120 t轉(zhuǎn)爐能效補(bǔ)償研究

LONG Hai-shan, ZHAO Ao-nan, ZHOU Zhi-yong, ZHANG Li-qiang, ZHANG Han-shan, ZHANG Chao-jie,FU Yu-dong, NIE Zhi-bin, FU Kai-xuan, CHENG Jin-qi

內(nèi)容導(dǎo)讀

加焦丁對轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝進(jìn)行能效補(bǔ)償技術(shù)有效解決了采用加入大量廢鋼增產(chǎn)等方法時(shí)煉鋼熱量不足的問題，有利于提高轉(zhuǎn)爐熱利用效率，達(dá)到提高鋼產(chǎn)量、降低鐵水單耗、降低鋼鐵料消耗的目標(biāo)。本文針對某廠120 t轉(zhuǎn)爐能效補(bǔ)償工藝進(jìn)行了研究，討論了某廠能效補(bǔ)償冶煉工藝在出鐵處和轉(zhuǎn)爐冶煉中加入焦丁技術(shù)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了某廠鐵水單耗從810.3 kg/t鋼降到805.3 kg/t鋼，同時(shí)終點(diǎn)鋼水過氧化率從18.8%降到17.8%，石灰降低2 kg/t鋼，實(shí)現(xiàn)鋼鐵廠穩(wěn)定生產(chǎn)并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

目前鐵精粉、球團(tuán)礦等資源緊缺且生鐵價(jià)格居高不下，而廢鋼資源卻在不斷增加。為適應(yīng)市場變化，國內(nèi)外鋼廠探索在轉(zhuǎn)爐冶煉中添加廢鋼、降低鐵水消耗的方法以降低煉鋼成本[1-2]。胡昌志等[3]對重鋼煉鋼廠轉(zhuǎn)爐煉鋼采用碳質(zhì)發(fā)熱劑增加爐內(nèi)熱量，鐵水比顯著降低，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯增加，鋼水終點(diǎn)氧含量相對穩(wěn)定，波動(dòng)較小。管挺等[4]對轉(zhuǎn)爐煉鋼過程平衡計(jì)算結(jié)果的分析研究得出增加1 kg/t清潔升溫劑，可提高廢鋼比0.41%。Huber等[5]通過模型開發(fā)認(rèn)為轉(zhuǎn)爐的傳熱機(jī)制是提高轉(zhuǎn)爐冶煉效率的關(guān)鍵?；谵D(zhuǎn)爐的熱量平衡角度考慮，由于轉(zhuǎn)爐是負(fù)能煉鋼，而且爐內(nèi)的元素氧化等熱收入項(xiàng)遠(yuǎn)高于鋼水物理熱等熱支出項(xiàng)，若不加入外部熱源進(jìn)行供熱，僅加入廢鋼增產(chǎn)這條工藝路線還并不完善。

本文主要研究添加焦丁對轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝進(jìn)行能效補(bǔ)償，解決煉鋼熱量不足從而提高轉(zhuǎn)爐熱利用效率，達(dá)到提高鋼產(chǎn)量、降低鐵水單耗、降低鋼鐵料消耗目標(biāo)。

焦丁能效補(bǔ)償冶煉機(jī)理及用量計(jì)算

焦丁能效補(bǔ)償冶煉機(jī)理

煉鋼熔池反應(yīng)是在氧化性氣氛下進(jìn)行的。加入焦丁后，焦丁與熔池中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生熱效應(yīng)。按碳氧反應(yīng)式：

熔池中90%的碳氧化生成CO，10%的碳氧化生成CO2。焦丁參與化學(xué)反應(yīng)生成熱量為熔池提溫，補(bǔ)充廢鋼大量加入造成的熱量短缺產(chǎn)生的熱量嚴(yán)重不平衡問題。轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中碳氧反應(yīng)不僅完成脫碳任務(wù)，還能完成加速鋼-渣界面反應(yīng)的進(jìn)行、攪拌熔池、均勻成分和溫度、去氣有利于非金屬夾雜物的上浮和有害氣體的排出、升溫放熱等任務(wù)。

