D01:10.13374/i.issnl00103x.2010.09.005 第32卷第9期 北京科技大学学报 Vo132 No 9 2010年9月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing Se92010 电弧炉炼钢过程的跨尺度能量集成理论研究 郁 健12)李士琦)朱荣》 孙开明》王惠斌》 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)北京科大中治技术发展有限公司，北京100029 3)天律钢管集团股份有限公司，天津300301 摘要研究分析了电弧炉炼钢过程的治金学特征，指出供应能量对电弧炉炼钢的物质转化过程起到了决定性的作用.观 察、认识到在炼钢过程中存在着微观、介观、单元操作级和工位级等尺度级的时空多尺度结构.在工位级按能量将供氧、供电 两项功率单元进行跨尺度集成，形成了工位级跨尺度能量集成的一般方法，并用数学公式进行了描述.工业试验和工业生产 表明：跨尺度集成的理念和方法与炼钢生产相结合可取得较好的生产效果，平均治炼电耗为2711W:「，氧气消耗为 40.4m.T治炼周期为529m识 关键词电弧炉：炼钢：时空结构：多尺度：能量集成 分类号TF7415 Theoretical research on trans scale energy integration in the electric arc furnace steem ak ing process YU Jan 2)LI Shiq ZHJ Rong)SN Ka im ng).WANGHui-bi) 1)ShoolofMem llugical and Ecopgical Engineering Universit of Scence and Technopgy Beijng Beijirg 100083 Chna 2)SinMet Technologies Co Ld University of Science and Technobgy Beiing Beijing100029 Chna 3)Tinjin Pipe GoupCo L Tijn300301 China ABSTRACT Metalurgical characteristics in the electic arc fimace steemak ing process were anayzed The result showed tat ener gy suppy payed a decisive role on materal transfomation On the basis of the realigation of pace tinemu ltiscale structures wh ich contaned microscale mesoscale un it operation and working operation scale trans scale in egration on wo units of oxygen supplyng and power supplyng was realized according p energy in working operatia scale and a generalmetol of energy n tegration was pmed Itsm athematical and physical express ons could be described Industral test and ndustrial producton ndicated that great producton effciency wasm ae in comb naton with the dea and menod of trans scale integraton The smeltng electrcit consmption was271 1 kW h r he oxygen consmption 40 4m.r.and he s elting period 52 9min on averge KEY WORDS ekctric arc fimace(EAF:steemak ng space tie stucues multiscale enegy integration 钢铁生产是一类关于铁元素的流程工业，其过 时空多尺度结构的研究，目前尚未有人研究. 程是实现由钢铁原料向钢水的转化.当今钢铁生产 本文旨在研究、认识电弧炉炼钢的物质转化过 可分为“从废钢到钢材”和“从矿石到钢材”两类流 程中存在着什么样的时空多尺度结构，每个尺度级 程，其不同的炼钢方法主要有以废钢为主要原料的 的过程各自具有什么样独特的数学物理特征，并进 电弧炉炼钢和以热铁水为主要原料的氧气转炉炼钢 一步在单元操作级和工位级这两个相邻尺度之间进 两种.时空多尺度结构是众多物质转化过程的共同 行跨尺度能量集成研究.选择天津钢管公司150t 特征1.目前，转炉炼钢过程的时空多尺度结构及 电弧炉炼钢过程为对象进行工业生产试验，力争取 其效应己有文献报道，而对于电弧炉炼钢过程的 得高效、节能的效果. 收稿日期：2009-12-03 基金项目：国家科技支撑计划资助项目(N9208AF33B01) 作者简介：郁健(1979-)，男，博士研究生：李士琦(1942-），男，教授，Ema!1@me all ust edy cn
