滕立東¹，LJUNGQVIST P r²，鐘云濤3，ANDERSSON Joakim ²

（1．ABB Metallurgy，Process Automation，ABB AB ，V sters SE-721 59，Sweden；2．Outokumpu Stainless AB，Avesta SE-774 41，Sweden；3．ABB（中國）有限公司，北京100015，中國）

摘　要：安裝在電爐爐底下方的電磁攪拌器（ArcSave®）能使整個熔池的鋼液產(chǎn)生有效的混合，從而加速熔煉過程中鋼液溫度和化學(xué)成分的均勻化。研究了電磁攪拌對瑞典Outokumpu不銹鋼廠的90t電爐冶煉不銹鋼工藝的影響。熱測試結(jié)果顯示，ArcSave能加速廢鋼和鉻鐵合金的熔化，精確控制出鋼量；熔池的溫度也更加均勻，出鋼溫度能得到準(zhǔn)確的控制；穩(wěn)定的電爐出鋼質(zhì)量和出鋼溫度的控制有利于后續(xù)AOD的順利操作。通過對鋼液的攪拌能減少熔池液面的過熱度并提高熔池內(nèi)的熱傳導(dǎo)，使得爐壁和爐蓋的熱損失減少，因此降低了耗電量和電極消耗量，總能耗能降低3％～4％。同時，攪拌也能強(qiáng)化鋼－渣間的界面反應(yīng)，降低渣中Cr₂O₃的含量，提高合金收得率和降低FeSi的消耗量。還能縮短冶煉周期，并且連續(xù)穩(wěn)定的冶煉操作能提高電爐冶煉的產(chǎn)量約6％～8％。電磁攪拌技術(shù)是提高電爐冶煉不銹鋼工藝水平的一種安全、可靠而有效的解決方案。

關(guān)鍵詞：電爐；電磁攪拌；鉻鐵熔化；鋼／渣反應(yīng)；不銹鋼；能效

當(dāng)今的電弧爐普遍采用超高的輸入功率和較短的冶煉時間，這就需要較強(qiáng)的熔池?cái)嚢枰詮?qiáng)化傳熱和傳質(zhì)，減少燒損、降低能耗、提高收得率、均勻熔池溫度和成分。目前國內(nèi)電爐普遍采用底吹氣攪拌，這種攪拌方式存在攪拌不均勻，透氣磚處存在漏鋼危險(xiǎn)等缺點(diǎn)。而電磁攪拌技術(shù)對鋼水?dāng)嚢韬芫鶆颍慌c鋼水沒有任何接觸，不存在任何漏鋼危險(xiǎn)；安裝方便、操作簡單，是電爐攪拌的發(fā)展趨勢。瑞典ＡＢＢ公司致力于開發(fā)和生產(chǎn)提高鋼水質(zhì)量和產(chǎn)量的電磁冶金產(chǎn)品已有近７０年的歷史，包括電爐攪拌器、鋼包爐攪拌器等。１９４７年第１套電爐攪拌器（ＥＡＦ－ＥＭＳ）在瑞典的Ｕｄｄｅｈｏｌｍｓ鋼廠投產(chǎn)，至今在全世界范圍內(nèi)投產(chǎn)了１５０多套。最近，ＡＢＢ開發(fā)了新一代電爐電磁攪拌器（商標(biāo)名稱ＡｒｃＳａｖｅ?），用于滿足普碳鋼和高合金鋼電爐冶煉工藝的攪拌要求，它能幫助提高電爐操作安全性，增加產(chǎn)量和減少運(yùn)行成本。其中一套ＡｒｃＳａｖｅ已經(jīng)應(yīng)用在瑞典的Ｏｕｔｏｋｕｍｐｕ不銹鋼廠（簡稱ＯＳＡＢ）的電爐冶煉中，此電爐是出鋼槽出鋼。ＯＳＡＢ 煉鋼車間的工藝流程為ＥＡＦ→ＡＯＤ→ＬＦ→ＣＣ。電爐容量９０ｔ，變壓器功率１１０ＭＶＡ。電爐裝備了１套爐門噴槍機(jī)械手和３個燃?xì)鈬娮?。爐門機(jī)械手含有４支噴槍，分別用于噴吹Ｏ_２、Ｎ_２、ＦｅＳｉ和碳粉。ＯＳＡＢ主要生產(chǎn)含鉻量高的特種不銹鋼，由于鉻鐵合金的熔點(diǎn)高、密度大，因此會經(jīng)常在爐底殘留未熔化的鉻鐵合金爐垢。不斷沉積的爐垢造成了出鋼量的大幅變化、較高的耗電量和電極消耗，并使熔池的有效容積減小以致料籃加料困難。ＯＳＡＢ 廠安裝使用ＡｒｃＳａｖｅ的主要目的是解決鉻鐵合金的熔化問題，并同時降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)量。本文分析總結(jié)了ＯＳＡＢ電爐在安裝ＡｒｃＳａｖｅ后獲得的熱測試結(jié)果。

