電弧爐氣體攪拌系統的應用及節能效果
近幾年電弧爐氣體攪拌系統作為先進的電弧爐技術在全球又重新被重視。氣體攪拌系統是以最短的投資回收期提高能源效率的一種安全、先進的技術。RHI/INTERSTOP提出一套經過全新改造的氣體控制系統，適用于電弧爐、轉爐以及鋼包爐等二次精煉設備。本文介紹了這套新系統的特點及近期有關耐火材料和氣體控制部件的案例研究和發展趨勢。
現代電弧爐煉鋼工藝主要是以非常靈活的生產效率進行著粗鋼液的成本最優化生產。鋼液的優良攪拌有助于改善傳質和傳熱，以便加快、促進廢鋼和直接還原鐵（DRI）的熔化、脫碳、均勻過熱、合金分布以及避免形成結渣。底吹氣體直接攪拌不僅能夠有效促進整個熔池的鋼液混合，而且能提供恒定的氣泡柱以避免CO共沸阻滯。
對整個氣體攪拌系統的控制——從耐火材料到閥門控制和攪拌策略，對確保攪拌系統的高可靠性和實用性來說是至關重要的。RHI/ INTERSTOP根據多年的實踐經驗，提出一套經過全新改造的氣體控制系統，適用于電弧爐、轉爐以及鋼包爐等二次精煉設備。
1氣體攪拌系統在電弧爐煉鋼中的應用
電弧爐煉鋼的特點是在生產量和原材料方面具有很大的靈活性。由于含鐵原材料價格上漲，用于生產高質量鋼的廢鋼、DRI、熱壓塊鐵（HBI）、熱裝鐵水（HM）和不同質量含鐵廢料的需求也出現上升。含鐵原材料、氧氣、碳和合金利用率的最大化以及能源成本的最小化都是優先需要考慮的。對于現代高效的生產技術水平，即便對工藝實施小的改進也能大幅降低成本。比如：通過有效地提高電弧爐傳質和傳熱水平，就能實現這樣的改進效果。因此，優化熔池內鋼液的流動方式對于有效熔化廢鋼和DRI并達到良好的均勻性是十分重要的。
2合金鋼和不銹鋼冶煉的制約因素
在電弧爐中生產合金鋼、高鉻鋼或者鉻-鎳鋼時有其他約束條件。由于鋼液中碳和鉻發生氧化時的氧氣活度非常相近，所以在電弧爐吹氧期間，要特別注意盡量使鉻的氧化損失減少至最低。鋼液中碳、鉻和氧氣的均勻分布可有效避免濃度梯度形成，并提高金屬收得率。
生產不銹鋼時，電弧爐渣中鐵氧化物（FeOx）含量低和氧化鉻含量高往往會抑制泡沫渣的形成。這是由于堿性電弧爐渣中的Cr2O3溶解度低，導致Cr2O3承載物沉淀，且使爐渣具有較高的黏性。在大多數情況下，爐內鉻的較高氧化是因鋼液中碳的缺乏（與氧槍有關）造成的。改善混合條件可提高脫碳率和鉻的收得率。
在鑄造廠，鋼液成分的微調通常在電弧爐內進行。鐵合金的收得率取決于鋼水中金屬合金的活度以及渣中其氧化物的活度。鋼水中組分濃度梯度導致不必要的、較高的合金氧化。利用DPPs 攪拌鋼液可改善鋼水均質化和提高收得率。
3電弧爐底吹氣體攪拌技術
一般的電弧爐技術很少能提供動量源使鋼液和渣流動、混合。比如：交流電弧和氧槍對鋼液表面的影響很有限，因為黏性熔渣層覆蓋著鋼液。另外，盡管直流電場作用于底電極上面的熔池中部，但到目前為止最有效促使鋼液整體流動的方式就是氣體攪拌，從熔池底部至頂部產生很多氣泡柱。自20世紀80年代初以來，各種氧氣和惰性氣體噴射系統就已經被采用，以提高電弧爐的熔化效率。在最近幾年，耐火材料、安裝程序、氣體控制元件已經明顯改善。透氣磚的設計得到優化，氣體消耗量已達到最低水平。
