電爐鐵水比對供氧量及其利用系數的影響研究*

趙 舸，胡硯斌，王雪明，何 賽

（1 鋼鐵研究總院有限公司冶金工藝研究所，北京 100081；2 江蘇沙鋼集團有限公司電爐三車間，江蘇蘇州 215625）

1 前 言

鐵水電爐熱裝工藝是20世紀90年代初發展起來的一種電爐冶煉技術，鐵水熱裝是指在電爐加入廢鋼的同時加入部分鐵水或全部采用鐵水作為原料，其中廢鋼結合鐵水作為電爐原料是一定較為常見的鐵水熱裝冶煉方式。電爐熱裝工藝不僅解決了我國現階段廢鋼資源短缺的矛盾，同時在降低冶煉電耗、生產優質鋼水及開發新品種等方面有著一定的積極意義［1-3］。常規全廢鋼電爐冶煉工藝與鐵水電爐熱裝冶煉不同，尤其在高鐵水比冶煉過程中，相比于全廢鋼電弧爐冶煉其初始原料中碳含量高，冶煉過程供氧量較大［4］，這也導致終點碳波動大。供氧過多時，電爐冶煉終點鋼液會處于“過氧化”狀態，鋼水“過氧化”會增加后續出鋼及精煉過程中合金料及脫氧劑的消耗，從而增加生產成本［5］；電爐吹氧量不足又不能滿足電爐出鋼碳含量要求，精準的終點碳含量成為高鐵水比電爐冶煉的重要考核指標之一［6-8］，許多研究工作者對于終點碳含量的預報和控制也做了許多研究工作，如李克燕、劉志明等人［9-10］利用神經網絡模型對電弧爐終點碳含量預報做了大量工作，但其模型需要大量的生產數據，同時生產過程中需要提供的數據項較多，在實際生產中使用存在一定的難度。本文主要針對高鐵水比電爐吹氧脫碳的過程進行了分析，同時通過對現場數據記錄和分析，研究了實際生產過程中高鐵水比電爐冶煉過程中鐵水比對供氧量及氧氣利用率的影響。發現不同鐵水比條件下，氧氣消耗量及氧氣利用率之間有著較好的線性關系，為高鐵水比電爐供氧操作提供了一定的參考價值。

2 高鐵水比電爐吹氧脫碳理論分析

2.1 高鐵水比電爐脫碳過程分析

在高鐵水比電爐冶煉過程中，式（1）和式（2）為電爐吹氧脫碳反應，在熔池的脫碳反應中，脫碳反應主要的環節有氧在氣相的傳輸、吸附氧與鋼液中的Fe生產FeO，氧主要以FeO的形式接觸鋼液中與碳反應生成CO排出。

現有研究表明，氧在渣中的傳質和碳在鋼液中的遷移是吹氧脫碳的限制性環節［11］。式（3）為渣中氧的傳質速度RO計算方法，通過式（3）可以看出在一定的吹氧條件下，反應界面處氧越低氧傳質越快，而熔池中碳含量高將有利于降低反應界面處氧含量，從而有利于氧的傳質，從而提高氧氣利用率。

式（3）中：kO為元素氧在渣中的傳質系數，m/s；Ags為氣-渣反應界面面積，m2；ρs為鋼液的密度，kg/分別為渣和反應界面處氧的摩爾濃度，mol/kg。

式（4）為鋼液中碳的傳質速度RC的計算方法，從式（4）可以看出，碳的傳質和氧傳質相似，在一定的條件下，反應界面處的碳降低能提高碳的傳質速度，而這一過程也受到氧傳質的影響。

式（4）中：kC為元素碳在金屬液中的傳質系數，m/s；Ams為鋼-渣反應界面面積，m2；ρm為鋼液的密度，kg/分別為鋼液和反應界面處碳的摩爾濃度，mol/kg。

結合式（3）和式（4）可以看出，脫碳反應的速度受氧、碳的傳質速度共同影響，其中最終反應速度取決于氧、碳傳質速度小的一方，在高鐵水比電爐冶煉初期由于鋼液中碳的含量較高，RO＜RC，這時脫碳反應的限制性環節為氧的傳質；隨著爐內脫碳反應的進行，碳含量逐漸降低，RO＞RC，這時脫碳反應的限制性環節為碳在鋼液內的傳質速度。所以對于碳含量高的初始條件下其氧氣利用率較高，反之氧氣利用率降低，這也說明對于不同高鐵水的電爐冶煉條件，其氧氣利用率有著一定的區別。結合上述分析及相關文獻研究［12-13］得出高鐵水比電爐熔池脫碳過程可以分為三個階段：電爐吹煉初期主要鐵水中的Si、Mn 元素被氧化，到吹煉中期，熔池溫度急劇上升，脫碳反應劇烈，此時脫碳速率達到最大值，到吹煉后期由于碳含量下降，脫碳速率逐步下降。