第 32卷 第 9期 2010年 9月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.9 Sep.2010 电弧炉炼钢过程的跨尺度能量集成理论研究 郁 健 1, 2) 李士琦 1 ) 朱 荣 1) 孙开明 3) 王惠斌 3 ) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083 2) 北京科大中冶技术发展有限公司, 北京 100029 3) 天津钢管集团股份有限公司, 天津 300301 摘 要 研究分析了电弧炉炼钢过程的冶金学特征, 指出供应能量对电弧炉炼钢的物质转化过程起到了决定性的作用.观 察、认识到在炼钢过程中存在着微观、介观、单元操作级和工位级等尺度级的时空多尺度结构.在工位级按能量将供氧、供电 两项功率单元进行跨尺度集成, 形成了工位级跨尺度能量集成的一般方法, 并用数学公式进行了描述.工业试验和工业生产 表明:跨尺度集成的理念和方法与炼钢生产相结合可取得较好的生产效果, 平均冶炼电耗为 271.1 kW· h·t-1 , 氧气消耗为 40.4m3·t-1 , 冶炼周期为 52.9min. 关键词 电弧炉;炼钢;时空结构;多尺度;能量集成 分类号 TF741.5 Theoreticalresearchontrans-scaleenergyintegrationintheelectricarcfurnace steelmakingprocess YUJian1 2) , LIShi-qi1) , ZHURong1) , SUNKai-ming3) , WANGHui-bin3) 1) SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China 2) SinoMetTechnologiesCo.Ltd.UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100029, China 3) TianjinPipeGroupCo.Ltd, Tianjin300301, China ABSTRACT Metallurgicalcharacteristicsintheelectricarcfurnacesteelmakingprocesswereanalyzed.Theresultshowedthatenergysupplyplayedadecisiveroleonmaterialtransformation.Onthebasisoftherealizationofspace-timemulti-scalestructureswhich containedmicroscale, mesoscale, unitoperationandworkingoperationscale, trans-scaleintegrationontwounitsofoxygensupplying andpowersupplyingwasrealizedaccordingtoenergyinworkingoperationscaleandageneralmethodofenergyintegrationwasformed. Itsmathematicalandphysicalexpressionscouldbedescribed.Industrialtestandindustrialproductionindicatedthatgreatproduction efficiencywasmadeincombinationwiththeideaandmethodoftrans-scaleintegration.Thesmeltingelectricityconsumptionwas271.1 kW·h·t-1 , theoxygenconsumption40.4m3·t-1 , andthesmeltingperiod52.9minonaverage. KEYWORDS electricarcfurnace( EAF) ;steelmaking;space-timestructures;multiscale;energyintegration 收稿日期:2009--12--03 基金项目:国家科技支撑计划资助项目 ( No.2008AF33B01 ) 作者简介:郁 健 ( 1979— ), 男, 博士研究生;李士琦 ( 1942— ), 男, 教授, E-mail:lishiqi@metall.ustb.edu.cn 钢铁生产是一类关于铁元素的流程工业, 其过 程是实现由钢铁原料向钢水的转化.当今钢铁生产 可分为 “从废钢到钢材 ”和 “从矿石到钢材 ”两类流 程, 其不同的炼钢方法主要有以废钢为主要原料的 电弧炉炼钢和以热铁水为主要原料的氧气转炉炼钢 两种.时空多尺度结构是众多物质转化过程的共同 特征 [ 1--5] .目前, 转炉炼钢过程的时空多尺度结构及 其效应已有文献报道 [ 6] , 而对于电弧炉炼钢过程的 时空多尺度结构的研究, 目前尚未有人研究 . 本文旨在研究、认识电弧炉炼钢的物质转化过 程中存在着什么样的时空多尺度结构, 每个尺度级 的过程各自具有什么样独特的数学物理特征, 并进 一步在单元操作级和工位级这两个相邻尺度之间进 行跨尺度能量集成研究 .选择天津钢管公司 150 t 电弧炉炼钢过程为对象进行工业生产试验, 力争取 得高效、节能的效果 . DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2010.09.005