通過單管或者多孔磚噴吹氣體的底吹攪拌系統已被研制出，它既可以埋入電弧爐爐底搗打料中（即間接攪拌），又可以與鋼液接觸（即直接攪拌）。然而目前，具有多孔磚設計的直接攪拌系統是全球鋼鐵工業電弧爐冶煉采用最多的底吹攪拌系統，比如：RHI直接攪拌透氣磚（DPP）系列。根據可用性和冶煉限制條件，選擇采用氮氣和/或氬氣。
總的來說，現在約9%的電弧爐配備有底吹氣體攪拌系統，隨著鋼鐵工業電弧爐煉鋼降本增效的發展趨勢，對底吹氣體攪拌技術的需求也在不斷增加。全球已有80多家企業的電弧爐（容積為6-250t）已采用了這種DPP透氣磚。
4電弧爐氣體攪拌系統的安全性
如圖1所示，透氣磚通過一個由周邊耐火磚砌成的通道安裝于電弧爐爐底內，這樣使爐底透氣磚的更換更容易，并且提高了安全標準，因為爐底搗打料的砌筑、脫氣、壓緊、燒結不影響攪拌系統運行。透氣磚周圍的其余縫隙用兩種特殊的填充料填充，并被優化達到透氣磚附近要求的特殊燒結性能。采用這種標準化的內襯，可以達到最高的安全要求。
氣體通過許多鋼管供給熔池，通過提供的多個小孔，鋼液或熔渣以低氣流速度滲透進耐火磚，僅限于透氣磚上部幾毫米。在RADEX DPP氣體攪拌系統運行期間，阻塞管重新疏通（氣體通過鄰近管進入時促使熔化物移動造成的），并像往常一樣。與此相反，單孔透氣磚在一個管被深層入滲后一般會被堵塞。
透氣磚中的磨損指示器建立在壓縮氣體管路之上，壓力下降通過磨損指示線表明剩余最小磚長度，透氣磚也可以被安全關閉。
比如，用于鑄造業的小型電弧爐，為避免鋼液“開眼”（由于渣厚度降低），采用非常低的氣體流速。甚至有時僅安裝1個透氣磚，且還需要氣體攪拌的高可靠性。要保持非常低的氣體流速就要求精確的氣體控制，才能避免滲透和阻塞。具有最優氣管數量和專用混合磚的RADEX DPP透氣磚已廣泛應用于以極低氣體流速運行的小型電弧爐。
5氣體噴吹
如表1所示，一般的DPP氣體流速為10-100 l/min，如果需要還可更高。采用氮氣和/或氬氣取決于可用性和冶煉限制條件。位于透氣磚和氣體受熱面以上幾厘米處，產生大量均勻分布的氣泡（上升到鋼液表面）。因此，氣流對鋼液流動的影響主要取決于所用的氣體體積，其次是透氣管子數量、管徑或者管道布置。
大量的小管降低了阻塞的風險，即使在非常低的氣體流速下，也可產生大量氣泡。另外，低氣體流速不僅可使氣體利用率最大化，而且還可避免鋼液表面形成“開眼”。在大部分的DPP應用中，這種所謂的“軟吹”是常見的操作方式。然而，有一些用戶在電弧爐特殊運行條件下，采用較高的氣體流速來實現其目標。
6電弧爐底吹攪拌系統的氣體控制
RHI可提供整套氣體攪拌系統，包括耐火磚和耐火泥、安裝程序、過程支持及氣體控制裝置，氣體控制裝置是由INTERSTOP/RHI公司根據幾十年的經驗研發出來的。
一個氣體控制站管控電弧爐中1-6個RADEX DPP透氣磚。每個透氣磚可單獨控制，采用氮氣和/或氬氣。通過使用特定的電弧爐操作參數，或將其集成到電弧爐控制系統，氣體流速的調節就可單獨進行，而不依賴于電弧爐的控制。
通過供應和安裝具有最佳技術解決方案的全套氣體攪拌系統，就可在電弧爐整個服役期內顯著增加氣體攪拌的可用性和可靠性。新型氣體攪拌系統的技術優勢具體如下：
◆ 模塊化設計便于維修；
◆ 用環形密封標準塊替代管子，可實現100%無泄漏；
◆ 可控制攪拌效率；
◆ 根據用戶需求，將所有輸入、輸出信號可視化；
◆ 出具故障檢測錯誤報告；
