一种底吹炉中的底吹供能方法及系统与流程

本发明涉及一种底吹方法及系统，具体涉及一种底吹炉中的底吹供能方法及系统，属于底吹。

背景技术：

1、电炉炼钢底吹技术早在20世纪80年代已有采用的报道，电弧炉底吹技术有利于强化熔池搅拌，促进渣-钢反应，均匀钢液成分及温度，降低炼钢过程主辅料消耗，提高合金收得率，对钢液成分及温度控制具有重要意义。

2、近年随着电弧炉对冶炼节奏及钢液质量的要求提高，强化熔池搅拌越显重要，促进了电弧炉底吹技术的研究与应用。电弧炉底吹技术如技术名称所言，是通过在电弧炉底部布置底吹砖，气体（有氮气、二氧化碳气体以及氩气，采用氩气可降低钢中氮含量）通过底吹砖以一定压力和流速从下往上吹入炉内，带动周围钢液由下往上翻滚，从而加快底部钢液和上层钢液的流动，有利于均匀熔池上下层温度、加快钢渣界面反应，同时底吹气体进入熔池后形成气泡可带走钢液中的部分氮元素，起到脱氮作用。因此电弧炉底吹技术具有以下优点：1.促进了废钢的熔化，减少了冷区的软熔现象，有助于消除电弧炉炼钢过程中存在的冷区；2.有益于提高钢渣界面的反应速度，有助于电弧炉粗炼钢中夹杂物的吸附和去除、增加了脱磷脱碳的反应速度，对于缩短冶炼周期有积极意义；3.增加了钢水在熔池内的运动速度，有助于消除熔池内的温度不均衡现象，可以降低出钢温度；4.由于底吹气的搅拌作用，钢渣界面的反应更加趋于平衡，降低了渣中氧化铁含量，有利于铁耗的降低；5.由于降低了电弧炉的出钢温度和渣中氧化铁的含量，提高了炉衬的寿命。

3、电弧炉底吹气技术在最近几年里得到了重视和发展，行业内对底吹砖材料、安装方式、底吹流速对钢液的搅拌能力开展了大量的研究。现阶段电弧炉炉底仅安装三块透气砖，成120°角分布，如图8所示，透气砖和套砖之间用炉底捣打料填充，如图9所示。一块底吹砖上布置有若干个的底吹气道，为防止钢液向下侵入底吹气道，单个气道的孔管径为0.6~1.5mm不等，如图10所示。

4、当前的底吹工艺采用的气体主要是氩气或者氮气，气体进入熔池后形成若干小气泡，在初速动量和浮力的共同作用下上浮，从而实现对钢液的扰动，同时气泡也可带走钢液中的部分夹杂物和气体杂质。由于ar和n2均为惰性气体，基本不会与钢液发生化学反应，不具有给炼钢过程补充能量的能力，反而冷气流进入炉内后被加热至高温的过程，对于熔池来说是降温作用。因此目前的采用惰性气体底吹工艺方法仅具有钢液搅拌的作用。另一方面，对于电弧炉来说，其加热点（电极尖端）位于熔池上方，熔池从上往下温度大致呈现上高下低的情况，需要长时间的侧吹、底吹扰动才可使得熔池均一，这对于电弧炉快速炼钢是不利的。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的底吹气对底吹炉内的物料仅具有搅拌作用，容易导致熔池降温的问题，同时电弧炉内也会处于从上往下温度长时间处于上高下低的状态，本发明提出一种底吹炉中的底吹供能方法和系统。从底吹系统的中心区域向底吹炉内输送可燃气体，同时从底吹系统的外层区域向底吹炉内输送保护气体，使得可燃气体向上方运动一段距离后再发生反应，为底吹炉内供热，避免可燃气体在底吹砖附近反应导致底吹砖温度过高，进而影响底吹砖的使用寿命。

2、根据本发明的第一种实施方案，提供一种底吹炉中的底吹供能方法。

3、一种底吹炉中的底吹供能方法，该方法包括：

4、1) 向底吹炉中加入物料并进行加热熔炼；

5、2) 物料开始熔化后，同时通过底吹炉底部的底吹系统向炉内通入可燃气体和保护气体，冶炼完成后，排出物料，关闭底吹系统；

6、其中，同时通过底吹系统向底吹炉内通入可燃气体和保护气体具体为：从底吹炉底部自下而上向其内部同时持续喷入可燃气体和保护气体，并且在任意的气体喷入口处，当可燃气体和保护气体处于底吹炉底部区域时，保护气体气流分布于可燃气体气流的外侧四周；优选，所述底吹炉底部区域指的是位于底吹系统上方10~100mm的熔炼区，优选是位于底吹系统上方15~40mm的熔炼区。

