电炉氧枪

           1.概述

           提高电炉吨钢用氧量，是强化电炉冶炼、提高电炉节奏有效手段之一。如何高效地将氧气输入到电炉炉内，对提高电炉炼钢的冶炼节奏，生产成本的大幅度下降是非常重要的。

           目前，电炉炼钢氧气产生的化学能在电炉能量输入中已占了较大的比例，达到20-30%。特别是电炉采用热装铁水后，化学能的比例达到总能量的40%以上，相当于电炉增加了近一倍的能量输入，大量输入氧气已成为现代电弧炉炼钢工艺的一个主要特点。

           武汉南锐工程技术有限公司具有完全自主知识产权的电炉炉壁模块化智能供氧系统能有效地将化学能引入电炉熔池中，对熔池进行集束吹氧，完成助熔，二次燃烧，和强化脱碳升温等冶金任务。

           2. 工艺条件

           公称容量 50~90吨

           炉壳直径 6100mm

           每炉出钢量 90-100吨

           留钢量 22.4吨

           变压器 71.5MVA,85MVA(可过载)

           电极直径 610mm

           极心圆直径 /

           制氧能力 3000Nm3/h(峰值5000)

           氧气压力： 1.6MPa

           主要钢种 GCr15

           铁水热装比 0

           冶炼时间 80min(设计60min)

           年产量 30万吨(设计50万吨)

           加料次数 2次

           烧嘴能力 3MW

           喷碳能力： 60kg/min

           3. 工艺说明

           电炉冶炼技术发展至今，已越来越依赖于利用辅助能源以降低消耗，减少冶炼成本，特别是从八十年代以来，炼钢电弧炉在降低生产成本方面的一个重要措施是利用辅助能源及富氧技术部分取代电能。

           尽管如此，氧气技术的综合利用对电炉技术发展的影响更是显而可见，从早先的氧气管人工吹氧到后来的炉壁助熔烧嘴，燃油燃气烧嘴，从消耗性氧气管到自耗型炉门氧枪再到炉门水冷碳氧枪，近十余年内发展极快;世界上现有较高操作和设备水平的50吨以上大电炉几乎都采用了多项氧气组合供氧技术，除炉门氧枪外，大多数在炉墙上装有氧气或氧燃喷嘴，多的在炉内甚至装了9支烧嘴。水冷型炉门超音速氧枪对系统供氧能力要求略低，角度固定，反应区域小(对于炉容量较小而路门尺寸较小的炉子而言尤其如此)，枪头易拉弧漏水不易更换，易造成炉壁和炉盖上废钢的喷溅，影响冶炼时间并造成大沸腾等安全事故.

           在此基础上，集炉壁烧嘴，炉门氧枪，炉壁氧枪功能于一体而摈弃其缺点的第四代智能化多功能集束射流氧枪技术应运而生，适合于各种类型电弧炉在不同料型，设备水平，供电水平和生产品种下的冶炼生产需求，其主要特点：

           通过安装模块化水冷箱协助将氧气导入熔池，射流行程短，出口处集束中心流股速度大于2.0马赫。

           完全可调节的主氧和次氧可在冶炼各期有效实现预热,助熔,二次燃烧,脱碳,升温等各项冶金功能。

           炉内均匀分布的多个反应区，可有效的进行脱碳并形成环流。

           氧气综合利用效率高于70%,脱碳速度可达0.10-0.12%;.

           氧气喷头和氧燃喷头可以简单互换

           系统氧气流量调节工作稳定,准确,系统设定进行自动吹炼,控制水平高

           安装简单，投资省,见效快。

           电炉早期用氧的目的是为了提高废钢熔化速率，采用超音速氧气射流是为了促进碳氧反应以及利用其动能与化学能，特别是在留钢留渣或热装铁水的情况下可促进尽早进行富氧操作并加强熔池搅拌，从而缩短冶炼时间，提高生产效率，降低电耗。

           采用炉壁智能模块化供氧技术，氧气射流到熔池表面的喷射距离比常规的炉壁助熔烧嘴减少40%以上(根据炉子尺寸和安装位置不同而有所波动)，加上氧枪喷头特殊的拉瓦尔孔型设计，能够有效地利用超音速射流，使其穿透力和利用效率大大地提高。

           根据用户的设备(包括供氧)和操作水平，我们推荐采用能够有效地实现强化冶炼，提供生产效率的电弧炉炉壁模块化智能集束供氧系统。

           一般说来，加入炉中的废钢，按Richard L.Reddy研究结果，在熔池中碳含量为1.05%,废钢含碳量为0.3%时,熔化速率如下表:

