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生有效的混合，從而加速熔煉過程中鋼液溫度和化學成分的均勻化。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，出鋼溫度能得到準確的控制；穩定的電爐出鋼質量和出鋼溫度的控制有利于后續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的熱傳導，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，攪拌也能強化鋼－渣間的界面反應，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，并且連續穩定的冶煉操作能提高電爐冶煉的產量約6％～8％。電磁攪拌技術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。

關鍵詞：電爐；電磁攪拌；鉻鐵熔化；鋼／渣反應；不銹鋼；能效

當今的電弧爐普遍采用超高的輸入功率和較短的冶煉時間，這就需要較強的熔池攪拌以強化傳熱和傳質，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等缺點。而電磁攪拌技術對鋼水攪拌很均勻；與鋼水沒有任何接觸，不存在任何漏鋼危險；安裝方便、操作簡單，是電爐攪拌的發展趨勢。瑞典ＡＢＢ公司致力于開發和生產提高鋼水質量和產量的電磁冶金產品已有近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，至今在全世界范圍內投產了１５０多套。最近，ＡＢＢ開發了新一代電爐電磁攪拌器（商標名稱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，增加產量和減少運行成本。其中一套ＡｒｃＳａｖｅ已經應用在瑞典的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套爐門噴槍機械手和３個燃氣噴嘴。爐門機械手含有４支噴槍，分別用于噴吹Ｏ_２、Ｎ_２、ＦｅＳｉ和碳粉。ＯＳＡＢ主要生產含鉻量高的特種不銹鋼，由于鉻鐵合金的熔點高、密度大，因此會經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，并同時降低生產成本和提高產量。本文分析總結了ＯＳＡＢ電爐在安裝ＡｒｃＳａｖｅ后獲得的熱測試結果。

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維護。低頻電流通過攪拌器線圈產生穿透爐底的行波磁場，從而在鋼液中產生推動力^［１］。

由于磁場可以穿透整個熔池高度，因此整個熔池內的鋼液會朝同一個方向運動，當運動的鋼液到達爐壁的時候便產生分向爐壁兩邊的回流。當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的鋼渣界面和底部的流動模擬計算結果^［２］。從圖２可以看出ＡｒｃＳａｖｅ產生了１個在整個熔池內的全環流，因此促進了整個熔池內鋼液的有效混合。相比于通過底部透氣磚的氣體攪拌，ＡｒｃＳａｖｅ一個非常大的優勢是可以提高整個熔池的混合效果，這大大強化了鋼液溫度和成分的均勻性并促進鋼渣反應。

通過對攪拌器基本參數的設置，ＡｒｃＳａｖｅ可以實現全自動化控制。用戶也可以自定義設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、操作安全可靠等優點，有利于優化電爐的生產條件和實現物流的合理控制。

２　結果和討論

在電爐冶煉工藝中，鋼液攪拌的主要優點是加速熔化反應和熔池的均勻化。為了比較ＡｒｃＳａｖｅ對于電爐冶煉工藝的改善效果，采集了２組數據，分別為采用和不采用ＡｒｃＳａｖｅ攪拌的３個月的生產數據，通過比較這２組數據對使用ＡｒｃＳａｖｅ后的電爐工藝優點進行總結。

２．１　廢鋼的熔化和電弧的穩定性

使用和不使用ＡｒｃＳａｖｅ的主要區別是熔池內鋼液對流強度的變化。通過電磁攪拌產生的強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格。ＣＦＤ模擬結果顯示，采用ＡｒｃＳａｖｅ后熔池內鋼液的流動速率是自然對流情況下的１０倍左右^［２］。熔池內強烈的對流有助于溫度的均勻分布和加速廢鋼熔化。同時還發現通過快速熔化大塊廢鋼和減少塌陷，ＡｒｃＳａｖｅ在一定程度上有穩定電弧的作用。

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準偏差是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^［３］。