7、优选的是，所述保护气体气流分布于可燃气体气流的外侧四周具体为：保护气体与可燃气体从底吹系统中喷出，底吹系统由中心至边缘分为2~10个喷吹区域，每个喷吹区域喷吹保护气体或可燃气体，其中最外层的喷吹区域喷吹保护气体；优选，2~10个喷吹区域间隔喷吹保护气体和可燃气体；优选，所述2~10个喷吹区域为同心圆环。

8、优选的是，步骤2)所述的可燃气体为甲烷、氢气、天然气、丙烷中的任一种或多种。

9、优选的是，步骤2)所述的保护气体为氮气、氩气、氦气、二氧化碳中的一种或多种。

10、优选的是，该方法还包括：3)根据底吹炉中的冶炼进度，向其中通入氧气，并调节氧气的喷吹量。

11、优选的是，该方法还包括：4) 根据底吹炉中的冶炼进度，调节可燃气体与保护气体的喷吹量。

12、优选的是，步骤3)所述向底吹炉中通入氧气具体为：物料加入期t=0~t1时，控制氧气喷吹量逐渐提升至qo1；底吹炉升温期和物料加热期t=t1~t3时，以恒定喷吹量qo1向底吹炉内喷吹氧气；反应完成后的物料排出期t=t3~t4时，停止向底吹炉内喷吹氧气；其中，qo1的取值范围为1~3.5nm3/(min·t)；

13、优选，底吹炉中的氧气通入位置为底吹系统上方0.3~1.2m，优选为0.5~1m。

14、优选的是，步骤4)所述调节可燃气体的喷吹量具体为：物料加入期t=0~t1时，控制可燃气体流量为qc1；底吹炉升温期t=t1~t2时，控制可燃气体流量逐渐升至qc2；物料加热期t=t2~t3时，控制可燃气体流量稳定为qc2；反应完成后的物料排出期t=t3~t4时，控制可燃气体流量降至qc3；qc1=0.008~0.5nm3/(min·t)；qc2=0.03~0.8nm3/(min·t)；qc3=0.002~0.03nm3/(min·t)；优选，qc1=0.01~0.3nm3/(min·t)；qc2=0.05~0.5nm3/(min·t)；qc3=0.005~0.01nm3/(min·t)。

15、优选的是，步骤4)所述调节保护气体的喷吹量具体为：物料开始加入t=0时，控制保护气体流量为qa1；物料加入期t=0~t1-1时，控制保护气体流量从qa1逐渐增加至qa2；底吹炉升温期和物料加热期t=t1-1~t3时，保护气体流量稳定为qa2；物料排出期t=t3~t4时，保护气体流量从qa2降低至qa1；其中，t1-1为t1的前一秒；qa1、qa2的流量为：控制底吹砖温度t≤1500℃即可；优选，qa1=0.001~0.008 nm3/(min·t)，qa2=0.003~0.015 nm3/(min·t)；进一步优选，qa1=0.002~0.004 nm3/(min·t)，qa2=0.005~0.01 nm3/(min·t)。

16、优选的是，其中，t1为0.1~5min，t2为1~12min，t3为20~45min，t4为25~50min；优选，t1为1~3min，t2为3~8min，t3为30~40min，t4为32~42min；优选，t2-t1≥2min。

17、优选的是，所述保护气体的喷吹方向为斜向喷吹；优选，保护气体的喷吹方向与可燃气体喷吹方向的夹角α为10~30°，优选为15~18°。

18、根据本发明的第二种实施方案，提供一种底吹炉中的底吹供能系统。

19、一种底吹炉中的底吹供能系统，该系统包括透气砖本体、导流单元、可燃气体输送管道以及保护气体输送管道。所述导流单元包括内层导流气路、外层导流气路。所述透气砖本体上设有可燃气体喷出孔，可燃气体喷出孔通过内层导流气路与可燃气体输送管道相连接。所述可燃气体喷出孔外侧设置有保护气体喷出孔，保护气体喷出孔通过外层导流气路与保护气体输送管道相连通。

