CN1043055C - 在电弧炉内生产钢的方法及其电弧炉 - Google Patents

Abstract

一种在电弧炉内制钢的方法，炉子具有盛钢液熔池的炉体、盖在炉体上面的炉顶和一个电极或几个内接于一假想圆筒体的电极。在此方法中，将一些含氧气流朝向所述熔池表面吹入炉体，使气流在表面上的冲击区避开所述电极或所述圆筒体。此方法的特征是：所述气流从炉子上部吹入而进入所述熔池一个较浅的深度。一种制钢电弧炉，具有一用以盛钢液(2)的炉体(1)、一盖在所述炉体(1)上面的炉顶(3)、单个炉顶电极或位于一假想圆筒体内的几个炉顶电极(4、5)和用以将一些含氧气流(12、13、14)朝向所述钢液(2)表面吹入炉体(1)的装置，使所述气流(12、13、14)在所述表面上的一些冲击区避开所述电极或所述圆筒体，所述装置由装在所述炉顶(3)内的风嘴(9)构成。

Description

在电弧炉内生产钢的方法及其电弧炉

本发明涉及在电弧炉内熔炼钢。更具体地说，涉及向炉膛内喷射氧气的方法，使氧气加快废金属的熔化，使从金属液熔池内逸出的含碳废气充分燃烧。

制钢电弧炉用以熔化含铁原料(废金属、铸铁或预还原的铁矿石)，这些原料是用以形成钢液熔池(熔体)的，以及用以至少进行浇铸前对钢液成分的初步调整。在对电弧炉作交流供电的情况下，主要通过在熔池和三个石墨电极之间建立的电弧提供熔化金属炉料和调整炉料温度所需的能量，电极穿过炉体上面的炉顶架在熔池上方。在对电弧炉作直流供电的情况下，电流在至少一个炉顶石墨电极和至少一个装在炉床内与熔池接触的电极之间通过。

目前，日渐趋向于供送矿物能量来替代或补充某些电能的方法，这种矿物能量基于用氧气燃烧原来含在固体炉料内的碳甚或燃烧有意加入固体炉料和(或)加入熔池的碳料。此外，还采用氧气、燃油或天然气燃烧器来加热废金属。总的来说，这种矿物能量约占熔化炉料全部所用能量的25-50％。

用氧气使碳作完全的燃烧而供给能量的连续反应可列出如下：

     ΔH=1.35kwh/kg碳25℃    25℃1600℃和

  ΔH=6kwh/kg碳

1600℃25℃1600℃

一般称作“CO的后燃烧”的将CO氧化成CO₂的反应显然是对金属炉料最有用的能量。但是，实际上往往只是很少一部分碳在紧靠近固体或液体金属的地方才能充分燃烧成CO₂。钢液不论是自然脱碳还是向金属熔池吹氧脱碳，所形成的CO在从熔池中逸出时并不处于充分有利于完全氧化成CO₂的条件之下。实际上，这种氧化在CO与通过炉子开口以及炉体上沿和炉顶之间的缝隙不加控制地进入炉子的空气相接触时只是在炉子的上部才较显著地发生。因而，金属炉料离有利于CO的后燃烧的区域太远，燃烧温度对于这种后燃烧来说也太低，以致这种后燃烧对熔化中的废金属或金属熔池的加热作用不大。

曾设想(见EP0,257,450)在炉子侧壁内装上吹氧管(在熔池液面以上)，以便加强CO的后燃烧而得CO₂的现象。这些吹氧管与垂线成30-60°角而使其喷射方向与由单电极炉子情况下的电极本身或由三电极炉子情况下三电极形成的假想圆筒体相切。这些吹氧管是针对炉内通常温度最低、废金属熔化最慢的区域设置的。但，经验表明，这种装备的效果尚不理想。

本发明的目的是提供一种有效的方法，使炉内产生的CO能尽量作完全的后燃烧而成CO₂，并使这种后燃烧产生的热量能充分地利用来再加热金属熔池。

为此，本发明的主题是一种在电弧炉内熔炼钢的方法，该炉子具有一定容有钢液熔池的炉体、一盖在所述炉体上面的炉顶和单个炉顶电极或位于一假想圆筒体内的几个炉顶电极，在此方法中将一些含氧气流朝向所述熔池表面吹入所述炉体，使所述气流在所述表面上的一些冲击区避开所述电极或所述圆筒体，其特征是：所述气流从炉子上部吹入；并且所述气流进入所述熔池一个较浅的深度。

本发明的主题还包括一种制钢电弧炉，它具有一用以盛钢液的炉体、一盖在所述炉体上面的炉顶、单个炉顶电极或位于一假想圆筒体内的几个炉顶电极和用以将一些含氧气流朝向所述钢液表面吹入所述炉体的装置，使所述气流在所述表面上的一些冲击区避开所述电极或所述圆筒体，其特征是：所述装置由装在所述炉顶内的风嘴构成。

