CN103468863A - 电弧炉顶底吹炼系统和采用该系统的冶炼工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电弧炉顶底吹炼系统。所述电弧炉顶底吹炼系统包括电炉顶吹氧枪系统及底吹搅拌系统，所述电炉顶吹氧枪系统设置在电弧炉的上方并从上方以超音速向电弧炉内钢水的表面喷射氧气流，所述底吹搅拌系统设置在电弧炉的下方并从底部对电弧炉内的钢水进行搅拌和通气。本发明还提供一种采用电弧炉顶底吹炼系统的冶炼工艺。本发明的电弧炉顶底吹炼系统及工艺中，顶吹氧枪吹氧、脱碳、升温，底吹搅拌系统加速熔池传热、传质，改善了冶金反应条件，提高氧气利用率、提高金属收得率、改善钢水质量等功效。

Description

电弧炉顶底吹炼系统和采用该系统的冶炼工艺

【技术领域】

本发明涉及冶金领域，尤其涉及一种电弧炉吹炼系统以及一种采用该系统的冶炼工艺。

【背景技术】

在电弧炉炼钢生产过程中，吨钢能耗偏高是炼钢企业目前存在的难题之一。为了降低吨钢能耗，一般都是采用增加氧气的输入量，来提高电弧炉燃烧效率，从而节能降耗，因此吹氧是电弧炉炼钢过程中的重要工艺手段。

现有电炉炼钢工艺中，主要以电炉送电、炉壁氧枪及炉门氧枪吹炼为主的冶炼工。在市场废钢价格与铁水价格相当的情况下，这种工艺成本明显高于转炉炼钢成本。近年来广泛发展的电弧炉铁水热装工艺及电炉转炉化工艺，虽然比原有的电弧炉生产工艺在成本上有明显的降低，但其成本仍然远远高于转炉炼钢成本。

现有比较广泛应用的电炉转炉化工艺中，也主要以电炉炉门氧枪及炉壁氧枪为主要吹炼形式。电炉壁氧枪由于距离钢水液面较高，氧气流的射流搅拌强度有点不足，氧气利用率不高。炉壁氧枪位置固定，无法适应炉衬炉底侵蚀后的钢水液面的变化。而且炉门氧枪供氧能力要求略低，角度固定，反应区域小，枪头易漏水，易造成炉壁和炉盖上废钢的喷溅，影响冶炼时间并造成大沸腾等安全事故。

【发明内容】

有鉴于此，实有必要提供一种电弧炉顶底吹炼系统，其从电弧炉顶部向电弧炉内吹氧并从电弧炉底部对电弧炉内的钢水进行通气搅拌，克服了现有技术中的炉门氧枪或炉壁氧枪吹炼系统所存在的不足。

一种电弧炉顶底吹炼系统，所述电弧炉吹炼系统包括电炉顶吹氧枪系统及底吹搅拌系统，所述电炉顶吹氧枪系统设置在电弧炉的上方并从上方以超音速向电弧炉内钢水的表面喷射氧气流，所述底吹搅拌系统设置在电弧炉的下方并从底部对电弧炉内的钢水进行搅拌和通气。

在其中至少一个实施例中，所述顶吹氧装置包括顶吹氧枪、夹枪装置、氧气管道、氧枪支撑横臂、升降立柱、测距仪以及氧气阀门调节站，所述顶吹氧枪连接所述氧气管道，所述氧气管道连接至所述氧气阀门调节站，夹枪装置设置在氧枪支撑横臂上，所述氧枪支撑横臂下方设有所述升降立柱，所述测距仪设在所述升降立柱的一侧，所述顶吹氧枪处于电弧炉的中心线轴线上。

在其中至少一个实施例中，所述顶吹氧枪的氧枪头采用多喷嘴非均匀非对称布置，所述氧枪头采用六个至十二喷嘴且每个所述喷嘴流量均不一样，所述喷嘴的马赫数在1.6～2.3之间，所述顶吹氧枪为水冷氧枪结构，所述顶吹氧枪的中心层为氧流通道，所述顶吹氧枪的中间及外层分别为出进水通道，所述电炉顶吹氧枪系统进一步包括冷却水管，所述冷却水管分别连接至所述顶吹氧枪和所述夹枪装置为其冷却散热。

