CN105969937B - 一种使用变热值燃气的电弧炉炼钢集束供氧方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于钢铁冶金技术领域，提供了一种使用变热值燃气的电弧炉炼钢集束供氧方法，电弧炉集束射流氧枪使用变热值燃气；吹炼过程中动态调整燃气热值和流量，对炉内热量输入强度和集束射流火套长度进行动态控制；燃气的放热量和燃烧位置独立调节；供氧控制系统根据不同冶炼阶段的实际需求选择氧枪工作模式：烧嘴模式A、烧嘴模式B、烧嘴模式C、脱磷模式、脱碳模式A、脱碳模式B和保护模式。本发明的有益效果为：与传统电弧炉炼钢过程相比，废钢熔化时间缩短1.5分钟以上，终渣FeO降低2%以上，氧气利用率提高3%，高热值燃气消耗降低25%以上，氧枪使用寿命延长30炉以上，综合冶炼成本降低3.5元/吨钢，经济效益好，应用前景广。

Description

一种使用变热值燃气的电弧炉炼钢集束供氧方法
技术领域
本发明属于钢铁冶金技术领域，特别涉及一种使用变热值燃气的电弧炉炼钢集束供氧方法。
背景技术
集束射流氧枪是在普通超音速氧枪周围增加环绕伴随流，利用燃气燃烧放热保护中心超音速氧气射流，抑制中心超音速氧气射流的扩散及衰减；同时集束射流氧枪还承担着喷吹燃气以加热和熔化废钢、生铁等金属冷料的任务。
传统集束射流氧枪选取固定热值的甲烷作为燃气，流量是唯一的燃气控制参数，通过调节甲烷流量来满足电弧炉冶炼的不同需求；但是喷吹固定热值燃气存在较大的缺陷，燃气的流量同时决定了燃气的放热量和燃烧位置，燃气放热量随燃气流量的增大而增大，燃气燃烧位置与氧枪出口之间的距离随燃气流量的增大而增大，两者无法实现独立调节。
采用固定热值的甲烷作为燃气时，当燃气流量下降，喷枪出口的燃气运动速度随之降低，低速的燃气与中心超音速氧流摩擦、碰撞和混合，不利于保护中心超音速氧流，同时燃气运动速度降低使得燃气燃烧位置更加接近氧枪出口，高温火焰对氧枪产生高强度的辐射和对流传热，缩短了氧枪的使用寿命；当燃气流量提高，价格昂贵的甲烷消耗随之提高，导致电弧炉冶炼成本增加。
发明内容
本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供了一种使用变热值燃气的电弧炉炼钢集束供氧方法，利用钢铁企业自产的转炉煤气、高炉煤气等低热值燃气或氮气等廉价惰性气体改变燃气热值，吹炼过程中动态调整燃气热值和流量，对炉内热量输入强度和集束射流“火套”长度进行动态控制，实现燃气放热量和燃烧位置的独立调节，降低高热值燃气消耗，节省电弧炉冶炼成本。
本发明的原理是：根据电弧炉不同冶炼阶段的实际需求，使用高热值燃气与低热值燃气(或无热值气体)动态比例混合喷吹，通过改变各类燃气的配比和流量，可以在降低燃烧放热量的同时，保持“火套”长度，使燃气燃烧位置远离氧枪出口，也可以在提高燃气放热量的同时，降低昂贵的高热值燃气消耗。
本发明一种使用变热值燃气的电弧炉炼钢集束供氧方法，电弧炉集束射流氧枪使用变热值燃气；吹炼过程中动态调整燃气热值和流量，对炉内热量输入强度和集束射流火套长度进行动态控制；燃气的放热量和燃烧位置独立调节；供氧控制系统根据不同冶炼阶段的实际需求选择氧枪工作模式。
进一步的，所述变热值燃气由多种气体混合而成，所述气体包括高热值燃气、中低热值燃气、无热值气体；所述高热值燃气包括天然气、焦炉煤气；所述中低热值燃气包括转炉煤气、高炉煤气；所述无热值气体包括氮气、二氧化碳。