不难理解，本发明在于将一些氧气流射在熔化中或已熔化的含铁材料上，使炉内产生CO的后燃烧，但必须使这些气流不致引起石墨电极的燃烧，并且不进入金属熔池过深，其原因将在以后予以说明。

通过以下按附图所作说明会对本发明具有更清楚的了解，图中：

图1为用以实施本发明的制钢电弧炉上炉体的顶视简图；

图2为图1中电弧炉Ⅱ-Ⅱ剖面的侧视图。

如图1和2所示，制钢电弧炉一般具有炉体1，其侧壁装有水冷壁板1′，其下部内面衬有耐火材料1"。炉体下部用以盛装熔化中的钢，图中部分钢示为纯液态的熔池2，其余示为尚未熔化的废钢2′。在示例中，三个石墨电极4、5、6与电源(未示出)连接，穿过盖在炉体1上面的炉顶3。炉体1通常还具有排渣门7，通过此门间歇地将浮在钢液2上面的炉渣(未示出)排出，还具有出钢槽8(图2中未示出)，用以在炉外进行钢液2的浇注。

为实施本发明方法，在炉顶3内设置三个吹氧风嘴9、10、11。氧气流12、13、14从中放出，其放射外形在图中用虚线示出，气流从炉顶向下射向钢液熔池2表面。为使这一操作具有最大效果，气流在熔池2上的冲击区15、16、17应覆盖熔池2上尽量大的一部分表面，如图1中虚线所示。目的在于，在紧靠金属液2的地方，将从中逸出的CO的大多数氧化成CO₂，从而最有利于将由氧化释放出来的热能传给金属液2或固体金属2′。但，必须使冲击区15、16、17不覆盖围着三个电极4、5、6的圆圈18，以免引起电极4、5、6的过度燃烧。在单电极炉的情况下，为了同一原因必须使冲击区15、16、17避开电极本身。同样，最好不要使氧气流12、13、14撞击炉子1的耐火壁，以免引起炉壁过度或不必要的耗损。

取得较理想的CO二次燃烧的另一基本条件是，气流12、13、14不应过分猛烈地冲击熔池2。如发生这种情况，氧会深入钢液2而促使其脱碳产生CO，不过这不是其功用所在(为此目的，氧往往是通过在炉体1炉床内设置的风嘴直接射进熔池2的)。后燃烧的效率因此会受到影响。此外，氧气流12、13、14深入熔池2会引起钢液液滴19的飞溅。这些金属液滴会将CO₂还原成CO。这一反应是吸热性的，发明人已注意到这会部分地和基本地抵消后燃烧的作用。氧气流进入钢液2越深，这种飞溅也越烈，因此，很重要的是通过炉顶风嘴9、10、11吹入的氧气流应是相对较“缓和”的气流。发明人的经验表明，其进入钢液熔池2的深度最好不要超过5cm左右。

这一深度可以通过数学模型估算。举例来说，可以提一下“在氧气顶吹转炉内气流深度和斜度的模型研究”(Tetsu To Hagane 58(1972)No.1,76-84页)一文所述方法，对于从一带一孔的埋置(原文如此)风嘴放出的氧气流进入钢液内的深度以mm计可表示如下：

深度=Ae^{-0.78H/Acosβ}其中：

A=63(Q/d)^2/3其中：

Q为氧气流量，以Nm³/h计：

d为风嘴的孔径，以mm计：

H为风嘴端部和钢液熔池2表面之间的距离，以mm计：

β为风嘴相对于水平面的斜度。

风嘴9、10、11也可用以在开始熔化含铁材料之前对其加热，以便加速其熔化。这里必须有足够数量的风嘴，以便按以上要求尽量覆盖熔池2的表面。但，最好使气流12、13、14彼此很好地分开，以便很好地控制炉内的气动力条件。

如上所述，将氧通过炉床风嘴20经炉体1的炉床射进钢液熔池2的做法往往用以促使金属脱碳。通过炉床风嘴20喷射非氧化气体(氮或氩)也具有脱碳动力学的有利效果，同时，由于其引起金属液2的搅动，对仍是固体的含铁材料2′的熔化速度也具有有利的效果。最好使从炉顶风嘴9、10、11放出的气流12、13、14在炉床风嘴20所在位置的上方产生冲击区15、16、17，因为这些区是CO形成的最佳部位。但，在这种情况下，更应严格控制氧气流12、13、14进入熔池2的深度，因为通过炉床喷嘴气体本身已经产生金属液滴19的飞溅，重要的是来自炉顶的氧气不再过于加剧这种飞溅，鉴于如上所述的原因，必须要限制已经形成的CO₂的还原。