在其中至少一个实施例中，所述测距仪设置在所述升降立柱上远离电弧炉的一侧，所述测距仪外设置有水冷防护盒。

在其中至少一个实施例中，所述底吹搅拌系统包括透气砖、搅拌气体管道、透气砖检测管道以及气体阀门调节站，所述搅拌气体管道连接所述透气砖与所述气体阀门调节站，所述透气砖检测管道连接所述透气砖的侵蚀检测通道与所述气体阀门调节站。

在其中至少一个实施例中，所述透气砖采用镁碳砖高压成形，所述透气砖内设置有小口径不锈钢管使电弧炉内的钢水不会渗漏到所述透气砖内，所述透气砖除设置有与所述透气砖检测管道连接的侵蚀检测通道，在所述透气砖侵蚀到设定的厚度时检测气体通过所述侵蚀检测通道，所述气体阀门调节站接收到检测气体通过所述侵蚀检测通道的信号并传送以报警。

在其中至少一个实施例中，所述底吹搅拌系统所吹出的搅拌气体包括氮气和氩气，在冶炼的前期及中期采用氮气搅拌，在冶炼的后期及出钢期采用氩气搅拌，所述气体阀门调节站调节底吹搅拌气体流量以及氮气和氩气的切换。

有鉴于此，实有必要提供一种采用电弧炉顶底吹炼系统的冶炼工艺，其从电弧炉顶部向电弧炉内吹氧并从电弧炉底部对电弧炉内的钢水进行通气搅拌，克服了现有技术中的炉门氧枪或炉壁氧枪吹炼系统所存在的不足。

一种采用电弧炉顶底吹炼系统的冶炼工艺，包括以下步骤：采用80～95%的铁水、5～20%的废钢为原料，辅以冶金溶剂和造渣剂，加入电弧炉中；通过顶吹氧枪从上方向电弧炉内射入氧气流；底吹搅拌系统不间断从底部向电弧炉内吹氮气或氩气进行搅拌；出钢完成电弧炉冶炼。

在其中至少一个实施例中，在所述向电弧炉中加入造渣剂的步骤中，生烧石灰的加入量约为每吨钢水中加入20～30公斤，白云石的加入量约为每吨钢水中加入2～5公斤；所述工艺进一步包括以下步骤：根据电弧炉内冶炼情况，再分次往电弧炉中加入造渣剂，如果泡沫渣过高则加入生烧石灰，如果炉渣中氧化镁含量过低则加入白云石或镁球。

在其中至少一个实施例中，所述工艺进一步包括以下步骤：根据电弧炉内情况调节顶吹氧枪系统中的顶吹氧枪的枪位及吹氧流量，如果炉渣中的氧化氩铁含量过低，则通过升降立柱和测距仪的显示来升高增加枪位冶；根据电弧炉内的情况调整底吹搅拌系统中吹气的流量及搅拌的强度，冶炼前期碳氧反应强烈时底吹搅拌系统采用小流量搅拌，冶炼中后期碳氧反应强度较低时底吹搅拌系统增加透气搅拌强度。

本发明的电弧炉顶底吹炼系统及其冶炼工艺中，其从电弧炉顶部向电弧炉内吹氧并从电弧炉底部对电弧炉内的钢水进行通气搅拌，克服了现有技术中的炉门氧枪或炉壁氧枪吹炼系统所存在的不足。其中，顶吹氧枪吹氧、脱碳、升温，底吹搅拌系统加速熔池传热、传质，改善了冶金反应条件，提高氧气利用率、提高金属收得率、改善钢水质量等功效。

【附图说明】

图1为采用本发明的较佳实施例电弧炉顶底吹炼系统的结构示意图。

图2为采用图1中的电弧炉顶底吹炼系统的冶炼工艺流程图。

【具体实施方式】

为更好地理解本发明，以下将结合附图和具体实例对发明进行详细的说明。

根据现有技术中存在的不足，本发明提供一种电弧炉炼钢设备使用的顶底吹炼系统及冶炼工艺，是一种全新的不消耗电能的电炉吹炼系统及工艺。

请结合参阅图1，本发明的优选实施例的电弧炉吹炼系统包括电炉顶吹氧枪系统100及底吹搅拌系统200，电炉顶吹氧枪系统100设置在电弧炉300的上方，以超音速向电弧炉300内的钢水的表面喷射氧气流，底吹搅拌系统200设置在电弧炉300的下方，对电弧炉300内的钢水进行搅拌和通气。

