熱態鑄余渣返生產可行性分析

李永謙,劉　茵,張友平

(寶山鋼鐵股份有限公司研究院,上?！?01900)

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熱態鑄余渣返生產可行性分析

李永謙,劉茵,張友平

(寶山鋼鐵股份有限公司研究院,上海201900)

鑄余渣綜合利用是鋼鐵企業節能減排的重要方法。在分析鑄余渣資源屬性的基礎上,結合煉鋼工藝流程,研究了鑄余渣返生產的工藝路徑和關鍵技術,重點討論了返生產過程中由于溫降而產生的粘罐和鑄余渣與鐵水混兌時的噴爆問題,提出了通過調整鋼水碳含量解決鋼水粘罐問題的技術措施和通過實驗室研究解決噴爆的思路。同時結合現場生產管理調度,分析了鑄余渣返生產后的煉鋼工藝優化方向,為鑄余渣的資源化利用提供了依據。

熱態鑄余渣; 鋼包渣; 鐵水包

鑄余渣是鋼包內的鋼水經連鑄或模鑄后剩余的鋼水和渣的混合物,又稱鋼包渣。在鋼水澆鑄過程中,為防止鑄余渣混入中間包和結晶器內影響鑄坯的質量,在澆鑄后期必須控制鋼包留鋼量。鋼包留鋼量的多少隨澆鋼鋼包大小和控制技術(如下渣檢測控制技術)以及對鋼材質量的要求而變化,大約占鑄余渣總量的40%～60%[1]。統計結果表明,鋼鐵企業鑄余渣總量約占鋼產量的3%。如何合理利用鑄余渣,有效回收其中金屬,降低生產成本,已受到普遍關注。

1　鑄余渣處理工藝現狀

鋼包澆鋼完畢包內鑄余渣的溫度仍高達1 400～1 600 ℃,渣與鋼水尚處于相對分層狀態,殘鋼沉于包底。目前,絕大多數的鋼鐵企業都用渣包來收集鑄余渣,然后外運到渣處理車間進行后續的固廢處理。當鑄余渣從鋼包倒出時鋼水和渣很容易攪混,在冷態渣包內快速冷卻形成渣包形狀的大渣砣,渣與鋼互相包裹,后期處理時需要進行人工氧割和落錘破碎,不僅占地面積大、污染嚴重、處理效率低,而且金屬損耗大、回收品位低。

為避免大渣砣的產生和減輕后續處理過程中的勞動強度及污染,一些鋼廠開發并實施了格柵工藝[2]:利用格柵的隔斷作用將渣鋼分隔成網格尺寸的小塊。該工藝避免了大塊渣鋼砣的產生,提高了鑄余渣的處理效率,同時提高了金屬回收率,減少氧割、落錘造成的環境污染,受到一些鋼廠的青睞。

鑄余渣在從鋼包內倒出時溫度都在1 500 ℃左右,每噸熔渣含有的顯熱相當于50多公斤標準煤(1 kg標準煤=29.3 MJ)的熱量。為了充分利用熱態鑄余渣的余熱和有效化學成分,青鋼、攀鋼和安鋼等都進行過直接將碳鋼鑄余渣返精煉工序的工業試驗[3 - 5],將連鑄后的鑄余渣連同鋼包直接轉運到轉爐下接鋼,然后進入LF爐進行精煉。試驗顯示:循環4次(1～2次效果較好)以內的精煉渣仍然具有脫硫能力,每包鋼在多回收1.1 t鋼水的基礎上還可以降低石灰、螢石、鋁礬土等熔劑的消耗,縮短精煉處理周期。存在的問題是,現代企業冶煉鋼種的轉換節奏較快,不同鋼種及相應鑄余渣的成分差別較大,不能混用,給熱態鑄余渣在精煉工序內的循環利用帶來很大限制。同時,該方法只能減少鑄余渣的排放量,并不能從根本上解決鑄余渣的處理和出路問題。

因此,熱態鑄余渣返生產,必須在充分解析煉鋼各工序冶金功能的基礎上,根據現場鑄余渣的數量和成分以及溫度條件,確定鑄余渣熱態返生產的工藝流程(返鐵水包、轉爐或精煉爐)和實施方式,并適當調整后續冶煉工藝制度,實現生產流程的穩定和物流的暢通,在保證鋼水質量的前提下,回收熱態鋼水,進一步發揮鑄余渣的冶金功能,利用鑄余渣的物理熱。