１　鋼水的攪拌模式

圖１顯示了爐底裝有ＡｒｃＳａｖｅ攪拌器的帶出鋼槽的電爐中鋼液的流動模式。攪拌器布置在非磁性（奧氏體不銹鋼）鋼板以下，這種布置的好處是攪拌器與鋼水沒有直接的接觸，因此僅需要少量的系統(tǒng)維護(hù)。低頻電流通過攪拌器線圈產(chǎn)生穿透爐底的行波磁場，從而在鋼液中產(chǎn)生推動力^［１］。

由于磁場可以穿透整個熔池高度，因此整個熔池內(nèi)的鋼液會朝同一個方向運(yùn)動，當(dāng)運(yùn)動的鋼液到達(dá)爐壁的時候便產(chǎn)生分向爐壁兩邊的回流。當(dāng)行波磁場方向相反時，鋼液也會隨之反向流動，鋼液流動的速度與電流成正比。圖２是在電磁攪拌條件下１００ｔ不銹鋼電爐中鋼液在熔池內(nèi)的鋼渣界面和底部的流動模擬計(jì)算結(jié)果^［２］。從圖２可以看出ＡｒｃＳａｖｅ產(chǎn)生了１個在整個熔池內(nèi)的全環(huán)流，因此促進(jìn)了整個熔池內(nèi)鋼液的有效混合。相比于通過底部透氣磚的氣體攪拌，ＡｒｃＳａｖｅ一個非常大的優(yōu)勢是可以提高整個熔池的混合效果，這大大強(qiáng)化了鋼液溫度和成分的均勻性并促進(jìn)鋼渣反應(yīng)。

通過對攪拌器基本參數(shù)的設(shè)置，ＡｒｃＳａｖｅ可以實(shí)現(xiàn)全自動化控制。用戶也可以自定義設(shè)置以滿足電爐對于不同冶煉階段的攪拌要求，比如廢鋼加熱、均勻化、合金熔化、脫碳、除渣和出鋼等。

ＡｒｃＳａｖｅ具有攪拌成本低、操作安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，有利于優(yōu)化電爐的生產(chǎn)條件和實(shí)現(xiàn)物流的合理控制。

２　結(jié)果和討論

在電爐冶煉工藝中，鋼液攪拌的主要優(yōu)點(diǎn)是加速熔化反應(yīng)和熔池的均勻化。為了比較ＡｒｃＳａｖｅ對于電爐冶煉工藝的改善效果，采集了２組數(shù)據(jù)，分別為采用和不采用ＡｒｃＳａｖｅ攪拌的３個月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過比較這２組數(shù)據(jù)對使用ＡｒｃＳａｖｅ后的電爐工藝優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。

２．１　廢鋼的熔化和電弧的穩(wěn)定性

使用和不使用ＡｒｃＳａｖｅ的主要區(qū)別是熔池內(nèi)鋼液對流強(qiáng)度的變化。通過電磁攪拌產(chǎn)生的強(qiáng)制對流能加速大塊廢鋼和鉻鐵合金的熔化，降低廢鋼塌陷的幾率，爐料的布置不再那么嚴(yán)格。ＣＦＤ模擬結(jié)果顯示，采用ＡｒｃＳａｖｅ后熔池內(nèi)鋼液的流動速率是自然對流情況下的１０倍左右^［２］。熔池內(nèi)強(qiáng)烈的對流有助于溫度的均勻分布和加速廢鋼熔化。同時還發(fā)現(xiàn)通過快速熔化大塊廢鋼和減少塌陷，ＡｒｃＳａｖｅ在一定程度上有穩(wěn)定電弧的作用。

圖３為不采用攪拌和使用ＡｒｃＳａｖｅ的其中一個電極的電流波動的比較，可以看出使用ＡｒｃＳａｖｅ后，電流波動明顯減小。不采用攪拌的電極電流標(biāo)準(zhǔn)偏差是９．３，使用ＡｒｃＳａｖｅ后是３．７。電極電流波動減小將提高電爐的有效輸入功率，從而縮短冶煉周期。ＡｒｃＳａｖｅ對提高電極電弧穩(wěn)定性的作用在另一個ＥＢＴ出鋼的普碳鋼電爐測試中也得到了證實(shí)^［３］。

