電弧爐潔凈化冶煉技術創新

    廢鋼破碎分選技術。

    廢鋼是鋼鐵循環利用的優勢再生資源。廢鋼的資源化利用在鋼鐵工業節能減排、轉型升級方面扮演重要角色。廢鋼的高效破碎與分選是保證電弧爐煉鋼原料質量的前提與關鍵，對電弧爐煉鋼實現潔凈化冶煉至關重要。

    廢鋼破碎機主要有兩種：碎屑機和破碎機。碎屑機用于破碎鋼屑，破碎機用于破碎大型廢鋼。破碎機有錘擊式、軋輥式和刀刃式幾種。經破碎處理后的廢鋼鐵可以很容易地利用干式、濕式或半濕式分選系統將金屬、非金屬，有色金屬、黑色金屬進行分選回收處理，廢鋼表面的油漆和鍍層均可清除或部分清除。經破碎分選后的廢鋼可大大提高原料的潔凈度，為電弧爐煉鋼提供了清潔可靠的原料保障。

    電弧爐煉鋼復合吹煉技術。

    傳統電弧爐煉鋼熔池攪拌強度弱，抑制了爐內物質和能量的傳遞；通常采用超高功率供電、高強度化學能輸入等技術，但沒有從根本上解決熔池攪拌強度不足和物質能量傳遞速度慢等問題。現代電弧爐煉鋼廣泛采用吹氧工藝以加快冶煉節奏、降低生產成本，相繼開發出諸如爐壁供氧、爐門供氧、集束射流等強化供氧技術。為了解決熔池攪拌強度不足和物質能量傳遞速度慢等問題，業內開發了如底吹攪拌、電弧爐煉鋼復合吹煉等關鍵技術。

    以高效、低耗、節能、優質生產為目標，北科大研究團隊首次提出并研發的新一代電弧爐冶煉技術———電弧爐煉鋼復合吹煉技術（見附圖），以集束供氧、同步長壽底吹攪拌等新技術為核心，實現了電弧爐煉鋼供電、供氧及底吹等單元的操作集成，滿足多元爐料條件下的電弧爐煉鋼復合吹煉的技術要求。

    集束模塊化供能技術。

    電弧爐集束模塊化供能技術，包括爐壁及爐頂集束供氧方式。爐壁集束供氧方式將吹氧和噴粉單元共軸安裝在爐壁的一體化水冷模塊上，具備助熔、脫碳等模式，實現氣—固混合噴射、氣體粉劑（碳粉、脫磷劑等）噴吹的動態切換，滿足泡沫渣、脫磷及控制鋼水過氧化等要求，增強了顆粒的動能，使氧氣、粉劑高效輸送到渣—鋼反應界面，穩定泡沫渣，降低冶煉電耗，提高金屬收得率。針對高鐵水比的多元爐料結構冶煉，該團隊開發出電弧爐爐頂供氧噴吹技術，以加大爐內供氧強度，強化熔池攪拌。該技術可進行供電與供氧切換，完成脫碳和脫磷等冶煉任務，提高供氧效率，縮短冶煉時間，降低冶煉電耗。

    埋入式供氧噴吹技術。近年來，在開發多功能集束模塊化供能技術的基礎上，為進一步提高氧氣利用效率，改善電弧爐熔池冶金反應動力學條件，該團隊研發了電弧爐煉鋼埋入式供氧噴吹技術。該技術將供氧方式從熔池上方移至鋼液面以下，利用噴槍將氧氣直接輸入熔池，加快了冶金反應速度，使氧氣利用率提高到98%。針對埋入式噴槍易燒損、氧氣流股沖刷侵蝕爐壁耐材的問題，研究者采用環狀氣旋保護技術，并通過中心主射流“保護—冶煉—出鋼”控制模式，控制侵蝕速度，實現噴槍壽命與爐齡同步。該技術顯著提高了鋼液流動及化學反應速度，有效控制了鋼液過氧化，改善了熔池脫磷效率。

    電弧爐煉鋼安全長壽底吹技術。

    電弧爐煉鋼熔池冶金反應動力學條件差，熔池鋼液成分、溫度不均勻，終點氧含量和渣中氧化鐵含量偏高，最終影響冶煉指標和鋼液質量。該團隊開發的電弧爐煉鋼安全長壽底吹技術，強化了電弧爐熔池攪拌，噸鋼氧耗、鋼鐵料消耗和終渣氧化鐵含量明顯降低，脫磷效率進一步提高，冶煉終點鋼液質量明顯改善。開發的具有定向多微孔型結構的長壽命底吹元件，具備優良的透氣、耐高溫、抗熱震、抗沖擊等性能。該技術采用基于電弧爐冶煉“熔化—脫磷—脫碳—升溫—終點控制”的分段動態底吹工藝模型，既提高了氣體攪拌效率，又減少了氣液混合脈動流體對底吹元件的機械沖刷和化學侵蝕。具有冗余功能的電弧爐底吹全程安全預警技術，通過監控底吹流量、壓力及溫度，實現了多點、階梯、分段的全程報警；采用弓形防滲透結構設計，保證了電弧爐爐底結構安全。工業實踐顯示，電弧爐底吹壽命超800爐次，實現了與爐齡同步。