2　鑄余渣的資源化屬性

鑄余渣的資源屬性包括液態鋼水和爐渣的冶金潛力以及鑄余渣的物理熱,三者的利用程度可作為鑄余渣利用效果的重要指標。鑄余渣傳統處理工藝中,只回收利用了其中的冷鋼,尾渣有時代替部分煉鋼熔劑,但用量不大,物理熱不但沒有有效利用,在噴水冷卻時還產生大量蒸汽污染環境。

鑄余渣中的鋼水成分隨冶煉鋼種不同而不同,即使是同一煉鋼廠,有時鋼種轉換也較頻繁,因此冶煉過程中產生的爐渣成分也變化較大,表1為典型的鑄余渣成分[5 - 7]。

表1　典型鑄余渣成分

在鑄余渣的化學成分中,CaO、SiO2、MgO、Al2O3含量在90%左右,根據四元渣系CaO-SiO2-MgO-Al2O3相圖可大致判斷爐渣的熔點。但由于冶煉鋼種和精煉工藝的不同,各種鑄余渣的成分差別較大,尤其是FeO和MnO含量對鑄余渣的熔點和黏度影響較大;同時,有的鋼廠在精煉中使用螢石作助熔劑,對鑄余渣熔點和黏度影響也很大。

鑄余渣來源于鋼水精煉終渣和少量的覆蓋劑,由表1可以看出,鑄余渣的成分具有如下特點:①鑄余渣大都屬于堿性還原渣,普遍堿度較高而氧化性較低,滿足鋼水深脫硫的要求;②鑄余渣的磷含量很低,適合返生產利用;③在鋼水精煉過程中,加入的Al還原劑使鑄余渣中Al2O3含量較高,對返生產利用具有負面影響;④雖然鑄余渣中CaO含量高,但由于渣中含有大量SiO2,使其有效CaO含量并不高,若不能使渣金充分反應,其返生產利用效果有限。

因此,鑄余渣的資源屬性,是確定鑄余渣返生產利用的基礎,其物理熱的資源屬性只有在熱態返生產時才能得以利用。

3　鑄余渣返生產路徑分析

鑄余渣返回利用方式直接影響鑄余渣返回利用效果。在返回利用過程中,安全、穩定的生產節奏和通暢的物流是前提,同時要考慮鑄余渣返回作業的靈活性、可操作性,避免長時間占用天車或增加備用鋼包。由于鋼包澆鑄結束與轉爐出鋼時間節點有時會存在偏差,很難將鑄余渣的返回利用作業固定在某一特定工序點。從煉鋼流程來看,熱態鑄余渣返生產,既可返回鐵水包,也可返回轉爐,還可返回精煉爐,必須結合具體情況綜合考慮(圖1)。

3.1返回鐵水包

從對鋼水質量的影響看,鑄余渣返回鐵水包對冶煉工藝和鋼水質量的影響最小。從生產調度看,在鐵水包轉接工位,物流比較單一,只負責將魚雷罐車的鐵水轉運到轉爐,即使是冶煉不同的鋼種,也可在后續冶煉過程中進行成分調整。鑄余渣返鐵水包還必須考慮如下因素:

(1) 鑄余渣返回鐵水包只能回收鋼水,爐渣的冶金功能難以發揮。因為鑄余渣的熔點普遍較高,一般大于1 400 ℃,而混兌時鐵水溫度一般不超過1 400 ℃,此溫度條件不利于其冶金功能的發揮。

(2) 由于鑄余渣中鋼水僅占約50%,而熔渣體積約為鋼水體積的3倍,若全量返回,勢必影響鐵水包的鐵水周轉量。

(3) 鑄余渣中大都含有部分FeO和MnO,在與鐵水混兌時,可能會與鐵水中的碳發生劇烈反應而引發噴爆,需要采取相應的措施。

因此,鑄余渣返鐵水包時,建議先將鑄余渣中的熔渣倒掉,只回收鋼水。

3.2返回轉爐

與返回鐵水包相比,鑄余渣熱態返回轉爐還可發揮爐渣的冶金功能。由于爐渣有效CaO含量低、Al2O3含量高,使得爐渣的脫磷能力受到影響,因此鑄余渣的脫磷潛力有待進一步驗證。鑒于此,鑄余渣返轉爐建議應用于雙渣法煉鋼工藝中,在裝入鐵水和廢鋼后,將鑄余渣全量倒入轉爐,促進前期化渣和脫磷,對脫碳也沒有影響。鑄余渣返回轉爐的優勢在于,除回收鋼水外,可將鑄余渣全部轉化為轉爐渣,降低處理難度。因此從鑄余渣的綜合利用來看,鑄余渣返回轉爐最有利。