２．２　電弧加熱效率和節(jié)能

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，在沒有攪拌的傳統(tǒng)交流電爐中廢鋼熔化期（熔池形成后）鋼液的溫度梯度在５０～７０℃內(nèi)^［４］；但采用電磁攪拌后，熔池內(nèi)溫度梯度只是不采用攪拌的２５％左右^［１］。這意味著攪拌減少了電弧加熱過程中熔池表面的過熱度，電弧的熱量能快速從電弧區(qū)域傳到鋼液內(nèi)^［５］。熔池液面過熱度的降低能減少電極通電階段爐壁和爐蓋冷卻水帶走的熱損失，從而降低了電耗。在ＯＳＡＢ電爐不使用攪拌爐壁和爐蓋的冷卻水帶走的熱量為８１ｋＷｈ／ｔ，而使用ＡｒｃＳａｖｅ的情況下為５５ｋＷｈ／ｔ。采用ＡｒｃＳａｖｅ后，冷卻水帶走的熱量降低了２６ｋＷｈ／ｔ，大致相當(dāng)于節(jié)省４％的電能。

同時，攪拌能加速廢鋼或鉻鐵合金的熔化，提高脫碳速率，從而縮短冶煉周期，這同樣也能減少爐體熱損失。穩(wěn)定的電弧、較低的液面過熱度、低氧活度的爐渣和較低的電耗等綜合作用使得電極消耗節(jié)省量超過９％。

２．３　熔池均勻化和降低出鋼溫度

通過ＡｒｃＳａｖｅ攪拌，在熔池內(nèi)產(chǎn)生紊流，這使得整個熔池徹底混合，從而獲得非常好的溫度和成分的均勻性。在關(guān)閉電弧的電源后，在同一爐鋼液內(nèi)２個不同的位置進(jìn)行溫度測量，測溫間隔為１～２ｍｉｎ，結(jié)果如圖４所示，在２個不同位置的相應(yīng)平均溫差小于２℃。

從工藝角度來看，良好的熔池均勻性是非常重要的。這意味著熔池成分取樣的可靠性，合金加入量計(jì)算的準(zhǔn)確性和溫度測量的準(zhǔn)確性。使用ＡｒｃＳａｖｅ后，出鋼溫度控制的達(dá)標(biāo)率近乎為１００％，這對于減輕后續(xù)的ＡＯＤ冶煉操作難度至關(guān)重要。使用ＡｒｃＳａｖｅ后，平均出鋼溫度降低了３０℃，同時到達(dá)ＡＯＤ工位的鋼水溫度并沒有顯著的變化。

２．４　鋼渣反應(yīng)和Ｃｒ_２Ｏ_３還原

與鋼包爐相比，電弧爐具有較大的熔池表面和較淺的熔池深度，因此電磁攪拌對電爐中鋼渣反應(yīng)的促進(jìn)作用比鋼包爐中明顯。如果不采用攪拌，那么往返于反應(yīng)區(qū)域的傳質(zhì)主要依靠擴(kuò)散作用。采用電磁攪拌后，由于鋼渣界面摩擦力的作用，ＡｒｃＳａｖｅ產(chǎn)生的鋼液運(yùn)動能對爐渣產(chǎn)生一定的攪拌效果，使鋼渣的各個部分會被攪拌到鋼渣界面的反應(yīng)區(qū)域，從而縮短了反應(yīng)界面區(qū)域的擴(kuò)散距離，加快了鋼渣界面反應(yīng)的速度，對流傳質(zhì)對于脫硫和渣中Ｃｒ_２Ｏ_３的還原是非常有利的。在氧化期，鉻被氧化并進(jìn)入爐渣，Ｃｒ_２Ｏ_３被還原使得Ｃｒ重新返回到鋼液是非常重要的。通過優(yōu)化攪拌參數(shù)，可以有效地控制渣中的Ｃｒ_２Ｏ_３含量。ＡｒｃＳａｖｅ攪拌和吹氧的優(yōu)化配合，使渣中平均Ｃｒ_２Ｏ_３質(zhì)量分?jǐn)?shù)可減少３．１％。在采用ＡｒｃＳａｖｅ后，主要用于增強(qiáng)攪拌作用的氮?dú)夂牧繙p少了７０％。事實(shí)上，采用ＡｒｃＳａｖｅ后就沒有必要從爐門噴吹氮?dú)饬恕?/span>