焦丁能效補(bǔ)償用量計(jì)算

王建等[6]通過對轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中使用類石墨進(jìn)行提溫研究結(jié)果表明，加入1 t類石墨可使熔池升溫30～40 ℃，說明冶煉中焦炭對熔池提溫有明顯的作用，可有效的對廢鋼入爐熱量的減少進(jìn)行增補(bǔ)，改善轉(zhuǎn)爐中熱量不平衡現(xiàn)象。對某廠基于穩(wěn)定吹煉過程，減少鋼水過氧化率的焦丁加入量計(jì)算方法。焦丁補(bǔ)償量計(jì)算涉及的參數(shù)包含入爐鐵水量、鐵水化學(xué)成分、廢鋼配比、爐前鐵水溫度等。為了方便爐前試行，本文基于某廠轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對計(jì)算過程進(jìn)行了簡化，其方法是把鐵水溫度作為主要變量，將其余參數(shù)固化，多加入廢鋼的計(jì)算方法即：每加1 t焦丁可多加廢鋼量為W1，相應(yīng)多產(chǎn)鋼水量。只有M2大于零時(shí)，加焦丁多加入廢鋼才具有經(jīng)濟(jì)效益。由式(3)和(4)計(jì)算得出焦丁補(bǔ)償量與爐前鐵水溫度對照表(表1)。表2為某廠焦丁使用情況化驗(yàn)結(jié)果。

式中，F(xiàn)1為熔煉系數(shù)；W1為熔煉廢鋼量，kg；W2為焦丁用量，kg；F2為廢鋼熔煉收得率；A為焦丁單價(jià)，元/t；M1為當(dāng)前鋼廠的邊際效益，元/ t；M2為加焦丁的經(jīng)濟(jì)效益，元/t。

表1 焦丁補(bǔ)償量與爐前鐵水溫度對照表

表2 某廠焦丁使用情況化驗(yàn)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

試驗(yàn)內(nèi)容

工藝流程及試驗(yàn)條件

以某廠120 t轉(zhuǎn)爐工業(yè)生產(chǎn)線為研究平臺(tái)，該廠生產(chǎn)流程為1250 m3高爐—120 t氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐—155 mm×155 mm小方坯連鑄。某廠組織了冶煉高[P]鐵水生產(chǎn)試驗(yàn)(廠內(nèi)定義[P]＞0.085%為高[P]鐵水)，工藝流程如圖1所示，生產(chǎn)目標(biāo)如表3所示。

圖1 某廠冶煉工藝流程示意圖

表3 原始鐵水成分及冶煉目標(biāo)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

能效補(bǔ)償試驗(yàn)內(nèi)容

冶煉采用分階段加造渣料方式，造渣劑主要為石灰、白云石等。為達(dá)到快速成渣的目標(biāo)，保證終渣堿度為2.8～3.5，終點(diǎn)碳含量控制在0.06%～0.12%。冶煉開始，進(jìn)行下槍打火成功后加第一批料，石灰加入量1 t，白云石加入量為總量的全部，剩余石灰分2～3批加入，造渣劑在吹煉8 min之前加完。氧槍噴頭為5孔拉瓦爾型，出口壓力0.88 MPa，開吹氧氣流量設(shè)定為25000～27000 m3/h，氧槍按照“低-高-低”操作規(guī)范。在轉(zhuǎn)爐冶煉前期為了更好造前期渣，槍位距離液面約1.2 m，冶煉至90 s提高槍位至2.3 m，在冶煉中期防止?fàn)t渣返干，冶煉約9 min至終點(diǎn)壓槍操作，保證后期熔池?cái)嚢?，保證終點(diǎn)槍位液面高度約0.9 m。

