电弧炉炼钢炉渣发泡条件的优化以降低电能消耗和二氧化碳排放

20250917

科学研究和技术服务业

电弧炉（EAF）炼钢自诞生以来已经过了百余年的发展历程。钢铁冶炼技术随着冶炼设备的更新在不断进步，电弧炉炼钢技术凭借废弃钢材利用的优势逐渐获得各钢铁生产商的推崇。电弧炉短流程炼钢因其冶炼能耗低、投资效益高的特性正在稳步发展。随着中国政府对节能减排方略的高度重视以和国家领导人对“碳中和、碳达峰”目标的明确提出，各大钢铁企业积极响应国家号召，致力于建设电弧炉短流程工艺。国内的许多钢铁生产商已经在尽可能保证原有产能的前提下，对内部钢铁工艺产能进行了置换，以期推动我国钢铁工业经济实现更加健康、可持续的发展。目前我国电弧炉工艺钢产量占粗钢生产总量约为10%，这一数据相较于国际先进水平仍存在一定的差距，我国电炉钢的产业仍有广阔的发展空间。随着国内制造业对钢材品质要求的日益严格，电弧炉冶炼设备取得了迅猛的发展，特别是大型超高功率电弧炉的广泛应用，同时设备的更新也极大地促进了冶炼技术的持续革新，泡沫渣冶炼技术就是其中之一。由于电弧炉特殊的炉型结构，冶炼过程存在诸如冶炼效率低、钢液过氧化等的缺点。泡沫渣技术的应用能够促使电弧炉内产生的电弧更为稳定，从而实现埋弧加热的操作模式。这一技术的应用革新不仅能够有效降低电耗，显著提升熔池的升温效率，而且产生的泡沫渣能有效屏蔽电弧延长炉衬的使用寿命。此外，还能够增大钢液与熔渣之间的接触面积，从而促进熔池内部化学反应，达到化学放热和净化钢液的效果。因此，对电弧炉炼钢过程中泡沫渣的形成机制、特性及其控制方法的研究，已成为炼钢工艺中一个不可或缺的关键环节。近几年来开展的关于熔渣泡沫化的研究许大多集中在工业生产实践，或者从简化条件下室内试验的角度，来研究冶金过程中熔渣的发泡现象。但是目前对于较为完整的熔渣-钢液体系的研究还有待完善。本文研究了熔渣-钢液体系下的熔渣部发泡情况，采用理论计算与高温试验验证相结合的方法，探究了熔渣组成成分及组成决定的物性参数对熔渣发泡性能的影响。首先，通过总结前人对泡沫渣机理的研究，熔渣FeO还原的热力学与动力学计算，从理论角度分析了影响泡沫渣的因素。根据理论计算选取熔渣FeO含量、碱度和温度等变量，通过高温模拟实验研究了这些变量对发泡性性能的影响。最后建立了熔渣-钢液体系生成气体的发泡数学模型，并与高温实验结果对比验证。本文通过对熔渣-钢液体系下的熔渣发泡行为进行了理论和试验研究，为电弧炉泡沫渣的工业优化提供理论支撑。

通过优化炉渣泡沫条件以减少钢铁企业在电弧炉炼钢领域中的电能消耗和二氧化碳排放

可国（境）内外转让

北京市自然科学基金外籍学者“汇智”项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

炉渣泡沫化是电弧炉（EAF）炼钢中的一个关键现象，提供了显著的好处，例如降低能耗（通过屏蔽电弧的辐射）和提高生产率（通过增强有效功率和熔化速度）。尽管其要求简单，诸如气体注入/生成和特定的炉渣特性以捕获气泡，但这一现象仍未完全理解。最初是在基础氧气炉（BOF）中研究以抑制它，但现在EAF操作对其价值的认识已在全行业得到认可，尽管其应用仍然主要是经验性的。本研究的目的是调查炉渣/金属界面的主要气体来源。研究方法包括制备FeO-CaO-SiO₂-MgO饱和炉渣，并在垂直电阻炉中用碳饱和铁（2%和4%C）进行熔化。对不同FeO浓度和炉渣碱度的泡沫高度进行了测量。与大多数之前的研究报告相反，FeO连续降低泡沫的粘度，这些结果强调了最佳FeO值的存在。虽然高FeO降低了粘度，但它对生成产生泡沫的CO气泡也是必不可少的。还确定了渣的最佳碱度值。这些发现通过其对渣粘度的影响进行了说明，代表了对理解渣泡沫的重要贡献。后勤限制使得必须改变原计划使用外部设备，从而开发出一种新的成功的内部方法来测量泡沫高度。修改后的项目还包括开发一种新颖的数学模型。考虑到这一现象的极端复杂性，该模型的提出是一个重要的进展，这一现象涉及气泡的随机生成、上升、相互作用、合并和破裂，以及现有建模工作稀缺。关于该完整模型的论文已提交。该项目极具成效，导致一名硕士生毕业，发表了一篇论文（中文），提交了一篇论文，正在准备第三篇论文，并计划在印度的一次国际会议上进行主题演讲。