进一步的，所述集束射流氧枪的工作模式包括：烧嘴模式A、烧嘴模式B、烧嘴模式C、脱磷模式、脱碳模式A、脱碳模式B、保护模式；集束射流氧枪工作模式的喷吹参数为：
烧嘴模式A：熔化初期采用宽火焰方式全面预热废钢，燃气热值设定为30MJ/Nm3～35MJ/Nm3，燃气流量300～500Nm3/h，主吹氧气流量400～500Nm3/h，燃烧位置距氧枪出口200～300mm；
烧嘴模式B：熔化中期采用宽火焰方式全面预热废钢，燃气热值设定为20MJ/Nm3～25MJ/Nm3，燃气流量500～800Nm3/h，主吹氧气流量600～800Nm3/h，燃烧位置距氧枪出口300～500mm；
烧嘴模式C：熔化末期采用穿透式火焰加速废钢熔化，燃气热值设定为20MJ/Nm3～25MJ/Nm3，燃气流量600～1000Nm3/h，主吹氧气流量800～1200Nm3/h，燃烧位置距氧枪出口500～700mm；
脱磷模式：为了快速形成泡沫渣，高效脱除铁水中的磷，适当降低氧气射流对熔池的冲击深度，促进渣中FeO的生成，燃气热值设定为15～20MJ/Nm3，燃气流量为300～600Nm3/h，主氧流量1300～1700Nm3/h；
脱碳模式A：氧化期需要保证燃气流量从而确保氧气射流对熔池的冲击强度，燃气热值设定为20MJ/Nm3～25MJ/Nm3，燃气流量400～600Nm3/h，主氧流量2000～2500Nm3/h；
脱碳模式B：氧化期需要保证燃气流量从而确保氧气射流对熔池的冲击强度，燃气热值设定为25MJ/Nm3～30MJ/Nm3，燃气流量600～800Nm3/h，主氧流量2000～3000Nm3/h；
保护模式：燃气热值设定为0MJ/Nm3～5MJ/Nm3，燃气流量50～200Nm3/h，主氧流量100～500Nm3/h。
进一步的，所述供氧控制系统基于物料平衡和能量平衡原理、烟气成分和温度等实时数据划分冶炼阶段并计算各工作模式的持续时间，其中废钢熔化阶段0～30％的时间段采取烧嘴模式A，30％～70％的时间段采取烧嘴模式B，70％～100％的时间段采取烧嘴模式C；废钢熔清后进入脱磷阶段，脱磷阶段全程采取脱磷模式；脱碳阶段0～70％的时间段采取脱碳模式A，70％～100％的时间段采取脱碳模式B；冶炼结束后采取保护模式。
进一步的，所述供氧方法使用的设备包括电弧炉、燃气混合器、燃气管道、氧气管道、集束射流氧枪；控制系统包括炉况判断模块、需求分析模块、数据库、供氧控制模块和燃气控制模块。
进一步的，所述电弧炉为炉壁集束供氧的30～200t炼钢电弧炉。
本发明的有益效果为：与传统电弧炉炼钢过程相比，废钢熔化时间缩短1.5分钟以上，终渣(FeO)降低2％以上，氧气的利用率提高3％，高热值燃气消耗降低25％以上，氧枪使用寿命延长30炉以上，综合冶炼成本降低3.5元/吨钢，经济效益显著，应用前景广阔。
附图说明
图1所示为使用变热值燃气的电弧炉系统结构示意图。
图2所示为70吨EBT电弧炉使用变热值燃气的氧枪喷吹操作曲线图。
图3所示为100吨EBT电弧炉使用变热值燃气的氧枪喷吹操作曲线图。
其中：1-电弧炉、2-燃气混合器、3-燃气管道、4-氧气管道、5-集束射流氧枪。
具体实施方式
下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