    電弧爐CO2-Ar動態底吹技術。

    該團隊在電弧爐安全長壽底吹技術的基礎上，基于CO2物理化學特性和高溫冶金熔池內CO2反應機理，發明了電弧爐CO2-Ar動態底吹技術及裝備系統。他們探明了金屬熔池中CO2-Ar多元介質氣泡脫氮機理，發現底吹CO2脫氮是Ar脫氮反應速率的近10倍；建立了電弧爐底吹Ar、CO2條件下鋼液攪拌能量密度數學模型，發現底吹CO2的熔池攪拌能力明顯大于底吹Ar，在扁平淺熔池的爐型結構條件下，電弧爐底吹CO2可進一步強化熔池攪拌，均勻成分、溫度。工業生產數據表明，與底吹Ar相比，采用電弧爐CO2-Ar動態底吹技術后，電弧爐冶煉終點鋼液氮含量穩定控制在45×10-6以下，鋼液潔凈度進一步提升。同時，該團隊基于CO2與鋼液元素反應吸/放熱原理，發明了CO2噴吹提高電弧爐底吹透氣磚壽命的控制方法，通過動態控制底吹Ar與CO2的比例與流量，進一步降低了底吹元件的侵蝕速度，延長了底吹壽命。

    電弧爐煉鋼氣-固噴吹新技術。

    在傳統爐壁噴粉和埋入式供氧噴吹技術基礎上，該團隊提出并開發了電弧爐熔池內氣—固噴吹冶煉新技術，包括熔池內O2-CaO噴射快速深脫磷和碳粉噴射增碳助熔技術。該技術利用噴槍（埋入鋼液面下）向電弧爐熔池內部直接噴射石灰粉或碳粉，實現電弧爐煉鋼快速潔凈化冶煉，提升鋼液品質。該技術將傳統熔池上方噴粉方式移到熔池下方，在生產效率、技術指標、鋼水質量等方面展現出明顯技術優勢。

    熔池內O2-CaO噴射快速深脫磷技術，利用O2或O2-CO2向熔池內部噴射石灰粉，依靠熔池內部“氣—固—渣—金”多相反應體系實現電弧爐煉鋼快速深脫磷。該技術改變了傳統電弧爐煉鋼脫磷方式，提供了全新的電弧爐煉鋼高效脫磷手段，利用熔態渣粒微觀體系成渣反應快速深脫磷，提高了脫磷效率，提升了鋼液品質。

電弧爐潔凈化冶煉技術創新分析

    熔池內碳粉噴射增碳助熔技術，利用空氣或CO2-O2向熔池內部噴射碳粉，加速鋼液滲碳，促進廢鋼熔化，提高熔清碳含量，改善鋼液品質。該技術將碳粉直接噴入鋼液內部，避免了碳與爐內高溫煙氣和熔渣的氧化反應，顯著提高了碳粉利用效率；良好的熔池攪拌加速了碳粉在鋼液內均勻彌散，熔池滲碳效率提高；較高的熔清碳含量和良好的泡沫渣操作，顯著降低了電能消耗和電極消耗。

    電弧爐煉鋼質量分析監控及成本控制系統。

    隨著電弧爐冶煉技術的發展，僅僅依靠操作者的經驗來控制電弧爐生產已經無法適應現代電弧爐煉鋼的生產節奏。通過數據信息的交流和過程優化控制，可以使電弧爐煉鋼過程的成本控制、合理供能等環節最優化，降低成本，提高效率。基于此開發的電弧爐煉鋼質量分析監控及成本控制系統具有以下特點：一是通過EAF-LF煉鋼工序終點成分控制模型分析EAF-LF煉鋼工序成分數據，動態調整成分控制關系式參數，對實時氧含量與合金元素收得率進行預測，指導脫氧工藝與合金加料工藝，實現EAF-LF煉鋼工序成分精確控制。二是建立電弧爐冶煉工藝歷史數據庫，根據成本、能耗最低或冶煉時間最短原則，選擇與當前冶煉爐料結構、冶煉環境等相近的最優歷史數據，然后根據最優爐次的冶煉工藝進行冶煉，以達到最優冶煉效果。三是建立了電弧爐及精煉工序的成本監控系統，對電弧爐單爐成本進行預測與實時計算，并提供不同爐料結構的供電、供氧優化指導曲線及優化；對精煉爐單爐成本進行預測與實時計算，并提供優化的合金與渣料組合。目前，該系統已在國內外多座電弧爐推廣應用。