第9期 郁健等：电弧炉炼钢过程的跨尺度能量集成理论研究 1125 水物理热以及辅助能源提供的化学能远远不能满足 1电弧炉炼钢过程的冶金学特征 热量的需求量，还需补充359Wh'的热量，约占 将传统电弧炉炼钢与普通氧气转炉炼钢过程的 总能量的64%.氧气转炉炼钢过程则是将1200℃ 物质转化特征对比结果列于表1.可以看出，在典型 (配加部分冷废钢，温度有所降低)的铁水，经过吹 工况下1，氧气转炉炼钢过程的物质转化速率大约 氧去除铁熔池中CS和M等元素，其中以脱碳为 是电弧炉炼钢的2.5倍，其中氧气转炉炼钢过程的 主，元素氧化放出的热量足以使钢水温度升至1640 脱碳速率等化学反应强度是电弧炉炼钢的5倍以 ℃，且还有29W。的富余热量.综上所述，可认 上.在电弧炉炼钢过程中，要将温度为25℃的冷炉 为供应能量对电弧炉炼钢的物质转化过程起决定性 料（废钢和生铁）加热至1600℃元素氧化放热、铁 的作用. 表1电弧炉炼钢与氧气转炉炼钢过程的治金学特征 Table Metallurgical chamcteristics in the elec tric arc fumace steemak ing Process and the axygen oonverer steemak ing process 物质转化 物质转速 平均脱碳速率 平均脱硅速率 能量需求/能量供应/补加热量/ 治炼过程 时间/mn率《tF)%mr1 k&miml %:mr1 kgm1 B.ri)(kW.h t)W.h r) 电炉EAF 分 180 0014 21.4 0006 101 559 200 359 转炉BOF 20 450 0185 299.0 0037 594 548 577 -29 EAF:BOF 104 125 1132 1140 161 159 11 129 2时空多尺度结构 2.2介观尺度 为了以足够的速率完成原料向合格钢水的转 电弧炉炼钢是一类关于铁元素的物质转化的过 化，必须由外部提供足够的热量.热传递遍及整个 程.通过观察、研究和分析其过程的冶金学特征，可 炉膛，包括固态炉料内传导传热、电弧和炉壁辐射给 以认识到存在着微观、介观、单元操作级和工位级等 热、炉气和火焰对流给热、相变及熔化前沿的推进、 多个时空尺度的结构，每个尺度级的过程具有各自 液体内部对流传热和化学反应热等，其数学物理描 独特的数学物理特征， 述表达式可见文献[9].在此仅以固态炉料内传导 2.1微观尺度 传热为例，其数学物理表达式可用式(2)所示： 在现代电弧炉炼钢高效化进程中，脱碳和其他 治金任务的强度都相对较弱，促使物质转化的主导 c++ 过程是热量的供应，其中核心的过程是金属炉料的 (2) 升温、熔化和过热. 式中，p为固体炉料密度，km;G为定压热容， 升温过程中不同温度下纯铁的热容及相变热焓 k(kg的；入为固体的热导率，W(m-;T 值见文献[8].纯铁从室温25℃至1640℃的升温 为温度，Kτ为时间，§x和为空间坐标，四 过程中，共经历了四次相变，即α铁→B铁→y铁→ 综上所述，介观尺度现象中热量的传递涉及的 铁→液态铁.计算可得出纯铁经过升温、熔化和 几何空间为整个电弧炉炉膛，数量级为10四 过热，其整个过程的总焓变约为4002WhT 2.3单元操作级尺度 在实际生产中，不同碳含量的铁碳合金加热至 电弧炉炼钢过程的两项主要功率单元是交流电 1640℃左右所需的热量或1640℃的铁碳合金所具 弧和集束射流供氧.在供电单元操作中，根据电路 有的热焓值可按式(1)计算： 的基本原理，研究电弧炉炼钢过程交流电弧稳定燃 EC9·(T-)+H+C,·(-T)(1) 烧的条件，基于实测大量的炼钢电气运行参数，建立 式中，H为热焓，k于kg;C,、C,分别为物体固 非线性操作电抗模型，以拟合谐波的影响.绘制出 态、液态时的定压热容，k(kK;T、需和T炼钢电气运行特性曲线进一步研制出许用电弧功 分别为铁碳合金的熔点温度、初始温度和目标温度， 率工作点总表心川.在供氧单元操作中，研究分析 KH为熔化潜热，kkg 电弧炉炼钢的供氧单元特性，进行超音速氧枪设 可以认为，平均的微观尺度效应是铁的晶格常 计，并对超音速氧气射流进行了数值模拟.根据理 数约为3A(1A=100m以.每吨1640℃的成品钢 论计算，对于普通铁水吹入1的氧气，所含元素在 液具有的热焓值为390~400W。hT. 1600℃时反应理论发热值约为4~5WH,故可
第 9期 郁 健等:电弧炉炼钢过程的跨尺度能量集成理论研究 1 电弧炉炼钢过程的冶金学特征 将传统电弧炉炼钢与普通氧气转炉炼钢过程的 物质转化特征对比结果列于表 1.可以看出, 在典型 工况下 [ 7] , 氧气转炉炼钢过程的物质转化速率大约 是电弧炉炼钢的 2.5 倍, 其中氧气转炉炼钢过程的 脱碳速率等化学反应强度是电弧炉炼钢的 5倍以 上 .在电弧炉炼钢过程中, 要将温度为 25 ℃的冷炉 料 (废钢和生铁 )加热至 1 600 ℃, 元素氧化放热 、铁 水物理热以及辅助能源提供的化学能远远不能满足 热量的需求量, 还需补充 359kW·h·t -1的热量, 约占 总能量的 64%.氧气转炉炼钢过程则是将 1 200 ℃ (配加部分冷废钢, 温度有所降低 )的铁水, 经过吹 氧去除铁熔池中 C、Si和 Mn等元素, 其中以脱碳为 主, 元素氧化放出的热量足以使钢水温度升至 1 640 ℃, 且还有 29 kW·t -1的富余热量.综上所述, 可认 为供应能量对电弧炉炼钢的物质转化过程起决定性 的作用. 表 1 电弧炉炼钢与氧气转炉炼钢过程的冶金学特征 Table1 Metallurgicalcharacteristicsintheelectricarcfurnacesteelmakingprocessandtheoxygenconvertersteelmakingprocess 冶炼过程 物质转化 时间 /min 物质转速 率 /( t·h-1 ) 平均脱碳速率 平均脱硅速率 %·min-1 kg·min-1 %·min-1 kg·min-1 能量需求 / ( kW·h·t-1 ) 能量供应 / (kW·h·t-1 ) 补加热量 / ( kW·h·t-1 ) 电炉 EAF 50 180 0.014 21.4 0.006 10.1 559 200 359 转炉 BOF 20 450 0.185 299.0 0.037 59.4 548 577 -29 EAF∶BOF 1∶0.4 1∶2.5 1∶13.2 1∶14.0 1∶6.1 1∶5.9 1∶1 1∶2.9 — 2 时空多尺度结构 电弧炉炼钢是一类关于铁元素的物质转化的过 程 .通过观察、研究和分析其过程的冶金学特征, 可 以认识到存在着微观 、介观 、单元操作级和工位级等 多个时空尺度的结构, 每个尺度级的过程具有各自 独特的数学物理特征 . 