２．２　電弧加熱效率和節能

據文獻報導，在沒有攪拌的傳統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^［４］；但采用電磁攪拌后，熔池內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域傳到鋼液內^［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，大致相當于節省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，在熔池內產生紊流，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。在關閉電弧的電源后，在同一爐鋼液內２個不同的位置進行溫度測量，測溫間隔為１～２ｍｉｎ，結果如圖４所示，在２個不同位置的相應平均溫差小于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，合金加入量計算的準確性和溫度測量的準確性。使用ＡｒｃＳａｖｅ后，出鋼溫度控制的達標率近乎為１００％，這對于減輕后續的ＡＯＤ冶煉操作難度至關重要。使用ＡｒｃＳａｖｅ后，平均出鋼溫度降低了３０℃，同時到達ＡＯＤ工位的鋼水溫度并沒有顯著的變化。

２．４　鋼渣反應和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的促進作用比鋼包爐中明顯。如果不采用攪拌，那么往返于反應區域的傳質主要依靠擴散作用。采用電磁攪拌后，由于鋼渣界面摩擦力的作用，ＡｒｃＳａｖｅ產生的鋼液運動能對爐渣產生一定的攪拌效果，使鋼渣的各個部分會被攪拌到鋼渣界面的反應區域，從而縮短了反應界面區域的擴散距離，加快了鋼渣界面反應的速度，對流傳質對于脫硫和渣中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。通過優化攪拌參數，可以有效地控制渣中的Ｃｒ_２Ｏ_３含量。ＡｒｃＳａｖｅ攪拌和吹氧的優化配合，使渣中平均Ｃｒ_２Ｏ_３質量分數可減少３．１％。在采用ＡｒｃＳａｖｅ后，主要用于增強攪拌作用的氮氣耗量減少了７０％。事實上，采用ＡｒｃＳａｖｅ后就沒有必要從爐門噴吹氮氣了。

２．５　ＦｅＳｉ和造渣劑的耗量

在使用ＡｒｃＳａｖｅ前，ＯＳＡＢ電爐操作中消耗的硅鐵合金要比常規范圍高許多。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 ％。當然，硅鐵合金耗量的減少會相應的增加電耗，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）常常產生爐底結垢問題。結垢是未熔化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，由于攪拌產生的強對流加速了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對流共同促進了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垢問題，這使得出鋼量準確率提高了２４％以上：沒有采用攪拌時，出鋼量準確率為６９ ％；采用ＡｒｃＳａｖｅ后，出鋼量準確率提高到９３％。

２．７　ＡＯＤ操作的穩定性

使用ＡｒｃＳａｖｅ后電爐出鋼質量和出鋼溫度的可控性穩定了后續ＡＯＤ操作的初始條件。正確的出鋼質量能減少在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，因為需要從ＦｅＳｉ中獲得更多的化學能用于提高ＡＯＤ熔池的溫度。ＡＯＤ連續穩定的操作對于增加產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熔池溫度和成分的快速均勻，這確保了出鋼溫度和質量的準確性。對熔池的攪拌能減少廢鋼塌陷，穩定電極電弧和降低電極斷裂的風險。整個熔池內溫度的均勻性能保證順利出鋼從而減少出鋼延誤。消除熔池內的熱分層也能明顯的降低出鋼溫度達到３０℃。使用ＡｒｃＳａｖｅ后，熔池的熱點和冷點也得以消除。一年多的操作試驗證實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和渣線區域的耐材腐蝕從而降低噴補料的消耗。

２．９　實際生產數據

電磁攪拌器能改善電爐冶煉工藝中鋼液的傳熱和傳質的動力學條件，提高廢鋼和鉻鐵合金的熔化速率，獲得溫度均勻的熔池，出鋼溫度和出鋼質量控制更加準確，減少能耗和電極消耗，優化了后續ＡＯＤ 工位的操作。攪拌可以強化渣的還原，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穩定的出鋼操作也能提高電爐的產量。電磁攪拌對電爐冶煉工藝的改善作用見表１所示。

３　結　論

１）電磁攪拌能均勻熔池內溫度和成分，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，出鋼量準確率達到９３％，出鋼溫度命中率達到１００％。

５）ＡｒｃＳａｖｅ能減少用電時間４％～５％，較短的冶煉時間能提高產量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是一種維護極低但是能幫助冶煉工藝的技術，它能使冶煉工藝更安全、更快，生產成本更低。

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