Problems Withand Solutions to Skull Formation in EBT Furnace for Tooling and Stainless SteelProduction

EBT電爐生產(chǎn)工具鋼和不銹鋼爐底結(jié)殼問題及解決方法

電弧爐底部結(jié)殼形成是電爐生產(chǎn)高合金鋼時(shí)候普遍存在的問題。結(jié)殼的形成帶來(lái)了一系列的工藝問題:減少了電爐的容量,降低了出鋼量,造成出鋼量命中率下降,降低了電爐冶煉的收得率。調(diào)查研究了韓國(guó)某鋼廠70噸偏心爐底出鋼的電爐生產(chǎn)工具鋼和不銹鋼時(shí)候,在爐內(nèi)形成結(jié)殼的機(jī)理,比較了底吹氣攪拌和電磁攪拌(EMS)對(duì)減薄結(jié)殼厚度的影響,結(jié)果表明,使用電磁攪拌EMS比底吹氣攪拌更加有效來(lái)減少結(jié)殼的形成。

電弧爐底結(jié)殼的形成是高合金鋼生產(chǎn)中普遍存在的問題,尤其是生產(chǎn)使用高百分比FeCr鉻鐵加入爐內(nèi),而且出鋼時(shí)間短的情況下更甚。結(jié)殼的形成帶來(lái)了一系列的工藝問題,如降低爐容量、降低出鋼重量命中率、降低鋼產(chǎn)量、降低生產(chǎn)效率等。有報(bào)道稱,爐底電磁攪拌(EMS)的使用可以減少電爐長(zhǎng)槽出鋼電爐不銹鋼生產(chǎn)結(jié)殼的形成。[1]安裝在爐底下方的電磁攪拌線圈對(duì)整個(gè)熔池產(chǎn)生攪拌作用,加速?gòu)U鋼熔化,熔池溫度均勻化,有利于去除結(jié)殼現(xiàn)象。

最新一代電弧爐電磁攪拌器(ArcSave?)安裝在70噸偏心爐底出鋼的電爐上,該電爐位于韓國(guó)昌原SeAH鋼鐵廠。SeAH CSS于1966年成立于昌原市。昌原廠每年生產(chǎn)粗鋼120萬(wàn)噸。SeAH CSS是韓國(guó)唯一一家從冶煉到無(wú)縫不銹鋼管制造商。熔煉車間由電弧爐、氬氧脫碳爐(AOD)/真空氧脫碳(VOD)、鋼包精煉爐和連鑄/鑄錠工藝設(shè)備組成。電爐系70噸,配備一個(gè)72 MVA變壓器,四支吹氧噴碳,噴鋁混合物噴吹槍。除了電能的輸入,采用三根爐壁氧-燃燒嘴槍進(jìn)行化學(xué)能輸入。基本爐況數(shù)據(jù)列于表1。嚴(yán)重的結(jié)殼形成是這種電爐最大的操作問題。在2012年,在下爐殼安裝了三個(gè)吹氣攪拌的透氣芯,安裝透氣芯的目的是消除爐底結(jié)殼問題,但是不幸的是沒有得到成功。同樣,透氣芯維護(hù)也是一個(gè)主要的問題,透氣芯容易堵塞。經(jīng)過近一年的測(cè)試,由于沒有積極正面的效果,透氣芯被拆除。2021年,出于同樣的目的,電磁攪拌技術(shù)被引入SeAH鋼廠,作為一種新的潛在解決爐底結(jié)殼問題的方法,本文將總結(jié)熱調(diào)試期間和調(diào)試后的試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明,與爐底氣體攪拌相比,電磁攪拌有效地減少爐底結(jié)殼的形成,并討論了爐底電磁攪拌對(duì)電能、通電時(shí)間和噴補(bǔ)材料減少的影響。 

表1  基礎(chǔ)電弧爐數(shù)據(jù), SeAH鋼廠煉鋼3隊(duì)

