CN105950824B - 一种氧、燃、粉剂共体喷吹的电弧炉炼钢工艺 - Google Patents

一种氧、燃、粉剂共体喷吹的电弧炉炼钢工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种氧、燃、粉剂共体喷吹的电弧炉炼钢工艺，将氧气、燃料、粉剂输入装置根据电弧炉容量及炉内金属料结构，组合成不同的喷吹输入模块安装在炉壁上，氧气、燃料、粉剂的喷吹同由一支具有水冷冷却的喷吹输入模块来完成，并根据炼钢工艺的需要来确定氧气、燃料的喷吹流量，以及粉剂的喷吹种类和速度，具有水冷冷却的喷吹输入模块为集吹氧、喷粉、燃烧加热功能一体的共体喷吹装置。本发明工艺提高了电弧炉炼钢的冶炼节奏、能源的利用效率，降低造渣剂的使用量，同时保证粉剂喷吹的穿透力，使喷吹设备使用、维护更方便，并解决电炉炉壁多点、共体喷吹氧、燃、碳粉、石灰粉的问题。

Description

一种氧、燃、粉剂共体喷吹的电弧炉炼钢工艺
技术领域
本发明属于黑色冶金行业电弧炉炼钢技术领域，特别适用于电弧炉吹氧脱碳、造泡沫渣、氧燃助熔、喷粉造渣等工艺。
背景技术
电弧炉喷吹氧气、燃气、碳粉、石灰粉等可以满足电炉冶炼过程中熔化废钢、脱碳、造泡沫渣、造渣脱磷硫等工艺要求,使电弧炉炼钢对钢水的成分、温度调控能力更强，而能源、物料消耗更少。
随着技术的发展，喷吹装置逐渐由单一的吹氧功能发展为了多介质、多功能集成的喷吹装置，如由原来单一的氧枪发展为了氧、燃一体的集束氧枪，其功能也有原来的吹氧脱碳变为了集吹氧、助熔为一体的多功能氧燃枪，如申请号201220742975.8、201120553225.1、201010123000.2、201020518313.3、201220333503.7、02100466.8、200920023587.2等所述，即在主氧流拉瓦尔超音速喷口的周围设置了一层伴流的氧气，或一层燃气加一层氧气伴流燃烧，其伴流氧气与主流氧气由压力、流量不同的管道分别提供。
喷碳粉技术的出现，使集氧、燃、碳粉喷吹为一体的多功能模块得到了应用。现有技术的碳粉喷枪一般与电弧炉氧枪采用分体或平行方式布置在同一水冷体内形成子母枪，如申请号99223126.4、02214529.x、200320123669.7、201320149882.9等。但由于电弧炉内除尘气流的扰动，阻碍了粉剂到达钢水液面，降低了碳粉的使用率。也有通多主氧管喷吹粉剂的枪体结构，但是两者一般不能同时喷吹。
与碳粉喷吹类似，石灰粉剂的喷吹也存在使用率低的问题；同时还存在的问题是石灰进入熔池后聚集于熔池低温区域，凝结成坨，使成渣速度变慢。
最后，由于采用分体的氧、燃、碳粉、石灰粉的分体式安装布置，不仅使电炉炉壁开孔多，安装维护工作量大；而且使碳粉、石灰粉剂的利用效率低，电炉炉内的能量输入得不到均匀优化的布置。
为了解决以上问题，开发一种集氧气、燃气等气体与碳粉、石灰粉等颗粒喷吹为一体的共体喷吹工艺，势在必行。本工艺不仅要求喷吹装置应该有简单的结构以适应电弧炉冶炼时高温高粉尘的环境，同时还应提高碳粉、石灰粉的喷吹效率，优化炉内能量布局，改善冶炼工况。
发明内容
为了提高电炉炼钢的冶炼节奏、能源的利用效率，降低造渣剂的使用量，同时保证粉剂喷吹的穿透力，使喷吹设备使用、维护更方便，以解决电炉炉壁多点、共体喷吹氧、燃、碳粉、石灰粉的问题，而提供的一种氧、燃、粉剂共体喷吹的电弧炉炼钢工艺。
为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
本发明提供一种氧、燃、粉剂共体喷吹的电弧炉炼钢工艺，将氧气、燃料、粉剂输入装置根据电弧炉容量及炉内金属料结构，组合成不同的喷吹输入模块安装在炉壁上，氧气、燃料、粉剂的喷吹由同一支具有水冷冷却的喷吹输入模块来完成，并根据炼钢工艺的需要来确定氧气、燃料的喷吹流量，以及粉剂的喷吹种类和速度，具有水冷冷却的喷吹输入模块为集吹氧、喷粉、燃烧加热功能一体的共体喷吹装置。
进一步，所述共体喷吹装置的数量可根据电弧炉容量来确定，其取值范围为2～8支；所述共体喷吹装置在炉壁上的安装位置高于电弧炉渣线200～800mm。
