Jika anda melangkah masuk ke kedai leburan pada tahun 1960-an, oksigen bermaksud seorang lelaki berpakaian kulit tebal yang mencucuk paip keluli melalui pintu relau. Hari ini ia bermaksud lembing jet yang koheren, pembakar pasca pembakaran dan kawalan sanga busa — dan ia merupakan salah satu sebab terbesar EAF moden boleh mencapai masa ketuk-ketuk selama 40 minit. Artikel ini merangkumi apa yang sebenarnya dilakukan oleh oksigen dalam relau, bagaimana teknologi telah berkembang dan apa yang penting untuk memanfaatkannya sepenuhnya.
I. Apa yang Dilakukan oleh Oksigen dalam EAF
1.1 Lima Fungsi Oksigen
Oksigen bukan sekadar penyahkarbonan, walaupun itulah tajuk utamanya. Dalam relau moden, oksigen melakukan lima tugas berbeza:
Penyahkarbonan
Ini adalah tindak balas teras: C + O → CO. Gelembung CO menggerakkan rendaman, yang membantu menyingkirkan gas terlarut dan rangkuman bukan logam. Penyahkarbonan juga merupakan laluan utama untuk penyingkiran karbon dalam pembuatan keluli EAF — anda tidak boleh membuat keluli rendah karbon dengan cekap tanpa suntikan oksigen terkawal.
Penyahfosforan
Oksigen mengoksidakan fosforus dalam rendaman kepada P₂O₅, yang kemudiannya bergabung dengan CaO untuk membentuk kalsium fosfat yang akan terkumpul di dalam sanga. Tanpa oksigen yang mencukupi dan sanga yang dikondisikan dengan betul, fosforus anda tidak akan turun.
Pemanasan Tambahan
Meniup oksigen ke atas tab mandi bukan sekadar soal kimia — pengoksidaan eksotermik besi, karbon, silikon dan unsur lain membebaskan haba. Setiap meter padu oksigen yang digunakan untuk pengoksidaan tab mandi menjimatkan kira-kira 3–5 kWh tenaga elektrik bagi setiap tan keluli. Ia tidak percuma — anda mengoksidakan besi yang berakhir di dalam sanga — tetapi pertukaran tenaga biasanya berbaloi.
Pasca Pembakaran
CO2 yang dihasilkan oleh penyahkarbonan boleh dibakar kepada CO₂ di dalam relau: CO + ½O₂ → CO₂. Tindak balas itu membebaskan kira-kira 238 kJ setiap mol CO, atau kira-kira 10.6 MJ setiap meter padu CO yang dibakar. Menangkap tenaga kimia tersebut adalah tujuan utama pasca pembakaran — ia boleh memulihkan 30%–50% daripada tenaga kimia yang sebaliknya akan naik ke dalam timbunan.
Penjanaan Sanga Buih
Suntikan oksigen terkawal (digabungkan dengan penambahan karbon strategik) menghasilkan bekalan gelembung CO yang stabil melalui sanga. Dapatkan kimia sanga yang betul dan gelembung tersebut akan menghasilkan buih yang stabil yang menutupi arka. Dari situlah keuntungan kecekapan terma sebenar datang.
1.2 Bagaimana Teknologi Oksigen Berkembang
Era Apa Yang Berlaku Teknologi Utama
1950-an–1960-an Penunjuk pintu manual Lembing oksigen keluli, mudah alih
1970-an–1980-an Pembakar bahan api oksigen untuk pembakar gas asli O₂ bantuan leburan
1980-an–1990-an Lembing dipasang di dinding, lembing disejukkan air Lembing dinding tetap
1990-an–kini Oksigen penembusan dalam, pasca pembakaran, kawalan sanga busa Lembing jet koheren, sistem bersepadu
II. Pencucuhan Oksigen Pintu Relau
2.1 Cara Ia Berfungsi (dan Mengapa Ia Masih Ada)
Menyalakan pintu adalah seperti apa yang kedengarannya. Seorang operator memasukkan paip keluli (biasanya ½" hingga 1" OD) melalui pintu relau pada sudut 15–30°, meletakkan hujungnya 50–200 mm di atas tab mandi, dan membuka injap oksigen. Tekanan biasanya 0.3–0.8 MPa.