在电弧炉吹炼系统中，顶吹氧装置100包括顶吹氧枪110、水冷夹枪装置120、冷却水管130、氧气管道140、氧枪支撑横臂150、升降立柱160、测距仪170以及氧气阀门调节站180。顶吹氧枪110连接有氧气管道140，氧气管道140连接至氧气阀门调节站180。水冷夹枪装置120设置在氧枪支撑横臂150上，氧枪支撑横臂150下方设有升降立柱160。冷却水管130分别连接至顶吹氧枪110和水冷夹枪装置120，为其冷却散热。测距仪170设在升降立柱160的一侧。

顶吹氧枪110的氧枪头采用多喷嘴非均匀非对称布置，采用六个至十二喷嘴，每个喷嘴流量均不一样。喷嘴的马赫数在1.6～2.3之间，根据熔池深度及炉壳直径不同设计而定，对应电弧炉300炉体的不同部位，使电弧炉每个重要的角度均可以相应的冲击深度及循环比。顶吹氧枪110为水冷氧枪结构，中心层为氧流通道，中间及外层分别为出进水通道，枪身结构与转炉氧枪类似。

水冷夹枪装置120是专门针对电弧炉结构特点而设计夹枪机构，使氧枪处于电弧炉300中心线轴线上而不是电极中心线。夹枪装置120的另一端直接座落于氧枪支撑横臂150，操作电弧炉自带的电极夹紧装置即可以将氧枪110及夹枪装置120固定，达到快换氧枪的目的。夹枪装置120采用水冷结构，使其在冶炼过程中不容易损坏。夹枪装置120利用电弧炉自带的电极夹紧装置来夹紧或松开夹枪装置的，从而固定或松开氧枪110。

冷却水管130包括顶吹氧枪110的冷却用水管及水冷夹枪装置120的冷却水管，具有间隔相连的固定钢管及金属软管，分别连接顶吹氧枪110的冷却水管、水冷夹枪装置120的冷却水管与冷却水输送口。

氧气管道140是顶吹氧枪110吹炼氧气的输送管道，具有间隔相连的固定钢管及金属软管，以连接顶吹氧枪110和氧气阀门调节站180的氧气输送口。

氧枪支撑横臂150是用来支撑顶吹氧枪110及水冷夹枪装置120的支撑装置。根据电弧炉结构特点，可以直接使用电弧炉自带的电极夹紧装置来夹持水冷夹枪装置，从而夹紧顶吹氧枪110。

升降立柱160是用来操作氧枪支撑横臂150升降的，带动氧枪110升降，从而控制氧枪110的枪位。升降立柱160可以使用电弧炉自带的B相立柱升降装置及升降油缸，利用液压系统升降装置控制其升降及升降速度。

测距仪170是用来测量氧枪110的位置的装置，在冶炼过程中控制氧枪110的各个过程的冶炼枪位。测距仪170设置在升降立柱160的背火面（远离电弧炉300的一侧）上。因为冶炼过程中温度及辐射很强，测距仪170外设置有水冷防护盒，将外部的温度及辐射隔离开来，同时防止冶炼过程的喷溅对测距仪170的损坏。

氧气阀门调节站180的主要功能是对顶吹氧枪110的氧气流量进行调节、对压力进行检测和控制以及对动力气源控制调节。氧气阀门调节站180是一个高度集成的功能单元，具有双重快速切断、压力保护、回火防护等多重安全保护。