◆ 工藝數據的可用性，通過嵌入現有IT基礎設施進行數據傳輸與處理；
◆ 程序語言Siemens Step7/WinCC Fl exibl e或 者TIA Portal；
◆ 多孔氣體攪拌系統可實現精確又個性化的流速控制；
◆ 該系統的保證參數：100%無泄漏系統、流速控制精度±3%、設定時間<500ms。
用于電弧爐和二次精煉的該氣體攪拌系統的主要特點：
◆ 具有整套氣體攪拌解決方案——對整個氣體攪拌技術的控制（從耐火材料到閥門控制和攪拌策略）；
◆ 對系統和耐火材料實施一站式工程管理；
◆ 專長于工藝知識的專家進行技術支持；
◆ 供應商優勢的結合——INTERSTOP氣體控制系統和RHI耐火材料；
◆ 先進的技術解決方案；
◆ 通過L0級-L2級自動化技術將該系統全部集成到用戶的工藝控制系統中；
◆ 模塊化設計使得操作簡便、降本增效；
◆高精度的質量流量控
制——新一代MFCs；
◆ 流速對設定值的響應快；
◆ 來自氣體供給、控制、透氣裝置、冶金技術的集成解決方案；
◆ 用戶友好型直覺控制面板和可視化；
◆ 設計緊湊，占用空間少；
◆ 滿足用戶特殊要求的軟件解決方案；
◆ 可精確調節整爐攪拌氣體的類型和流速；
◆ 根據不同鋼種或者生產計劃，可程序化氣體流速。
1）氣體攪拌系統可靠的關鍵因素
鋼廠和耐火材料供應商主要關注于耐火材料的透氣性產品，比如：透氣磚及其在氣泡形成、流速、壓力、使用壽命等方面的特性。但也要同樣關注氣體的調節、管道系統和系統的維護方案。
2）質量流量控制器（MFC）
現代攪拌系統的核心設備是MFC。新一代MFC具有以下特點：
◆基于一套熱量測量系統；
◆精度可達到±1.5%；
◆流量調節采用比例換向閥；
◆根據應用情況，調節范圍為：0.5-20Nl/min；2-100Nl/min；6-300Nl/min；12-600Nl/min；24-1200Nl/ min；30-1500Nl/min；
◆設定時間＜500ms。
3）系統的可用性和維護
在設計系統零部件的過程中，采用了統一的標準理念。因此，相同的基本組件都可用于電弧爐、轉爐和鋼包爐的攪拌站。這使得系統的維修方便、快捷，一個專業人員就可維修所有的攪拌站。
7電弧爐應用氣體攪拌系統實現的效益
電弧爐冶煉工藝采用直接噴吹氣體攪拌系統可以增強整體熔池鋼液的流動，并使鋼液上下混合更加均勻。RADEX DPP 底吹氣體攪拌系統用于不銹鋼生產獲得的效益如下：
1）增強鋼液熱量和溫度的均勻性：
◆減少廢鋼和DRI的熔化時間；
◆在過熱期間，傳熱增強；
◆能量輸送的效率提高；
◆單位耗電量降低；
◆電弧爐和鋼包爐中測得的鋼液溫度偏差降低；
◆避免出鋼后電弧爐爐底結渣或留有殘渣；冶煉不銹鋼時減少或避免電弧爐爐底堆積殘渣。
2）增強鋼液化學成分的均勻性：
◆增加金屬收得率；
◆提高二次含鐵原料的利用（如：DRI、HBI、HM）；
◆減少鋼液成分分析的差異——較好的工藝控制；
◆提高合金添加劑收得率；
◆提高碳氧化速率，特別是熱裝鐵水；
◆[C]×[O]指標接近平衡條件，導致合金添加劑用量減少、較好的合金預測結果、鋼包運行更加平穩；
◆改善脫磷條件；
◆提高吹氧效率。
3）鋼液內氣泡量的產生：
避免鋼液中CO瞬時起泡或延遲起泡。
