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电弧炉的相关知识
电弧炉炼钢用氧模块化控制技术
伴随着电弧炉炼钢生产节奏的加快，电弧炉用氧技术不断完善。采用炉门机械吹氧、氧燃助熔、二次燃烧、EBT氧枪以及目前正在研究开发的集束射流氧枪已成为电炉炼钢提高生产效率，降低吨钢成本的关键工艺。
电弧炉采用了多种供氧方式以后，如何做到炉内均衡、优化供氧是非常重要的。向炉内吹入大量的氧气无法被熔池高效的吸收。在高温状态下，石墨电极、导电横臂很容易与氧气发生反应，使得吨钢电极消耗增加、导电横臂的寿命缩短。其次，大量氧气的吹入直接导致烟气量增加、烟气温度升高，增加排烟系统的负担，缩短烟道寿命。再者，过量氧气的吹入会使铁损增加，金属收得率降低。
在控制方面，尽管仪表组成的连续控制系统已获得了广泛应用，但随着生产的发展，对自动化的要求越来越高，这种常规连续控制系统的应用受到了极大的限制。将电弧炉用氧工艺与计算机技术结合起来可以更好的实现电弧炉均衡用氧。鉴于此，本课题组首次提出了电炉炼钢用氧模块化与分时段控制理论，并在莱钢50吨电炉实施。
2 模块化控制原理
模块化控制包括两部分，一部分是将整个炉子用氧进行模块化，另一部分是在每个模块内实行分时段控制。根据物料平衡和热平衡确定炉内合理的总用氧量，然后依据总氧量来确定个模块用氧量,再在不同的冶炼时期由控制系统分配不同的供氧量。期间，控制系统根据各种测量仪器反馈回来的数据不断修改各参数，使系统达到理想的控制状态。
2.1用氧模块化
将电弧炉用氧及碳粉工艺分成五个模块：总氧模块、炉门吹氧模块、EBT吹氧模块、氧燃助熔模块(以油氧助熔为例)、二次燃烧供氧模块。每一模块上都显示供氧流量、压力、系统报警与历史数据、实时数据报表输出等。
2.2分时段控制
分时段控制就是依据各电弧炉的冶炼特性，将电弧炉的冶炼过程分为几个时期，各个时期内每支枪因其在电弧炉内的作用不同而分别有不同的流量，依此来达到降低氧耗、优化炉内用氧的目的。
实现分时段控制，首先要确定每个供氧模块中时段点的划分以及每个时段内氧气流量（压力）和碳粉流量（压力）的定值。这些参数量要综合依据各氧枪在电炉内的作用、电炉所处冶炼时期和炉子的加料情况来确定。
3各模块分时段控制的确定
在各个供氧模块中，每个时段内的氧气流量和其它介质流量需要根据具体模块的供氧目的进行计算以及经验数据或公式确定。一般情况下，模块中设备的正常工作流量是根据理论或经验公式计算，而各种非正常工作状态下的流量需要根据以往的经验数据来确定。
3.1油氧助熔模块
油氧枪的主要作用是切割、熔化废钢，氧化期可以吹氧进行二次燃烧。第一批料加入以后，烧嘴周围堆满废钢，没有足够的燃烧空间，只能以小流量来喷吹。有了足够的燃烧空间，就可以使用大流量进行喷吹。二次料加入后，当废钢熔化完50%时，助熔的效率下降，此时减少烧嘴输入的能量。当渣线上看不到废钢时，应该停止油的供应。而在氧化期，碳氧反应加剧，炉内产生大量CO气体，在电弧炉没有二次燃烧氧枪的情况下，可以适当增加油氧枪的氧气流量进行二次燃烧。
3.1.1喷油量的确定
根据能量转换和已有吨钢喷吹油量的经验数据积累，吨钢喷油量一般为3～10L/t。选择喷油量时应综合考虑出钢量、油价和电弧炉的生产节奏问题，并在设计时留有一定余量。
油氧助熔系统中燃油的主要控制参数是供油(燃料)强度(L/t·min)。
(1)
式中： ——油氧助熔系统的供油强度，L/t·min； ——吨钢喷油量，L/t；
