达到500-1200K，压力为0.3-1.8MPa，将预热获得的高温氧气，预热后的氧气流经高温氧气管道，输送至超音速射流氧枪喷头处，利用超音速射流氧枪产生的超音速射流作用，搅拌炼钢炉熔池，促进脱磷脱碳等氧化反应的进行，有利于均匀熔池成分和温度。
2.根据权利要求1所述的一种预热氧气提高射流速度的吹氧炼钢方法，其特征在于，所述方法适用于30-200吨电弧炉炼钢工艺，电弧炉炼钢通过炉壁氧枪、炉门氧枪、顶吹氧枪或底吹喷枪喷吹高温氧气，氧气流量为100-5000Nm3/h，根据电弧炉炼钢过程熔化、脱碳及均匀成分的需要，氧气温度控制为500-1200K，射流压力为0.3-1.8MPa。
3.根据权利要求1所述的一种预热氧气提高射流速度的吹氧炼钢方法，其特征在于，所述方法适用于30-350吨转炉炼钢工艺，转炉炼钢通过顶吹或侧吹超音速高温氧气，氧气流量控制在6000-80000Nm3/h，根据转炉炼钢过程化渣、脱磷及脱碳的需要，氧气温度控制为500-1200K，射流压力为0.5-1.8MPa。
4.根据权利要求1所述的一种预热氧气提高射流速度的吹氧炼钢方法，其特征在于，所使用的设备包括氧气控制系统（1）、常温氧气管道（2）、氧气预热系统（3）、高温氧气管道（4）、超音速射流氧枪（5）、炼钢炉（6）；氧气预热系统热量来源于高温烟气管道（7）或电加热系统（8）或燃料燃烧加热系统（9）；高温氧气管道（4）外壁覆一层耐热保温材料，避免高温氧气的热量逸失；超音速射流氧枪（5）氧枪中心管外壁采用保温材料，减少冷却水带走高温氧气的热量；燃烧室（10）中的燃料燃烧，产生的高温热量传递给燃料燃烧加热系统（9）。
5.根据权利要求1所述的一种预热氧气提高射流速度的吹氧炼钢方法，其特征在于，利用氧气控制系统（1）控制氧气流量，氧气从常温氧气管道（2）流入氧气预热系统（3），通过高温烟气管道（7）中回收的烟气余热、电加热系统（8）或燃烧室（10）中燃料燃烧产生的热量在氧气预热系统（3）、电加热系统（8）或燃料燃烧加热系统（9）内进行热交换，氧气温度通过调节热量来源进行控制，预热后的氧气流经高温氧气管道（4），利用超音速射流氧枪（5）产生的超音速射流作用，搅拌炼钢炉钢液，促进反应速度，完成炼钢任务。
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