2.1 微观尺度 在现代电弧炉炼钢高效化进程中, 脱碳和其他 冶金任务的强度都相对较弱, 促使物质转化的主导 过程是热量的供应, 其中核心的过程是金属炉料的 升温、熔化和过热 . 升温过程中不同温度下纯铁的热容及相变热焓 值见文献[ 8] .纯铁从室温 25 ℃至 1 640 ℃的升温 过程中, 共经历了四次相变, 即 α铁 ※β 铁 ※γ铁※ δ铁 ※液态铁 .计算可得出纯铁经过升温、熔化和 过热, 其整个过程的总焓变约为 400.2 kW·h·t -1. 在实际生产中, 不同碳含量的铁碳合金加热至 1 640 ℃左右所需的热量或 1 640 ℃的铁碳合金所具 有的热焓值可按式 ( 1)计算 : H=Cp( s)·( T ＊ -T0 ) +Hf+Cp( l)·( T-T ＊ ) ( 1) 式中, H为热焓, kJ·kg -1 ;Cp( s) 、Cp( l) 分别为物体固 态 、液态时的定压热容, kJ· ( kg·K) -1;T ＊ 、 T0 和 T 分别为铁碳合金的熔点温度、初始温度和目标温度, K;Hf为熔化潜热, kJ·kg -1. 可以认为, 平均的微观尺度效应是铁的晶格常 数约为 3 ( 1 =10 -10 m).每吨 1 640 ℃的成品钢 液具有的热焓值为 390 ～ 400 kW·h·t -1. 2.2 介观尺度 为了以足够的速率完成原料向合格钢水的转 化, 必须由外部提供足够的热量 .热传递遍及整个 炉膛, 包括固态炉料内传导传热、电弧和炉壁辐射给 热、炉气和火焰对流给热、相变及熔化前沿的推进、 液体内部对流传热和化学反应热等, 其数学物理描 述表达式可见文献 [ 9] .在此仅以固态炉料内传导 传热为例, 其数学物理表达式可用式 ( 2)所示 : ρCp T τ = x λ T x + y λ T y + z λ T z ( 2) 式中, ρ为固体炉料密度, kg·m -3 ;Cp为定压热容, kJ·( kg·K) -1 ;λ为固体的热导率, W· ( m·K) -1;T 为温度, K;τ为时间, s;x, y和 z为空间坐标, m. 综上所述, 介观尺度现象中热量的传递涉及的 几何空间为整个电弧炉炉膛, 数量级为 10 0 m. 2.3 单元操作级尺度 电弧炉炼钢过程的两项主要功率单元是交流电 弧和集束射流供氧 .在供电单元操作中, 根据电路 的基本原理, 研究电弧炉炼钢过程交流电弧稳定燃 烧的条件, 基于实测大量的炼钢电气运行参数, 建立 非线性操作电抗模型, 以拟合谐波的影响 .绘制出 炼钢电气运行特性曲线, 进一步研制出许用电弧功 率工作点总表 [ 10--11] .在供氧单元操作中, 研究分析 电弧炉炼钢的供氧单元特性 [ 12] , 进行超音速氧枪设 计, 并对超音速氧气射流进行了数值模拟 .根据理 论计算, 对于普通铁水吹入 1 m 3的氧气, 所含元素在 1 600 ℃时反应理论发热值约为 4 ～ 5 kW·h [ 13] , 故可 · 1125·
。1126 北京科技大学学报 第32卷 估算出不同氧气流量吹入熔池后化学能的输入 级为10四与介观尺度相同. 功率. 2.5尺度之间的关系 单元操作级空间尺度的数量级为10四 电弧炉炼钢过程的时空多尺度结构见图1.从 2.4工位级尺度 上述研究可以看出，尺度的结构是通过其效应表现 上述单元操作是“功率单元”，是时间上的某个 出来的，而尺度的结构及其效应又是在物质转化过 “点”，通过对时间积分提供钢铁原料向合格钢水转 程中展现的.假如固体炉料熔化非常慢，慢到与传 化所需的能量，认识到这是比单元操作高一级尺度 热同步，即认为受热与散热等量同步进行，则单元 所讨论的范畴即工位级尺度.其物质转化过程的 操作级尺度的效应就表现不出来也就是说不能 特征是：(1)质一化学成分合格的钢水出钢温度 观测到单元操作级尺度结构的存在.在某一个特 为1640℃左右：(2)量一生产出一定量的钢水； 定尺度级别中得到的规律，放大到更大尺度级别 (3)时一特定的有效供能时间. 中去是不适用的，同样缩小到更小尺度级别中也 工位级的空间尺度可视为整个炉膛尺度，数量 是不适用的. 工位级尺度 吹氧 电极 单元操作级尺度 介观尺度 热对流引起净热量+热辐射污引起净热量+导热引起净热量-微元体内能增量 1700 1500 3946-F 100 900 微观尺度 770 700 500 300 时间 图1电弧炉炼钢过程中存在的时空多尺度结构 Fg 1 Space tme multi-sca le strucuure existng in the EAF steelmak ing poocess 对于整个电弧炉炼钢过程而言，仅仅研究一个 不讨论.本文重点研究炼钢过程中单元操作级和工 微观尺度的物料熔化是没有意义的，只有各个尺度 位级尺度之间的跨尺度能量集成. 之间相互影响、相互协调才能够达到整体的优化. 3跨尺度能量集成 本文在认识到时空多尺度结构及其效应的基础上， 观察到电弧炉炼钢过程的物质转化主要是通过热量 基于上述认识，试探性地进行相邻两个尺度之 的供应来实现对于微观尺度的物料熔化和介观尺 间的集成研究，即在工位级按能量将较低一级尺度 度的热传递效应己有著作予以阐述19州，这里暂且 的两项功率单元进行有效集成