           熔池温度 ℃ 废钢熔化速率 mm/min

           这是一个静态下废钢的熔化速率,即使加上电弧加热的因素,速度也是很慢的,满足不了电炉快速冶炼的要求,因此在此处布置一支集束氧枪,相当于提供一个移动的点热源,而且驱动钢水运动;氧枪供氧流量的灵活可调性更使其适应冶炼各期和不同加料速度下的操作模式.靠近加料口处的氧枪布置与其有一定的距离,同时也有利于化渣促进炼钢物化反应，加快钢水环流。

           喷碳造泡沫渣可以在炉壁实现，通过设在水冷模块上的喷碳孔，采用1-2处喷吹碳粉，当然也可以维持现有炉门碳氧枪喷碳造泡抹渣方式不变。

           氧枪集束流量设计能力为1500Nm3/h，枪前氧压要求为0.9Mpa以上;二次燃烧用次氧单支的设计流量为300-400Nm3/h。

           碳粉喷吹系统，能力为5-30kg/min，可分两路喷入炉内。

           3.1 助熔

           模块化吹氧技术可产生主氧和辅氧两种射流，保证了合理的射流结构;由于废钢料型和热态金属的比例不同，通过软件设置和流量调节，根据熔化不同阶段，始终保持有效的加热面积，同时避免不恰当吹氧形成的炉料“搭桥”垮断电极。在电炉留钢量较多时,常规情况下就可以提前以大流量方式供氧,如兑入铁水则条件更好.

           3.2 二次燃烧

           二次燃烧的技术实质是通过富氧操作充分地利用未完全燃烧产生的CO气体进行二次燃烧的化学能量，从而加速熔化废钢，而二次燃烧的难点在于工作点的界定，通过控制程序对废钢区域的软吹及硬吹相调节，实现二次燃烧。充分利用二次燃烧的热量,既有利于节约能量,又加大了废钢的预热效率,实为一举双得.

           3.3 全程泡沫渣埋弧冶炼

           利用模块化技术结合控制喷粉及炉中多点喷碳能力进行吹氧和喷碳可形成并维持很好的泡沫渣。而且，由于多点喷碳、预留钢水或兑入热铁水操作，可在冶炼过程的早期形成泡沫渣。

模块上的喷碳孔设计十分有利于拆卸和清理。

           3.4 钢水脱碳及升温

           根据炉子容量和内部尺寸分开布置一个或多个吹氧模块，在氧化期，相当于在炉内多个反应区域进行供氧脱碳，射流的角度偏心，推动了钢水的循环流动，加上集束式供氧能更好地搅拌熔池，这保证了温度的均匀性以及促进了渣/金属的物质传递。

           传统冶炼条件下，初炼钢水含碳范围在0.30-1.20%左右时，脱碳效率平均达0.03-0.05%/min;集束射流条件下，在温度和渣况合适时平均脱碳速度可达0.10%/min甚至更高，且由于提前供氧，脱碳范围也大大加宽，这尤其适用于加入铁水或生铁比例较高或者是冶炼低碳品种的情况。

           由于集束氧流的强烈搅拌作用,在氧化早期极大地改善了脱P反应的动力学条件,也就是说:在原始条件大致相同时,脱P效果大大提高,这对于废钢质量和品质的适应性加强和提高特殊钢产品的内部质量均有现实意义.

           4. 设备说明

           炉壁吹氧模块化智能供氧系统有1个集束吹氧模块。模块上装有一个以2.0马赫数供氧的超音速集束喷枪。为保证金属收得率,减少渣中的(FeO)含量，采用炉壁喷吹碳粉,模块上可装一个碳粉喷射孔,能让一根管子从炉内任何点位的水冷模块处喷碳，以形成泡沫渣埋弧冶炼。

           用于电弧炉的炉壁模块化智能供氧系统由以下几个主要部分组成：

           4.1 二次水冷模块

           数量：带超音速主氧及辅氧的吹氧模块

           大小：尺寸(初步)高742mm*厚382mm*宽420mm，

           重量：约700kg，

           模块有冷却水进出和碳粉喷吹三个公用介质接口

           功能：安装并固定氧枪、碳枪，水冷保护。连接冷却水，冷却水流量为20-30t/h，水压大于0.35Mpa。

           主要结构特征：

           模块的表面有挂渣设计,模块的具体尺寸根据炉壳的实际情况专门优化设计:用于对氧枪固定和保护,两个开孔分别用于吹氧和喷碳,通过模块上配备的安装接手和夹持喷射器的法兰将其固定在水冷炉壁。

           材质:由无氧铜整体浇注成型，导热能力强;内部采用螺旋式水冷通道，冷却效果好;进出水处安装热电偶以对工况进行监控,防止因垮料或大块废钢导致的对炉衬或氧枪的损坏,以便控制系统调节参数,并在冶炼进程中逐步恢复原设置。

           模块为消耗件,正常使用条件下其寿命大于3-5个月,拆卸下来后可进行简单必要的修补.