3.3返回精煉爐

對于冶煉相同鋼種,鑄余渣返回精煉爐是較為理想的選擇,因為鑄余渣中鋼水相對比較純凈,只是在精煉過程中實現渣金分離。因此,從節能效果看,對于冶煉相同鋼種,鑄余渣返精煉爐更合適。目前,國內一些企業已開展了生產試驗,除回收鋼水外,可節約部分精煉熔劑。但由于精煉造渣的需要,鑄余渣中爐渣不能全部返回,需要倒渣。

從上述分析可以看出,根據鑄余渣的特性和煉鋼工藝的需求,鑄余渣返生產有三種方案,各有利弊。針對每一種方案,在滿足物流暢通的前提下,必須綜合考慮返生產對鑄余渣利用、鋼水質量和生產成本的影響。

4　熱態鑄余渣返生產的問題及相關技術

在煉鋼生產中,鑄余渣的返生產還涉及鋼包溫降、物流暢通和后續工藝調整等問題,必須結合現場情況綜合考慮相關技術措施。

4.1鋼包溫降

鋼水澆注對鋼水溫度要求特別嚴格,一般鋼種的過熱度控制在25～30 K,因此澆注結束時,鋼水過熱度不高。如果通過倒包操作,鋼水溫度會降低到液相線以下,發生粘包現象,影響正常操作。一般鋼水出鋼后鋼包的溫降曲線如圖2所示[8]。

由圖2可知,在一定時間內,鋼水澆注結束后溫度變化并不明顯。如果現場條件許可,可將鋼包在較短時間內運送到返回部位,直接倒入鐵水包(或轉爐和精煉爐),避免鋼水轉接。

對于現有鋼鐵企業,由于生產節奏快,物流復雜,設計時沒有考慮到鑄余渣的返生產,因此必須考慮如何解決粘包問題。

鋼水加熱是首先想到的技術措施,包括電弧加熱、感應加熱、等離子加熱、電渣加熱和化學加熱等技術,上述技術均已被正式應用于工業生產。但對鑄余渣少量熔體進行補熱,需配置相應的設施,除非在鋼鐵廠設計時考慮預留場地,一般難以配置鋼水加熱系統,需要從工藝配置和經濟性等方面綜合考慮。

鋼水粘包問題建議采用兌鐵水方式加以解決。研究表明,鐵水碳含量對鋼水黏度和流動性有重要影響,其影響關系見圖3[9]。

從圖3中Fe-C合金的流動性與含碳量之間的關系可以看出,亞共晶鑄鐵隨含碳量增加,結晶溫度區間減小,流動性逐漸提高,愈接近共晶成分,合金的流動性愈好。對于普通高爐鐵水,由于其碳含量在4.5%左右,所以在正常冶煉條件下,鐵水流動性是最好的。

鋼水流動性與其黏度密切相關,除與微觀結構相關外,最主要的影響因素是溫度。由Fe-C相圖可知,在共晶點左側,隨碳含量的增加,鋼水熔點明顯降低,即在相同鋼水溫度條件下,隨碳含量的增加,鋼水過熱度增加,粘包的風險降低。

因此,將盛有少量鐵水的鐵水包承接鑄余鋼水,即使鐵水與鋼水按2∶1計算,兩者混合后碳含量在3%左右,其液相線溫度低于1 300 ℃,只要鋼水和鐵水攪拌均勻,對解決粘包問題的效果遠優于鋼水加熱方式。

4.2渣鐵混合時的噴爆

高爐鐵水碳含量一般在4.5%左右,接近飽和,而鑄余渣中FeO含量變化較大,有時大于10%,當兩者混兌時可能發生激烈的碳氧反應。在鑄余渣熱態返生產條件下,反應的劇烈程度與爐渣FeO含量、混兌方式、流量控制、溫度等因素有關,可通過實驗室研究來評估噴爆程度和應采取的控制措施。

4.3生產調度

煉鋼生產調度與規劃設計密切相關,煉鋼廠的結構布置大都采用為連續貫通型,其特點是利用了場內物流料的流動最小功原理。在轉爐車間,鐵水包和廢鋼從轉爐兩側向其加料,而轉爐出鋼后通過鋼包臺車將鋼水運到精煉工位,精煉鋼水吊運到鋼包回轉臺。鑄余渣如何返回到煉鋼主流程,必須結合鋼廠物流現狀和設備配置綜合考慮。

