CN111748673B - 一种电弧炉炼钢用多功能氢氧烧嘴及供能控制方法 - Google Patents

一种电弧炉炼钢用多功能氢氧烧嘴及供能控制方法 Download PDF

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Abstract

一种电弧炉炼钢用多功能氢氧烧嘴及供能控制方法，属于炼钢技术领域。以氢气为燃气，冶炼过程中，根据炉内情况实时动态调整氢氧烧嘴的工作模式，利用氢气燃烧产生的超燃火焰，形成温度，厚度可控的高温稀薄气体封套，满足不同冶炼时期的实际需求。氢氧烧嘴为单层/多层环缝套管环绕主氧喷管，主氧喷管与环缝套管的出口位置均为收缩段‑扩张段结构。冶炼过程中，根据炉况实时动态调整氢氧烧嘴的工作模式：烧嘴模式，脱磷模式，脱碳模式，保护模式。本发明以氢气为燃气，燃烧产生厚度较高的高温稀薄气体封套，延长主氧射流核心段面积，增大熔池冲击深度，强化熔池搅拌效果，减少电弧炉冶炼碳排放，清洁环保；可实时监测冶炼参数，调节工作模式，生产灵活，安全可靠。

Description

一种电弧炉炼钢用多功能氢氧烧嘴及供能控制方法
技术领域
本发明属于冶金领域，具体是一种电弧炉炼钢用多功能氢氧烧嘴及供能控制方法。
背景技术
电弧炉集束射流的原理是在拉瓦尔喷管的周围增加燃气射流，使拉瓦尔喷管氧气射流被高温低密度介质所包围，减少电炉内各种气流对中心氧气射流的影响，从而减缓氧气射流速度的衰减，在较长距离内保持氧气射流的初始直径和速度，能够向熔池提供较长距离的超声速集束射流。
目前，电弧炉集束射流氧枪采用甲烷为燃气，通过调节甲烷流量变化来满足电弧炉不同冶炼时期的冶金任务要求；但是甲烷燃烧会产生大量的CO2排放，不利于实现电弧炉绿色低碳生产；同时，甲烷气体价格高昂，导致电弧炉冶炼成本增加。
氢气作为新兴能源，具有热值高，密度低，价格低廉的优点；同时，氢气的燃烧产物是水，洁净无污染，不产生碳排放；大流量氢气完全可以代替甲烷作为电弧炉集束射流氧枪的燃气。
专利CN201610496319提出一种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，实现降低高热值燃气消耗，节省电弧炉冶炼成本的目的，但依旧会产生碳排放，不利于实现电弧炉绿色低碳生产。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种电弧炉炼钢用多功能氢氧烧嘴及供能控制方法，利用氢气作为燃气，与氧气燃烧形成保护气体，使主氧处于低真空状态，为主氧喷吹提供良好的条件。
一种电弧炉炼钢用多功能氢氧烧嘴，其特征在于，所述电弧炉炼钢用多功能氢氧烧嘴采用单层/多层环缝套管环绕主氧喷管设计，单层环缝套管与氢气入口相连接，多层环缝套管与氢气入口/氧气入口相连接，单层环缝套管为氢气环缝套管，多层环缝套管包括氢气环缝套管和氧气环缝套管；氢氧烧嘴主体外侧壁设有水冷枪套，主氧喷管与单层/多层环缝套管的出口位置均为收缩段-扩张段结构。
进一步地，所述主氧喷管出口马赫数为1.2～2.6，设计流量为1800～3200Nm3/h；氢气环缝套管出口马赫数为1.2～2.2，设计流量为800～1600Nm3/h；氧气环缝套管出口马赫数为1.2～2.2，设计流量为400～1000Nm3/h。