           4.2 超音速氧气喷枪

           数量：1支

           大小：氧气燃烧室的枪体为不锈钢材质，长度大约800mm，直径约160mm

           重量：约50kg。不锈钢及铜的复合体。

           功能：脱碳、助熔、二次燃烧

           主要结构特征：

           氧枪的专利设计产生主氧和次氧两种射流，具有预热废钢,吹氧助熔,二次燃烧和脱碳升温功能.

           氧气喷头采用特殊的拉瓦尔孔型设计,不锈钢质枪体,铜制枪头,内置冷却.使得氧气射流在助熔,脱碳等方面获得极强的优势,系统可取得比传统方式高出一倍以上的效率,; 消除火焰逆燃回火，可使紧邻的水冷炉壁热负荷减至小。防止和清除燃烧室中蓄积的燃烧沉积物.

           氧枪用螺栓安装在水冷模块上,喷射角度为43-45度,每个模块配置一支。有三个公用介质接口(没有COG)气体条件下,包括冷却水进出,氧气进口等.

           枪头为消耗件,按要求正常使用,其寿命大于二个月。

           4.3氧气流量控制站

           数量：1组

           外形：3600mm×1600mm×2400mm(初步设计)

           重量：1600-1800kg

           功能：氧气流量、压力控制调节，系统保护控制

           设备特征：每个系统由一套单独的氧气流量控制站进行控制，氧气阀站是一个高度集成的功能单元，提前预组装、测试并安装在滑动底板上。全部部件均进行了特殊清洗以保证安全的需要，然后密封提交用户，在供方的指导下组织安装。

           氧气阀站对通往每个氧气模块的氧气流通过PLC和气动执行机构进行单独控制,而且,当用户需要炉门氧枪时,同时可以通过预留的支路实现对炉门氧枪的智能控制。

           阀站的阀门和仪表配备了所有安全生产所必需的装置,主要有：高可靠性防爆压力开关,自动切断阀,压力、差压变送器、气动控制阀、电磁阀,泄压阀,压力表，止回阀等。易于接近，所以即使偶然出现故障需要进行维护时也能保证安全，快速地排除故障，管道均由不锈钢管连接。

           阀站所用阀门,调节元件等主要采用德国的公司原装世界的产品,设计精巧,使用可靠,美观大方,免维护使用.

           4.4 操作控制系统

           操作控制系统配置：SIEMENS-S-7(300/400)型PLC，包括工业以太网设备,可为系统提供可靠的逻辑控制。人机界面采用WinCC软件。预留与二级计算机系统接口。采用S7型PLC，具有编程程序容量大，I/O量更多，通讯方面，主站适应多个S7、HMI系统连网等明显特点。

           台前监控采用品牌商用PC机，全面预装WINDOWS操作系统及实用程序。画面设计简洁且美观大方,相互间切换时间短，并充分保证抗干扰性和安全运行，见附图。

           系统功能：

           该系统根据电炉的功率情况，可以提供不同的氧气吹炼控制程序。操作程序充分考虑到了熔炼车间大氧流量潜在的限制范围并能在短期氧气供应无法满足系统需要的情况下采取合适的应急操作。

           根据炉料组成的不同、热装比,冶炼工艺的不同、钢种的变化等情况,系统设置了多个不同的操作程序,如果用户觉得需要,计算机还允许设置更多的操作程序。设置了多个应用程序，如低，中，高碳钢等，系统可根据终点碳含量，通过程序设计，采用不断优化控制，对脱碳速度进行设定。

           控制系统能执行安全生产所需的逻辑控制，并可提供故障诊断和报警指示。控制系统通过工业以太网与主控室相连，有助于技术人员解决故障和进行性能分析。本系统的人机界面采用了直视式界面,界面设计与用户要求相结合,参见主界面示意图。该装置显示过程控制所必需的全部信息，包括各类设备的实时工作状态，介质的状态和各类相干参数的实时数值以及诸如氧耗,电耗等累进数值等;根据工厂要求,还可设定一定历史时段的的数据和实时数据储存,并且能让操作人员根据要求改变氧气射流的运行模式。

           系统可根据能量消耗的累积数据，按设定程序要求调整整个系统流量输入的情况并自动进行喷碳操作，这类程序设计思想与国内外通行的控制模式实为异曲同工。

           4.5 粉罐及喷吹系统(可选)

