【摘 要】通過電弧爐冶煉過程的分析，提出利用氧氣助熔方式降低冶煉過程能耗。利用基本的高溫冶金物理化學(xué)反應(yīng)，結(jié)合實(shí)際冶煉過程，定量計(jì)算元素氧化燒損對(duì)熔池放熱的影響程度。研究發(fā)現(xiàn)，在45#鋼的電爐冶煉過程中，噸鋼吹入10.1m3氧氣能夠獲得84.308kW·h的能量補(bǔ)償。

【關(guān)鍵詞】電弧爐；冶煉；過程；強(qiáng)化；用氧特點(diǎn)；分析

引言

傳統(tǒng)短流程電弧爐煉鋼過程中，包含熔化、氧化和還原3個(gè)階段，過程電耗約為500kW·h/t，其中熔化期時(shí)間約占電弧爐冶煉時(shí)長(zhǎng)的50%以上，所耗電能也最大。為加速爐料熔化，除采用熱料入爐或鐵水預(yù)裝外，還需要對(duì)爐料進(jìn)行大電流操作。大電流操作勢(shì)必帶來能耗的增加，這也成為熔化期高電耗的直接因素。為降低熔化期的能源消耗，需要對(duì)爐料進(jìn)行額外處理，利用其自身物化性質(zhì)來達(dá)到節(jié)能降耗目的，這其中最主要的操作即在熔化期對(duì)爐料進(jìn)行吹氧。電弧爐煉鋼生產(chǎn)過程中吹入的氧氣與鋼中元素發(fā)生氧化反應(yīng)，C、Si、Mn、P、S、Fe等元素與O2發(fā)生反應(yīng)均為放熱反應(yīng)。高溫下的化學(xué)反應(yīng)釋放出大量反應(yīng)熱，熱量占整個(gè)冶煉熱平衡過程的15%左右，合理利用這些熱量可以使鋼液溫度迅速升高，加速爐料熔化，縮短熔化時(shí)間，大大節(jié)約能源消耗。雖然吹氧助熔能夠帶來電能的節(jié)約，但定量化程度仍然比較模糊，因此有必要對(duì)吹氧助熔過程節(jié)電程度進(jìn)行定量化分析。本研究從基本的冶金物理化學(xué)過程出發(fā)，詳細(xì)介紹了各元素的吹氧助熔過程帶來的能源節(jié)省，并以具體的實(shí)例解釋該過程的效用。

二、基本過程分析

吹氧原理是利用電弧加熱的高溫條件下，吹入O2與爐料中的C、Si、Mn、P、S、Fe等合金元素發(fā)生激烈的高溫冶金反應(yīng)，放出大量反應(yīng)熱，提升熔池溫度，以快速熔化爐料。氧氣的吹入也使原本在氧化期的部分反應(yīng)被提前至熔化期進(jìn)行。

1、吹氧助熔作用

吹氧助熔作用表現(xiàn)在：氧氣口的噴射能增加爐內(nèi)熱源數(shù)量，改善由于固定電弧加熱造成加熱不均、時(shí)間較長(zhǎng)的缺點(diǎn)；吹氧可有助于將遠(yuǎn)離電極區(qū)域的大塊物料進(jìn)行切割，加速熔化效應(yīng)，避免由于大塊爐料相互堆疊搭橋，熔化過程對(duì)電極產(chǎn)生應(yīng)力作用，造成電極損耗；吹入氧氣進(jìn)一步攪拌鋼液，有利于氣體和非金屬夾雜物的上浮，改善熔煉過程中爐內(nèi)的冶金動(dòng)力學(xué)條件。生產(chǎn)實(shí)踐表明，采用吹氧助熔，可以將熔化期時(shí)間縮短近30min，消耗的電能降低，同時(shí)也能明顯改善鋼種質(zhì)量。因此，該技術(shù)己被國內(nèi)許多電爐煉鋼企業(yè)所采用。

2、吹氧助熔方式

通電一段時(shí)間后，爐門附近的物料呈現(xiàn)為紅熱狀態(tài)，此時(shí)爐內(nèi)已經(jīng)形成較小熔池，爐料中的化學(xué)元素已經(jīng)獲得發(fā)生氧化反應(yīng)的熱力學(xué)條件，可以進(jìn)行吹氧。吹氧過早，會(huì)造成O2與爐料中元素?zé)o法發(fā)生良好的反應(yīng)，出現(xiàn)只吹O2而爐料不熔化現(xiàn)象，造成O2和耐材的無謂損耗；吹氧太晚，無法充分發(fā)揮吹氧助熔的效用，不能顯著縮短熔化時(shí)間。同時(shí)吹入O2時(shí)，還需要綜合考慮合金元素?zé)龘p，最大限度發(fā)揮吹氧助熔帶來的效果。