一种采用如上所述氢氧烧嘴的电弧炉炼钢的供能控制方法，其特征在于，使用氢气作为燃气，在冶炼过程中，废钢熔化阶段采取烧嘴模式，废钢熔清后进入脱磷阶段采取脱磷模式，完成脱磷任务后进入脱碳阶段采取脱碳模式，冶炼完成后采取保护模式。根据炉内情况实时动态调整氢氧烧嘴的工作模式，利用氢气燃烧产生的超燃火焰，形成温度，长度可控的高温稀薄气体封套，满足不同冶炼时期的实际需求。
进一步地，其喷吹参数为：
烧嘴模式：采用烧嘴模式预热助熔废钢，设定氢气伴随流的流量范围为600～1200Nm3/h，氧气伴随流的流量范围为200～600Nm3/h，主氧流量为200～600Nm3/h；
脱磷模式：采用脱磷模式造泡沫渣，脱除钢水中的磷，设定氢气伴随流的流量范围为200～600Nm3/h，氧气伴随流的流量范围为100～200Nm3/h，主氧流量为1000～2000Nm3/h；
脱碳模式：采用脱碳模式脱除钢水中的碳，强化熔池射流冲击，设定氢气伴随流的流量范围为400～1000Nm3/h，氧气伴随流的流量范围为200～400Nm3/h，主氧流量为2000～3000Nm3/h；
保护模式：采用保护模式防止烧嘴堵塞烧毁，设定氢气伴随流的流量范围为50～100Nm3/h，氧气伴随流的流量范围为50～100Nm3/h，主氧流量为100～200Nm3/h。
进一步地，所述供能控制方法使用的设备包括电弧炉，电弧炉炼钢用多功能氢氧烧嘴，氢气管道，氧气管道，供能及安全控制系统。
进一步地，所述供能及安全控制系统包括阀站，PLC系统及上位机，可以实时监测气体流量变化，控制阀门开度，有效防止氢气回火爆炸。
进一步地，所述阀站位于所述氢气管道和所述氧气管道上靠近电弧炉一侧，由若干控制阀，管道阻火器，流量计及压力表组成。
进一步地，所述PLC系统连接所述阀站与所述上位机，可实现数据与命令的实时通讯。
进一步地，所述上位机可实现人机交互，显示系统流量，压力等各种信号变化，并进一步发出操控命令。
进一步地，本发明基于50～330t炼钢电弧炉。
本发明的有益效果为：以氢气为燃气，减少电弧炉冶炼碳排放，清洁环保；相较传统燃气，利用较大流量的氢气，燃烧产生厚度较高的高温稀薄气体封套，延长主氧射流核心段面积，增大熔池冲击深度，强化熔池搅拌效果，有效提高电弧炉生产节奏；在生产过程中可实时监测冶炼参数，调节工作模式，生产灵活，安全可靠。
附图说明
图1所示为使用多功能氢氧烧嘴的电弧炉系统结构示意图。
图2所示为本发明实施1一种单层环缝的氢氧烧嘴的结构示意图。
图3所示为本发明实施1一种单层环缝的氢氧烧嘴的A-A剖视结构示意图。
图4所述为本发明实施1一种单层环缝的氢氧烧嘴应用于70t炼钢电弧炉的喷吹操作曲线图。
图5所示为本发明实施2一种2层环缝的集束射流氧枪的结构示意图。
图6所示为本发明实施2一种2层环缝的集束射流氧枪的A-A剖视结构示意图。
图7所述为本发明实施2一种2层环缝的氢氧烧嘴应用于90t炼钢电弧炉的喷吹操作曲线图。
图8所示为本发明实施3一种4层环缝的集束射流氧枪的结构示意图。
图9所示为本发明实施3一种4层环缝的集束射流氧枪的A-A剖视结构示意图。
图10所述为本发明实施3一种4层环缝的氢氧烧嘴应用于100t炼钢电弧炉的喷吹操作曲线图。