在电弧炉吹炼系统中，底吹搅拌系统200包括专用透气砖210、搅拌气体管道220、透气砖检测管道230以及气体阀门调节站240。

专用透气砖210是电弧炉底吹搅拌系统的执行元件，采用高质量的镁碳砖高压成形，保证其不低于电弧炉300的炉衬和炉底的寿命。透气砖210内设置有小口径不锈钢管，保证在通气的情况下电弧炉300内的钢水不会渗漏到透气砖210内。透气砖除210了透气性外，还设置有侵蚀检测通道（未标示）。在透气砖210还没有侵蚀到设定的厚度时，检测气体不通；一旦侵蚀到指定的厚度，检测气体通过，通过设置在气体阀门调节站240上的流量检测装置，将信号送到工作站并报警。基于此，操作人员可以据此安排在一段时间内更换炉体。

搅拌气体管道220是电炉底吹搅拌系统200的连接元件，其功能是将透气砖210与气体阀门调节站240连接起来。搅拌气体管道220具有间隔相连的固定钢管及金属软管，以将透气砖210与气体阀门调节站240进行连接。

透气砖检测管道230是连接透气砖210的侵蚀检测通道与气体阀门调节站240的检测阀站之间的连接元件。透气砖检测管道230具有间隔相连的固定钢管及金属软管，以将透气砖210的侵蚀检测通道与气体阀门调节站240的检测阀站进行连接。

气体阀门调节站240是用来调节电弧炉底吹搅拌气体流量、氮氩切换、透气砖侵蚀检测等功能，是底吹搅拌系统200的控制及检测系统。

电弧炉吹炼系统还包括可编程控制器和人机操作工作站（图未示）。顶吹氧装置100与底吹搅拌系统200之间均与可编程控制器相连接，可编程序控制器控制、检测、调节氧枪及搅拌气体的流量，以及对其它所有需要动作的控制来完成所需要的所有动作。人机操作工作站是操作人员与设备系统进行交互的界面平台，人机操作工作站与可编程控制器相连，数据的检测和显示以及对整个系统的管理都是通过人机操作工作站来完成。更具体地说，氧气阀门调节站180和气体阀门调节站240都连接到可编程控制器和人机操作工作站进行集中控制和管理。

综上所述，本发明的电弧炉顶底吹炼系统至少具有以下优点：

（1）顶吹氧枪110的氧枪头采用多孔非均匀非对称布置，根据炉壳直径大小及炉衬形状，设计六个至十二喷嘴，每个喷嘴流量均不一样，喷嘴的马赫数在1.6～2.3之间，对应电弧炉炉衬的不同部位，使电弧炉每个重要的角度均可以相应的冲击深度及循环比；

（2）顶吹氧枪110从电弧炉300的中心孔进入炉内，电弧炉300的小炉盖可仅设置电弧炉中心的一个孔（无需三孔）；

（3）设置专门夹枪装置120，使氧枪110处于电弧炉300的中心线轴线上，夹枪装置120另一端直接座落于氧枪支撑横臂150，操作电弧炉自带的电极夹紧装置即可以将氧枪110及夹枪装置120固定，从而固定或松开氧枪，达到快换氧枪的目的；

（4）夹枪装置120采用水冷结构，使其在冶炼过程中不容易损坏；

（5）在升降立柱160的背火面安装测距仪170用于枪位的测量，采用氧枪支撑横臂150作为氧枪升降装置，冶炼过程实时控制枪位；

（6）测距仪170安装位置设置有水冷防护盒，可防止高温对测距仪170的损坏；

（7）氧气流量控制设置有阀门调节阀站180，用于对氧气流量的控制及安全保护；

（8）电弧炉安装底部透气砖210，透气砖210采用了侵蚀检测气体管道，检测管路在正常情况下是堵塞的，当透气砖侵蚀到设定值时检测管路通开，检测控制系统根据此来给出信号，提示操作人员在一天到两天内更换炉体，保证炉衬安全。

此外，本发明的电弧炉顶底吹炼系统中无需电极送电系统及配套电缆，在升降立柱上安装电弧炉顶吹氧枪，利用铁水中的碳、硅等元素氧化反应所产生的热量进行炼钢，整个冶炼过程中没有外部能源输入，只有通过碳氧反应的化学热来冶炼，并解决了高强度吹氧过程及易产生的喷溅和沸腾现象，从而实现了快速化渣、脱碳、升温。