2.2 電爐氧氣利用系數的計算

電爐供氧脫碳除生成CO 外，在吹氧脫碳過程中，尤其在碳的傳質成為限制性環節后，爐氣中的CO 將與氧氣發生二次燃燒，如式（5）所示，所以在脫碳反應過程中部分碳是以生成CO2消耗。

計算電爐氧氣消耗過程中其中最主要的是碳氧化的消耗，式（6）為根據電弧爐原料條件計算初始碳含量MC。

式（6）中：Gi為入爐的第i種（共n種）原料質量，kg；wi（C）為第i中原料中的碳元素含量，%。在高鐵水比冶煉電爐中其中碳的來源主要以鐵水為主，所以本文在分析過程中主要計算鐵水中帶入的碳量。

電爐冶煉過程中一方面由于Si、Mn消耗的氧氣量較少，所以在不考慮考慮Si、Mn等元素氧化引起的氧氣消耗的條件下，冶煉終點氧氣利用系數kO2計算如式（7）所示。

式（7）中：φ（CO2）和φ（CO）分別為碳氧反應后CO2和CO 的生成比例；CS為鐵水中氧化的碳的質量（kg）；VO2為吹入的氧氣量（m3）。

3 鐵水比對氧氣消耗量及其利用率的影響

通過上述分析，理論上不同鐵水比的原料對氧氣的消耗量及利用系數有著重要的影響，對此統計并分析了100 t超高功率豎式電爐在不同鐵水比例條件下冶煉同一鋼種的氧氣利用系數情況，表1為連續生產的50爐中具有代表性的9爐，其鐵水比由31.33%升高至76.38%。其中鋼水重量、氧氣消耗、廢鋼量、鐵水量及終點碳是統計的實際生產記錄和化驗的數據，通過上述數據計算了對應的冶煉結束時鋼液減少的碳量、碳氧化消耗的氧氣及氧氣利用率。本研究分析的冶煉爐次都在相同的冶煉工藝條件下進行，假設電弧爐內碳氧反應生成的CO 的體積分數為70%，CO2的體積分數為30%，同時鐵水初始碳含量均以4%計算。

表1 不同鐵水比條件下的冶煉參數

圖1為原料中鐵水比例與噸鋼氧氣消耗量之間的關系，通過線性擬合得到鐵水比例與噸鋼氧氣消耗量之間存在如式（8）所示關系。

圖1 噸鋼氧氣消耗量與鐵水比例的關系

式（8）中：Q為氧氣的消耗量，［%w］為原料中鐵水比。

通過上述數據分析可以看出，在終點碳控制在0.049%～0.1%時，噸鋼氧氣消耗量與鐵水比之間有著較好的線性關系，其相關系數達到0.99，可見在實際生產過程中可以按照鐵水比例指導供氧操作，可以減少電爐冶煉過程中取樣次數。

3.2 鐵水比與氧氣利用系數的關系

根據記錄的電弧爐冶煉數據，利用式（7）計算氧氣利用系數，得到如圖2所示鐵水比例與氧氣利用系數之間的關系，通過線性回歸處理得出電弧爐冶煉過程中鐵水比例與脫碳反應的氧氣利用系數的關系如式（9）所示。

圖2 氧氣利用系數與鐵水比例的關系

式（9）中：kO2為氧氣的利用系數，［%w］為電爐冶煉過程中鐵水加入比例。

從圖2可以看出，鐵水比直接影響電弧爐煉鋼過程中氧氣利用系數，鐵水比越高，氧氣利用系數越高，這也證明在供氧強度一定的條件下，隨著鐵水中碳含量的下降，鐵水中碳的傳質是脫碳反應的限制性環節，吹入的部分氧未被利用。在實際冶煉過程中，可以根據不同電弧爐爐況及現場生產數據可以得到不同鐵水條件下氧氣利用率的變化趨勢，適當調整氧氣流量可以提高氧氣的利用率，這樣可以更好的指導供氧操作工藝，也可以更加準確預測和控制終點鋼水中碳含量。

4 結 論

4.1通過上述分析可以看出氧氣消耗量與鐵水比例有著較好的線性關系，可以通過鐵水比來指導供氧量，以減少取樣次數。

4.2通過分析鐵水比例和氧氣利用系數的關系可以看出，電爐冶煉過程中碳含量的高低直接影響了氧氣的利用系數，碳含量越高，氧氣的利用系數越高。

4.3高鐵水比電爐冶煉過程中可以通過統計和分析不同鐵水比條件下對氧氣消耗量及其利用率的影響規律，從而得到不同鐵水比及不同冶煉階段合適的供氧流量以提高氧氣的利用率。