其中：1-电弧炉；2-电弧炉炼钢用多功能氢氧烧嘴；201-氧枪主体；202-主氧喷管；203-氢气环缝套管；204-氧气环缝套管；205-氢气入口；206-氧气入口；207-进水口；208-出水口；209-水冷枪套；3-氢气管道；4-氧气管道；5-供能及安全控制系统；501-阀站；502-PLC系统；503-上位机。
具体实施方案
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。
实施例1
如图2-3所示，为本发明实施一种单层环缝的氢氧烧嘴，所述烧嘴主体的外侧壁设有所述水冷枪套，所述主氧喷管出口采用收缩段-扩张段设计，可实现超音速射流，所述主氧喷管外侧设有用于形成氢气伴随流的氢气环缝套管，进一步的，所述氢气环缝套管出口采用收缩段-扩张段设计；
进一步的，主氧喷管出口马赫数为1.7，主氧设计流量为2000Nm3/h，压力为0.8Mpa；氢气环缝套管出口马赫数为1.5，氢气伴随流设计流量为1200Nm3/h，压力为1.2MPa；
本发明实施例应用于70t炼钢电弧炉上，共配置3支氢氧烧嘴，所述70t炼钢电弧炉的炉料结构为：20％铁水+70％废钢+10％生铁块，氢氧烧嘴的工作模式包括：烧嘴模式，脱磷模式，脱碳模式，保护模式：其喷吹参数为：
烧嘴模式：氢气伴随流的流量为1000Nm3/h，主氧流量为600Nm3/h；
脱磷模式：氢气伴随流的流量为500Nm3/h，主氧流量为1500Nm3/h；
脱碳模式：氢气伴随流的流量为800Nm3/h，主氧流量为2000Nm3/h；
保护模式：氢气伴随流的流量为50Nm3/h，主氧流量为100Nm3/h；
以下将结合具体冶炼生产过程，描述本发明实施一种电弧炉炼钢用多功能氢氧烧嘴供能控制方法：
熔化阶段：在加料之前，氢氧烧嘴采用保护模式，加料之后，氢氧烧嘴采用烧嘴模式，预热助熔废钢；
脱磷阶段：氢氧烧嘴采用烧嘴模式运行20分钟后，炉内金属料完全熔清，氢氧烧嘴采用脱磷模式，造泡沫渣，脱除钢水中的磷；
脱碳阶段：氢氧烧嘴采用脱磷模式运行10分钟后，完成钢水脱磷任务，氢氧烧嘴采用脱碳模式，脱除钢水中的碳，强化熔池射流冲击；
出钢阶段：氢氧烧嘴采用脱碳模式运行15分钟后，钢液达到出钢成分温度，氢氧烧嘴采用保护模式，防止烧嘴堵塞烧毁。
冶炼生产过程中氢气伴随流与主氧流量变化如图4所示。
实施例2
如图5-6所示，为本发明实施一种2层环缝的氢氧烧嘴，所述烧嘴主体的外侧壁设有所述水冷枪套，所述主氧喷管出口采用收缩段-扩张段设计，可实现超音速射流的所述主氧喷管，所述主氧喷管外侧设有2层用于形成氢气伴随流和氧气伴随流的氢气环缝套管和氧气环缝套管；进一步的，所述氢气环缝套管和所述氧气环缝套管环绕所述主氧喷管交替布置，由内向外，第1层为所述氢气环缝套管，第2层为所述氧气环缝套管，进一步的，所述氢气环缝套管和所述氧气环缝套管出口采用收缩段-扩张段设计。
进一步的，主氧喷管出口马赫数为2.0，主氧设计流量为2500Nm3/h，压力为0.8Mpa；氢气环缝套管出口马赫数为1.8，氢气伴随流设计流量为1200Nm3/h，压力为1.2MPa；氧气环缝套管出口马赫数为1.2，氧气伴随流设计流量为600Nm3/h，压力为0.8Mpa。
本发明实施例应用于90t炼钢电弧炉上，共配置3支氢氧烧嘴，所述90t炼钢电弧炉的炉料结构为：30％铁水+70％废钢，氢氧烧嘴的工作模式包括：烧嘴模式，脱磷模式，脱碳模式，保护模式：其喷吹参数为：
