【技术】电弧炉气体搅拌系统的应用及节能效果

近几年电弧炉气体搅拌系统作为先进的电弧炉技术在全球又重新被重视。气体搅拌系统是以最短的投资回收期提高能源效率的一种安全、先进的技术。RHI/INTERSTOP提出一套经过全新改造的气体控制系统，适用于电弧炉、转炉以及钢包炉等二次精炼设备。本文介绍了这套新系统的特点及近期有关耐火材料和气体控制部件的案例研究、发展趋势及节能效果。

现代电弧炉炼钢工艺主要是以非常灵活的生产效率进行着粗钢液的成本最优化生产。钢液的优良搅拌有助于改善传质和传热，以便加快、促进废钢和直接还原铁（DRI）的熔化、脱碳、均匀过热、合金分布以及避免形成结渣。底吹气体直接搅拌不仅能够有效促进整个熔池的钢液混合，而且能提供恒定的气泡柱以避免CO共沸阻滞。

对整个气体搅拌系统的控制——从耐火材料到阀门控制和搅拌策略，对确保搅拌系统的高可靠性和实用性来说是至关重要的。RHI/INTERSTOP根据多年的实践经验，提出一套经过全新改造的气体控制系统，适用于电弧炉、转炉以及钢包炉等二次精炼设备。

1气体搅拌系统在电弧炉炼钢中的应用

电弧炉炼钢的特点是在生产量和原材料方面具有很大的灵活性。由于含铁原材料价格上涨，用于生产高质量钢的废钢、DRI、热压块铁（HBI）、热装铁水（HM）和不同质量含铁废料的需求也出现上升。含铁原材料、氧气、碳和合金利用率的最大化以及能源成本的最小化都是优先需要考虑的。对于现代高效的生产技术水平，即便对工艺实施小的改进也能大幅降低成本。比如：通过有效地提高电弧炉传质和传热水平，就能实现这样的改进效果。因此，优化熔池内钢液的流动方式对于有效熔化废钢和DRI并达到良好的均匀性是十分重要的。

2合金钢和不锈钢冶炼的制约因素

在电弧炉中生产合金钢、高铬钢或者铬-镍钢时有其他约束条件。由于钢液中碳和铬发生氧化时的氧气活度非常相近，所以在电弧炉吹氧期间，要特别注意尽量使铬的氧化损失减少至最低。钢液中碳、铬和氧气的均匀分布可有效避免浓度梯度形成，并提高金属收得率。

生产不锈钢时，电弧炉渣中铁氧化物（FeOx）含量低和氧化铬含量高往往会抑制泡沫渣的形成。这是由于碱性电弧炉渣中的Cr2O3溶解度低，导致Cr2O3承载物沉淀，且使炉渣具有较高的黏性。在大多数情况下，炉内铬的较高氧化是因钢液中碳的缺乏（与氧枪有关）造成的。改善混合条件可提高脱碳率和铬的收得率。

在铸造厂，钢液成分的微调通常在电弧炉内进行。铁合金的收得率取决于钢水中金属合金的活度以及渣中其氧化物的活度。钢水中组分浓度梯度导致不必要的、较高的合金氧化。利用DPPs搅拌钢液可改善钢水均质化和提高收得率。

3电弧炉底吹气体搅拌技术

一般的电弧炉技术很少能提供动量源使钢液和渣流动、混合。比如：交流电弧和氧枪对钢液表面的影响很有限，因为黏性熔渣层覆盖着钢液。另外，尽管直流电场作用于底电极上面的熔池中部，但到目前为止最有效促使钢液整体流动的方式就是气体搅拌，从熔池底部至顶部产生很多气泡柱。自20世纪80年代初以来，各种氧气和惰性气体喷射系统就已经被采用，以提高电弧炉的熔化效率。在最近几年，耐火材料、安装程序、气体控制元件已经明显改善。透气砖的设计得到优化，气体消耗量已达到最低水平。

通过单管或者多孔砖喷吹气体的底吹搅拌系统已被研制出，它既可以埋入电弧炉炉底捣打料中（即间接搅拌），又可以与钢液接触（即直接搅拌）。然而目前，具有多孔砖设计的直接搅拌系统是全球钢铁工业电弧炉冶炼采用最多的底吹搅拌系统，比如：RHI直接搅拌透气砖（DPP）系列。根据可用性和冶炼限制条件，选择采用氮气和/或氩气。

总的来说，现在约9%的电弧炉配备有底吹气体搅拌系统，随着钢铁工业电弧炉炼钢降本增效的发展趋势，对底吹气体搅拌技术的需求也在不断增加。全球已有80多家企业的电弧炉（容积为6-250t）已采用了这种DPP透气砖。

4电弧炉气体搅拌系统的安全性

如图1所示，透气砖通过一个由周边耐火砖砌成的通道安装于电弧炉炉底内，这样使炉底透气砖的更换更容易，并且提高了安全标准，因为炉底捣打料的砌筑、脱气、压紧、烧结不影响搅拌系统运行。透气砖周围的其余缝隙用两种特殊的填充料填充，并被优化达到透气砖附近要求的特殊烧结性能。采用这种标准化的内衬，可以达到最高的安全要求。

气体通过许多钢管供给熔池，通过提供的多个小孔，钢液或熔渣以低气流速度渗透进耐火砖，仅限于透气砖上部几毫米。在RADEXDPP气体搅拌系统运行期间，阻塞管重新疏通（气体通过邻近管进入时促使熔化物移动造成的），并像往常一样。与此相反，单孔透气砖在一个管被深层入渗后一般会被堵塞。

透气砖中的磨损指示器建立在压缩气体管路之上，压力下降通过磨损指示线表明剩余最小砖长度，透气砖也可以被安全关闭。

比如，用于铸造业的小型电弧炉，为避免钢液“开眼”（由于渣厚度降低），采用非常低的气体流速。甚至有时仅安装1个透气砖，且还需要气体搅拌的高可靠性。要保持非常低的气体流速就要求精确的气体控制，才能避免渗透和阻塞。具有最优气管数量和专用混合砖的RADEXDPP透气砖已广泛应用于以极低气体流速运行的小型电弧炉。