进一步，所述共体喷吹装置包括集束喷头和枪杆，所述枪杆主要由同轴设置的粉剂管、氧气管、燃气管、水冷内管、水冷外管以及粉剂入口组件、密封组件组成，并分别对应设有粉剂入口、氧气入口、燃气入口、冷却水进口、冷却水出口，所述集束喷头设有中心孔、环氧小孔、环燃小孔和燃烧定向室，所述氧气管、燃气管、水冷外管分别与所述集束喷头焊接，所述粉剂管与所述集束喷头插接。
进一步，所述集束喷头中心孔内壁与粉剂管外壁形成加速主氧气流速至超音速的变截面环管通道，主氧气出口与环氧出口、环燃出口、粉剂出口并列在所述燃烧定向室底部，所述粉剂出口位于燃烧定向室中央，主氧气出口在粉剂出口外围且与之同心，环燃出口与环氧出口围绕主氧气出口交替布置，环氧进口位于氧气管内径范围内，环燃进口位于燃气管与氧气管之间。
进一步，共体喷吹装置的主要工艺参数如下，
①氧气的流量为400～3000Nm3/h，压力为0.5～2.0MPa，马赫数为1.4～2.5Ma；
②环氧气的流量为100～1000Nm3/h，压力为0.2～0.8MPa；
③燃料为燃气或者燃油，燃气为天然气、液化石油气或者焦炉煤气，环燃气的流量为50～1000Nm3/h；燃油为柴油、煤油或重油，环燃油的流量为50～1000L/h；
④粉剂为碳粉或石灰粉，碳粉用于造泡沫渣和还原，其喷吹速度为0～60kg/min，喷吹量为3～20kg/t；石灰粉用于造渣脱磷、脱硫，其喷吹速度为0～350kg/min，喷吹量为0～60kg/t；
⑤水冷冷却的冷却水压力为0.1～1.2MPa。
进一步，粉剂的输送可由氮气、氩气或压缩空气代替氧气管内的主氧气进行输送。
与现有技术相比，本发明的优点在于：一是碳粉或石灰粉的利用效率提高，其消耗量降低；二是共体喷吹装置的安装、使用、维护更方便，利于整体更换维修；三是可避免石灰粉喷入结坨的问题；四是供氧、燃料效率提高，电耗降低，冶炼节奏加快。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明共体喷吹装置的安装布置图；
图2为本发明共体喷吹装置中枪杆的结构示意图；
图3为本发明共体喷吹装置中集束喷头的结构示意图；
图4为本发明共体喷吹装置中集束喷头的底部示意图；
附图标记：1-共体喷吹装置，2-电弧炉；其中，101-粉剂管，102-氧气管，103-燃气管，104-水冷内管，105-水冷外管，106-集束喷头，107-密封组件，108-粉剂入口组件，109-粉剂入口，110-氧气入口，111-燃气入口，112-冷却水进口，113-冷却水出口，114-粉剂出口，115-主氧气出口，1060-中心孔，1061-环氧小孔，1062-环燃小孔，1063-燃烧定向室，10611-环氧入口，10612-环氧出口，10621-环燃入口，10622-环燃出口。
具体实施方式
以下将对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供一种氧、燃、粉剂共体喷吹的电弧炉炼钢工艺，将氧气、燃料、粉剂输入装置根据电弧炉2容量及炉内金属料结构，组合成不同的喷吹输入模块安装在炉壁上，氧气、燃料、粉剂的喷吹由同一支具有水冷冷却的喷吹输入模块来完成，并根据炼钢工艺的需要来确定氧气、燃料的喷吹流量，以及粉剂的喷吹种类和速度，所述具有水冷冷却的喷吹输入模块为集吹氧、喷粉、燃烧加热功能一体的共体喷吹装置1，所述共体喷吹装置1的数量可根据电弧炉2容量来确定，其取值范围为2～8支；所述共体喷吹装置1在炉壁上的安装位置高于电弧炉2渣线200～800mm。
如图2-4所示，在本发明的结构中，共体喷吹装置1包括集束喷头106和枪杆，其中枪杆主要由同轴设置的粉剂管101、氧气管102、燃气管103、水冷内管104、水冷外管105以及粉剂入口组件108、密封组件107组成，并分别对应设有粉剂入口109、氧气入口110、燃气入口111、冷却水进口112、冷却水出口113；粉剂管101内为粉剂通道，氧气管102与粉剂管101之间为氧气通道，氧气管102与燃气管103之间为燃气通道，水冷内管104与燃气管103之间为冷却水进水通道，水冷外管105与水冷内管104之间为冷却水出水通道；所述集束喷头106设有中心孔1060、环氧小孔1061、环燃小孔1062和燃烧定向室1063，所述氧气管102、燃气管103、水冷外管105分别与所述集束喷头106焊接，所述粉剂管101与所述集束喷头106插接。本发明在粉剂流外层包裹超音速氧流，超音速氧流的外层环绕伴随高温火焰，使中心超音速射流衰减变慢，射流变长。该共体喷吹装置综合了氧枪、烧嘴、碳粉喷枪、石灰粉喷枪的作用，在电弧炉冶炼时，喷粉与吹氧同时进行，可以提高氧气射流对熔池的穿透深度及搅拌强度，同时可提高碳氧枪离开熔液面的距离，延长氧枪喷头的使用寿命；
