在现代电弧炉炼钢工业中，通过流体流动搅拌提高熔体温度均质化是提高产品质量和冶炼效率的有效途径。加强熔池流动性技术是平板熔池电弧炉厂家的发展趋势。电弧炉在现代炼钢工业中具有许多优点，提出了改进电弧炉炼钢工艺的两个主要任务，即降低能耗和减少冶炼时间。后一项任务需要对电弧炉炼钢过程的每个阶段有基本的了解。由于电弧炉是扁平的熔池结构，熔池是平坦的，熔池中的流体流动很差，这对产品质量和冶金效率至关重要。目前主要对熔池搅拌三种方法的研究：氧气喷射、电磁搅拌和吹底，包括每种方法的详细参数及其对熔池流动性的影响。

电弧炉是利用石墨电极与熔融金属之间的电弧产生的热量，加热并熔化废钢、直接还原铁和生铁炉料的炉。电弧炉作为两大炼钢工艺之一，发明于 1900 年，但直到 20 世纪 70 年代才蓬勃发展。与传统的高炉炼铁相比，电炉冶炼具有更显著的资源和能源节约。相对于转炉性能的这些投资和可持续战略发展优势，使电炉在发达国家中更受欢迎，电炉在美国约占 69.4%，在欧盟占 40.3%，在其他欧洲国家占 67.3%，在韩国占 32.9%，占全球粗钢产量的 27.9%。中国的废钢消费量超过 1 亿吨，但由于粗钢产量巨大，以及过去几年工业废钢的增长，废钢利用率约为 53。6%。随着经济和环保政策的发展，铁矿石将逐渐被废钢所取代，我国钢铁行业应逐步进入废钢再利用阶段。

电弧炉炼钢工艺总结为进料、熔炼、共混和攻钢，研究总结了电弧炉炼钢在降低能耗和出钢时间方面的进展，分别对应于熔炼和共混两个关键工艺阶段。通过电源优化、实时监控、炼钢全局优化和动态循环计算等工艺技术分支实现低成本和高质量生产。当进一步了解和控制 EAF 操作时，需要控制用于熔炼和混合的流体流量。

这

电弧炉冶炼过程存在钢水池热量不足、流动性差的缺陷，钢水在炉内的运动主要通过钢水的自然对流和电极电流的感应驱动进行，其搅拌强度低易造成钢水温度和成分不均匀， 渣中氧化铁的增加，以及脱磷、脱碳等效率的降低。对于常规操作的普通电弧炉，由于熔池混合不良，上下液位温差可达21-50°C/m，底部吹气搅拌技术可以加强熔池的循环流动，加快传质传热的速度， 可应用于电弧炉冶炼，以弥补上述不足。电弧炉熔池的流动性比转炉差，尤其是熔池成分和温度。由于类似钢的熔融炉几何形状是为不同的装料而设计的，因此转炉中熔池直径与深度 D/h 的比值通常接近 1，而电弧炉中的 D/h 范围为 3.8-6.2，适用于炉料废料和电弧区产生的约 10,000 至 15,000 K 的极高温度。这种平坦的熔池结构限制了电弧炉熔池的质量和能量转换。

为了弥补废钢和单位装料加热的短缺，电炉厂通常采用铁水装料工艺，与工艺开始时增加液体相比，这需要更好的熔池流体流速来减少电炉冶炼时间。加强平坦浅熔池的流体流动模式有利于工艺的可控性和效率。研究氧气喷射、电磁搅拌、吹底等搅拌技术，并在工厂内应用。这些技术发展如图 1 所示，并在广泛的领域进行了研究，不同的混合方法被证明适用于熔池的某个区域。

图 1：电弧炉熔池搅拌的研究进展及三种主要熔池搅拌技术的比例

熔池中流体流动的搅拌方法

1. 氧气喷射

作为最早和最先进的搅拌技术，氧气射流在转炉和电弧炉炼钢中都占主导地位。通过从熔池顶部或侧面的喷枪注入氧气射流，氧气充当加速气体和熔融液相之间动量、热量和质量的交换载体。在该研究中，创建了一个基于流体体积算法的两相 3D 数学模型，以模拟气体射流撞击无液体表面时的现象。表 1 列出了影响流体循环和冲击效应的变量的深度和表面不稳定性，以及它们与流体流动的相关性。根据相关性，将该方法的控制参数分为氧气流量和喷枪。在电弧炉炼钢过程中，氧气流量和氧枪对熔池混合、化学反应动力学、能耗、泡沫渣、熔池回流和飞溅等氧气流动特性和熔池影响的影响主要通过改变氧枪的特性来调节。