結(jié)殼形成

爐底的結(jié)殼層由未熔廢鋼、未熔鉻鐵和固態(tài)渣組成。結(jié)殼的厚度有時(shí)可達(dá)1000mm,這取決于下爐殼使用時(shí)間。爐底形成的結(jié)殼拍攝的照片如圖1a所示,使用耐材清理設(shè)備定期清除結(jié)殼,在爐底結(jié)殼側(cè)面鉆孔后,用行車將結(jié)殼中心吊起,如圖1b所示。這種爐底結(jié)殼去除工作是艱辛和耗時(shí)的。

圖1  SeAH電弧爐下爐殼結(jié)殼照片:爐底結(jié)殼和耐材清理機(jī)械打孔(a)及行車起吊的結(jié)殼部分(b)

EMS線圈安裝和攪拌原理

電磁攪拌器置于爐底的下方,爐底由非磁性(奧氏體不銹鋼)鋼板制成,如圖2所示。通過攪拌器繞組的低頻電流產(chǎn)生移動(dòng)磁場(chǎng),磁場(chǎng)穿透爐底,進(jìn)而在鋼液中產(chǎn)生作用力。由于磁場(chǎng)穿透整個(gè)熔池深度,鋼水在下爐殼中以相同的方向運(yùn)動(dòng),這種鋼水運(yùn)動(dòng)是通過整個(gè)電爐的直徑,并且是熔池的全部深度的鋼水運(yùn)動(dòng)。在到達(dá)爐壁后,鋼水必須沿爐壁回流。當(dāng)磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)時(shí),鋼水向相反方向流動(dòng)。由于攪拌器布置在幾乎整個(gè)下爐殼的直徑上,所以在整個(gè)熔池內(nèi)都得到良好的攪拌力。

圖2  電弧爐與ArcSave?攪拌器安裝在爐底下面

如圖3所示,采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬160噸EBT電爐,攪拌方向從爐門口到EBT,見圖3所示。圖3a為熔池縱向截面的速度分布,圖3b為熔池橫截面的速度分布,圖3c為熔池表面的速度分布。從圖3可以看出,整個(gè)熔池都參與了攪拌運(yùn)動(dòng)。優(yōu)化的熔池平均體積移動(dòng)速度在0.2 ~ 0.4 m/s范圍內(nèi)。與爐底透氣芯攪拌相比,電磁攪拌在整個(gè)熔池產(chǎn)生混合攪動(dòng)。這種效應(yīng)加速了鋼水的溫度和化學(xué)成分的均勻化。需要指出的是,電磁力作用不僅在水平方向上,而且也作用在垂直方向上,這使得整個(gè)熔池的混合攪拌的效果更加有效。電磁攪拌EMS的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不與鋼液發(fā)生物理接觸,因此維護(hù)需要非常低。 

圖3  偏心爐底模擬熔池流動(dòng)速度矢量和溫度均勻化時(shí)間:縱向截面速度分布(a)、橫向截面速度分布(b)、熔池表面速度分布(c)、溫度均勻化曲線(d)

在以下假設(shè)下計(jì)算熔池溫度均勻化:

?對(duì)于無(wú)攪拌的熔池,爐底溫度假設(shè)為1560℃,表面溫度為1620℃。然后比較EMS攪拌前后的溫度分布(均勻化時(shí)間差)。

?對(duì)于無(wú)攪拌熔池,以EMS力5%的情況為參考,模擬自然攪拌。

溫度均勻化曲線如圖3d所示,均勻化時(shí)間是在最大溫差小于5℃時(shí)計(jì)算的。使用5% EMS功率的溫度均勻化時(shí)間為305秒,100%使用 EMS功率時(shí)候的溫度均勻化時(shí)間僅為58秒。結(jié)果表明:采用100% EMS功率時(shí)候,熔池的均勻化使用的時(shí)間僅為不采用EMS時(shí)間的19%;溫度的快速均勻化提高了電弧傳熱效率,同時(shí)也提高了廢鋼的熔化速率。