           数量：1套

           大小：4000×2000×1500

           功能：采用PLC控制系统控制不同的喷碳模式,控制喷吹时间和喷粉量，喷粉量实际范围可达5-30kg/min。

           碳粉喷吹系统具有碳粉重量称量,单炉累积碳粉用量,在线喷粉量显示,开关,载气压力显示等等。

           4.5.1料斗

           功能：储存碳粉,阻隔异物,防止堵塞

           主要部件：料斗，筛网，刮轮，盖板等

           容积: 大小依据材料的包装和加料方式决定。

           4.5.2 喷粉罐

           用于输送粉剂，使粉料流态化并稳定地输送流体

           喷粉罐系统由喷粉管, 智能数显控制仪, 负荷传感器, 给粉变频器,喷粉罐,及控制

           蝶阀,球阀,气动截止阀，放散阀,安全阀和压力表等构成。

           储罐体积为1.5m3. 装粉重量800-1000kg, 可根据用户要求加装料斗(不带除尘)，按国家压力容器标准设计。

           喷粉速度:5-30kg/min,喷粉重量,频次可实现系统自动控制。

           5. 公用介质

           本系统对公用介质要求如下：

           氧气工作压力1.0-1.5Mpa和流量为30Nm3和45Nm3/h(不含炉门氧枪)，提供给氧气流量控制站的氧压为1.0Mpa以上,持续供氧。

           如氧气压力不足，可考虑分步实施的方式，先按低压力条件考虑。会对冶炼效果有一定影响。但低氧压不低于0.80Mpa.

           系统峰值氧流量不低于4500Nm3/h。

           控制系统电源，50Hz,15A、220V、AC;24V DC

           每个氧枪水流量为10t/h，水压为0.3-0.4Mpa。炉门氧枪压力大于0.6Mpa

           每个氧枪铜质水冷块的水流量为20-30t/h，水压大于0.35Mpa。

           炉壁模块的喷碳粉量，大30 kg/min;粒度1-3 mm,H2O<1.0%,固定C>70%;

           压力范围为0.4-0.65 Mpa的仪表用压缩空气或氮气。流量500-700m3

           喷碳载气压力:不低于0.4 Mpa

           6.预期运行效果

           预期的冶金效果如下:

           指标               单位   现有水平 预期水平

           冶炼周期        Min          80            60

           冶炼电耗       (kwh/t)    480      380-410

           供电时间        min          44         38-39

           氧气消耗       (Nm3/t)    40        55-60

           电极消耗       (kg/t)        2.1        持平

           7.经济效益预算

           按每炉钢节约15分钟，每吨钢利润水平100元，电价0.55元/kwh，氧气价0.7元/m3

           改后年产量=全年日历时间×作业率/改后冶炼时间×单炉钢产量

           525600分钟×80%/65分钟×90吨=646892吨

           吨钢节约成本=原来吨钢氧耗×氧气单价+原来吨钢电耗×电价单价-现在吨钢氧耗×氧气单价+现在吨钢电耗×电价单价

           40×0.7+480×0.55-55×0.7-410×0.55=28元

           全年新增效益=(改后枪年产量-原来年产量) ×吨钢利润+改后年产量×每吨钢节约成本

           (646892-525600) ×100+646892×28=12129200+18112976=30242176元

           武汉南锐工程深信，依托我们成熟的炉壁模块化智能集束供氧系统技术，依托我们对电弧炉操作的丰富现场经验，依托我们周到的技术支持和售后服务理念，必将有助于电炉操作指标达到国际的水平并获得可观的经济效益，为钢厂获得竞争力创造好条件。

           武汉南锐公司结合在大高炉喷煤技术上成功的经验，开发出一套成熟的、经济效益明显的高炉喷煤技术;KR铁水脱硫及单吹颗粒镁脱硫系统在国内多家钢厂成功使用;飞锤式连铸板坯去毛刺机去毛刺效果优异，不锈钢板坯上下端面同时去毛刺;生产的连铸板坯电弧铝丝喷号机工作稳定，字迹清晰，采用全过程自动控制，运行良好;板坯结晶器锥度仪和开口度检测仪的稳定性、精度及功能超过国内同行水平，其产品得到国内板坯厂家的普遍认可;环保型自动喷碳系统可实现全过程自动控制、流量连续调节;智能型电炉集束氧枪及碳氧燃烧系统完全可以取代国外同类产品。

           武汉南锐工程技术有限公司

           电话：027-59715170 59715180

           咨询手机：13638680161 周经理

           邮箱：whss@nanruicn.com

           邮编：430074

           网址1：http://www.whsset.com

           网址2：http://www.nanruicn.com

           地址：湖北省武汉东湖开发区东信路SBI街5栋401号