本发明实施例一种使用变热值燃气的电弧炉炼钢集束供氧方法，电弧炉集束射流氧枪使用变热值燃气；吹炼过程中动态调整燃气热值和流量，对炉内热量输入强度和集束射流火套长度进行动态控制；燃气的放热量和燃烧位置独立调节；供氧控制系统根据不同冶炼阶段的实际需求选择氧枪工作模式。
优选的，所述变热值燃气由多种气体混合而成，所述气体包括高热值燃气、中低热值燃气、无热值气体；所述高热值燃气包括天然气、焦炉煤气；所述中低热值燃气包括转炉煤气、高炉煤气；所述无热值气体包括氮气、二氧化碳。
优选的，所述集束射流氧枪5的工作模式包括：烧嘴模式A、烧嘴模式B、烧嘴模式C、脱磷模式、脱碳模式A、脱碳模式B、保护模式；集束射流氧枪5工作模式的喷吹参数为：
烧嘴模式A：熔化初期采用宽火焰方式全面预热废钢，燃气热值设定为30MJ/Nm3～35MJ/Nm3，燃气流量300～500Nm3/h，主吹氧气流量400～500Nm3/h，燃烧位置距氧枪出口200～300mm；
烧嘴模式B：熔化中期采用宽火焰方式全面预热废钢，燃气热值设定为20MJ/Nm3～25MJ/Nm3，燃气流量500～800Nm3/h，主吹氧气流量600～800Nm3/h，燃烧位置距氧枪出口300～500mm；
烧嘴模式C：熔化末期采用穿透式火焰加速废钢熔化，燃气热值设定为20MJ/Nm3～25MJ/Nm3，燃气流量600～1000Nm3/h，主吹氧气流量800～1200Nm3/h，燃烧位置距氧枪出口500～700mm；
脱磷模式：为了快速形成泡沫渣，高效脱除铁水中的磷，适当降低氧气射流对熔池的冲击深度，促进渣中FeO的生成，燃气热值设定为15～20MJ/Nm3，燃气流量为300～600Nm3/h，主氧流量1300～1700Nm3/h；
脱碳模式A：氧化期需要保证燃气流量从而确保氧气射流对熔池的冲击强度，燃气热值设定为20MJ/Nm3～25MJ/Nm3，燃气流量400～600Nm3/h，主氧流量2000～2500Nm3/h；
脱碳模式B：氧化期需要保证燃气流量从而确保氧气射流对熔池的冲击强度，燃气热值设定为25MJ/Nm3～30MJ/Nm3，燃气流量600～800Nm3/h，主氧流量2000～3000Nm3/h；
保护模式：燃气热值设定为0MJ/Nm3～5MJ/Nm3，燃气流量50～200Nm3/h，主氧流量100～500Nm3/h。
优选的，所述供氧控制系统基于物料平衡和能量平衡原理、烟气成分和温度等实时数据划分冶炼阶段并计算各工作模式的持续时间，其中废钢熔化阶段0～30％的时间段采取烧嘴模式A，30％～70％的时间段采取烧嘴模式B，70％～100％的时间段采取烧嘴模式C；废钢熔清后进入脱磷阶段，脱磷阶段全程采取脱磷模式；脱碳阶段0～70％的时间段采取脱碳模式A，70％～100％的时间段采取脱碳模式B；冶炼结束后采取保护模式。
优选的，所述供氧方法使用的设备包括电弧炉1、燃气混合器2、燃气管道3、氧气管道4、集束射流氧枪5；控制系统包括炉况判断模块、需求分析模块、数据库、供氧控制模块和燃气控制模块。
优选的，所述电弧炉1为炉壁集束供氧的30～200t炼钢电弧炉。