请结合参阅图2，采用本发明的电弧炉顶底吹炼系统的冶炼工艺中，以80～95%的铁水、5～20%的废钢的炉料结构的电弧炉冶炼工艺，顶吹氧枪吹氧、脱碳、升温，底吹搅拌系统加速熔池传热、传质，改善了冶金反应条件，提高氧气利用率、提高金属收得率、改善钢水质量等功效。

在本发明的电弧炉顶底吹炼冶炼工艺中，底吹搅拌系统在冶炼的前期及中期采用氮气搅拌以降低气体成本，在冶炼的后期及出钢期采用氩气搅拌以提高钢水质量，满足低氮钢的要求。

更确切地说，本发明的电弧炉顶底吹炼冶炼工艺就是电炉顶吹氧枪喷炼及底吹搅拌相结合复合冶炼工艺，其具体的工艺过程如下：

a）采用80～95%的铁水、5-20%的废钢为原料，辅以冶金溶剂，在电弧炉炉盖打开后，废钢通过料篮或料斗一次性加入。冶炼开始时，随废钢一同往电弧炉中加入生烧石灰、白云石进行造渣，其中生烧石灰、白云石的加入量与钢水成比例，生烧石灰的加入量约为20～30kg/T（公斤每吨钢水），白云石的加入量约为2～5kg/T（公斤每吨钢水）。

b）在整个冶炼过程中，通过安装在升降立柱上的顶吹氧枪向电弧炉内射入氧气流，由于电弧炉炉形特点，顶吹氧枪在吹炼过程中会有部份死点，如偏心出钢区，会造成钢水及成份不均，此时底吹搅拌系统正好对死区进行搅拌，均匀成份及温度。

c）底吹搅拌系统在整个冶炼及出钢加料过程中一直不间断吹氮气或氩气进行搅拌，且不影响顶吹操作，以期达到热补偿和搅拌熔池的作用。

d）在冶炼过程中，根据炉内情况适时调节氧枪的枪位及吹氧流量，升降立柱上安装的测距仪根据冶炼的情况适时调节枪位，保证冶炼过程的泡沫渣高度及吹炼强度，底吹搅拌系统根据炉内的情况适时调整透气搅拌强度。在冶炼时，如果炉渣中的氧化氩铁含量过低，就需要通过升降立柱和测距仪的显示来升高增加枪位。基本说来，冶炼前期碳氧反应强烈时小流量搅拌，冶炼中后期碳氧反应强度较低时可以考虑适当增加透气搅拌强度。冶炼过程就是不断控制泡沫渣及吹氧强度及搅拌强度的过程，从而调节炉内钢水温度，吹炼过程电弧炉中钢水温度控制在1500℃～1560℃的范围内，确保炉内碳氧反应稳定。

e）在冶炼吹氧过程中，根据电弧炉内冶炼情况，再分次往电弧炉中加入生烧石灰、白云石进行造渣。如果泡沫渣过高，就需要适当加点生烧石灰，降低泡沫渣；如果渣氧化镁含量过低，就需要加入适当白云石或镁球，以增加炉衬寿命。

f）电弧炉终点控制钢水温度在1600℃～1650℃，完成电弧炉冶炼。

本发明的电弧炉顶底吹炼系统及其冶炼工艺采用顶吹多孔非对称氧枪，正好克服以往氧枪的缺点，具有大幅度降低氧气消耗，缩短冶炼时间，降低备件消耗，而底吹搅拌系统又正好克服氧枪吹炼死区，是现在电炉完善吹炼组合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电弧炉顶底吹炼系统，其特征在于：所述电弧炉吹炼系统包括电炉顶吹氧枪系统及底吹搅拌系统，所述电炉顶吹氧枪系统设置在电弧炉的上方并从上方以超音速向电弧炉内钢水的表面喷射氧气流，所述底吹搅拌系统设置在电弧炉的下方并从底部对电弧炉内的钢水进行搅拌和通气。