吹氧時(shí)的壓力一般保持為0.6～0.8MPa。壓力太大時(shí)，不易進(jìn)行操作，氧氣利用率也較低；壓力太小時(shí)，無法有效的切割廢鋼，供氣量小，助熔作用不明顯。吹氧助熔主要表現(xiàn)為以下3種方式：高位吹氧，大塊料發(fā)生堆疊搭橋時(shí)，該方式可以造成人為塌料，但冶煉過程O2利用率低；界面吹氧，熔化物料快，但O2利用率低；低位吹氧；氧氣管插入鋼液內(nèi)部，升溫快，降碳效果好，氧氣利用率高，但C-O反應(yīng)激烈，火焰大，操作條件惡劣。

三、元素氧化反應(yīng)效用

1、C的氧化反應(yīng)

電弧爐的熔化期向熔池中吹入O2，首先表現(xiàn)為C的氧化。C的反應(yīng)方式為：直接氧化。吹氧的初期，鋼液溫度較低，體系內(nèi)含氧不足，吹入氧氣在氣-液界面上發(fā)生反應(yīng)，直接發(fā)生C的氧化反應(yīng)。間接氧化。當(dāng)爐內(nèi)鋼液溫度不斷升高，吹氧量不斷加大；吹入熔池中的氧氣溶解于鋼液中，首先氧化鋼液中的鐵，生成FeO溶于其中，然后依靠氧氣泡的攪拌作用，擴(kuò)散到反應(yīng)區(qū)域，氧化鋼液中的C，出現(xiàn)C-O的間接氧化。C的直接氧化和間接氧化都為放熱反應(yīng)。所以，直接向爐內(nèi)吹氧，可以迅速提高熔池溫度，加速

爐料的熔化。C-O反應(yīng)共有5個(gè)：

（1）[C]+1/2O2=CO，ΔH=-11639kJ/kg；

（2）[C]+O2=CO2，ΔH=-34834kJ/kg；

（3）[C]+[O]=CO，ΔH=-1864kJ/kg；

（4）[C]+（FeO）=CO+[Fe]，ΔH=-6244kJ/kg；

（5）3[C]+（Fe2O3）=3CO+2[Fe]，ΔH=-8520kJ/kg。

反應(yīng)（1）、（2）為C的直接氧化反應(yīng)，過程放熱；

反應(yīng)（3）為C的間接氧化反應(yīng)，也屬于放熱反應(yīng)，直接氧化放出的熱量約是間接反應(yīng)的6倍（主要考慮直接氧化時(shí)，當(dāng)O2吹入后，噸鋼氧化1kg碳，生成CO與CO2比為7/3），則可放出熱量Q1，Q1=11639×70%+34384×30%=18598（kJ）。因此，使噸鋼中C含量降低了0.1%，放出熱量18598kJ，即5.166kW·h。如采用氧燃燒嘴或二次燃燒雙流道氧槍等，強(qiáng)化C-O氧化反應(yīng)，則噸鋼降低0.1%C將放出更多的熱量。

2、Si的氧化反應(yīng)

Si是在鋼鐵溶液中可以無限的溶解，在鐵液中與鐵形成金屬化合物。Si和O的親和力較大，在吹入氧后，Si的氧化反應(yīng)屬于強(qiáng)放熱反應(yīng)。Si與O2的反應(yīng)有以下兩種形式：

1）與氧氣直接反應(yīng)，[Si]+O2=SiO2，ΔH=-29202kJ/kg；（6）

2）與溶氧發(fā)生反應(yīng)，[Si]+2[O]=SiO2，ΔH=-20829kJ/kg。（7）

此外，鋼液中的[Si]還會(huì)與FeO進(jìn)行反應(yīng)，還原生成[Fe]：

[Si]+2（FeO）=（SiO2）+2[Fe]，ΔH=-11329kJ/kg；（8）

3[Si]+2（Fe2O3）=3（SiO2）+4[Fe]，ΔH=-9750kJ/kg。（9）

電弧爐吹氧階段，Si的氧化主要考慮與氣相中的氧作用，即反應(yīng)式（6），氧化反應(yīng)每氧化噸鋼中0.1%的Si可釋放出的熱量為Q2，則Q2=29202kJ。因此，熔化過程中吹氧，使噸鋼中Si含量降低0.1%，放出熱量29202kJ，即8.112kW·h。