烧嘴模式：氢气伴随流的流量为900Nm3/h，氧气伴随流的流量为300Nm3/h，主氧流量为200Nm3/h；
脱磷模式：氢气伴随流的流量为400Nm3/h，氧气伴随流的流量为200Nm3/h，主氧流量为1600Nm3/h；
脱碳模式：氢气伴随流的流量为600Nm3/h，氧气伴随流的流量为300Nm3/h，主氧流量为2500Nm3/h；
保护模式：氢气伴随流的流量为50Nm3/h，氧气伴随流的流量为50Nm3/h，主氧流量为100Nm3/h；
以下将结合具体冶炼生产过程，描述本发明实施一种电弧炉炼钢用多功能氢氧烧嘴供能控制方法：
熔化阶段：在加料之前，氢氧烧嘴采用保护模式，加料之后，氢氧烧嘴采用烧嘴模式，预热助熔废钢；
脱磷阶段：氢氧烧嘴采用烧嘴模式运行25分钟后，炉内金属料完全熔清，氢氧烧嘴采用脱磷模式，造泡沫渣，脱除钢水中的磷；
脱碳阶段：氢氧烧嘴采用脱磷模式运行10分钟后，完成钢水脱磷任务，氢氧烧嘴采用脱碳模式，脱除钢水中的碳，强化熔池射流冲击；
出钢阶段：氢氧烧嘴采用脱碳模式运行20分钟后，钢液达到出钢成分温度，氢氧烧嘴采用保护模式，防止烧嘴堵塞烧毁。
冶炼生产过程中氢气伴随流与主氧流量变化如图7所示。
实施例3
如图8-9所示，为本发明实施一种4层环缝的氢氧烧嘴，所述烧嘴主体的外侧壁设有所述水冷枪套，所述氧枪主体中心为出口采用收缩段-扩张段设计，可实现超音速射流的所述主氧喷管，所述主氧喷管外侧设有4层用于形成氢气伴随流和氧气伴随流的氢气环缝套管和氧气环缝套管；进一步的，所述氢气环缝套管和所述氧气环缝套管环绕所述主氧喷管交替布置，由内向外，第1,3层为所述氢气环缝套管，第2，4层为所述氧气环缝套管，进一步的，所述氢气环缝套管和所述氧气环缝套管出口采用收缩段-扩张段设计。
进一步的，主氧喷管出口马赫数为2.0，主氧设计流量为3000Nm3/h，压力为0.8Mpa；第1,3层氢气环缝套管出口马赫数为1.4，氢气伴随流设计流量为800Nm3/h，压力为1.0MPa；第2，4层氧气环缝套管出口马赫数为1.2，氧气伴随流设计流量为400Nm3/h，压力为0.8Mpa。
本发明实施例应用于100t炼钢电弧炉上，共配置4支氢氧烧嘴，所述90t炼钢电弧炉的炉料结构为：40％铁水+60％废钢，氢氧烧嘴的工作模式包括：烧嘴模式，脱磷模式，脱碳模式，保护模式：其喷吹参数为：
烧嘴模式：氢气伴随流的流量为600Nm3/h，氧气伴随流的流量为200Nm3/h，主氧流量为200Nm3/h；
脱磷模式：氢气伴随流的流量为300Nm3/h，氧气伴随流的流量为100Nm3/h，主氧流量为1600Nm3/h；
脱碳模式：氢气伴随流的流量为500Nm3/h，氧气伴随流的流量为200Nm3/h，主氧流量为2800Nm3/h；
保护模式：氢气伴随流的流量为50Nm3/h，氧气伴随流的流量为50Nm3/h，主氧流量为100Nm3/h；
以下将结合具体冶炼生产过程，描述本发明实施一种电弧炉炼钢用多功能氢氧烧嘴供能控制方法：
熔化阶段：在加料之前，氢氧烧嘴采用保护模式，加料之后，氢氧烧嘴采用烧嘴模式，预热助熔废钢；
脱磷阶段：氢氧烧嘴采用烧嘴模式运行20分钟后，炉内金属料完全熔清，氢氧烧嘴采用脱磷模式，造泡沫渣，脱除钢水中的磷；
脱碳阶段：氢氧烧嘴采用脱磷模式运行12分钟后，完成钢水脱磷任务，氢氧烧嘴采用脱碳模式，脱除钢水中的碳，强化熔池射流冲击；