——每炉喷油时间，min。
在输送过程中，能够控制的参数是供油速率 (L/h)，它与供油强度的关系如下：
(2)
式中： ——油氧助熔时的供油速率，L/h；
——电弧炉的平均每炉出钢量，t。
3.1.2氧气量和压缩空气量的确定
由一些经验数据与关系式，经计算可得：
(3)
(4)
式中: ——压缩空气占总气体量的百分数，%；
k1——氧气过剩系数。
——压缩空气的过剩系数；
q——油的发热值，kJ/L。
——电弧炉的平均每炉出钢量，t；
——每炉喷油时间，min。
——油燃烧时，每产生1kJ的热量理论需氧量，m3/kJ。
——压缩空气流量，m3/h；
——油—氧助熔时的供氧速率，m3/h。
根据式(2)、(3)和(3)就能够确定油氧助熔系统中燃油、氧气和压缩空气的流量。
3.2炉门吹氧模块
炉门枪的主要作用是完成废钢的切割、熔化以及快速脱碳、造泡沫渣等功能。
炉门枪的氧气流量控制可以根据冶炼过程中取样时刻和钢样分析结果进行分段控制，首先，根据装料情况，利用物料平衡计算氧气初始喷吹流量。冶炼进行到一定时间，取样分析，根据分析结果重新计算剩余冶炼时间的氧气流量。反复进行此过程，直到满足冶炼终点要求。
3.3EBT吹氧模块
EBT氧枪主要用于出钢口区域废钢的切割、熔化，脱碳，并且均匀熔池温度、成分。在控制中，除了装料前后与油氧助熔模块相同的情况外，在氧化期脱碳时，EBT氧气应该以正常工作流量喷吹。
为了实现在线实时控制，EBT氧枪的吹氧速度也可以像炉门吹氧模块一样，利用取样分析结果不断进行修正，控制流程图可参考图2。
3.4二次燃烧模块
PC枪的主要作用是减少炉气中的CO，充分利用炉气的化学潜热。
供氧量的理论计算主要是根据熔池的脱碳量、喷碳量等决定的。根据质量平衡可知，二次燃烧氧枪的吨钢氧气消耗为：
(5)
式中： ——二次燃烧氧枪的吨钢氧耗，m3/t；
——吨钢碳的氧化量，是熔池脱碳量、喷碳粉量、燃料中的含碳量和电极消耗量之和，kg/t；
——净二次燃烧率， ，%；
——二次燃烧率的目标值，%；
——无二次燃烧操作时二次燃烧率的原始值，%。
当已知二次燃烧氧枪的吨钢氧耗后，由下式可计算出氧气流量：
(6)
式中： ——二次燃烧氧枪的氧气流量，m3/h；
——钢水量，t； ——二次燃烧氧枪的工作时间，h。
实践中应该对炉气的成分进行在线连续分析，根据分析结果控制氧气的喷吹量，这样可以提高氧气的利用率和二次燃烧率。
集束射流氧枪主要是用来替代现有的氧枪使用，因此，它的时段划分和各时段流量的确定主要根据所替代的吹氧模块确定，不再进行具体的讨论。 4 工业应用
从98年开始，北京科技大学对莱钢50吨电炉进行了一系列的用氧技术改造，主要是安装了炉门水冷式碳氧枪、油氧助熔及二次燃烧两用喷嘴系统及EBT氧枪，取得了很好的经济效益。但同时出现了炉内用氧不均衡，氧耗高并且金属收得率低的问题。
本项目从2001年10月立项，2002年1月开始在莱钢特钢50吨电炉实施，取得初步成效。控制内容包括总氧模块、炉门吹氧模块、油氧助熔模块、EBT吹氧模块，每个模块显示工艺流程图，显示供氧流量、压力，进行系统报警和输出历史数据、实时数据报表。基于设备限制，控制系统功能没有被完全发挥，有待于进一步完善。
5 结论
本研究提出将电弧炉用氧划分为总氧模块、氧燃助熔模块、炉门吹氧模块、EBT吹氧模块、集束氧枪模块和二次燃烧模块等，并在每个模块中，实行分时段控制的理论。
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