本发明实施例的具体控制过程为：在加料之前，集束射流氧枪5处于保护模式，加料之后，集束射流氧枪5进入烧嘴模式A，采用高热值燃气以宽火焰方式全面预热废钢，但是为了防止高速火焰被废钢反射损坏喷枪，采用较低的燃气流量；烧嘴模式A运行一定时间后，氧枪附近的废钢熔化，集束射流氧枪5进入烧嘴模式B，在保证高热值燃气流量不变的前提下，混入一定流量的低热值燃气或无热值气体，提高燃气流的出口速度，延长火焰长度，有效加热距离氧枪较远处的废钢；在熔化末期，大部分废钢已经熔化，集束射流氧枪5进入烧嘴模式C，采用大流量的高热值燃气产生高温穿透式火焰加快废钢熔清；废钢熔清后，为了有效脱除熔池中的磷，集束射流氧枪5进入脱磷模式，对熔池实施软吹化渣操作，氧气射流的冲击特性和碳粉枪相互配合加快形成泡沫渣；脱磷结束后，集束射流氧枪5进入脱碳模式A，增大主氧流量，并利用高流量高热值燃气产生高温“火套”，增强射流对熔池的冲击搅拌能力，高效脱碳；电弧炉冶炼末期，集束射流氧枪5进入脱碳模式B，增大主氧流量和燃气流量，进一步增强集束射流的冲击搅拌能力，继续深脱碳，并均匀熔池成分和温度。
实施例1
本实施例应用在70吨EBT电弧炉1上，该电弧炉1配置3支使用变热值燃气的集束射流氧枪5，喷头马赫数为2.0，氧枪设计流量为2000Nm3/h，主氧压力为0.81MPa。电弧炉1的炉料结构为：20％铁水+70％废钢+10％生铁块。集束射流氧枪5使用的高热值燃料为天然气，低热值燃料为高炉煤气，工作模式分为烧嘴模式A、烧嘴模式B、脱磷模式、脱碳模式A、脱碳模式B和保护模式，各工作模式的具体气体流量为：
烧嘴模式A：主氧流量为500Nm3/h，天然气流量为300Nm3/h,高炉煤气流量为50Nm3/h，燃烧位置距氧枪出口200mm；
烧嘴模式B：主氧流量为800Nm3/h，天然气流量为400Nm3/h，高炉煤气流量为400Nm3/h，燃烧位置距氧枪出口450mm；
脱磷模式：主氧流量为1250Nm3/h，天然气流量为200Nm3/h，高炉煤气流量为300Nm3/h；
脱碳模式A：主氧流量为2000Nm3/h，天然气流量为400Nm3/h；高炉煤气流量为200Nm3/h；
脱碳模式B：主氧流量为2200Nm3/h，天然气流量为600Nm3/h；高炉煤气流量为0；
保护模式：主氧流量200Nm3/h，天然气流量为0，高炉煤气流量为200Nm3/h。
具体的冶炼模式为：
熔化阶段：在加料之前，集束射流氧枪5处于保护模式，加料之后，集束射流氧枪5进入烧嘴模式A，采用高热值燃气以宽火焰方式全面预热废钢；烧嘴模式A运行10分钟后，烧嘴附近的废钢熔化，集束射流氧枪5进入烧嘴模式B，通过混入一定流量的高炉煤气，提高燃气流的出口速度，延长火焰长度，有效加热距离集束射流氧枪5较远处的废钢；
脱磷阶段：烧嘴模式B运行10分钟后，废钢完全熔清，集束射流氧枪5进入脱磷模式，对熔池实施软吹化渣操作，集束射流氧枪5和碳粉枪相互配合加快形成泡沫渣；
脱碳阶段：脱磷模式运行8分钟后，造泡沫渣脱磷阶段结束，集束射流氧枪5进入脱碳模式A，主氧流量增大至设计值，并利用高流量高热值燃气产生高温“火套”，增强射流对熔池的冲击搅拌能力，高效脱碳；脱碳模式A运行15分钟后，电弧炉1进入冶炼末期，集束射流氧枪5进入脱碳模式B，主氧流量和燃气流量保持不变，但燃气中不再混合高炉煤气，进一步增强集束射流的冲击搅拌能力，继续深脱碳，并均匀熔池成分和温度；
出钢阶段：集束射流氧枪5进入保护模式，防止喷枪堵塞。
吹炼过程中主氧流量、天然气流量和高炉煤气流量随时间的变化如图2所示。
与常规电弧炉炼钢集束供氧方法相比，使用本实施例方法进行吹氧炼钢，废钢熔化时间缩短约1.5分钟，终渣(FeO)降低约2.7％，吨钢氧耗下降约1Nm3，天然气消耗降低0.9Nm3/吨钢，氧枪使用寿命平均延长33炉，综合冶炼成本降低3.8元/吨钢。