DPP系統的節電量大于5kWh/t，通電時間減少0.5min，產量增加0.5%。與其他增強電弧爐能效的措施相比，底吹氣體攪拌系統的投資回收期最短。
8電弧爐冶煉非合金鋼應用DDP系統的案例分析
近期DPP系統應用于電弧爐煉鋼工藝，實施了以下具體改進措施：
1）一座用于生產結構鋼的250t 電弧爐，以100%廢鋼為原料，配備了5個DPP（氣體流速40-70 l/min）。生產效率提高0.9爐次/天，出鋼量增加了1.6t，產量提高1.6%。
2）一座130t電弧爐配備了4個DPP。電耗降低了7.3kWh/t，氧氣輸入量輕微上升了0.9m3/t，出鋼時鋼液溫度控制得到改善。
3）一座45t電弧爐配備了3個DPP。在變壓器容量平均增加0.23MW的情況下，電耗降低8.7kWh/t。煤的添加量減少了0.4kg/t，總耗氧量降低0.25m3/t。同時，脫碳率增加了0.05%/h。產量提高了0.6%，通電時間減少了1.5min，生產率提高1.9t/h。
9冶煉不銹鋼時應用DPP系統的案例分析
電弧爐采用DPP氣體攪拌系統也可生產不銹鋼、特殊鋼以及鑄造產品。以下應用表明該系統是具有可持續性的電弧爐冶煉技術。
1）一座用于生產不銹鋼的100t電弧爐，配備3個DPP后，產量提高0.5%，耗氧量減少0.5m3/t，電耗降低5kWh/t。根據電弧爐生產工序，氣體流速介于50-110 l/min。
2）一座用于生產不銹鋼的140t電弧爐，配備了3個DPP透氣磚，氣體流速恒定為100 l/min。通過增強熔池攪拌力和熱量轉換，電能轉換效率得到提高，耗氧量明顯減少10m3/t。氧氣輸入量降低導致產量增加4.5%，出鋼時間縮短9min。隨著出渣中鉻的減少，石灰需求量降低2kg/t。
3）一座用于生產特殊鋼和高合金鋼的6t鑄造電弧爐，采用1個DPP底吹氣體攪拌系統后，合金添加劑的收得率明顯提高，氣體流速為10 l/min。
4）一座10t電弧爐配備1個DPP系統后，鐵合金收得率提高，出鋼時間和耗電量均減少。該系統的氣體流速為7-10 l/min。
5）一座用于生產不銹鋼的150t電弧爐，配備4個DPP后，出鋼時間更短，產量明顯增加。氣體攪拌系統已經成為電弧爐的標準化操作。
6）一座用于生產高合金鋼和不銹鋼的30t電弧爐，配備1個DPP透氣磚后，金屬收得率提高3%，合金收得率增加8%，通電時間減少7min。
10結論
1）電弧爐冶煉非合金鋼、高合金鋼的過程中，采用底吹氣體攪拌系統可提高熔池的均勻性、吹氧效率、脫碳效率，從而提高合金元素的收得率、降低電能需求。另外，還可使熔池中鋼液混合更加均勻，加強工藝監控。使渣中FeO的控制得到提高。通過減少CO氣體的瞬時排放和沸騰（由于延遲混合和氧化反應），可以提高生產的安全性。
2）由于煉鋼生產的質量和成本要求提高，惰性氣體系統成為滿足要求的重要工具。這些系統不僅能提供簡單的氣體流量控制，而且也適用于復雜的生產操作，還能提供高級別的操作界面（在添加改良控制器、PLCs、HMIs時）。另外，統一的系統方法是實現預期冶金效果（降低成本）的關鍵，因為工藝得到最大化控制。
3）但是從整體考慮氣體攪拌系統、耐火材料透氣元件、維修方案，不將氣體調節控制系統與功能性耐火透氣產品分開也是非常重要的。本文介紹的這種系統可以改善整個過程控制、達到成本降低的目的。（計宏 路俊萍 寇君 郝宏偉）