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1、电炉冶炼不锈钢工艺最优化2007年，德国粗钢产量4860万t,其中31%为电炉生产。近年来，能源和炼钢原材料 价格的不断上涨，不仅引起全球的高度重视，也促进了欧洲钢铁工业界开发新的冶炼工艺以 降低原材料燃料消耗和生产成本。此外，最近几年欧洲钢铁界也致力于把直接和间接CO2 排放量降至最低。通过精确的工艺控制最大限度减少了原材料消耗，欧洲钢铁工业的生产成 本有了显著降低。同样，通过严格而准确控制脱C,也降低了原料加工过程中CO2的间接 排放。一种新的电炉炼钢工艺的出现使钢铁工业面临着新的机遇和挑战。Deutsche Edelstahlwerke GmbH公司每年利用电炉生产不锈钢的产量较大。为了
2、最大限 度提高喷氧时碳、硅的氧化效率，并最大限度地减少铁和铬氧化造成的经济损失和环境污染。 DEW公司(即Deutsche Edelstahlwerke GmbH)对硅、碳氧化与喷氧量的关系进行了研究。虽然Ellingham图(氧势图)中的内容关于电炉冶炼不锈钢时元素氧化及化学反应， 但由于电炉内有很多反应同时进行，而使问题变得复杂化。而且，元素的氧化与温度、氧气 分压以及钢液与炉渣的化学成分有关。基于上述原因，以下将对各元素的复杂氧化过程进行 更详细讨论。元素氧化模拟：以冶炼工艺为基础模拟电炉喷氧期间氧化反应，且仅考虑热力学平衡条件而不考虑其 它任何因素，例如不考虑传热、传质或动力学因素对模
3、拟的影响。此外，假设模拟时温度和 元素分布均匀。热力学模拟证实，氧喷射出现三个阶段，即早期、中期和末期。喷氧的第一个临界点 在早期阶段结束。中间阶段保持在第一个临界点和第二个临界点之间。硅的剧烈氧化在喷氧 早期出现。当喷氧强度达4.3kgO2/t钢时，硅氧化结束。随后，钢液中硅维持在较低水平。 Ellingham图表明，由于硅氧化的吉布斯能(Gibbs Energy)较低，所以硅的氧化较其它元素 更容易。此外，硅的活度系数是一定值，所以随着钢液中硅活度的降低，钢液中的硅活性随 之降低。实践证明，硅的低活度遵循亨利定律(Henry Law)。在此情况下，喷氧中期C和Cr开始强烈氧化。C活性随着钢
4、液中硅浓度的降低而增 加，该结果与其它研究结果一致。第一个临界点后，当C的氧化开始减弱时，铬将强烈氧化。到达第二临界点喷氧浓度达到18.1kgO2/t钢时，Cr将按指数规律氧化。与此同时，当 C的氧化进行到第二临界点后，渣中的氧化铁含量开始增加。该研究对硅和碳在精炼期间的强烈氧化进行了研究，表明脱碳的开始与硅强烈氧化的 结束有关。如果硅的强烈氧化能够较早完成，那么强烈的脱碳将会开始。因此，第一临界点 将会左移，将导致第二临界点的左移以减少氧气消耗。这时脱碳反应将提早发生，喷氧从 6.6kgO2/t钢降至5.4kgO2/t钢，碳硅输入比例将增加到75%。电炉冶炼的废气分析：为了获得炉内元素的氧化
5、情况，DEW公司采用废气分析法（分析废气除尘系统中废 气的化学成分）以监控电炉冶炼不锈钢期间炉内元素的氧化，便于及时准确调整喷氧等工艺 操作。选取了两个测量点即A点和B点进行测量和分析。A点直接固定在电炉弯头，B点 固定在距弯头30m测量废气后燃烧完成的废气化学成分。废气分析设备由水冷探针、过滤器、检测仪和信号转换器等部分组成，用于测量废气 成分、温度和流动速度。废气成分如CO和CO2由红外线吸收光谱仪测定，氧气由顺磁机 理测定，废气温度薄膜热电偶测定。同时将这些来自检测仪测试的废气的不同压力、温度和 成分等参数进行不断地传输和记录以进行连续分析。为此，将探针安装在除尘系统中完成二 次燃烧的B
6、点。依靠测得废气的不同压力，废气流动管道的横断面积，利用修正系数对废 气的体积流量和质量流量进行计算。喷氧期间元素氧化监测：该研究利用废气和炉渣分析结果研究精炼期间元素的氧化过程。A点废气分析证实， 温度、浓度和体积流量在炉子径向分布极不均匀。因此，只有利用B点的废气分析结果才 能准确监测元素的氧化。此外，利用B点的废气分析得到的CO2含量为基础监测参数有利 准确监测，因为B点的CO含量接近于零值。因为模拟仅仅以热力学平衡条件为基础，可见模拟结果和实测分析结果之间存在着明 显的差别。以热力学为基础的模拟结果表明，直到第一个临界点到达时仍无碳氧化。其实,废气分析表明，在达到第一临界点时碳的氧化虽