实施例2
本实施例应用在100吨EBT电弧炉1上，该电弧炉1配置4支集束射流氧枪5，喷头马赫数为2.0，氧枪设计流量为2500Nm3/h，主氧压力为0.81MPa。电弧炉1的炉料结构为：40％铁水+60％废钢。集束射流氧枪5使用的高热值燃料为天然气，低热值燃料为氮气，工作模式分为烧嘴模式A、烧嘴模式B、烧嘴模式C、脱磷模式、脱碳模式A、脱碳模式B和保护模式，各工作模式的具体气体流量为：
烧嘴模式A：主氧流量为400Nm3/h，天然气流量为300Nm3/h，氮气流量为0，燃烧位置距氧枪出口200mm；
烧嘴模式B：主氧流量为600Nm3/h，天然气流量为400Nm3/h，氮气流量为200Nm3/h，燃烧位置距氧枪出口400mm；
烧嘴模式C：主氧流量为1000Nm3/h，天然气流量为600Nm3/h，氮气流量为400Nm3/h，燃烧位置距氧枪出口500mm；
脱磷模式：主氧流量为1500Nm3/h，天然气流量为300Nm3/h，氮气流量为300Nm3/h；
脱碳模式A：主氧流量为2250Nm3/h，天然气流量为400Nm3/h；氮气流量为200Nm3/h；
脱碳模式B：主氧流量为2500Nm3/h，天然气流量为600Nm3/h；氮气流量为200Nm3/h；
保护模式：主氧流量200Nm3/h，天然气流量为0，氮气流量为200Nm3/h；
具体的冶炼过程为：
熔化阶段：在加料之前，集束射流氧枪5处于保护模式，加料之后，集束射流氧枪5进入烧嘴模式A，采用高热值燃气以宽火焰方式全面预热废钢；烧嘴模式A运行5分钟后，烧嘴附近的废钢熔化，集束射流氧枪5进入烧嘴模式B，通过混入一定流量的氮气，提高燃气流的出口速度，延长火焰长度，有效加热距离集束射流氧枪5较远处的废钢；烧嘴模式B运行12分钟后，电弧炉1进入熔化末期，大部分废钢已经熔化，集束射流氧枪5进入烧嘴模式C，采用大流量的高热值燃气产生高温穿透式火焰加快废钢熔化；
脱磷阶段：烧嘴模式C运行4分钟后，废钢完全熔清，集束射流氧枪5进入脱磷模式，对熔池实施软吹化渣操作，集束射流氧枪5和碳粉枪相互配合加快形成泡沫渣；
脱碳阶段：脱磷模式运行8分钟后，造泡沫渣脱磷阶段结束，集束射流氧枪5进入脱碳模式A，主氧流量增大至设计值，并利用高流量高热值燃气产生高温“火套”，增强射流对熔池的冲击搅拌能力，高效脱碳；脱碳模式A运行15分钟后，电弧炉1进入冶炼末期，集束射流氧枪5进入脱碳模式B，主氧流量和燃气流量保持不变，但燃气中不再混合高炉煤气，进一步增强集束射流的冲击搅拌能力，继续深脱碳，并均匀熔池成分和温度；
出钢阶段：集束射流氧枪5进入保护模式，防止喷枪堵塞。
吹炼过程中主氧流量、天然气流量和高炉煤气流量随时间的变化如图3所示。
与常规集束射流氧枪相比，使用本实施例方法进行吹氧炼钢，废钢熔化时间缩短约1.5分钟，终渣(FeO)降低约2％，吨钢氧耗下降约1.3Nm3，天然气消耗降低1.0Nm3/吨钢，综合冶炼成本降低3.5元/吨钢。
本发明的有益效果为：与传统电弧炉炼钢过程相比，废钢熔化时间缩短1.5分钟以上，终渣(FeO)降低2％以上，氧气的利用率提高3％，高热值燃气消耗降低25％以上，氧枪使用寿命延长30炉以上，综合冶炼成本降低3.5元/吨钢，经济效益显著，应用前景广阔。
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (5)