2021年春季,在SeAH昌原鋼廠3號(hào)電爐安裝電磁攪拌設(shè)備,為了適應(yīng)這種電磁攪拌,更換安裝了一個(gè)新的不銹鋼下爐殼,在9天的停機(jī)期間,安裝過程順利進(jìn)行。EMS攪拌的特點(diǎn)是通過文件圖標(biāo)可以進(jìn)行全自動(dòng)控制,可以進(jìn)行定制確定以滿足不同的電爐工藝階段的需求,如廢鋼熔化,鋼水均質(zhì)化,合金熔化,脫碳,除渣和出鋼。EMS操作具有運(yùn)行成本低、可靠性高、安全性高、重現(xiàn)性好等特點(diǎn)。SeAH鋼廠所使用的EMS控制頁(yè)面如圖4所示,根據(jù)頻率的正負(fù)值改變攪拌方向。

圖4  SeAH工具鋼冶煉的EMS動(dòng)態(tài)電流分布圖

結(jié)果與討論

在電弧爐工藝中攪拌熔池鋼水的主要優(yōu)點(diǎn)是加快了傳熱傳質(zhì)過程。為了比較ArcSave對(duì)電弧爐工藝的影響,在2021年第一季度收集了4個(gè)月無(wú)攪拌作用的參考工藝數(shù)據(jù),并在使用ArcSave下收集了6個(gè)月的性能數(shù)據(jù)。本節(jié)將討論EMS對(duì)熔池溫度均勻化、能量和電極消耗、通電時(shí)間和耐火材料消耗的影響。

熔池均勻化和溫差

EMS攪拌引起的熔池大的體積量上湍流使整個(gè)熔體完全混合,產(chǎn)生很好的溫度和成分均勻性。在爐內(nèi)兩個(gè)位置,分別從爐門口處和從EBT區(qū),測(cè)量了無(wú)EMS和有EMS時(shí)的溫度分布,如圖5所示。EMS關(guān)閉時(shí),溫差范圍為9-39℃,EMS打開時(shí),溫差范圍為0-10℃。

圖5  熔池溫度測(cè)量從爐門口處和EBT區(qū)域進(jìn)行。使用EMS時(shí)候,這兩個(gè)工位鋼水的平均溫差小于9℃

從冶金學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看,熔池良好的均勻性是非常重要的,均勻的熔池造就了可靠的確定成分,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)最終可控出鋼碳含量和精確的出鋼溫度。因此,使用EMS后的熔池得到良好均勻化過程,可以獲得不同鋼種的準(zhǔn)確出鋼溫度,這對(duì)于減少目標(biāo)出鋼溫度的變化,使下道鋼包精煉爐(LF)/ VOD操作更加平穩(wěn)順暢是非常重要的。

廢鋼熔化和廢鋼處理

電磁攪拌引起的強(qiáng)制對(duì)流促進(jìn)了較大的廢鋼塊和打包料的熔化,使廢鋼管理加入變得簡(jiǎn)單起來(lái)。計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬結(jié)果表明,與純自然對(duì)流相比,使用ArcSave系統(tǒng)可以使廢鋼熔化速率的因素增加了10。[2]熔池內(nèi)部強(qiáng)烈的對(duì)流有助于均勻的溫度分布和較高的廢鋼熔化率。另外,ArcSave裝置電弧穩(wěn)定,降低了電極電流的波動(dòng),能夠快速熔化大塊打包料廢鋼,而且減少了廢鋼的崩塌對(duì)電極的影響。[3]