7、不强烈，但早已开始。差别是因为元素氧化 不仅取决于热力学条件，还与其它许多过程有关。例如，与质量和热量传输、流动机理和动 力学条件等。此外，温度和元素分布不均也造成差别，特别是精炼期氧分布不均所致。实践 证明，喷氧区的温度越高、喷氧浓度越高，碳的氧化越强烈。喷吹区的大小取决于氧枪位置、 氧气的质量流量、钢液密度及其化学成分。然而，模拟结果与分析结果仍然存在着相似性。例如，废气分析结果与模拟结果均指 出，碳的强烈氧化发生在喷氧中期。废气分析证实同样存在着两个临界点。碳开始强烈氧化 是在喷氧到达第一临界点在喷氧量为3.4kgO2/t钢之后，即相当于模拟结果的喷氧量为 4.6kgO2/t钢，硅强烈氧
8、化末期。第二临界点在喷氧量为10.5kgO2/t钢，与模拟结果的脱碳 速度开始降低、喷氧量为18.1kgO2/t钢相当。分析表明，硅的强烈氧化是在喷氧的早期阶段。液相质量传输决定着早期喷氧阶段的 脱硅速度。在此阶段，脱硅速度取决于每个反应位置的表面积（A），钢液密度（P），钢 液重量（W）,每一个反应位置的硅传输系数（K）,钢液中的硅含量（WT% ）和钢液中 接近于零的硅平衡含量（WT%）。因此，强化反应条件，例如钢液良好混合，增大硅和氧之间的接触面积是判断这个 时期钢液脱硅速度的重要条件。中期脱碳速度与喷氧量成线性关系，因为这时的脱碳速度受化学反应控制。喷氧量 达到第二个临界点后，脱碳速度随
9、着喷氧量的增加而降低。这说明过剩氧量的脱碳作用很小， 这是由于碳在钢液中的浓度降到临界点以下，使碳的活性已经变得很低的缘故。末期脱碳速 度降低是由于钢液中碳含量的降低，这是脱碳动力学驱动力不足的原因。末期，碳的质量传输控制脱碳。脱碳速度取决于钢液中的含碳量，特殊反应位置的 质量传输系数（K）以及接近于零的平衡碳含量。在缺碳条件下，氧气氧化铬和铁。这时可减少10%的喷氧量，即相当于降低氧消耗1.5kgO2/t。脱碳末期，可喷入氩气促使钢液内部良好混合以强化脱碳。此外，喷入氩气还可降 低钢液中的平衡碳浓度水平，提高脱碳速度。到达第二临界点后停止喷氧，可节约氧气的消耗，还可使铁和铬的氧化降至最低。
10、因为脱碳末期FeO和Cr2O3的生成变得更强烈。通过回归分析后发现，直线截距为0.7kg/t 可知，虽然早期和中期铁的氧化不严重，但已经开始氧化。末期开始前，由于Cr2O3回归 直线的截距较高（12.3kg/t，可见这时铬的氧化比铁氧化更强烈，计算结果也与模拟结果一 致。实践与分析指出，铬的氧化与铁略有不同。即铁氧化表明渣中一氧化铁含量与末期 喷氧过剩量之间存在着关系。有研究报导，钢液中铬的活性与钢液中铬的含量成非线性关系。 超过最佳铬含量，铬的活性与铬在钢液中的含量成负相关。在第二临界点中止，喷氧不仅可防止铬和铁的进一步氧化，还可使铬被钢渣界面间 的一氧化铁氧化造成的损失减至最小，同时改善氧
11、化铬的还原效率。永久性的废气分析装置：通过在电炉除尘系统中安装永久性废气分析装置，成功开发了一套动态实时工艺控 制装置。它可将在B点的废气中的CO2含量，直观地显示在计算机屏幕上，以便到达第二 临界点后。B点的CO2含量显示降低时电炉操作者能够及时中止喷氧。此系统除了可用于 电炉，还可用于其它与此相关的脱碳工艺，例如，还可用于氧气顶吹转炉BOF）,氩氧脱 碳炉（AOD）和真空吹氧脱碳炉（VOD）。应用废气分析系统可直接减少铁和铬的氧化，提高金属收得率，增加钢产量，有利 于降低吨钢电耗，节约氧气，减少石灰和硅铁用量。DEW钢厂在热力学模拟实验和炉渣、钢液与废气分析的基础上，成功开发出一套用 于电炉炼钢监测炉内各元素氧化的废气分析装置。实验证明，它不仅可监测和掌控炉内元素 氧化，且能使炉子冶炼不锈钢时实现最大的硅、碳氧化和最小的铁、铬氧化。从而有效缩短 冶炼时间，喷氧时最大限度减少贵重金属损失，有利于增加金属收得率和炉子生产率，全面 提高电炉冶炼不锈钢的经济效益。
电炉冶炼不锈钢工艺最优化