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 估算出不同氧气流量吹入熔池后化学能的输入 功率. 单元操作级空间尺度的数量级为 10 -1 m. 2.4 工位级尺度 上述单元操作是 “功率单元 ”, 是时间上的某个 “点”, 通过对时间积分提供钢铁原料向合格钢水转 化所需的能量, 认识到这是比单元操作高一级尺度 所讨论的范畴, 即工位级尺度.其物质转化过程的 特征是 :( 1)质———化学成分合格的钢水, 出钢温度 为 1 640℃左右;( 2)量 ———生产出一定量的钢水 ; ( 3)时———特定的有效供能时间 . 工位级的空间尺度可视为整个炉膛尺度, 数量 级为 10 0 m, 与介观尺度相同 . 2.5 尺度之间的关系 电弧炉炼钢过程的时空多尺度结构见图 1.从 上述研究可以看出, 尺度的结构是通过其效应表现 出来的, 而尺度的结构及其效应又是在物质转化过 程中展现的 .假如固体炉料熔化非常慢, 慢到与传 热同步, 即认为受热与散热等量同步进行, 则单元 操作级尺度的效应就表现不出来, 也就是说不能 观测到单元操作级尺度结构的存在 .在某一个特 定尺度级别中得到的规律, 放大到更大尺度级别 中去是不适用的, 同样缩小到更小尺度级别中也 是不适用的 . 图 1 电弧炉炼钢过程中存在的时空多尺度结构 Fig.1 Space-timemulti-scalestructureexistingintheEAFsteel-makingprocess 对于整个电弧炉炼钢过程而言, 仅仅研究一个 微观尺度的物料熔化是没有意义的, 只有各个尺度 之间相互影响、相互协调才能够达到整体的优化 . 本文在认识到时空多尺度结构及其效应的基础上, 观察到电弧炉炼钢过程的物质转化主要是通过热量 的供应来实现, 对于微观尺度的物料熔化和介观尺 度的热传递效应已有著作予以阐述 [ 9, 14] , 这里暂且 不讨论.本文重点研究炼钢过程中单元操作级和工 位级尺度之间的跨尺度能量集成 . 3 跨尺度能量集成 基于上述认识, 试探性地进行相邻两个尺度之 间的集成研究, 即在工位级按能量将较低一级尺度 的两项功率单元进行有效集成. · 1126·
第9期 郁健等：电弧炉炼钢过程的跨尺度能量集成理论研究 1127 根据炉料结构确定治炼过程总的能量需求，按 为了便于理解和掌握，给出电弧炉治炼过程的 治金操作确定各个时段的能量需求.每一时段内先 跨尺度能量集成的逻辑框图绘于图2 确定物理热，然后确定氧气流量，再确定电弧功率， 42工业试验 进而使两项功率单元对时间的积分之和满足工位级 2009年3月8日，在天津钢管公司150电弧炉 该时段的能量需求，最终使各时段的能量供应之和 炼钢进行工业试验.连续炉号091472~091491共 与实现物质转化的总能量需求相匹配 20炉，均为三元炉料结构（废钢十生铁十热铁水）工 工位级跨尺度能量集成的一般步骤如下. 况，共计生产钢水2694t其平均炉料结构为：废钢 (1)分时段.按治金操作将有效供能时间分 配入量95.6，t占63.8%；生铁配入量144，t占 为个时段，开始通电时刻记为零时刻，第时段的 9.6%:铁水配入量39.8，t占26.6%：总装入量 结束时刻记为(=12；，其时间长度记为 149.8t 则有 150电弧炉炼钢使用三元炉料的工况下，采用 h= (3) 两篮装料制度，故按炼钢工艺要求和治金操作，整个 治炼过程由四个供能时段和三个非供能时段组成. (2)低一级的单元操作.第时段内共有m个 一次装料：补炉后装入第一篮料，废钢502和 功率单元先确定第时段第介功率单元可表示 生铁7.5，时间长度t=5m9 为F(≠12：m一1共m),最后确定的是电弧 供能时段I:第一篮料装炉完毕，开始通电直至 功率，记为 “穿井”结束，时间长度=8m碧 (3)第时段的能量需求.根据炉料结构及有 供能时段Ⅱ：由炉门向炉内兑入铁水39.8，t铁 效供能时间，可确定达到冶炼要求的总能量需求记 水可认为是瞬间加入的，至炉料熔化70%左右，停 为E其中第时段的能量需求E可表示为 电，时间长度=9m9 B= Pdt (4) 二次装料：装入第二篮料，废钢45.4和生铁 (4)工位级跨尺度能量集成.工位级总能量集 6.9,时间长度=3m识 供能时段Ⅲ第二篮料装料完毕通电，至熔化期 成的数学物理描述可表示成 结束，时间长度=11m? 】d 供能时段Ⅳ：氧化期开始，同时喷入碳粉造泡沫 (=12…, (5) 渣，至氧化期结束，时间长度=15m9 式中，E为累计能量供应值，WhE为能量总需 出钢：直至出钢完毕，时间长度=3m识 求值。W为时间，s 冶炼过程中各时段内选择合理的供氧和供电参 基于上述工位级跨尺度能量集成的研究，体会 数列于表2 到跨尺度集成一般的数学物理描述可能是某种物理 在以往的炼钢生产过程中，未采用能量集成的 量对时间的积分. 思想，其供电单元与供氧单元的操作参数是独立控 制的，而且采用的是固化的计算机供电曲线（图3） 4工业试验 和供氧曲线（图4）进行炼钢生产.炼钢生产过程中 4.1模型应用思路 一般优先考虑电能的强化输入，再考虑化学反应任 研究中建立了电弧炉炼钢过程能量集成模型 务，往往不易控制钢水成分和温度，最终需人工不断 (命名为EAF SPM,其中包括炼钢过程的治金模型 进行调节工艺参数方可达到出钢要求 和热模型.在此基础上采用“先氧后电”的供能决策 对比表2图3和图4可知，采用能量集成的思 顺序，即根据炉料结构确定治炼过程总的能量需求， 想指导电弧炉炼钢生产，可借助于辅助软件工具 按治金操作确定各个时段的能量需求，每一时段内 (EAF SIM)计算出治炼进程中各时段的能量需求， 先确定物理热，然后确定氧气流量（即化学能的输 从而指导供氧和供电参数的及时调整，达到按需供 入)，再确定电弧功率，进而使能量供应满足该时段 能.采用此方法比以往固化的供氧和供电曲线更具 的能量需求，最终达到各时段的能量供应之和与总 灵活操作性，易实现炼钢终点控制，满足炼钢高效、 能量需求的匹配. 节电的目的