具体的，所述粉剂管101由粉剂入口组件108上的粉剂入口109向粉剂通道内流入粉剂，该粉剂为碳粉、石灰粉、煤粉或其它物质粉中的一种或多种混合粉剂；所述氧气管102通过氧气入口110向氧气通道通入主氧气，以在集束喷头106形成主氧气射流包裹住粉剂；当然，在不同的实施例中，粉剂的输送还可由氮气、氩气或压缩空气代替氧气管内的主氧气进行输送；所述燃气管103通过燃气入口111向燃气通道通入燃气，燃气为天然气、液化石油气或者焦炉煤气等，该燃气燃烧产生的高温火焰进一步压缩主氧气射流，形成更远的主氧气集束射流；当然在不同的实施例中，还可以用燃油替代燃气，该燃油为柴油、煤油或重油；水冷内管104通过冷却水进口1012向冷却水进水通道流入低温冷却水，再经集束喷头106过渡流入冷却水出水通道后由水冷外管105的冷却水出口1013流出。本发明的粉剂和氧气能够同轴、同时输入电弧炉，粉剂能够在氧气的包裹下注入钢液，实现吹氧升温助熔，切割废钢、造泡沫渣以及喷粉脱硫；并能够延长主氧气射流的有效流程，进而提高其离开钢液面的距离，以减少渣液和电弧对集束喷头的侵蚀，从而提高其喷射的效能，延长集束喷头的使用寿命；同时，氧枪和碳粉枪被同一水冷套管保护，增加了电弧炉设备功能，减少了电弧炉设备数量；此外，还能够采用低压气体输送粉剂，降低粉剂对输送管道以及喷枪粉剂管的磨损，提高枪杆使用寿命；
采用上述结构，电弧炉碳氧枪可以实现多功能冶炼：仅需喷粉无需吹氧时，关闭燃气和氧气，并通入惰性保护气体，电弧炉碳氧枪成为喷粉枪；仅需吹氧无需喷粉时，粉剂管停止粉剂输入并通入惰性保护气体，电弧炉碳氧枪成为吹氧枪；仅需燃烧加热时，粉剂管停止粉剂输入并通入燃气，电弧炉碳氧枪成为烧嘴；粉剂管尾部安装摄像头或红外温度传感器或火焰监测传感器时，电弧炉碳氧枪可以成为监测装置。
在本发明的结构中，粉剂管101一端与粉剂入口组件108螺纹连接由橡胶密封圈(未标记)密封，另一端与集束喷头106插接连接；氧气管102一端与密封组件107插接连接并由弹性密封环(未标记)密封，另一端与集束喷头106焊接连接；燃气管103一端与密封组件107插接连接并由弹性密封环(未标记)密封，另一端与集束喷头106焊接连接；水冷内管104在远离集束喷头106的一端与水冷外管105焊接连接在一起；水冷外管105一端通过密封组件107连接于粉剂入口组件108，另一端与集束喷头106焊接连接；密封组件107的两端均设有法兰并分别与粉剂入口组件108和水冷外管5上所设的配对法兰连接，并在各法兰连接端面由金属包覆式垫片(未标记)密封。这样，使得本碳氧枪及喷头结构的装配简单易行，且安全可靠，并使得集束喷头的更换也方便。
在本发明的结构中，集束喷头106包括有中心孔1060、围绕中心孔1060分布的环氧小孔1061和环燃小孔1062以及在远离水冷外管105的一端设有呈内凹状并与中心孔1060、环氧小孔1061和环燃小孔1062连通的燃烧定向室1063；粉剂管101插入中心孔1060内，其外壁与中心孔1060内壁形成有加速主氧气流速至超音速的变截面环管通道(未标记)，其粉剂出口1014位于中心孔1060的出口中央，即变截面环管通道与氧气管102的氧气通道连通并由其上的主氧气出口1015输出主氧气；环氧小孔1061上的环氧进口10611位于粉剂管101与氧气管102之间，即环氧小孔1061与氧气管102的氧气通道的连通并由其上的环氧出口10612输出环氧气；环燃小孔1062上的环燃进口10621位于氧气管102与燃气管103之间，即环燃小孔1062与燃气管103的燃气通道连通并由其环燃出口10622输出环燃气；主氧气出口1015、环氧出口10611、环燃出口10621和粉剂出口1014均并列在燃烧定向室1063底部；主氧气出口1015在粉剂出口1014外围且与粉剂出口1014同心，环氧出口10612和环燃出口10622围绕所述主氧气出口1015交替均匀布置。