20、优选的是，所述透气砖本体由中心至边缘分为2~10个喷吹区域，每个喷吹区域设有可燃气体喷出孔或保护气体喷出孔，最外层的喷吹区域设有保护气体喷吹孔。优选，2~10个喷吹区域间隔设置可燃气体喷出孔和保护气体喷出孔。优选，所述2~10个喷吹区域为同心圆环。

21、优选的是，所述可燃气体喷出孔的直径d1为1~6mm，优选为2~4mm。优选，透气砖本体上设置有1~50个可燃气体喷出孔，优选为2~30个可燃气体喷出孔。作为优选，1~50个可燃气体喷出孔呈圆形阵列，分布在透气砖本体中心以d1为直径的圆形区域内，其中，d1=(0.5~0.8)d，d为透气砖本体的直径，d的取值范围为200~500mm，优选为280~360mm。优选，相临两个可燃气体喷出孔的间隔δd1=(1.2~3.0)d1，优选为δd1=(1.6~2.4)d1。

22、优选的是，所述保护气体喷出孔设置在透气砖本体中心以d1为直径的圆形区域外侧。保护气体喷出孔的直径d2为0.6~4mm，优选为1~2.5mm。优选，透气砖本体上设置有2~60个保护气体喷出孔，优选为4~50个保护气体喷出孔。作为优选，任意相临两个保护气体喷出孔之间的间隔δd2=(2.8~5.0)d2，优选为δd2=(3.2~4.2)d2。

23、优选的是，所述可燃气体喷出孔的轴线与透气砖本体的轴线平行。

24、优选的是，所述保护气体喷出孔斜向设置，其轴线方向与透气砖本体的轴线方向呈10~25°，优选为15~18°。

25、根据本发明的第三种实施方案，提供一种底吹炉。

26、一种底吹炉，该底吹炉包括炉体以及底吹供能系统，所述炉体为无盖长方体或圆柱结构，底吹供能系统设置在炉体底部。优选，所述炉体底部设有2~5个底吹供能系统。

27、优选，该底吹炉还包括氧气输入装置，所述氧气输入装置的一端与氧气源相连接，另一端伸入底吹炉内。优选，所述氧气输入装置伸入底吹炉的一端位于底吹供能系统上方0.3~1.2m，优选为0.5~1m。

28、在本发明中，在底吹炉底部设置底吹系统，通过底吹系统向底吹炉内通入可燃气体和保护气体，且在底吹炉底部区域，保护气体气流分布在可燃气体气流的外侧四周底吹系统底吹系统，可燃气体在底吹炉底部区域不会发生反应。在可燃气体和保护气体向上运动的过程中，保护气体逐渐分散，由于底吹炉内温度较高，可燃气体与底吹炉内的氧发生反应放热，为底吹炉内的物料供热，提高物料温度和加热效率，同时避免了可燃气体在底吹系统附近与氧发生反应，造成温度过高，进而影响底吹系统使用寿命的问题。

29、在本发明中，底吹系统由中心至边缘被分为2~10个喷吹区域，每个喷吹区域喷吹保护气体或可燃气体，其中最外层的喷吹区域喷吹保护气体。根据熔炼需求，除最外层喷吹区域以外的其他喷吹区域可以任意选择喷吹保护气体或可燃气体，提高炼钢效率。

30、在本发明中，根据底吹炉中的冶炼进度，调整可燃气体和保护气体的喷吹量，在物料加入期，由于炉内的氧含量较少（或氧气的通入量较少），因此在t=0~t1期间采用小流量喷吹模式qc1。进入快速熔化期和物料熔清后的升温期，氧气通入量也会增加，熔池内需要增加能量补给，加速冶炼过程，因此t1~t2阶段控制可燃气体流量逐渐增加至qc2，t2~t3阶段采用大流量喷吹模式qc2。优选地，t2-t1≥2min，防止气体喷吹量增加过快导致气路和透气砖本体的损坏。在反应完成后t3~t4期间，不需要搅动和补热，采用低流量模式，防止物料逆流进入底吹系统即可。同时，相应地控制冶炼过程中保护气体和氧气的流量，对物料进行持续供热和搅拌。