第 9期 郁 健等:电弧炉炼钢过程的跨尺度能量集成理论研究 根据炉料结构确定冶炼过程总的能量需求, 按 冶金操作确定各个时段的能量需求.每一时段内先 确定物理热, 然后确定氧气流量, 再确定电弧功率, 进而使两项功率单元对时间的积分之和满足工位级 该时段的能量需求, 最终使各时段的能量供应之和 与实现物质转化的总能量需求相匹配 . 工位级跨尺度能量集成的一般步骤如下. ( 1) 分时段.按冶金操作将有效供能时间 ttot分 为 n个时段, 开始通电时刻记为零时刻, 第 i时段的 结束时刻记为 ti(i=1, 2, …, n), 其时间长度记为 ti′, 则有 ttot =∑ n i=1 ti′ ( 3) ( 2) 低一级的单元操作.第 i时段内共有 m个 功率单元, 先确定第 i时段第 j个功率单元, 可表示 为 P j i( j=1, 2, …, m-1, j≠m), 最后确定的是电弧 功率, 记为 P m i. ( 3) 第 i时段的能量需求 .根据炉料结构及有 效供能时间, 可确定达到冶炼要求的总能量需求, 记 为 E T q, 其中第 i时段的能量需求 Eqi可表示为 Eqi=∑ m j=1 ∫ ti ti-1 P j idt+ ∫ ti ti-1 P m idt ( 4) ( 4) 工位级跨尺度能量集成.工位级总能量集 成的数学物理描述可表示成 E T s =∑ n i=1 ∑ m j=1 ∫ ti ti-1 P j idt+ ∫ ti ti-1 P m idt≥E T q ( i=1, 2, …, n) ( 5) 式中, E T s为累计能量供应值, kW·h;E T q为能量总需 求值, kW·h;t为时间, s. 基于上述工位级跨尺度能量集成的研究, 体会 到跨尺度集成一般的数学物理描述可能是某种物理 量对时间的积分 . 4 工业试验 4.1 模型应用思路 研究中建立了电弧炉炼钢过程能量集成模型 (命名为 EAFSPM), 其中包括炼钢过程的冶金模型 和热模型.在此基础上采用“先氧后电”的供能决策 顺序, 即根据炉料结构确定冶炼过程总的能量需求, 按冶金操作确定各个时段的能量需求, 每一时段内 先确定物理热, 然后确定氧气流量 (即化学能的输 入 ), 再确定电弧功率, 进而使能量供应满足该时段 的能量需求, 最终达到各时段的能量供应之和与总 能量需求的匹配 . 为了便于理解和掌握, 给出电弧炉冶炼过程的 跨尺度能量集成的逻辑框图绘于图 2. 4.2 工业试验 2009年 3月 8日, 在天津钢管公司 150t电弧炉 炼钢进行工业试验 .连续炉号 091472 ～ 091491, 共 20炉, 均为三元炉料结构 (废钢 +生铁 +热铁水 )工 况, 共计生产钢水 2 694 t.其平均炉料结构为:废钢 配入量 95.6 t, 占 63.8%;生铁配入量 14.4 t, 占 9.6%;铁水配 入量 39.8 t, 占 26.6%;总装入量 149.8 t. 150 t电弧炉炼钢使用三元炉料的工况下, 采用 两篮装料制度, 故按炼钢工艺要求和冶金操作, 整个 冶炼过程由四个供能时段和三个非供能时段组成 . 一次装料 :补炉后装入第一篮料, 废钢 50.2 t和 生铁 7.5 t, 时间长度 t1 =5 min; 供能时段 Ⅰ :第一篮料装炉完毕, 开始通电直至 “穿井”结束, 时间长度 t2 =8min; 供能时段 Ⅱ :由炉门向炉内兑入铁水 39.8 t, 铁 水可认为是瞬间加入的, 至炉料熔化 70%左右, 停 电, 时间长度 t3 =9 min; 二次装料 :装入第二篮料, 废钢 45.4 t和生铁 6.9 t, 时间长度 t4 =3 min; 供能时段 Ⅲ:第二篮料装料完毕通电, 至熔化期 结束, 时间长度 t5 =11 min; 供能时段 Ⅳ:氧化期开始, 同时喷入碳粉造泡沫 渣, 至氧化期结束, 时间长度 t6 =15 min; 出钢 :直至出钢完毕, 时间长度 t7 =3 min. 冶炼过程中各时段内选择合理的供氧和供电参 数列于表 2. 在以往的炼钢生产过程中, 未采用能量集成的 思想, 其供电单元与供氧单元的操作参数是独立控 制的, 而且采用的是固化的计算机供电曲线 (图 3) 和供氧曲线 (图 4)进行炼钢生产.炼钢生产过程中 一般优先考虑电能的强化输入, 再考虑化学反应任 务, 往往不易控制钢水成分和温度, 最终需人工不断 进行调节工艺参数方可达到出钢要求. 对比表 2、图 3和图 4可知, 采用能量集成的思 想指导电弧炉炼钢生产, 可借助于辅助软件工具 ( EAFSPM)计算出冶炼进程中各时段的能量需求, 从而指导供氧和供电参数的及时调整, 达到按需供 能.采用此方法比以往固化的供氧和供电曲线更具 灵活操作性, 易实现炼钢终点控制, 满足炼钢高效、 节电的目的. · 1127·
·1128 北京科技大学学报 第32卷 配料一电弧炉炼钢一精炼一连铸 上一级尺度 治金 操作 EAFSPM 设定总供能时间，出钢温度T, 总能量需求E 设定时段t=12.…,n) 第：时段能量需求E 确定第j个功率单元在i时段能量需求E(=1.2.m) 设定第；个单元操作在第时段的功率P (j=12…m) 第；个功率单元在第时段的能量供应 工位级 EPd 求和 下一时段 跨尺度能量 i=i+1 对时积分 E-E<E 对时积分咸 电功率 Y 单元操作级 单元操作毁： 第时段能量供应 供能决策顺序：先氧后电 E-E<e Y 累计能量供应， ET-ET<e 测温T <IT-TKE 人工调节 冶炼 结束 图2能量集成逻辑框图 Fg2 Lxgicaldi勰m of enegy ingegn ti知 4.3生产指标对比 标以工业试验为最佳，其平均钢铁料消耗为1126.2 在三元炉料结构工况下，原工况、工业试验和现 k8T,治炼电耗为271.1W。r,氧气消耗为 工况之间的生产指标作了比较分析，结果列于表3 40.4m。,平均治炼周期为529m上述结果充 可以看出炼钢生产过程中由于炉料结构参数不同， 分说明了电弧炉炼钢过程能量集成理念与炼钢实际 无法给出统一、精确的定论.但是，综合各项生产指 相结合，可以达到高效、节电的效果