目前，某廠煉鋼補(bǔ)償焦丁全部是在爐前通過高位料倉加入轉(zhuǎn)爐。隨著爐前加焦丁量增加，不僅焦丁的利用效率逐漸降低，同時(shí)還影響轉(zhuǎn)爐吹煉。根據(jù)某廠煉鋼工藝流程，將焦丁的途徑分為兩部分。第一次加入途徑在兌鐵后，即可將焦丁加入空鐵水罐里，將廢鋼加在焦丁上面，再將加好焦丁、廢鋼的鐵水罐運(yùn)到高爐去受鐵。從高爐出鐵操作平臺(tái)投料孔投入空鐵水罐里；在鐵水罐受鐵之前一次性全部投完。第二次通過高位料倉將焦丁加入轉(zhuǎn)爐。

試驗(yàn)結(jié)果與分析

轉(zhuǎn)爐加焦丁的限制及鐵水罐加焦丁的優(yōu)點(diǎn)

某廠煉鋼為了多加入廢鋼，除了在爐前加廢鋼之外，還在高爐附近將廢鋼加到空鐵水罐里，再將加了廢鋼的鐵水罐拉到高爐去受鐵。再加入廢鋼的鐵水中，其碳含量已經(jīng)不飽和，可通過加焦丁給鐵水補(bǔ)碳。按鐵水與廢鋼碳含量的差值，每加1 t廢鋼可加焦丁50 kg。目前鐵水罐廢鋼加入量為7.5 t/罐以上，按此計(jì)算鐵水罐焦丁總加入量350 kg/罐。鐵水罐加焦丁不僅能夠補(bǔ)充碳含量，未熔解的焦丁浮在鐵水表面，對鐵水保溫，能夠減少鐵水溫降。

轉(zhuǎn)爐加焦丁試驗(yàn)結(jié)果如下：將焦丁分別加入鐵水罐、轉(zhuǎn)爐里，防止入爐焦丁過多出現(xiàn)影響吹煉、熱效率下降等問題，提高焦丁熱能利用效率。轉(zhuǎn)爐出鋼量118 t /爐，焦丁加入量500 kg/爐(折合4.3 kg/t鋼)。隨著入爐焦丁增加，供氧量、供氧時(shí)間也相應(yīng)增加，對轉(zhuǎn)爐冶煉周期會(huì)有一些影響。此外大量焦丁入爐后，會(huì)增加汽化煙道、除塵系統(tǒng)的壓力，影響這些設(shè)施正常使用。為了避免轉(zhuǎn)爐加焦丁過多帶來的缺陷，根據(jù)某廠現(xiàn)場條件，將焦丁分別加入鐵水罐和轉(zhuǎn)爐里。表4 為加焦丁鐵水溫降試驗(yàn)記錄表。在鐵水罐加廢鋼之后，鐵水里的碳元素已經(jīng)不飽和，此時(shí)，將焦丁加入鐵水罐，使碳元素溶入鐵水中，可以提高焦丁的熱能利用率。

表4 加焦丁鐵水溫降試驗(yàn)記錄表

在試驗(yàn)過程中焦丁添加到鐵水罐時(shí)，無明顯煙塵和異響。如圖2(a)加焦丁后受鐵過程的鐵水罐內(nèi)狀態(tài)。高爐出鐵操作平臺(tái)投料孔投入空鐵水罐里，在鐵水罐受鐵之前一次性全部投完。在此過程中，焦丁均勻鋪展在鐵水表面，表面為暗紅，溫度較低。圖2(b)為加焦丁后受鐵后的鐵水表面狀態(tài)。當(dāng)焦丁進(jìn)入鐵水罐中，焦丁浮在鐵水表面形成保溫層，有效地阻止鐵水表面高溫輻射熱損，降低出鐵過程溫降。通過技術(shù)工人測溫發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)中平均溫降為186.4 ℃，觀察發(fā)現(xiàn)鐵水表面焦丁保溫層保持完好，說明焦丁在鐵水罐中保溫作用明顯。當(dāng)鐵水罐到達(dá)煉鋼爐區(qū)域時(shí)，鐵水表面焦丁保溫層依然保持疏松不結(jié)蓋，不影響爐前兌鐵作業(yè)。