Ia kasar, tetapi ia berkesan. Operator boleh melihat apa yang berlaku dan menyesuaikan diri dalam masa nyata. Untuk relau kecil dan situasi khas, ia masih merupakan alat yang berguna.
2.2 Realiti: Ia Mempunyai Had
Pintu lancing mempunyai kelemahan sebenar:
- Keadaan kerja yang keras — pengendali berdiri di hadapan haba 1,600°C dengan asap dan haba sinaran
- Kecekapan oksigen yang rendah — banyak oksigen terbakar di ruang bebas di atas rendaman dan bukannya bertindak balas dalam logam
- Risiko keselamatan — kebakaran malang dan percikan logam adalah bahaya sebenar
- Tiada ketepatan — anda tidak dapat mengawal kadar aliran oksigen atau kedalaman penembusan dengan konsisten
Itulah sebabnya relau moden telah beralih kepada lance yang dipasang di dinding, disejukkan dengan air, dan diletakkan secara mekanikal. Tetapi jika anda mengendalikan sebuah kedai kecil, lance pintu masih merupakan sebahagian daripada peralatan.
2.3 Jika Anda Melakukannya, Lakukannya Dengan Betul
- Jangan pegang lembing terlalu dekat dengan tab mandi atau anda akan mendapat percikan yang kuat; terlalu jauh dan kebanyakan oksigen akan teroksida dalam ruang gas
- Pastikan lembing bergerak supaya anda tidak mencipta titik panas setempat — anda mahu seluruh bilik mandi teroksida, bukan hanya satu sudut
- Pakai PPE yang betul. Ini bukan tempat untuk mengambil jalan pintas dari segi keselamatan.
III. Bantuan Leburan Bahan Api Oksigen
3.1 Idea Asas
Pembakar bahan api oksigen yang dipasang pada dinding relau menggunakan nyalaan suhu tinggi untuk memanaskan skrap yang tidak dapat dicapai oleh arka secara langsung — terutamanya tempat sejuk berhampiran dinding relau. Bahan api (gas asli, serbuk arang batu atau minyak ringan) terbakar dalam oksigen tulen, memberikan suhu nyalaan 2,500–3,000°C.
Ini penting kerana arka elektrik merupakan sumber haba. Jika anda bergantung pada arka sahaja, pusat relau akan cair dengan cepat dan tepinya akan ketinggalan. Pembakar meratakan taburan suhu tersebut dan memendekkan masa lebur.
3.2 Pilihan Bahan Api
Oksigen-Gas Asli
Piawaian industri. Nisbah O₂:gas asli biasanya kira-kira 2:1 mengikut isipadu. Suhu nyalaan sekitar 2,800°C. Pembakaran bersih, kawalan yang baik dan bekalan gas asli boleh dipercayai di kebanyakan kawasan perindustrian.
Serbuk Arang Oksigen
Bahan api yang lebih murah jika anda mempunyai bekalan arang batu di tapak, tetapi anda memerlukan sistem penyediaan dan suntikan arang batu yang dihancurkan. Abu akan terkumpul di dalam sanga, meningkatkan isipadu sanga dan berpotensi menjejaskan kimia sanga. Lebih biasa di kawasan yang mahal atau tidak tersedia untuk gas asli.
Minyak Oksigen-Cahaya
Diesel atau minyak berat. Pencucuhan yang boleh dipercayai dan pembakaran yang stabil, tetapi kos bahan api tinggi dan peraturan alam sekitar terhadap NOx dan zarahan semakin ketat. Bukan pilihan pemasangan baharu yang biasa.
3.3 Apa yang Sebenarnya Dihasilkan oleh Pembakar
- Masa lebur: 10–20 minit lebih pendek apabila pembakar digunakan dengan berkesan
- Penggunaan kuasa: penjimatan 30–80 kWh/t setiap haba
- Jangka hayat lapisan relau: manfaat tidak langsung — pembakar memanaskan dinding secara langsung, yang mengurangkan beban sinaran arka pada refraktori dinding sisi
- Taburan suhu: lebih seragam, yang membantu pembentukan sanga dan pelarutan aloi
3.4 Membuat Mereka Berfungsi
Penempatan pembakar adalah penting. Biasanya anda akan melihat 4–8 pembakar pada relau sederhana hingga besar, yang dipasang di kawasan dinding tengah hingga atas. Pembakar perlu dijujukan dengan peraturan elektrod — anda tidak mahu sisa pemanasan pembakar yang sudah cair, dan anda tidak mahu arka terbakar kuasa penuh pada dinding sejuk.