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 2 能量集成逻辑框图 Fig.2 Logicaldiagramofenergyintegration 4.3 生产指标对比 在三元炉料结构工况下, 原工况 、工业试验和现 工况之间的生产指标作了比较分析, 结果列于表 3. 可以看出炼钢生产过程中由于炉料结构参数不同, 无法给出统一、精确的定论 .但是, 综合各项生产指 标以工业试验为最佳, 其平均钢铁料消耗为 1 126.2 kg·t -1 , 冶炼电耗为 271.1 kW·h·t -1 , 氧气消耗为 40.4 m 3 ·t -1 , 平均冶炼周期为 52.9min.上述结果充 分说明了电弧炉炼钢过程能量集成理念与炼钢实际 相结合, 可以达到高效、节电的效果. · 1128·
第9期 郁健等：电弧炉炼钢过程的跨尺度能量集成理论研究 1129 表2各时段选择合理的供氧和供电参数 Table 2 Reasonable parameters of oxygen supply and power spppy in varjous tme interva 治炼过程 时间长度/总需氧量/ 设定总氧气 总能量需求/ 物理热/ 化学热/ 供电工作点 mn m 流量(m3.1) kw.h h kW.h 一次装料 弱吹 =811V1=62 时段1 8 160 1200 642 0 836 Pa =67.27 MW =865V=66N 时段Ⅱ 9 1502 10000 35894 12644 11945 Pa=75.44 MW 二次装料 弱吹 马=811Y=62kM Pa飞=67.27MW(2mn片 时段Ⅲ 1874 10400 28062 14512 U=865VJ=66k4 Pa5=75.44MW(9mn 9=811V=58k 时段W 15 1965 8000 20502 0 4358 Pa=64.66MW 出钢 3 弱吹 35 10000 34 34 8000 (U,=865V 26 (U=865V) 8000 0 26 (U,=865V) 6000 (0,=678V) 6000 4800 4000 2000 64g 5 L600 10 20 30 40 50 60 70 20 3040 50 60 70 时间min 时间min 图3供电曲线 图4供氧曲线 Fig3 Pover supppy curve F4 Oxygen supply curve 表3三元炉料结构工况下的生产指标对比结果 Table 3 Produc tion index contrast of three kinds of fumace charge 工况 治金操作区别 统计时间 钢铁料消耗八k怒r1)治炼电耗八WhF)治炼氧耗/(m.Γ1)治炼周期mn 原工况 供氧供电单独控制 2002年全年 1195.9 4990 51.6 697 工业试验 计算机离线指导 2009年3月8日 11262 2711 404 529 现工况 供氧供电综合考虑 2009年4月 1129.4 2758 41.9 540 跨尺度集成一般的数学物理描述可能是某种物理量 5结论 对时间的积分. (1)通过对电弧炉炼钢过程的治金学特征的分 (3)通过对比分析原工况、工业试验和现工况 析研究，与转炉炼钢过程相比，可认为供应能量对电 的各项生产指标，充分说明了电弧炉炼钢过程跨尺 弧炉炼钢的物质转化过程起到了决定性的作用.电 度能量集成理念与炼钢实际相结合，可以达到高效、 弧炉炼钢过程中存在着微观、介观、单元操作级和工 节电的效果，为今后电弧炉炼钢高效、节能发展提供 位级等尺度级的时空多尺度结构.在同一尺度内现 了研究思路. 象的定量规律，具有相同的数学物理描述：对于不同 参考文献 尺度，数学物理描述有所差别， 【刂GuoM Hu Y W ang et a]Mult:scale Effects in Matera] (2)指出了工位级跨尺度能量集成的一般方 Transomatin Proces Harbn Heibngjang Education Press 法：在工位级按能量将较低一级尺度的各项功率单 2000 元进行跨尺度集成，供能决策顺序为“先氧后电”. (郭蔡孙，胡英，王夔，等.物质转化过程中的多尺度效应.哈
第 9期 郁 健等:电弧炉炼钢过程的跨尺度能量集成理论研究 表 2 各时段选择合理的供氧和供电参数 Table2 Reasonableparametersofoxygensupplyandpowersupplyinvarioustimeintervals 冶炼过程 时间长度 / min 总需氧量 / m3 设定总氧气 流量 /(m3·h-1 ) 总能量需求 / ( kW·h) 物理热 / ( kW·h) 化学热 / ( kW·h) 供电工作点 一次装料 4 — 弱吹 — — — — 时段Ⅰ 8 160 1 200 6 442 0 836 U2 =811V, I2 =62kA, Parc1 =67.27MW 时段Ⅱ 9 1 502 10 000 35 894 12 644 11 945 U2 =865V, I2 =66kA, Parc2 =75.44MW 二次装料 3 — 弱吹 — — — — 时段Ⅲ 11 1 874 10 400 28 062 0 14 512 U2 =811V, I2 =62kA, Parc3 =67.27MW( 2min); U2 =865V, I2 =66kA, Parc2 =75.44MW( 9min) 时段Ⅳ 15 1 965 8 000 20 502 0 4 358 U2 =811V, I2 =58kA, Parc4 =64.66MW 出钢 3 — 弱吹 — — — — 图 3 供电曲线 Fig.3 Powersupplycurve 图 4 供氧曲线 Fig.4 Oxygensupplycurve 表 3 三元炉料结构工况下的生产指标对比结果 Table3 Productionindexcontrastofthreekindsoffurnacecharge 工况 冶金操作区别 统计时间 钢铁料消耗 /( kg·t-1 ) 冶炼电耗 /( kW·h·t-1 ) 冶炼氧耗 /( m3·t-1 ) 冶炼周期 /min 原工况 供氧供电单独控制 2002年全年 1 195.9 499.0 51.6 69.7 工业试验 计算机离线指导 2009年 3月 8日 1 126.2 271.1 40.4 52.9 现工况 供氧供电综合考虑 2009年 4月 1 129.4 275.8 41.9 54.0 5 结论 ( 1) 通过对电弧炉炼钢过程的冶金学特征的分 析研究, 与转炉炼钢过程相比, 可认为供应能量对电 弧炉炼钢的物质转化过程起到了决定性的作用.