出钢阶段：氢氧烧嘴采用脱碳模式运行23分钟后，钢液达到出钢成分温度，氢氧烧嘴采用保护模式，防止烧嘴堵塞烧毁。
冶炼生产过程中氢气伴随流与主氧流量变化如图10所示。
本文虽然已经给出了本发明的实施例，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 (6)

1.一种氢氧烧嘴的电弧炉炼钢的供能控制方法，其特征在于，使用氢气作为燃气，在冶炼过程中，废钢熔化阶段采取烧嘴模式，废钢熔清后进入脱磷阶段采取脱磷模式，完成脱磷任务后进入脱碳阶段采取脱碳模式，冶炼完成后采取保护模式；根据炉内情况实时动态调整氢氧烧嘴的工作模式，利用氢气燃烧产生的超燃火焰，形成温度，长度可控的高温稀薄气体封套，满足不同冶炼时期的实际需求；
其喷吹参数为：
烧嘴模式：采用烧嘴模式预热助熔废钢，设定氢气伴随流的流量范围为600～1200Nm3/h，氧气伴随流的流量范围为200～600Nm3/h，主氧流量为200～600Nm3/h；
脱磷模式：采用脱磷模式造泡沫渣，脱除钢水中的磷，设定氢气伴随流的流量范围为200～600Nm3/h，氧气伴随流的流量范围为100～200Nm3/h，主氧流量为1000～2000Nm3/h；
脱碳模式：采用脱碳模式脱除钢水中的碳，强化熔池射流冲击，设定氢气伴随流的流量范围为400～1000Nm3/h，氧气伴随流的流量范围为200～400Nm3/h，主氧流量为2000～3000Nm3/h；
保护模式：采用保护模式防止烧嘴堵塞烧毁，设定氢气伴随流的流量范围为50～100Nm3/h，氧气伴随流的流量范围为50～100Nm3/h，主氧流量为100～200Nm3/h；
所述电弧炉炼钢用多功能氢氧烧嘴采用单层/多层环缝套管环绕主氧喷管设计，单层环缝套管与氢气入口相连接，多层环缝套管与氢气入口/氧气入口相连接，单层环缝套管为氢气环缝套管，多层环缝套管包括氢气环缝套管和氧气环缝套管；氢氧烧嘴主体外侧壁设有水冷枪套，主氧喷管与单层/多层环缝套管的出口位置均为收缩段-扩张段结构；
所述主氧喷管出口马赫数为1.2～2.6，设计流量为1800～3200Nm3/h；所述氢气环缝套管出口马赫数为1.2～2.2，设计流量为800～1600Nm3/h；所述氧气环缝套管出口马赫数为1.2～2.2，设计流量为400～1000Nm3/h。
2.如权利要求1所述的电弧炉炼钢的供能控制方法，其特征在于，所述供能控制方法使用的设备包括电弧炉，电弧炉炼钢用多功能氢氧烧嘴，氢气管道，氧气管道，供能及安全控制系统。
3.如权利要求2所述的电弧炉炼钢的供能控制方法，其特征在于，所述供能及安全控制系统包括阀站，PLC系统及上位机，可以实时监测气体流量变化，控制阀门开度，有效防止氢气回火爆炸。
4.如权利要求3所述的电弧炉炼钢的供能控制方法，其特征在于，所述阀站位于所述氢气管道和所述氧气管道上靠近电弧炉一侧，由若干控制阀，管道阻火器，流量计及压力表组成。
5.如权利要求3所述的电弧炉炼钢的供能控制方法，其特征在于，所述PLC系统连接所述阀站与所述上位机，可实现数据与命令的实时通讯。
6.如权利要求3所述的电弧炉炼钢的供能控制方法，其特征在于，所述上位机可实现人机交互，显示系统流量，压力各种信号变化，并进一步发出操控命令。
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