3、Mn的氧化反應(yīng)

Mn也是一種比較容易氧化的元素。它可以形成一系列的氧化物，如：MnO、MnO2、Mn2O3和Mn3O4。在這些錳的氧化物中，高溫下穩(wěn)定存在的Mn的氧化物為MnO。Mn的氧化也是放熱反應(yīng)，隨著溫度的升高氧化程度逐漸減弱。與Si的氧化反應(yīng)相似，Mn的氧化可以是Mn與氧氣發(fā)生反應(yīng)，也可以是與溶解在鋼液中的O元素相互作用的結(jié)果，反應(yīng)為：

1）與氧氣直接反應(yīng)，[Mn]+1/2O2=MnO，ΔH=-6594kJ/kg；（10）

2）與溶氧發(fā)生反應(yīng)，[Mn]+[O]=MnO，ΔH=-4446kJ/kg。（11）

此外，鋼液中的[Mn]還會(huì)與FeO進(jìn)行反應(yīng)，還原生成[Fe]：[Mn]+（FeO）=（MnO）+[Fe]，ΔH=-2176kJ/kg。（12）

與Si類似，吹氧階段Mn的氧化主要是考慮與氣相中的氧作用，即反應(yīng)式（10），氧化反應(yīng)每氧化噸鋼中0.1%的Mn可以釋放出的熱量為Q3，則Q3=6594kJ。

因此，熔化過程中吹氧，使噸鋼中Mn含量降低0.1%，放出熱量6594kJ，即1.832kW·h。3.4P的氧化反應(yīng)傳統(tǒng)電爐中脫P(yáng)能力有限，如果要求鋼液中磷含量非常低，就要選擇P含量低的原料。當(dāng)然，隨著電爐冶煉工藝的不斷進(jìn)步，氧化期內(nèi)的吹氧也能夠?qū)崿F(xiàn)快脫P(yáng)，通過吹氧冶煉，能夠達(dá)到縮短電爐冶煉時(shí)間，節(jié)能降耗，提高效益的目的。P的氧化也是放熱反應(yīng)，反應(yīng)的形式同樣表現(xiàn)為P與氧氣發(fā)生反應(yīng)，或與溶解在鋼液中的O元素相互作用的結(jié)果，反應(yīng)為：

1）與氧氣直接反應(yīng)，2[P]+5/2O2=（P2O5），ΔH=-37954kJ/kg；（13）

2）與溶氧發(fā)生反應(yīng)，2[P]+5[O]=（P2O5），ΔH=-19045kJ/kg。（14）

此外，鋼液中的[P]還會(huì)與FeO進(jìn)行反應(yīng)，還原生成[Fe]：

2[P]+5[FeO]=（P2O5）+5[Fe]，ΔH=-2419kJ/kg。

與Si類似，吹氧階段P的氧化主要考慮與氣相中的氧作用，即反應(yīng)式（13），氧化反應(yīng)每氧化噸鋼中0.1%的P可釋放的出的熱量為Q4，則Q4=37954kJ。因此，熔化過程中吹氧，使噸鋼中P含量降低0.1%，放出熱量37954kJ，即10.543kW·h。

結(jié)束語

對(duì)于電弧爐熔煉過程而言，其熔化期耗時(shí)長(zhǎng)，電耗大。該階段為加快爐料熔化，為縮短冶煉時(shí)間，減少冶煉電耗，通常采用吹氧助熔方式。在電極加熱爐料時(shí)，吹入氧氣使其與鋼中元素發(fā)生反應(yīng)，放出熱量，進(jìn)一步提升熔池溫度，加速爐料熔化，減少所耗電能。爐料中的氧化消耗主要表現(xiàn)為C、Si、Mn、P、Fe的氧化，針對(duì)這一特點(diǎn)，熔化期進(jìn)行吹氧，吹入量為10.1m3/t，即可獲得84.308kW·h/t的能量補(bǔ)償，其對(duì)整個(gè)冶煉過程起到良好的節(jié)能降耗效果。

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