电 弧炉炼钢过程中存在着微观、介观、单元操作级和工 位级等尺度级的时空多尺度结构.在同一尺度内现 象的定量规律, 具有相同的数学物理描述 ;对于不同 尺度, 数学物理描述有所差别. ( 2) 指出了工位级跨尺度能量集成的一般方 法 :在工位级按能量将较低一级尺度的各项功率单 元进行跨尺度集成, 供能决策顺序为 “先氧后电” . 跨尺度集成一般的数学物理描述可能是某种物理量 对时间的积分 . ( 3) 通过对比分析原工况、工业试验和现工况 的各项生产指标, 充分说明了电弧炉炼钢过程跨尺 度能量集成理念与炼钢实际相结合, 可以达到高效、 节电的效果, 为今后电弧炉炼钢高效、节能发展提供 了研究思路. 参 考 文 献 [ 1] GuoMS, HuY, WangX, etal.Multi-scaleEffectsinMaterial TransformationProcess.Harbin:HeilongjiangEducationPress, 2000 (郭慕孙, 胡英, 王夔, 等.物质转化过程中的多尺度效应.哈 · 1129·
。1130 北京科技大学学报 第32卷 尔滨：黑龙江教有出版社，2000) (李夫希茨B工.金属与合金的物理性能.北京：中国工业出版 Li JH GuoM Process ergneerng quantificaton s scientific 社，1958) way metod ofmulti scale PogNat Sci 1999 9(12):19 【身Shen Y$Li BW,WuML,Mealugy Tranm issn Principle 李静海，郭慕孙.过程工程量化的科学途径：多尺度法.自然 Foundation Beijing Metallgical ndusty Press 2000 科学进展19999(12：19) (沈颐身，李保卫，吴懋林.治金传输原理基础.北京：治金工 [3 LiJ Conprmise and resoutpnexppring the multiscale naure 业出版社，2000) of gas olid fuid ization Powde Technol 2000 111(1):50 [10 Sun Y H Sudy an Ekaric Opera ting ofHigh mpedance EAF [4 Sin H W.Focus of chemn ical engneering Undersunding space See中4 ing Proces Disserati码.Beijing University of Sci tme multi-scale strucure Chem hd Erg Pog 2003.22(3): ence and Technobgy 2002 100 224 (孙彦辉。高阻抗电弧炉炼钢过程电气运行研究[学位论 孙宏伟.化学工程的发展趋势：认识时空多尺度结构及其效 文].北京：北京科技大学，2002100) 应.化工进展，200322(3)：224) [1l]LiSQ LiW I,Liu R G Modem Electric Arc Fumace Sted 【习Mmi知BKarsch E SatzH Multiscale Phenomena ad their making Beijng Armic Enegy Press 1995 siulato知/∥P roceed ings of htema tional Conference Singapo限 (李士琦，李伟立，刘仁刚.现代电弧炉炼钢.北京：原子能出 WorH Scientific 1996 版社，1995) [6 Liu MZ WangX F LiSQ Space tmemulti sca le strucure and [12 Yuam ZE PanYE SteemakingOxygen Lance Technokgy Bei its effect n me llugical process J ron Steel Res 2005 7(1): jing Metllurgical Industry Press 2007 10 (袁章福，潘贻芳.炼钢氧枪技术.北京：治金工业出版社， 刘明忠，王训富，李士琦.治金过程中的时空多尺度结构及 2007) 其效应.钢铁研究学报，20057(1)：10) 13 Zhao P Jiang HH Imn and Steel Enegy Sivng Technical [7 LicX Iron and Steel Plant PrncpeofDesgn(Final Volum. Ana psis Beijing Metallrgical Industry Press 1999 Beijng Metalurgial Industry Press 1997 (赵沛，蒋汉华.钢铁节能技术分析.北京：治金工业出版 李传薪。钢铁厂设计原理（下册）.北京治金工业出版社， 社，1999) 1997) [14]Oeers E Steel Mem lurgy Beijing Met lurgial Industry 【习JIMB Uu B I.Metal and Alky PhysicalPoperty Beijing Chi Pe51997 nese hdustry Press 1958 (奥特斯.钢治金学.北京：治金工业出版社，1997
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