31、在本发明中，当可燃气体为ch4时，可有效利用的ch4量为：

32、vch4=  q c1×t1+ ( qc1+  q c2)×(t2-t1)/2+  q c2×(t3-t2)

33、ch4在熔池内及熔池上方附近的反应比例为η，η即为ch4利用率，一般范围为0.5~0.75，因此ch4为熔池带入的热量：

34、 qch4=η×vch4×δh÷ v m

35、其中为v m为气体摩尔常数，标准状态下v m=22.4l/mol。qch4热量全部被熔池吸收，可节约相同数量的电能消耗。

36、在本发明中，保护气体喷出后带动附近的物料在底吹砖（即透气砖）上方附近旋转运动，一方面起到底吹搅拌的作用，另一方面可起到保护底吹系统的作用，底吹系统不会出现热损坏的情况，其原理如下：1.向炉内喷入的可燃气体上升，底吹系统附近保持低氧状态，减少可燃气体的反应放热。2.保护气体进入炉内时，其温度远低于炉内温度，并在上升过程中逐渐升温，对炉内物料有轻微的冷却作用，冷却作用在贴近底吹系统附近最强，也可降低底吹系统区域的温度。3.外部氧含量较多的部分与底吹系统保持了一定距离，可燃气体的加热效果对底吹系统的影响被削弱。

37、在本发明中，要满足惰性气体旋流喷吹保护底吹砖，qa2应满足以下公式：

38、

39、在此基础上，qa2可浮动±5%，由此推算得到qa2=0.003~0.015 nm3/(min·t)，优选为0.005~0.01 nm3/(min·t)。

40、在本发明中，需要严格控制可燃气体、保护气体和氧气的喷入量。当可燃气体喷入量过多或氧气喷入量过少，会导致氧气量不足，可燃气体未完全燃烧的问题；当可燃气体和氧气的喷入量过多或保护气体喷入过少，在底吹炉的底部区域，保护气体无法完全包围住可燃气体，会导致底吹系统温度过高，使用寿命缩短的问题；当保护气体的喷入量过多或可燃气体的喷入量过少，会导致可燃气体的燃烧位置向上变化或无法燃烧，削弱对炉中物料的加热效果。

41、在本发明中，保护气体采用斜向喷吹的方式，使得炉内的物料旋转运动，加快搅拌速度，提高炉内物料的搅拌效率，同时防止保护气体中心的可燃气体在底吹系统附近向外泄露，保护底吹系统不被高温损坏，延长底吹系统使用寿命。

42、在本发明中，限定了中心喷出孔和旋流喷出孔的直径和分布的最小间隔，既满足足够多的中心喷出孔和旋流喷出孔分布在特定区域，又保证了透气砖本体整体结构的稳定性和机械强度。

43、在本发明中，qc1、qc2、qc3、qa1、qa2均可以根据实际工况中的需求做出调整，以达到最佳的供能和保护底吹系统的效果。

44、在本发明中，透气砖本体采用镁碳材料制备，具有较高的强度、比模量和热稳定性，具有较高的结构效率，在设置中心喷出孔和旋流喷出孔时，能够保证底吹系统整体结构的稳定性和机械强度。另外，透气砖本体下方的导流气路采用耐热钢制造，优选为316l耐热钢。

45、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

46、1、本发明提供的一种底吹炉中的底吹供能方法及系统，通过底吹系统的中心区域向底吹炉内通入可燃气体，同时从底吹系统的外层区域向底吹炉中通入保护气体，为底吹炉内的物料供热，提高物料温度和加热效率，同时避免了可燃气体在底吹系统附近与氧发生反应，造成温度过高，进而影响底吹系统使用寿命。

47、2、本发明提供的一种底吹炉中的底吹供能方法及系统，根据底吹炉中的冶炼进度，调整可燃气体和保护气体的喷吹量，实现可燃气体热量的充分利用，提高搅拌效率，同时保护底吹系统不被损坏。

48、3、本发明提供的一种底吹炉中的底吹供能方法及系统，限定了透气砖本体设置的中心喷出孔和旋流喷出孔的直径和分布的最小间隔，既满足足够多的中心喷出孔和旋流喷出孔分布在特定区域，又保证了透气砖本体整体结构的稳定性和机械强度。