以上采取的是将风嘴9、10、11装在炉顶3上。然而，也可设想将其装在炉体1的侧壁上，前提是本发明方法所要求的几何和气动力条件要结合得很好。不过，将风嘴设于炉顶3对优化本发明方法的实施还是有利的。首先，与装在侧壁上覆盖熔池相同部位的风嘴相比，炉顶风嘴9、10、11放出的气流相对于垂线具有较小的斜度。这可降低使炉内气体对炉壁作切向环流的作用，而这种环流作用是会造成耐火材料的局部蚀损的。同时这也易于控制气流12、13、14的大小和方向，使其不致冲击炉壁或电极4、5、6。另一优点是，在使炉顶风嘴9、10、11放出的气流12、13、14稍作倾斜的情况下，在废钢正在熔化而使其在炉内的高度下降时，气流在熔化中金属上的冲击区变化很小。从炉壁风嘴放出的斜度很大的气流对这些高度上的变化就敏感得多，就没有把握使从风嘴放出火焰的尖端确实始终与金属保持接触。而尖端部分正是气流最热的部位，其与金属2的接触是优化传热的重要条件。取得这种优化对炉顶风嘴9、10、11来说就比炉壁风嘴容易得多。此外，炉渣飞溅的强度也降低了，因为靠近垂线的气流有将所碰到的炉渣压下去的倾向而不是将其推向炉壁。因此，采用炉顶风嘴9、10、11比采用炉壁风嘴对炉衬耐火材料的蚀损较小。最后，也是最重要的是，将风嘴装在炉顶3与装在炉体1侧壁相比，由于氧气流相对于垂线的斜度较小，由气流在金属液2上的冲击区所产生的金属飞溅本身就减弱了。此外，可以理解，这种飞溅由于其具有还原已形成的CO₂的倾向，对CO后燃烧的正常进行也是非常不利的。

最好使绝大部分CO₂留在炉内气氛的上层，使其中的氧气限制在数量上和广度上尽量有限的一些区域内，这是为了防止必须用于后燃烧的氧气被燃烧气体收集装置吸出炉子。因此，最好使氧气流不要过多(例如，三个)，风嘴应喷出顶角大些的锥形气流，以使其冲击区尽量覆盖熔池表面。

作为一种变型方案，可不用纯氧而用高度加热的空气或用一般采用的含氧气体，主要是这可取得在CO燃烧时高的火焰温度(在2000℃左右)。

因此，按本发明方法，可以充分利用吹入炉内的氧气，以保证所形成的CO的后燃烧。这样就可满足操作人的要求，而与现有操作相比，在电能、碳和氧的耗用量不变的情况下可缩短熔化时间，因为所需钢液温度可较快地达到，或则在保持通常熔化所需时间的情况下可减少电能、氧和碳的耗用量。

Claims (7)

1．在电弧炉内熔炼钢的方法，该电弧炉具有一容有钢液熔池的炉身、一盖在所述炉身上面的炉顶和单个炉顶电极或位于一假想圆筒体内的几个炉顶电极，在此方法中将一些含氧气流朝向所述熔池表面吹入所述炉体，使所述气流在所述表面上的一些冲击区避开所述电极或所述圆筒体，其特征是：所述气流从炉子上部吹入，并且所述气流进入所述熔池一个较浅的深度。

2．根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述气流从所述炉子的顶部吹入。

3．根据权利要求1或2所述的方法，其特征是：所述气流进入所述熔池的深度小于5cm左右。

4．根据权利要求1或2所述的方法，其特征是：将一种惰性气体或氧化气体通过位于所述熔池上所述气流冲击区垂直下方的炉床吹入。

5．根据权利要求1所述的方法，其特征是：在炉子上部保持一种主要由CO₂构成的气氛。

6．制钢电弧炉，它包括一用以盛钢液(2)和含铁材料(2′)的炉体(1)、一盖在所述炉体(1)上面的炉顶(3)、单个炉顶电极或位于一假想圆筒体内的几个炉顶电极(4、5、6)和用以将一些含氧气流(12、13、14)朝向所述钢液(2)表面吹入所述炉体(1)的装置，使所述气流(12、13、14)在所述表面上的一些冲击区避开所述电极或所述圆筒体，其特征是：所述装置由装在所述炉顶(3)中的风嘴(9、10、11)构成。

7．根据权利要求6所述的制钢电弧炉，其特征是：它包括用以通过炉床吹入一种惰性气体或氧化气体的装置，此装置位于所述钢液(2)上所述气流(12、13、14)冲击区(15、16、17)的垂直下方。

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