快速?gòu)U鋼熔化的主要益處是在SeAH廢鋼處理成本得到降低。EMS使用之前,鋼廠內(nèi)部剔除鋼錠料進(jìn)入電爐前必須切成小塊(小于250公斤),否則很難在爐內(nèi)一爐鋼中熔化。使用ArcSave后,可將多達(dá)4噸的報(bào)廢鋼錠直接裝入爐內(nèi)而不會(huì)出現(xiàn)熔化不足的問題。較少的廢鋼處理工作意味著較少的人工成本,較少的天然氣消耗和較高的金屬收率。EMS安裝后,廢鋼處理成本降低70-80%。

電弧加熱效率高,節(jié)能省電

在傳統(tǒng)的交流電弧爐中,無(wú)攪拌時(shí)熔池中廢鋼的溫度梯度為50 ~ 70℃,[4,5]現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況限制了爐底鋼水溫度的測(cè)量,特別是在通電期間。特別為估算電弧加熱過程中的熔池溫度的分布,對(duì)160噸電爐有功功率70 MW采用EBT出鋼形式,電弧加熱廢鋼過程中攪拌對(duì)溫度分布的影響進(jìn)行了CFD模擬研究。電弧爐內(nèi)功率分配假設(shè)為三部分:

?P_con: 55%的能量通過熔池對(duì)流傳熱。輸入功率的這一部分可以描述為與電極距離的函數(shù)。

?P_rad:20%通過輻射向熔池傳熱,可以認(rèn)為是均勻分布到熔體中。

? P_los:25%通過爐殼、爐蓋和電極損失掉。

計(jì)算通電期間的熔池底層(從爐底向上50mm)和表層(從液面50mm下方)之間的平均溫度梯度,電爐的電磁攪拌EMS開啟不同功率程度(5%、15%、30%、50%、70%和100% EMS攪拌力),這項(xiàng)研究的結(jié)果發(fā)表在圖6中,可以看出,當(dāng)EMS攪拌力為5%時(shí)(相對(duì)于無(wú)攪拌時(shí)),平均溫度梯度隨著通電時(shí)間的增加而增大,通電10分鐘后平均溫度梯度達(dá)到168℃。隨著電磁攪拌力的增大,熔池鋼水的溫度梯度減小。在100% EMS攪拌力的情況下,平均溫度梯度僅為28°C,且隨著通電時(shí)間的增加,溫度梯度幾乎恒定。這意味著攪拌降低了熔體表面的過熱,從電弧區(qū)得到的熱量被迅速傳輸?shù)秸w熔池中。表面鋼水過熱溫度的降低,減少了通電期間爐壁和爐蓋的熱量損失,從而降低了電耗。同時(shí)電磁攪拌提高了廢鋼熔化和脫碳速率,節(jié)約了電爐爐內(nèi)冶煉過程時(shí)間,也有助于降低熱損失。在通電過程中,爐底鋼水溫度相應(yīng)升高也導(dǎo)致了爐底結(jié)殼的熔化。

圖6  160噸EBT電爐通電期間爐底(爐底向上50 mm)與表層(鋼水液面向下50 mm)的平均溫度梯度

在SeAH鋼廠 EMS測(cè)試期間,平均電能節(jié)約約3%,吹氧減少7%。通過多消耗氧氣使用化學(xué)能,結(jié)果等效節(jié)能約為4%,如圖7所示。通電時(shí)間可以減少4-5%,電弧穩(wěn)定,鋼水熔池表面過熱度低,電耗低,電極消耗降低3-4%。

圖7  使用ArcSave對(duì)電能消耗的影響(a);對(duì)通電時(shí)間的影響(b)

減少爐底結(jié)殼和操作上的益處

如前一節(jié)所討論的,SeAH鋼廠安裝ArcSave的主要目標(biāo)之一是解決爐底結(jié)殼問題。用激光測(cè)距儀測(cè)量爐底結(jié)殼厚度,比較使用EMS和參考試驗(yàn)不使用EMS時(shí)的結(jié)殼厚度的變化。圖8給出了爐內(nèi)結(jié)殼輪廓總體示意圖,結(jié)殼厚度從無(wú)EMS時(shí)的700 - 1000mm減少到使用EMS時(shí)的200mm。結(jié)殼厚度的減少在某種程度上是依賴于EMS的運(yùn)行功率,就目前的情況而言,1400安培的EMS電流對(duì)于減少結(jié)殼的形成更為有效。