1.一种使用变热值燃气的电弧炉炼钢集束供氧方法，其特征在于，电弧炉集束射流氧枪使用变热值燃气；吹炼过程中动态调整燃气热值和流量，对炉内热量输入强度和集束射流火套长度进行动态控制；燃气的放热量和燃烧位置独立调节；供氧控制系统根据不同冶炼阶段的实际需求选择集束射流氧枪工作模式；
集束射流氧枪的工作模式包括：烧嘴模式A、烧嘴模式B、烧嘴模式C、脱磷模式、脱碳模式A、脱碳模式B、保护模式；集束射流氧枪工作模式的喷吹参数为：
烧嘴模式A：熔化初期采用宽火焰方式全面预热废钢，燃气热值设定为30MJ/Nm3～35MJ/Nm3，燃气流量300～500Nm3/h，主吹氧气流量400～500Nm3/h，燃烧位置距氧枪出口200～300mm；
烧嘴模式B：熔化中期采用宽火焰方式全面预热废钢，燃气热值设定为20MJ/Nm3～25MJ/Nm3，燃气流量500～800Nm3/h，主吹氧气流量600～800Nm3/h，燃烧位置距氧枪出口300～500mm；
烧嘴模式C：熔化末期采用穿透式火焰加速废钢熔化，燃气热值设定为20MJ/Nm3～25MJ/Nm3，燃气流量600～1000Nm3/h，主吹氧气流量800～1200Nm3/h，燃烧位置距氧枪出口500～700mm；
脱磷模式：为了快速形成泡沫渣，高效脱除铁水中的磷，适当降低氧气射流对熔池的冲击深度，促进渣中FeO的生成，燃气热值设定为15～20MJ/Nm3，燃气流量为300～600Nm3/h，主氧流量1300～1700Nm3/h；
脱碳模式A：氧化期需要保证燃气流量从而确保氧气射流对熔池的冲击强度，燃气热值设定为20MJ/Nm3～25MJ/Nm3，燃气流量400～600Nm3/h，主氧流量2000～2500Nm3/h；
脱碳模式B：氧化期需要保证燃气流量从而确保氧气射流对熔池的冲击强度，燃气热值设定为25MJ/Nm3～30MJ/Nm3，燃气流量600～800Nm3/h，主氧流量2000～3000Nm3/h；
保护模式：燃气热值设定为0MJ/Nm3～5MJ/Nm3，燃气流量50～200Nm3/h，主氧流量100～500Nm3/h。
2.如权利要求1所述的使用变热值燃气的电弧炉炼钢集束供氧方法，其特征在于，所述变热值燃气由多种气体混合而成，所述气体包括高热值燃气、中低热值燃气、无热值气体；所述高热值燃气包括天然气、焦炉煤气；所述中低热值燃气包括转炉煤气、高炉煤气；所述无热值气体包括氮气、二氧化碳。
3.如权利要求1所述的使用变热值燃气的电弧炉炼钢集束供氧方法，其特征在于，废钢熔化阶段0～30％的时间段采取烧嘴模式A，30％～70％的时间段采取烧嘴模式B，70％～100％的时间段采取烧嘴模式C；废钢熔清后进入脱磷阶段，脱磷阶段全程采取脱磷模式；脱碳阶段0～70％的时间段采取脱碳模式A，70％～100％的时间段采取脱碳模式B；冶炼结束后采取保护模式。
4.如权利要求1所述的使用变热值燃气的电弧炉炼钢集束供氧方法，其特征在于，所述供氧方法使用的设备包括电弧炉、燃气混合器、燃气管道、氧气管道、集束射流氧枪；控制系统包括炉况判断模块、需求分析模块、数据库、供氧控制模块和燃气控制模块。
5.如权利要求1-4任一项所述的使用变热值燃气的电弧炉炼钢集束供氧方法，其特征在于，所述电弧炉为炉壁集束供氧的30～200t炼钢电弧炉。
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