❖ 氧气流量

氧气流量、氧气温度、分布和喷枪类型与冲击效应直接相关，而流量和温度是氧气射流成本最相关的参数。采用商用计算流体力学 （CFD） 软件研究了容量为 180 t 的竖炉中氧气流量对流体流动的影响，其中 160 t 的速度分布在不同的氧气流量下，得到了 20 t 钢水和 20 t 炉渣的实验数据。图 2 显示了钢水在距表面不同深度的速度分布。

表 1 变量及其与流体流动的相关性

图 2：不同氧气流量下钢水表面不同深度的流体流动

随着氧气流量的增加，钢水的流动性明显增加，流量过大会导致钢水飞溅和暴露，从而造成钢水过度氧化。总结了裸露钢与氧气流速之间的关系，钢水的速度分布如图 3 所示，射流穿透深度和裸露钢的面积是自变量，仿真结果列于表 2 中。同时，由于浴液流动性的改善，钢水的脱碳量增加。当氧气流速减小时，还会在熔池中心（钢水区域，其速度低于一定值，通常为 0.0008 m/s）产生一个“死区”。

进一步的研究转向定量工作，推导出数学方程 （1），并建立了氧气射流的冲击力与 150 t 电弧炉中氧气流量之间的确切关系

其中 J 是氧气射流的冲击力 N;Q 是氧气的流量，范围为 500 至 2000 m3/h;t 是氧气流速，m/s;Q 是氧气的密度，使用超声波氧枪时会发生变化，kg/m3。

一般来说，炉内的温度几乎总是超过 1773 K，应考虑环境温度和氧气射流温度对氧气射流特性的影响。

图 3：不同氧气流量下钢水的速度分布（150 吨 3D 模型）。

在三种环境温度下研究了超音速氧气射流的特性炼钢 废钢与生铁所占比例，并应用了一个称为潜在核心长度的变量来比较它们的效果。电位芯长定义为从喷嘴尖端到喷嘴尺寸点的距离，并且出口速度保持不变。在高环境温度下，潜在磁芯长度显著延长，这也可以通过数值模拟应用于转炉氧枪。

表 2 电弧炉影响参数

准序列喷流核心长度的计算和预测可以总结如下

：

其中 Lp 是相干区域的长度;Mj 是马赫数;Tj 和 Ta 分别表示射流出口处和周围环境中的气体温度;d* 是等效直径;d0 是出口喷嘴直径;Q0 是喷射流体密度;Q1 是周围密度。比较 1800 K 高温下射流和室温下射流的势核长度，前者比后者长 2.5 倍。在 75t 电弧炉模型氧气射流特性的数值模拟研究中，运行过程中氧气流量的温度升高，流量减少，有效保持射流的马赫数。

❖ 氧枪

超音速气体射流优于亚音速射流，高动态压力导致更理想的穿透和混合深度。这可能导致容器和枪口上的耐火材料磨损或结痂，以及高昂的生产成本。氧枪研究是通过形成具有固有流动特性的射流来改善射流冲击并优化气体注入。

针对氧枪的水平和垂直角度，建立了1：10比例尺的100t电炉水改造模型，仅考虑熔池的圆形部分，完成了不同氧枪参数下熔池的冷态模拟。图 4 显示了喷枪的分布和测量点位置，左侧是 P1、P2、P3 和 P4，以及喷枪的垂直角度 （a） 和水平角度 （b） 的定义。当 B 设置为 -3°、0° 和 -2° 时，

当设置为 40° 时，可找到变体熔池行的最佳混合时间。此外，喷枪分布与熔池混合有关

5° 的最佳分布是增强熔池混合的最有效方法。

图 4：枪分布和测量点位置

氧气射流的湍流小，相干长度长，这与氧枪喷嘴的几何参数以及氧枪的角度有关。具有不同出口特性和速度的氧气射流通常分为常规超音速射流和准序列射流。后者比使用 Laval 喷嘴的前者具有优势。采用数值和水模型实验比较了相干和常规超音速射流在不同火炮高度的冲击特性，与传统超音速射流相比炼钢 废钢与生铁所占比例，相干射流在任何火炮高度都具有更大的冲击区深度和体积。此外，弹着区的体积并未随枪高的增加而减小，而是在 900 ~ 1650 mm 范围内增加，这使得枪高有可能在炼钢过程中作为某些目的的操作参数。

氧枪的优化操作还可以调节熔池的流动性。与氧气射流特性相关的参数在冶炼的不同阶段设置成不同的变化，以降低成本，提高冶炼效率，并且运行计划不会直接影响熔池的流动性。在后续研究中，氧枪喷射系统和底部吹扫系统的组合显著提高了熔池的流动性。

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