低纯度氧气在70tUHP电炉上应用分析

　　炼钢低纯度氧气在70tUHP电炉上应用分析韩建淮（江苏淮钢集团有限公司）表明：采用VPSA制取的低纯度氧气代替纯氧在70t超高功率电弧炉上炼钢是可行的，并能够取得明显的经济效益。

　　1前言变压吸附（VSPA）制氧技术是一项用于从空气中分离出较高纯度氧气的高新技术，它主要是利用吸附剂的选择性和吸附容量随压力变化的原理，用多床实现间隙过程连续化的技术。自从美国联碳公司（UCC）在60年代率先实现该技术工业化以来，应用己比较广泛，但对于应用在超高功率电炉炼钢工艺过程，还未见相关的报道。淮钢集团采用VSPA制取的纯度为90% ~94%的氧气用于电炉炼钢过程，通过原料成分配比、吹氧方式、精炼吹氩等方面的调整，将钢中的氮含量控制在一定的范围内，冶炼出了合格的钢水，使得含氮量高的低纯度氧应用于电弧炉炼钢取得成功。

　　真空变压吸附制取的氧气与深冷制氧的主要区别在于：前者纯度低（90% ~94%），氧气中含有4%的氮气，但制氧占地面积小，能耗低，启动时间短，可根据电炉生产需要，实现迅速开停机。而后者氧气费用高，不利降低生产成本，优点是纯度高。两者比较可看出，低纯度氧要成功用于超高功率电炉炼钢，重点在于控制钢中的氮含量，和低纯度氧气与C进行的碳氧反应对脱氮的影响。

　　2理论和现场测试结果分析2.1低纯度氧中的氮气在超高功率电弧炉中的吸附和排出过程2.1.1氮在钢中的溶解氮气在钢液中的溶解度与气相分压的关系为：考虑钢水中合金元素的影响，钢中氮的溶解度可表示为：2.1.2钢液的脱氮和吸氮过程在脱氮过程中，钢液内有大量的CO气泡放出，由于气泡中氮的分压很低，钢液中溶解的原子就能进入这些气泡中，形成吣分子并随CO气泡从钢液中排出，在假设CO气泡逸出钢液时，氮的气一液相反应能达到平衡，就能定量地分析脱碳与去氮的理论速率的关系为14（3）式从理论上建立了脱氮与脱碳的一些工艺参数的关系式：钢液的脱碳速率愈大，沸腾越强烈，则排出的氮气逾多。此外，通过降低CO分压，也可使脱气速率提高，得到含氮量低的钢。同时，上式表明随钢液温度的加，通过CO气泡排出的氮越多，低温氮的溶解度减小。

　　但是，在冶炼不同钢种时，必须注意到合金元素对氮的活度系数的影响；同时，还要考虑对电炉炼钢过程中动力学修正；在通过碳氧反应排出氮气的过程中，还必须考虑到在吹浓度为9094%含氮为4%左右的低纯氧时，钢液吸附氮气过程。作为理论上的简化，脱氮过程中吸氮速率按下式表示2―可以认为，上式包括了脱氮和脱碳的热力学和动力学参数，反应了在吹低纯氧时，钢中脱氮和脱碳以及氮的综合传质系数的关系。

　　2.2分析与讨论2.2.1铁水热装是低纯氧用于超高功率电孤炉炼钢的重要条件所发生的激烈的脱碳反应有助于提高氮的排出速率。淮钢集团在电炉生产中采用了铁水热装的技术铁水的引入使得CIO反应更加激烈，为低纯度氧气在电炉中的应用提供了可能。激烈的碳氧反应可降低氮气的分压，同时，在电炉炼钢初期兑入铁水，由于铁中碳元素对氮的相互作用系数的影响，有助于降低氮在钢中的平衡溶解度。超高功率电炉采用铁水热装后，脱碳时间相对延长，有利于钢液中氮气的排出，这些表明，铁水在电炉炼钢中的加入是低纯氧应用和控制氮含量的重要条件。

　　2.2.2吹氧脱破过程对脱氮效果的影响低温吹氧脱氮的熔化末期具有良好的脱氮效果在此阶段，钢液温度低，采用吹氧助熔，并在熔清前采用氧气深吹熔池造成了大塌料或大沸腾，现场分析熔清含量并不高。这可解释如下：对式（2）进行热力学的分析可知，低温有助于脱氮，而且动力学研究己表明：由于氮的分子键比较强，必须通过吸附减弱其键，才能溶解。所以在某些条件下，氮的吸附化学反应可能成为溶解的限制环节。铁液中溶解的氧和硫，因其为表面活性物质，在气液界面吸附量大，对氮的传质有很大的阻碍作用。它们对铁液吸氮传质系数的影响见。由图看出：在有氧、硫浓度高时，吸氮过程受界面吸附和液相传质的混合限速，在此阶段，钢液中的氧位和硫位都比较高，所以吸氮的传质系数较小<47X10*6.尽管在实际生产中，不可能达到这么低，但它表明：在*初脱碳这一段时间内（即A（C）<0.20%）的情况下，去氮幅度大。铁水热装额外带入的碳量所产生的激烈的碳氧反应，同吹纯氧相比，吹低纯氧在此阶段从理论上氮效果并不大。

　　随着脱碳过程的进行，随CO气体排出的氮气排出率减少，此时钢液的吸氮过程成了决定的主导因素，在此阶段，淮钢公司通过采取高脱碳率小脱碳量，缩短纯沸腾的氧化末等措施，减少了在脱氮末期钢中的氮含量。采取这些措施后，再用炉气分析仪分析取样后表明，通过碳氧反应，可使氮气的分压可降低至2026. 4Pa左右，根据公。

　　适应性。淮钢生产线为典型的短流程生产线，只有一台电炉，每月电炉耐火材料的中修、大修需停产3 ~5天，采用VPSA制氧，可以迅速调整氧气用量，避免了在停产时大量氧气放空而造成能源的浪费。

　　氧机组电耗成本为0.99kWh/Nm3，氧气成本为1.04元/Nm3，而VPSA氧气电耗经检测为0. 596kWh/Nm3，成本费用仅为0. 67元/Nm3，全年可节约费用860.1万元。

　　（4）在铁水热装的基础上采用VPSA低纯度氧气后，用氧流量大，脱碳效果好，目前电炉使用90%~94%低纯度氧脱C时间较使用前缩短了2~3min通过采取控制氮气的一些措施，钢水没有明显地氮现象。

　　4结论超高功率电弧炉在铁水热装的基础上，用变压吸附的低纯氧气代替纯氧炼钢是可行的。

　　使用变压吸附氧气，钢中氮含量无明显变化。

　　变压吸附制氧系统运行成本低，运转灵活可靠，经济效益明显。