圖8  爐底結(jié)殼變化說(shuō)明:厚度從700 - 1000mm(無(wú)EMS)減少到100 - 200mm(有EMS)

EMS去除爐底結(jié)殼的機(jī)理可能是爐底鋼水相對(duì)溫度的升高和熔池內(nèi)鋼水對(duì)流作用。高熔點(diǎn)高密度的FeCr鉻鐵意味著它傾向于停留在爐底,爐底附近的鋼水溫度相對(duì)較低,因此在沒有攪拌的情況下溶解沉底的鐵合金就會(huì)有問題。同時(shí)發(fā)現(xiàn),鉻鐵添加量越高,出鋼時(shí)間越短,結(jié)殼形成的問題越嚴(yán)重。未熔鉻鐵在爐底的堆積是結(jié)殼形成的主要原因。Argyropoulos和Guthrie模擬了溫度和攪拌對(duì)球形鉻鐵顆粒溶解時(shí)間的影響。[6]根據(jù)報(bào)道,粒度為20cm鉻鐵的溶解時(shí)間在1570℃溫度條件下需要950秒,在1600℃需要約90秒,在1620℃需要約50秒。[6]如圖6所示,通電期間,使用EMS的爐底附近的鋼水溫度提高了約50-100°C。熔池底部鋼水溫度的相應(yīng)升高縮短了添加的鉻鐵熔化時(shí)間。也有報(bào)道稱,在固定熔池溫度(1600℃)下,熔池鋼水以0.3 m/s的滑移速度攪拌,可將鉻鐵溶解時(shí)間縮短至無(wú)攪拌(僅自然對(duì)流)情況下的四分之一。[6] 這意味著溫度均質(zhì)化和熔池的強(qiáng)制對(duì)流將有助于FeCr合金和大塊廢鋼的熔化。即使在使用長(zhǎng)槽出鋼的電爐中生產(chǎn)不銹鋼,使用EMS對(duì)結(jié)殼的去除的積極作用也得到了證實(shí)。

SeAH電爐中結(jié)殼厚度的減少帶來(lái)以下操作生產(chǎn)上的效益:

?更容易使用廢鋼料籃加料。

?更好的熔池液位控制。

?增加廢鋼加入量或提高出鋼鋼水噸位。

?更高的出鋼鋼水重量命中率。

?減少下爐殼耐材的維護(hù)工作。

?更高的廢鋼和鐵合金收得率。

?連續(xù)一致的電爐操作。

?提高了產(chǎn)能。

熔池表面溫度降低和節(jié)約耐火材料

在SeAH鋼廠 20個(gè)月的EMS運(yùn)行表明,與沒有EMS的情況相比,熔池?cái)嚢枋篃嵝弈突鸩牧舷臏p少45%,冷修耐火材料消耗減少9%。在通電過程中,EMS攪拌降低了熔池表面溫度,這可能是節(jié)約耐火材料的主要原因,因?yàn)槟突鸩牧系淖顕?yán)重?fù)p害發(fā)生在渣線區(qū),特別是在熱點(diǎn)區(qū)域。降低耐火材料磨損的另一個(gè)因素是使用EMS后出鋼溫度的降低,不銹鋼等級(jí)的平均出鋼溫度從1680℃低到1660℃,工具鋼的平均出鋼溫度從1630℃低到1610℃如圖9所示。應(yīng)該記住,在電弧爐中測(cè)量出的出鋼溫度下降20-30℃可以分為兩部分:第一部分降低了15℃左右的出鋼溫度不會(huì)影響鋼包抵達(dá)精煉爐位置時(shí)候的鋼水溫度,因?yàn)槿鄢刂袖撍疁囟炔顪p小,進(jìn)入到鋼包中的鋼水平均溫度并沒有降低。在無(wú)攪拌情況下,一般來(lái)說(shuō),熔池表面附近鋼水溫度更高,所測(cè)得的溫度往往不能代表整個(gè)熔池的平均溫度。第二部分5-15℃將是出鋼包內(nèi)絕對(duì)出鋼溫度的降低。20-30℃出鋼溫度降低,一定會(huì)降低耐火材料的磨損。EMS攪拌第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是減少結(jié)殼的形成,更少結(jié)殼問題導(dǎo)致更少的爐底維護(hù)工作,同時(shí)能夠保持爐內(nèi)鋼水一致的液面控制。結(jié)果表明,EMS對(duì)爐壁耐火材料有積極的影響,降低了爐體耐火材料的維護(hù)成本。

