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·