Pastikan hujung pembakar bersih. Pengumpulan sanga pada muncung memusnahkan corak nyalaan dan membazirkan bahan api.
IV. Lans Oksigen Jet Koheren
4.1 Mengapa Jet Koheren Penting
Lembing oksigen supersonik konvensional menghasilkan jet yang tersebar dengan cepat — kedalaman penembusan berkesan hanya kira-kira 10–15× diameter muncung. Lembing jet koheren menyelesaikan masalah ini dengan membalut jet oksigen berkelajuan tinggi pusat dalam sarung anulus gas pelindung (biasanya gas asli atau udara). Sarung tersebut menyekat pemerangkapan gas di sekeliling, dan jet pusat kekal koheren untuk jarak yang lebih jauh.
Kedalaman penembusan dengan jet koheren: 30–50× diameter muncung. Ini bermakna penembusan dalam tab mandi yang lebih dalam, pengadukan yang lebih kuat dan penggunaan oksigen yang jauh lebih baik.
4.2 Apa yang Ada di Dalam Lance
Lance jet koheren ialah pemasangan komposit:
- Muncung oksigen pusat — menghasilkan jet oksigen berkelajuan tinggi
- Saluran gas anular — membekalkan aliran gas pelindung
- Jaket penyejukan air — lance beroperasi dalam persekitaran yang tidak bersahabat; penyejukan adalah wajib
- Badan lance — dipasang pada dinding relau, biasanya boleh ditarik balik untuk mengelakkannya daripada masuk ke dalam tab mandi semasa keadaan sanga berbuih
4.3 Apa yang Anda Dapatkan
Penembusan Lebih Dalam, Penyahkarbonan Lebih Baik
Jet koheren membentuk rongga penembusan yang lebih dalam di dalam rendaman. Kawasan sentuhan oksigen-logam dan masa tindak balas kedua-duanya meningkat dengan ketara. Kecekapan penyahkarbonan meningkat dan anda dapat melakukan lebih banyak perkara dengan kurang oksigen — pengurangan penggunaan oksigen sebanyak 10%–20% untuk sasaran penyahkarbonan yang sama.
Pengadukan yang Lebih Baik
Gelembung CO yang dihasilkan oleh suntikan oksigen yang dalam mempunyai laluan yang lebih panjang melalui tab mandi. Ini bermakna pencampuran yang lebih teliti, yang membantu menyeragamkan suhu dan kimia sebelum anda mengetuk.
Sanga Buih Lebih Mudah
Suntikan dalam meletakkan tindak balas karbon-oksigen di bahagian bawah tab mandi. Gelembung CO perlu naik melalui keseluruhan lapisan sanga, mengembang semasa ia bergerak — dan itulah mekanisme yang membina sanga buih yang stabil.
4.4 Pemasangan dan Pengendalian
- Kedudukan: dinding relau bawah, bersudut ke bawah 15–30° supaya jet menembusi jauh ke dalam tab mandi
- Masa: mulakan suntikan dari pertengahan hingga akhir pencairan sehingga akhir tempoh pengoksidaan
- Tekanan: biasanya 0.8–1.5 MPa pada tombak
- Kawalan kedudukan lance: lance harus ditarik balik apabila paras mandian menurun, mengekalkan kedalaman penembusan yang konsisten
V. Pasca-Pembakaran
5.1 Menangkap Tenaga CO2
Setiap meter padu CO2 yang meninggalkan relau tidak terbakar adalah tenaga kimia yang anda bayar (dalam oksigen dan kuasa elektrik) dan tidak pulih. Pasca pembakaran membakar CO2 tersebut kepada CO₂ di dalam relau, di mana haba boleh dipindahkan ke rendaman dan skrap.