圖9  使用ArcSave對(duì)不銹鋼生產(chǎn)出鋼溫度(a)和電極消耗(b)降低的影響

工藝可靠性和安全性

安全性和可靠性一直是電爐運(yùn)行的重要問題。如前面章節(jié)所述,EMS對(duì)電弧爐工藝的積極影響對(duì)提高工藝可靠性有著重大影響。大塊廢鋼和鉻鐵的快速熔化使熔池的化學(xué)成分和溫度快速均勻化,保證了出鋼的目標(biāo)鋼水重量和溫度。在熔池中攪拌可以減少碳的沸騰。整個(gè)熔池內(nèi)均勻的溫度提供了出鋼的穩(wěn)定性,減少了出鋼故障造成的推遲。此外,熔池中溫度分層現(xiàn)象的消除明顯降低了出鋼溫度,結(jié)果表明,使用EMS可以在不改變LF到達(dá)溫度的情況下使出鋼溫度降低15 ~ 20℃。在未攪拌的爐號(hào)情況下,一般來(lái)說(shuō),鋼水在熔池表面附近更熱,所測(cè)得的溫度往往不能代表整個(gè)熔池的平均溫度。

結(jié)論

EMS攪拌改善了電爐過程中的傳熱傳質(zhì),降低了能量和電極消耗,同時(shí)提高了操作的可靠性和安全性。現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果表明,使用EMS促進(jìn)了廢鋼和鉻鐵合金的熔化,有效地降低了爐底結(jié)殼的形成。熔池內(nèi)鋼水溫度更加均勻,目標(biāo)出鋼溫度控制更精確,使下道VOD的操作更加順暢。短的出鋼時(shí)間和穩(wěn)定的電爐操作也提高了生產(chǎn)率。使用EMS獲得的工藝效益如表2所示。

表2  SeAH鋼廠安裝EMS后的工藝改進(jìn)

致謝

作者要感謝ABBCRC/SST/Poland的Monika Zielinska對(duì)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬工作友好支持和寶貴貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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作者

Eung-Sou Lee:Directorof Small Production Division, SeAH CSS Corp., Changwon, Gyeongnam, Korea

Ho-Kyoung Kim:TeamLeader of 3 Steelmaking Team, Large Production Division, SeAH CSS Corp.,Changwon, Gyeongnam, Korea

Eun-Woo Jung:Manager of3 Steelmaking Team, Production Division, SeAH CSS Corp., Changwon, Gyeongnam,Korea

Lidong Teng:PrincipalEngineer, ABB AB, V?ster?s, Sweden lidong.teng@se.abb.com

Kwang-Seok Kim:SeniorArea Sales Manager,  ABB AB, V?ster?s,Sweden

JoakimAndersson:Sales Manager NAM, ABB AB, V?ster?s, Sweden

Hongliang Yang:R&DTeam Leader, ABB AB, V?ster?s, Sweden

唐杰民2024年元月在安徽黃山市屯溪翻譯自美國(guó)《鋼鐵技術(shù)》雜志2024年元月期刊。水平有限,希望各位看官發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤和不妥之處給與指正。

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