5　傳統煉鋼廠鑄余渣返生產建議

鑒于鑄余渣中爐渣的利用價值有限,對于傳統煉鋼廠,鑄余渣返生產建議返回到鐵水包,主要回收鋼水,最大限度減少對現有流程的影響。具體做法如下:將裝有部分鐵水(約為鑄余渣中鋼水量的2～3倍)的鐵水包運送到鋼包回轉臺外側,通過滑動水口將鋼包剩余鋼水注入鐵水包,并攪拌混勻,然后運送到受鐵工位承接鐵水,并入煉鋼流程。這種操作對煉鋼主流程影響最小,鐵水包轉運后不會粘包,更重要的是,無需龐雜的鋼水加熱裝置,關鍵是要解決鐵水包的運送路線和運送方式。

6　結語

(1) 鑄余渣綜合利用是鋼鐵企業節能減排的重要內容,現有鑄余渣處理工藝仍有改進空間,其中鑄余渣熱態返生產是優先選擇的方向,日益受到重視。

(2) 鑄余渣的資源屬性包括液態鋼水和爐渣的冶金潛力以及鑄余渣的物理熱,三者的利用程度可作為鑄余渣利用效果的重要指標。

(3) 鑄余渣返生產有三種方案選擇,并且各有利弊,針對每一種返生產方案,在滿足物流暢通的前提下,必須綜合考慮返生產對鑄余渣利用、鋼水質量和生產成本的影響。

(4) 鑄余渣的返生產還涉及鋼包溫降、物流暢通和后續工藝調整等問題,必須結合現場情況綜合考慮相關技術措施。

(5) 通過綜合分析,建議通過鐵水混兌方式將鑄余渣返回鐵水包。

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專利信息

一種低屈強比石油套管用鋼及制造方法和套管的生產方法

專利號：ZL201610049304.6

專利權人：寶山鋼鐵股份有限公司

設計人：董曉明張忠鏵

史宏德沈建蘭

一種低屈強比石油套管用鋼及制造方法和套管的生產方法，該鋼的化學成分質量分數為：wC：0.38%～0.48%，wSi：0.1%～0.4%，wMn：1.0%～1.4%，wP≤0.015%，wS≤0.005%，wAl：0.002%～0.04%，wTi：0.005%～0.05%，余量為Fe和不可避免的雜質，且同時滿足如下關系：0.58%≤wC+wMn/6≤0.68%。本發明采用低溫軋制和卷取控冷工藝，抑制魏氏組織的形成，降低屈強比的同時提高了韌性，生產的石油套管的屈服強度為379～552 MPa，抗拉強度≥655 MPa，屈強比<0.7，沖擊功≥50 J。

一種連鑄用整體塞棒及其制造方法

專利號：ZL201610040164.6

專利權人：寶山鋼鐵股份有限公司

設計人：姚金甫金從進何平顯

本發明公開了一種連鑄用整體塞棒及其制造方法，該整體塞棒包括棒身、插置于棒身內的鋼芯和連接于棒身下端的棒頭，鋼芯表面設置錨固件。整體塞棒表面涂有Al2O3涂層；棒身由含莫來石的澆注料澆注而成，棒頭由含剛玉、燒結莫來石的澆注料澆注而成，通過整體澆注成型制造整體塞棒。本發明獲得的塞棒不僅整體性好，不存在袖磚塞棒的磚縫和棒頭脫落問題，具有良好的抗熱震性，強度高，抗鋼水沖刷侵蝕性好，而且制造工藝簡單，成本低，適用于低連澆、高氧鋼連鑄以及滑板控流情況下堵塞中間包水口。

(寶山鋼鐵股份有限公司規劃與科技部供稿)

Feasibility analysis of hot casting residue return production

LI Yongqian, LIU Yin and ZHANG Youping

(Research Institute, Baoshan Iron & Steel Co., Ltd.,Shanghai 201900, China)

Utilization of casting residue is an important aspect of energy saving for iron and steel enterprises. Based on resource attribute of casting residue,technological path and key technologies of recycling cast residue in steelmaking process are analysised, and focus on adhesion issue of slag to ladle due to the slag’s temperature drop, and on explosion problem when mix the casting residual with molten iron. It is suggested that the technical measures to solve the bonding ladle of molten steel by adjusting the carbon content of molten steel and the research ideas of solving the problem of the explosion by laboratory research. The direction of optimization of steelmaking process as the cast residue recycled in steelmaking production, to offer a reference of utilization of cast slag is analysised.

hot casting residue; steel ladle slag; hot metal ladle

X757

B

1008-0716(2016)05-0030-05

10.3969/j.issn.1008-0716.2016.05.007

2016-06-24)

李永謙高級工程師1968年生1992年畢業于大連理工大學

現從事冶金渣處理研究電話 26641817

E-mailyqli@baosteel.com