Nombor pemulihan tenaga perlu difahami:
- CO → CO₂ membebaskan ~238 kJ setiap mol CO
- Itu bersamaan dengan ~10.6 MJ setiap meter padu CO2 yang dibakar
- Pada kecekapan pasca pembakaran 50%–70%, penjimatan tenaga elektrik adalah besar
5.2 Cara Melakukannya
Lance Pasca Pembakaran Khusus
Lance yang dipasang di dinding yang menyuntik oksigen ke dalam freeboard — ruang antara permukaan sanga dan bumbung. Oksigen bercampur dengan CO2 yang meningkat dan membakarnya.
Reka Bentuk Lance Bersepadu
Sesetengah lance jet koheren canggih menggabungkan port oksigen pasca pembakaran pada badan lance yang sama. Ini memudahkan susun atur dinding relau dan membolehkan anda mengawal oksigen utama dan oksigen pasca pembakaran daripada sistem kedudukan tunggal.
Suntikan Pintu atau Bumbung
Kurang biasa, tetapi mungkin. Oksigen disuntik melalui pintu atau melalui port bumbung untuk menggalakkan pembakaran CO di papan bebas.
5.3 Membuat Kerja Pasca-Pembakaran
Oksigen perlu bercampur dengan CO, yang bermaksud titik suntikan perlu berada di papan bebas di mana kepekatan CO tinggi. Anda juga perlu memadankan aliran oksigen pasca pembakaran dengan kadar suntikan oksigen utama — terlalu banyak oksigen pasca pembakaran dan anda akan mengoksidakan sanga secara berlebihan, yang meningkatkan beban penyahoksidaan anda dalam tempoh pengurangan.
Analisis gas relau masa nyata (kandungan CO dan CO₂) membolehkan anda melaraskan aliran oksigen pasca pembakaran. Jika anda tidak mengukur gas yang keluar, anda meneka.
5.4 Keputusan Yang Boleh Anda Jangkakan
- Pemulihan tenaga: 30%–50% daripada tenaga kimia CO2 yang tersedia
- Penjimatan kuasa: 15–40 kWh/t
- Masa pemanasan yang lebih singkat: 3–8 minit
- Amaran: jika keterlaluan, anda akan mengoksidakan sanga secara berlebihan, yang bermaksud lebih banyak penyahoksida dan berpotensi lebih banyak kecenderungan rangkuman dalam keluli akhir.
VI. Amalan Sanga Buih
6.1 Bagaimana Sanga Buih Terbentuk
Sanga busa merupakan ukuran kecekapan terma tunggal yang paling berkesan dalam pembuatan keluli EAF. Apabila kadar penjanaan gelembung CO2 dalam sanga melebihi kadar gas keluar, gelembung akan terkumpul, sanga mengembang dan menghasilkan buih.
Empat syarat perlu dipenuhi:
Penjanaan CO2 yang stabil — daripada penyahkaburisasi oksigen
2. Sifat sanga yang sesuai — kelikatan tidak boleh terlalu rendah (gelembung keluar sebelum terkumpul) atau terlalu tinggi (sanga tidak akan mengembang)
3. Isipadu sanga yang mencukupi — jika sanga tidak mencukupi, anda tidak boleh membina lapisan buih yang stabil
4. Gelembung yang timbul dari rendaman — tindak balas karbon-oksigen perlu berlaku dalam logam, jadi gelembung masuk dari bawah
6.2 Mengawal Buih
Kimia Sanga
Kebesan (CaO/SiO₂) dalam julat 2.5–3.5 adalah sasaran biasa. Terlalu rendah dan sanga tidak akan terbendalir dengan betul; terlalu tinggi dan ia menjadi likat. Sedikit fluorspar membantu dengan kebendalir. Kandungan FeO juga penting — terlalu banyak FeO dan sanga menjadi cair, dan buih runtuh.
Koordinasi Oksigen dan Karbon
Suntikan oksigen memacu penyahkarbonan yang menghasilkan CO2. Jika kadar penyahkarbonan semula jadi tidak mencukupi, anda boleh menambah kok atau arang batu ke dalam rendaman untuk meningkatkan kadar tindak balas karbon-oksigen. Kuncinya ialah memadankan keamatan tindak balas karbon-oksigen dengan kuasa arka — anda mahukan buih yang mencukupi untuk menimbus arka, tetapi tidak terlalu banyak sehingga sanga melimpah.