这样，变截面环管通道可以使氧气通道内的主氧气通过时获得超音速加速；环燃小孔流出的可燃气体(环燃气)与环氧小孔流出的助燃气体(环氧气)在燃烧定位室里混合，喷出燃烧定位室后燃烧并挤压中心孔流出的超音速主氧气射流，以形成集束射流；粉剂管流出的碳粉或石灰粉或煤粉等各种粉剂在集束射流的裹挟下注入钢液。
优选的，电弧炉2容量为110t，其炉内金属料采用全废钢冶炼，共体喷吹装置1直接安装在电弧炉2渣面上500mm的炉壁上，并布置有6支，采用上述结构实现共体喷吹冶炼工艺时的主要工艺参数如下：
①氧气的喷吹流量为400～3000Nm3/h，压力为0.5～2.0MPa，马赫数为1.4～2.5Ma；
②环氧气的喷吹流量为100～1000Nm3/h，压力为0.2～0.8MPa；
③环燃气的喷吹流量为50～1000Nm3/h，或环燃油的喷吹流量为50～1000L/h；
④碳粉的喷吹速度为0～60kg/min，喷吹量为3～20kg/t，和/或石灰粉剂的喷吹速度为0～350kg/min，喷吹量为0～60kg/t；
⑤水冷冷却的冷却水压力为0.1～1.2MPa。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种氧、燃、粉剂共体喷吹的电弧炉炼钢工艺，将氧气、燃料、粉剂输入装置根据电弧炉容量及炉内金属料结构，组合成不同的喷吹输入模块安装在炉壁上，其特征在于：氧气、燃料、粉剂的喷吹由同一支具有水冷冷却的喷吹输入模块来完成，并根据炼钢工艺的需要来确定氧气、燃料的喷吹流量，以及粉剂的喷吹种类和速度，具有水冷冷却的喷吹输入模块为集吹氧、喷粉、燃烧加热功能一体的共体喷吹装置；
所述共体喷吹装置包括集束喷头和枪杆，所述枪杆主要由同轴设置的粉剂管、氧气管、燃气管、水冷内管、水冷外管以及粉剂入口组件、密封组件组成，并分别对应设有粉剂入口、氧气入口、燃气入口、冷却水进口、冷却水出口，所述集束喷头设有中心孔、环氧小孔、环燃小孔和燃烧定向室，所述氧气管、燃气管、水冷外管分别与所述集束喷头焊接，所述粉剂管与所述集束喷头插接；
所述集束喷头中心孔内壁与粉剂管外壁形成加速主氧气流速至超音速的变截面环管通道，主氧气出口与环氧出口、环燃出口、粉剂出口并列在所述燃烧定向室底部，所述粉剂出口位于燃烧定向室中央，主氧气出口在粉剂出口外围且与之同心，环燃出口与环氧出口围绕主氧气出口交替布置，环氧进口位于氧气管内径范围内，环燃进口位于燃气管与氧气管之间。
2.根据权利要求1所述的一种氧、燃、粉剂共体喷吹的电弧炉炼钢工艺，其特征在于：所述共体喷吹装置的数量可根据电弧炉容量来确定，其取值范围为2～8支；所述共体喷吹装置在炉壁上的安装位置高于电弧炉渣线200～800mm。
3.根据权利要求1所述的一种氧、燃、粉剂共体喷吹的电弧炉炼钢工艺，其特征在于：共体喷吹装置的主要工艺参数如下，
①主氧气的流量为400～3000Nm3/h，压力为0.5～2.0MPa，马赫数为1.4～2.5Ma；
②环氧气的流量为100～1000Nm3/h，压力为0.2～0.8MPa；
③燃料为燃气或者燃油，燃气为天然气、液化石油气或者焦炉煤气，环燃气的流量为50～1000Nm3/h；燃油为柴油、煤油或重油，环燃油的流量为50～1000L/h；
④粉剂为碳粉或石灰粉，碳粉用于造泡沫渣和还原，其喷吹速度为0～60kg/min，喷吹量为3～20kg/t；石灰粉用于造渣脱磷、脱硫，其喷吹速度为0～350kg/min，喷吹量为0～60kg/t；
⑤水冷冷却的冷却水压力为0.1～1.2MPa。
4.根据权利要求1所述的一种氧、燃、粉剂共体喷吹的电弧炉炼钢工艺，其特征在于：粉剂的输送可由氮气、氩气或压缩空气代替氧气管内的主氧气进行输送。
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