２．５?。疲澹樱楹驮煸鼊┑暮牧?/span>

在使用ＡｒｃＳａｖｅ前，ＯＳＡＢ電爐操作中消耗的硅鐵合金要比常規(guī)范圍高許多。造成硅鐵合金消耗高的原因是大量使用氧氣，以獲得額外的能量幫助鉻鐵合金的熔化。使用ＡｒｃＳａｖｅ后，硅鐵合金添加量顯著減少，耗量大概減少１５ ％。當(dāng)然，硅鐵合金耗量的減少會相應(yīng)的增加電耗，增加的電耗是為了熔化鉻鐵合金。減少硅鐵合金的用量能降低渣中ＳｉＯ_２的含量，因此能同時減少石灰的耗量約９％，以維持渣的堿度基本保持不變。使用ＡｒｃＳａｖｅ后，更穩(wěn)定的電弧也能減少爐渣總量。

２．６　鉻鐵合金的熔化和出鋼量的控制

在ＯＳＡＢ電爐冶煉中，過高的ＦｅＣｒ合金添加量和較短的出鋼周期（小于６５ｍｉｎ）常常產(chǎn)生爐底結(jié)垢問題。結(jié)垢是未熔化ＦｅＣｒ合金和大塊廢鋼在爐底的沉積造成的。ＦｅＣｒ合金在爐底的沉積使得出鋼量的控制變得十分困難，同時逐漸升高的爐底也減少了熔池的有效容積，使得裝料次數(shù)增加。如前所述，ＯＳＡＢ鋼廠安裝ＡｒｃＳａｖｅ的一個主要目的是解決ＦｅＣｒ合金熔化問題。由于ＦｅＣｒ合金具有較高的熔化溫度和較大的密度而易于在爐底沉積，而爐底又是鋼液溫度較低的區(qū)域，因此，沒有攪拌措施，合金熔化就成了一個大問題。在電爐裝備了ＡｒｃＳａｖｅ后，整個熔池溫度均勻。同時，由于攪拌產(chǎn)生的強(qiáng)對流加速了ＦｅＣｒ合金的熔化，也包括大塊廢鋼。這意味著熔池溫度的均勻和強(qiáng)對流共同促進(jìn)了ＦｅＣｒ合金的熔化。測試證明采用了ＡｒｃＳａｖｅ后，由于提高了ＦｅＣｒ合金的熔化速率，因此消除了爐底合金的結(jié)垢問題，這使得出鋼量準(zhǔn)確率提高了２４％以上：沒有采用攪拌時，出鋼量準(zhǔn)確率為６９ ％；采用ＡｒｃＳａｖｅ后，出鋼量準(zhǔn)確率提高到９３％。

２．７?。粒希牟僮鞯姆€(wěn)定性

使用ＡｒｃＳａｖｅ后電爐出鋼質(zhì)量和出鋼溫度的可控性穩(wěn)定了后續(xù)ＡＯＤ操作的初始條件。正確的出鋼質(zhì)量能減少在ＡＯＤ冶煉中額外的合金添加量。這種額外的合金化工藝將會增加在ＡＯＤ冶煉中ＦｅＳｉ、石灰和氧氣耗量。低于ＡＯＤ 要求的初始出鋼溫度也會增加ＦｅＳｉ合金耗量，因?yàn)樾枰獜模疲澹樱橹蝎@得更多的化學(xué)能用于提高ＡＯＤ熔池的溫度。ＡＯＤ連續(xù)穩(wěn)定的操作對于增加產(chǎn)量和減少操作成本也有很大潛力。

２．８　工藝可靠和安全性

安全性和可靠性一直是電爐冶煉操作中非常重要的方面。上面討論的ＡｒｃＳａｖｅ對于電爐冶煉工藝的積極影響對提高電爐工藝的可靠性具有重要的作用。大塊廢鋼和鉻鐵合金的完全熔化能促進(jìn)熔池溫度和成分的快速均勻，這確保了出鋼溫度和質(zhì)量的準(zhǔn)確性。對熔池的攪拌能減少廢鋼塌陷，穩(wěn)定電極電弧和降低電極斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。整個熔池內(nèi)溫度的均勻性能保證順利出鋼從而減少出鋼延誤。消除熔池內(nèi)的熱分層也能明顯的降低出鋼溫度達(dá)到３０℃。使用ＡｒｃＳａｖｅ后，熔池的熱點(diǎn)和冷點(diǎn)也得以消除。一年多的操作試驗(yàn)證實(shí)ＡｒｃＳａｖｅ對爐底的耐材層沒有任何的副作用，反而能明顯地減少熱點(diǎn)和渣線區(qū)域的耐材腐蝕從而降低噴補(bǔ)料的消耗。

２．９　實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)

