关键词：
电弧炉
废钢熔化
热模实验
数值模拟
水模型实验
传热
摘要：
传统电弧炉炼钢以废钢为主要原料,通过电极与炉料间放电产生电弧将废钢加热并熔化。由于电弧加热属于点热源,造成电弧炉内温度分布不均匀,废钢局部熔化速度慢,能量利用率低。现代电弧炉炼钢广泛采用大留钢量平熔池冶炼,留钢量在40%以上,利用钢液将废钢加热熔化。由于钢液的含碳量低,废钢熔化初期主要受钢液的传热所控制。因此,若能加速钢液与废钢之间的热量传递,将有助于废钢快速熔化及降低电弧炉冶炼能耗。基于此,本文借助于热模实验及数值模拟方法研究了熔池内废钢快速熔化机理,利用水模型实验分析了电弧炉熔池内废钢熔化的影响因素,在此基础上,建立了电弧炉熔池内不同堆密度和自由堆料条件下废钢熔化时间计算模型,预报废钢的熔化时间及能量消耗。研究了熔池内单体废钢熔化特征及熔化规律。结果表明:废钢浸入钢液瞬间其表面形成的凝钢层是导致废钢熔化时间增加的重要原因。减小废钢的尺寸,也即增加废钢的比表面积,提高废钢的预热温度以及增加熔池内钢液的温度、碳含量和搅拌强度,均能有效减少废钢表面凝钢层的存在时间,降低凝钢层对废钢熔化过程造成的不利影响,从而提高废钢的熔化速率。开展了废钢中心升温规律的研究,探明了不同熔化条件下钢液与废钢之间的传热规律。研究了加热和熔化过程中废钢表面氧化脱碳、烧蚀剥落以及凝钢等行为特征,分析了废钢的熔化规律,结果发现高碳废钢比低碳废钢更容易被氧化,而脱碳速率则相反;高碳废钢表面凝钢层的厚度及存在时间均小于低碳废钢,熔化时间比低碳废钢降低20%以上。开展了熔池内多级废钢熔化规律的研究,探明了废钢间距、孔隙度和预热温度对废钢熔化过程相互凝聚程度的影响。结果表明:废钢间距增加至6 mm以上、孔隙度增加至0.90以上、以及废钢预热温度增加至800℃以上时,可大幅度减轻或消除废钢之间的凝结现象,提高废钢的熔化速率。基于相似理论,建立了电弧炉熔池内废钢熔化水力学模型,分析了电弧炉熔池内废钢熔化的影响因素。结果表明:增加冰块的比表面积、底吹和侧吹气体的流量,以及降低顶吹气体的高度,均能有效降低冰块的熔化时间,缩短溶池的混匀时间。在实际电弧炉炼钢过程中,应适当增加大比表面积废钢的入炉比例、优化电弧炉底吹搅拌以及提高炉门供氧和炉壁供氧冲击搅拌强度,有助于废钢的快速熔化及钢液温度和成分的均匀混合。基于熔池内废钢熔化机理及电弧炉熔池内废钢熔化影响因素的研究,建立了电弧炉熔池内不同堆密度及自由堆料条件下废钢熔化时间计算模型。模型计算结果与电弧炉实际结果相吻合,可准确预测电弧炉内废钢的熔化时间。运用废钢熔化时间计算模型,结合电弧炉冶炼过程物料平衡和能量平衡计算,可预测电弧炉炼钢能量消耗,从而有针对性的提出废钢快速熔化措施和电弧炉冶炼降耗措施。
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