2.根据权利要求1所述的电弧炉顶吹炼系统，其特征在于：所述顶吹氧装置包括顶吹氧枪、夹枪装置、氧气管道、氧枪支撑横臂、升降立柱、测距仪以及氧气阀门调节站，所述顶吹氧枪连接所述氧气管道，所述氧气管道连接至所述氧气阀门调节站，夹枪装置设置在氧枪支撑横臂上，所述氧枪支撑横臂下方设有所述升降立柱，所述测距仪设在所述升降立柱的一侧，所述顶吹氧枪处于电弧炉的中心线轴线上。

3.根据权利要求2所述的电弧炉顶吹炼系统，其特征在于：所述顶吹氧枪的氧枪头采用多喷嘴非均匀非对称布置，所述氧枪头采用六个至十二喷嘴且每个所述喷嘴流量均不一样，所述喷嘴的马赫数在1.6～2.3之间，所述顶吹氧枪为水冷氧枪结构，所述顶吹氧枪的中心层为氧流通道，所述顶吹氧枪的中间及外层分别为出进水通道，所述电炉顶吹氧枪系统进一步包括冷却水管，所述冷却水管分别连接至所述顶吹氧枪和所述夹枪装置为其冷却散热。

4.根据权利要求2所述的电弧炉顶底吹炼系统，其特征在于：所述测距仪设置在所述升降立柱上远离电弧炉的一侧，所述测距仪外设置有水冷防护盒。

5.根据权利要求1所述的电弧炉顶底吹炼系统，其特征在于：所述底吹搅拌系统包括透气砖、搅拌气体管道、透气砖检测管道以及气体阀门调节站，所述搅拌气体管道连接所述透气砖与所述气体阀门调节站，所述透气砖检测管道连接所述透气砖的侵蚀检测通道与所述气体阀门调节站。

6.根据权利要求5所述的电弧炉顶底吹炼系统，其特征在于：所述透气砖采用镁碳砖高压成形，所述透气砖内设置有小口径不锈钢管使电弧炉内的钢水不会渗漏到所述透气砖内，所述透气砖除设置有与所述透气砖检测管道连接的侵蚀检测通道，在所述透气砖侵蚀到设定的厚度时检测气体通过所述侵蚀检测通道，所述气体阀门调节站接收到检测气体通过所述侵蚀检测通道的信号并传送以报警。

7.根据权利要求5所述的电弧炉顶底吹炼系统，其特征在于：所述底吹搅拌系统所吹出的搅拌气体包括氮气和氩气，在冶炼的前期及中期采用氮气搅拌，在冶炼的后期及出钢期采用氩气搅拌，所述气体阀门调节站调节底吹搅拌气体流量以及氮气和氩气的切换。

8.一种采用根据权利要求1至7中任一项所述的电弧炉顶底吹炼系统的冶炼工艺，包括以下步骤：

采用80～95%的铁水、5～20%的废钢为原料，辅以冶金溶剂和造渣剂，加入电弧炉中；

通过顶吹氧枪从上方向电弧炉内射入氧气流；

底吹搅拌系统不间断从底部向电弧炉内吹氮气或氩气进行搅拌；

出钢完成电弧炉冶炼。

9.根据权利要求8中所述的电弧炉顶底吹炼系统的冶炼工艺，其特征在于：在所述向电弧炉中加入造渣剂的步骤中，生烧石灰的加入量约为每吨钢水中加入20～30公斤，白云石的加入量约为每吨钢水中加入2～5公斤；

所述工艺进一步包括以下步骤：根据电弧炉内冶炼情况，再分次往电弧炉中加入造渣剂，如果泡沫渣过高则加入生烧石灰，如果炉渣中氧化镁含量过低则加入白云石或镁球。

10.根据权利要求8中所述的电弧炉顶底吹炼系统的冶炼工艺，其特征在于所述工艺进一步包括以下步骤：

根据电弧炉内情况调节顶吹氧枪系统中的顶吹氧枪的枪位及吹氧流量，如果炉渣中的氧化氩铁含量过低，则通过升降立柱和测距仪的显示来升高增加枪位；

根据电弧炉内的情况调整底吹搅拌系统中吹气的流量及搅拌的强度，冶炼前期碳氧反应强烈时底吹搅拌系统采用小流量搅拌，冶炼中后期碳氧反应强度较低时底吹搅拌系统增加透气搅拌强度。

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