電磁攪拌器能改善電爐冶煉工藝中鋼液的傳熱和傳質(zhì)的動力學(xué)條件，提高廢鋼和鉻鐵合金的熔化速率，獲得溫度均勻的熔池，出鋼溫度和出鋼質(zhì)量控制更加準(zhǔn)確，減少能耗和電極消耗，優(yōu)化了后續(xù)ＡＯＤ 工位的操作。攪拌可以強(qiáng)化渣的還原，提高鉻的收得率并降低硅鐵合金和石灰的消耗。較短的出鋼周期和連續(xù)穩(wěn)定的出鋼操作也能提高電爐的產(chǎn)量。電磁攪拌對電爐冶煉工藝的改善作用見表１所示。

３　結(jié)　論

１）電磁攪拌能均勻熔池內(nèi)溫度和成分，不同位置的溫差小于２℃。

２）使用ＡｒｃＳａｖｅ后，縮短廢鋼熔化時間約４％～５ ％，電極電流更加穩(wěn)定，電極消耗減少８％～１０％。

３）通過電磁攪拌能降低電耗約４％，減少Ｎ２耗量約７０％，減少合金耗量約１５％。

４）使用電磁攪拌后，出鋼量準(zhǔn)確率達(dá)到９３％，出鋼溫度命中率達(dá)到１００％。

５）ＡｒｃＳａｖｅ能減少用電時間４％～５％，較短的冶煉時間能提高產(chǎn)量６％～８％。

６）與底吹氣攪拌相比，采用電磁攪拌鋼水溫度和成分更加均勻，由于攪拌器不和鋼水直接接觸，因此不會造成漏鋼事故，而且安裝方便、操作簡單、使用壽命長。ＡｒｃＳａｖｅ是一種維護(hù)極低但是能幫助冶煉工藝的技術(shù)，它能使冶煉工藝更安全、更快，生產(chǎn)成本更低。

［參考文獻(xiàn)］

［１］　ＦＯＲＮＡＮＤＥＲ?。樱危桑蹋樱樱希巍。疲桑睿洌酰悖簦椋觯濉。螅簦椋颍颍椋睿纭。椋睢。幔颍悖妫酰颍睿幔悖澹郏剩荩剩铮酰颍睿幔臁。铮妗。停澹簦幔欤?，１９５０，１８８（１）：３３．

［２］?。祝椋洌欤酰睿洹。?，Ｓａｎｄ?。?，Ｈｊｏｒｔｓｔａｍ?。?，ｅｔ　ａｌ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ?。铮妫澹欤澹悖簦颍椋恪。幔颍恪。妫酰颍睿幔悖澹?（ＥＡＦ）ｗｉｔｈ?。澹欤澹悖簦颍铮恚幔纾睿澹簦椋恪。螅簦椋颍颍椋睿纾郏茫荩校颍铮悖澹澹洌椋睿纾蟆。铮妗。矗簦琛。桑睿簦澹颍睿幔簦椋铮睿幔臁。茫铮睿妫澹颍澹睿悖濉。铮睿停铮洌澹欤欤椋睿纭。幔睿洹。樱椋恚酰欤幔簦椋铮睢。铮妗。停澹簦幔欤欤酰颍纾椋悖幔臁。校颍铮悖澹螅螅澹蟆。椋睿樱簦澹澹欤恚幔耄椋睿纾樱簦幔瑁欤椋睿螅簦椋簦酰簟。郑模牛?，Ｄüｓｓｅｌｄｏｒｆ，２０１１．

［３］?。裕牛危恰。蹋椋洌铮睿?，ＡＡＲＯＮ?。剩铮睿澹?，ＨＥＬＭＵＴ　Ｈａｃｋｌ，ｅｔ?。幔欤粒颍悖樱幔觯澹桑睿睿铮觯幔簦椋觯濉。螅铮欤酰簦椋铮睢。妫铮颉。瑁椋纾瑁澹颉。穑颍铮洌酰悖簦椋觯椋簦。幔睿洌欤铮鳎澹颉。悖铮螅簟。椋睢。簦瑁濉。牛粒疲郏茫荩粒桑樱裕澹悖琛。玻埃保担校颍铮悖澹澹洌椋睿纾螅茫欤澹觯澹欤幔睿?，２０１５．

［４］?。停茫桑危裕伲遥拧。拧。?，ＬＡＮＤＲＹ?。拧。遥牛粒啤。螅簦澹澹欤恚幔耄椋睿纭。穑颍铮悖澹螅螅幔睿洹。穑颍幔悖簦椋悖濉。酰穑洌幔簦澹郏剩荩桑颍铮睢。Γ樱簦澹澹欤恚幔耄澹颍保梗梗?，１７（５）：６１－６６．

［５］　ＳＡＭＵＥＬＳＳＯＮ