圖2 加焦丁補(bǔ)償工藝：(a) 加焦丁后受鐵過程的鐵水罐內(nèi)狀態(tài)；(b) 加焦丁受鐵后的鐵水表面狀態(tài)

轉(zhuǎn)爐加焦丁對轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)指標(biāo)的影響

表5為轉(zhuǎn)爐原生產(chǎn)工藝與加焦丁補(bǔ)償工藝生產(chǎn)指標(biāo)對比。鐵水單耗從810.3 kg/t鋼降到805.3 kg/t鋼，同時(shí)終點(diǎn)鋼水過氧化率從18.8%降到17.8%。冶煉生產(chǎn)過程中，焦丁入爐量增加，會(huì)伴隨著熱效率下降，因此要使鐵水單耗達(dá)到800 kg/t鋼，入爐焦丁量要達(dá)到1100 kg/爐以上。考慮熱利用效率以及加焦丁對轉(zhuǎn)爐吹煉時(shí)間的影響，轉(zhuǎn)爐加焦丁量不宜超過9 kg/t鋼，120 t轉(zhuǎn)爐加焦丁總量不超過1000 kg。焦丁可作為轉(zhuǎn)爐熱能調(diào)節(jié)劑使用，能夠穩(wěn)定吹煉操作，降低鋼水過氧化率。通過加焦丁可以多加入廢鋼，焦丁加入量與多加廢鋼量之比為1∶1.65，即加1 t焦丁可以多加廢鋼1.65 t。試驗(yàn)結(jié)果表明焦丁加入量不應(yīng)超過9 kg/t鋼，120 t轉(zhuǎn)爐不超過1.1 t，這主要是由于焦丁的比重較小，吹煉后入爐的焦丁大部分浮在液面之上，極易被氣流帶走，同時(shí)浮在液面之上的焦丁燃燒產(chǎn)生的熱量，也大部分隨煙氣散失，只有部分熱量能夠被渣液和鋼液吸收利用，熱利用效率較低。為了提高焦丁熱能利用效率，應(yīng)在兌鐵水之前將全部焦丁加入轉(zhuǎn)爐。

表5 轉(zhuǎn)爐加焦丁生產(chǎn)指標(biāo)對比

結(jié)束語

通過某廠能效補(bǔ)償冶煉工藝進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)添加焦丁進(jìn)行熱補(bǔ)償能穩(wěn)定生產(chǎn)。

(1) 在受鐵過程中加入焦丁可以起到保溫作用，減少鐵水溫降20 ℃，按100 t鐵水計(jì)，保溫產(chǎn)生的效益為1000元/罐左右。與焦粉相比，焦丁具有耐燃、保溫層保持時(shí)間長的特點(diǎn)。與覆蓋劑相比，對轉(zhuǎn)爐冶煉的影響更小更實(shí)用。

(2) 在受鐵過程中，鐵水罐里的焦丁浮在鐵水表面可形成保溫層，有效地阻止鐵水表面高溫輻射熱損，降低出鐵過程溫降。

(3) 在重鐵水罐等待及運(yùn)輸過程中，鐵水表面焦丁保溫層保持完好，具有保溫作用。通過測溫可以確定，鐵水罐到達(dá)煉鋼爐前時(shí)，鐵水表面焦丁保溫層依然保持疏松不結(jié)蓋，不影響爐前兌鐵作業(yè)。

(4) 某廠鐵水單耗從810.3 kg/t鋼降到805.3 kg/t鋼，終點(diǎn)鋼水過氧化率從18.8%降到17.8%，石灰降低2 kg/t鋼，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。