Ketinggian Buih
Lapisan sanga busa hendaklah 1.5–2× panjang arka, supaya arka tertimbus sepenuhnya. Ini biasanya bermaksud lapisan sanga setebal 300–500 mm. Anda akan tahu ia berfungsi apabila kecekapan elektrik meningkat dan suhu refraktori dinding sisi menurun.
6.3 Mengapa Anda Mahukan Sanga Buih
Perisai Sinaran Arka
Sanga buih menutup sepenuhnya arka. Sinaran arka diserap oleh sanga dan dipindahkan ke rendaman, meningkatkan kecekapan haba sebanyak 10%–15%. Pada masa yang sama, dinding dan bumbung relau dilindungi daripada sinaran arka langsung, yang memanjangkan hayat refraktori.
Pengurangan Bunyi
Sanga buih menyerap bunyi arka. Relau yang berbuih dengan baik ketara lebih senyap — 10–15 desibel kurang. Di dalam bilik kawalan, perbezaan antara menjerit dan bercakap seperti biasa adalah ketara.
Kestabilan Arka
Sifat rintangan sanga busa membantu menstabilkan arka, yang mengurangkan kerlipan dan memudahkan kerja pengatur elektrod.
Perlindungan Lapisan Relau
Sanga busa meliputi kawasan dinding atas, mengurangkan hakisan dan kejutan haba yang mungkin berlaku pada refraktori.
6.4 Amaran Operasi
- Jangan biarkan buih terlalu tinggi atau anda akan menolak logam keluar dari relau
- Jangan biarkan kebesan terlalu tinggi atau sanga menjadi terlalu likat untuk berbuih dengan betul
- Jangan biarkan FeO terlalu tinggi atau buih runtuh
- Sebelum paip, pecahkan sebahagian daripada buih supaya anda dapat melihat tab mandi dan sahkan anda sedia untuk menuang
VII. Pembangunan Lance Oksigen: Pengujian dan Simulasi
7.1 Mengapa Anda Menguji Lance
Prestasi lans oksigen menentukan sejauh mana kecekapan relau menggunakan oksigen, berapa banyak pengadukan yang dilakukan oleh rendaman dan berapa lama lans itu sendiri tahan. Ujian keadaan panas membolehkan anda:
- Ukur kedalaman penembusan jet dan kadar penyebaran
- Mengoptimumkan geometri muncung (diameter, sudut, susunan)
- Mengesahkan simulasi CFD
- Membuat keputusan berasaskan data mengenai pemilihan lans dan parameter operasi
7.2 Simulasi CFD dalam Reka Bentuk Lance
Dinamik Bendalir Pengkomputeran telah menjadi alat standard dalam pembangunan lans oksigen. Apa yang anda boleh simulasikan:
- Aliran jet oksigen dan pelemahan dalam persekitaran relau
- Kedalaman penembusan jet ke dalam rendaman lebur
- Medan aliran dan medan suhu dalam tab mandi
- Tindak balas karbon-oksigen dan kelakuan gelembung CO
- Dinamik gelembung dalam pembentukan sanga dan sanga busa
Platform perisian biasa: ANSYS Fluent, CFX, OpenFOAM dan pakej simulasi proses metalurgi khusus.
Nilai simulasi adalah nyata: lebih sedikit percubaan fizikal, reka bentuk tombak yang lebih dioptimumkan dan keupayaan untuk meramalkan prestasi merentasi pelbagai keadaan operasi sebelum anda memotong keluli untuk perkakasan tombak.
Ringkasan
Teknologi oksigen telah berubah daripada operasi manual yang tidak tepat kepada sistem yang direka bentuk tinggi yang penting untuk prestasi EAF. Lembing jet yang koheren, kawalan pasca pembakaran dan sanga busa berfungsi bersama — oksigen menghasilkan CO, lembing menghantarnya jauh ke dalam tab mandi, pasca pembakaran memulihkan tenaga daripada gas luar dan sanga busa menangkap haba arka.
Mendapatkan hasil yang terbaik daripada sistem ini memerlukan penyelarasan: aliran oksigen, penambahan karbon, kimia sanga dan input kuasa, semuanya berinteraksi. Bengkel yang memahami interaksi tersebut — dan melaraskannya dengan haba demi haba — ialah bengkel yang mencapai masa paip-ke-paip yang singkat dan bilangan tenaga yang rendah yang menjadikan pembuatan keluli EAF berdaya saing.
