鐵鋼界面鐵水溫降碳析出利用研究

陳立軍,曲迎霞,孫國偉

(1.寶山鋼鐵股份有限公司,上海 201999; 2.東北大學,遼寧 沈陽 110819)

鐵鋼界面鐵水運輸過程倒裝環節會產生大量高溫煙塵,檢測發現該煙塵主要成分鐵、碳含量通常超過70%。國外有研究認為,部分碳與鐵結合形成具有磁性的Fe3C[1],以及鐵水與空氣中的氧氣反應會產生鐵氧化物塵粒。從冶金熱力學數據出發,鐵水溫度降低100 K,碳的飽和溶解度平均減少0.2%[2-3],會析出碳;按此估算,鐵鋼界面溫降100 K,每噸鐵水將析出碳約2 kg,年產1 500萬t鐵水的鋼廠將有3萬t碳析出,不加利用則有可能成為無組織排放。在鐵鋼界面運輸過程減少碳析出和利用方面的研究不多,更未有大規模工業應用;潘俐等[4]采用鐵礦粉對鐵水進行脫碳,取得了一定的效果,加入2%的巴西礦粉或滇灘礦,平均可脫碳0.18%,脫硅0.23%。

本文利用高溫試驗方法和理論分析定量研究鐵水溫降碳析出規律。嘗試利用低碳廢鋼對鐵水中的碳含量進行稀釋,以及利用除塵灰(LT除塵灰、電爐灰和轉爐二次灰)中的鐵氧化物與鐵水中C反應將C降低到適宜的欠飽和水平,避免運輸過程中出現碳析出現象。低碳廢鋼對鐵水碳含量稀釋將鐵水碳降低到適宜欠飽和水平,已大規模工業應用。

1 試驗設備及原料

試驗室研究采用高溫管式爐作為加熱裝置,如圖1所示。爐體通過6支二硅化鉬發熱體進行加熱,最高工作溫度可達1 700 ℃。爐內為剛玉爐管,內徑為100 mm,長度為1 m。爐內的恒溫區采用雙鉑銠熱電偶進行測溫,所采集的溫度信號通過數據線傳輸至計算機控制系統的控溫模塊,從而對爐溫進行控制。鐵樣置于爐內恒溫區的剛玉坩堝中,爐底設有惰性氣體入口,爐頂設有氣體出口。

圖1 試驗設備示意圖

試驗采用的鐵塊來自寶鋼4號高爐。在高爐出鐵鐵水溝取樣,澆注在統一尺寸石墨坩堝中,快速冷卻成型后取出備用。鐵水成分如表1所示,廢鋼成分如表2所示,含鐵氧化物成分如表3所示。

表1 鐵水成分

表2 廢鋼成分

表3 含鐵氧化物化學成分

2 試驗方案及方法

試驗方案如表4所示,根據現場實際生產操作數據,將試驗考察的溫度范圍定為1 300～1 510 ℃,每個檢測溫度下保溫120 min,每間隔20 min取樣一次。每次試驗采用的鐵水樣品約為500～600 g。因鐵樣在冷卻過程中已有析碳損失,為了保證鐵水中碳達到飽和狀態,試驗開始前在鐵水中加石墨片。

表4 碳飽和溶解度試驗方案

為了探究鋼鐵廠含鐵氧化物在鐵水溫降中碳的利用,采用圖1所示的試驗設備進行高溫試驗分析。每組試驗稱取500～600 g鐵樣,保護氣體為氮氣,考察的溫度范圍為1 330～1 450 ℃。選取轉爐LT除塵灰、電爐灰和轉爐二次灰3種含氧化鐵固廢作為氧化劑,除塵灰加入量為鐵水量的2%～5%。3種除塵灰均采用液壓壓塊機制成直徑約為1 cm、高為1.5 cm的圓柱形塊料。由于不同溫度反應速率不同,總反應時間設在60～180 min內。

鑒于廢鋼基本不與鐵水發生化學反應,且廢鋼加入魚雷罐車(TPC)與鐵水混合后,鐵水溫度會有所降低,研究低碳廢鋼稀釋鐵水碳含量,減少鐵水碳析出量,采用物料平衡和熱平衡法進行計算,其質量守恒和熱量守恒方程如式(1)～(3):

W廢鋼·ω(i)廢鋼+W鐵水·ω[i]鐵水=

(W廢鋼+W鐵水)·ω[i]混

(1)

Q收入=Q鐵水+Q廢鋼

(2)

Q輸出=Q混后鐵水+Q廢鋼熔化熱+Q損失

(3)

式中:ω[i]和ω(i)分別為鐵水和廢鋼中i物質的質量分數;i為鐵水和廢鋼中的Fe、C、Si、Mn、P、S;W為質量,t;Q為熱量,kJ。

由公式(1)可計算得到加低碳廢鋼后的鐵水成分。令式(2)=式(3),即可計算鐵水運輸終點溫度?；谟嬎愕玫降幕旌虾箬F水碳含量和終點溫度下鐵水的碳飽和溶解度,可計算得到鐵水的析碳量。

3 試驗結果與分析

3.1 鐵鋼界面鐵水溫降對鐵水碳析出的影響

鐵水在鐵鋼界面運輸過程中溫度下降,導致鐵水中碳溶解度降低并逐漸析出。由于鐵水中Si、Mn、P、S等多種元素都會對碳飽和溶解度產生一定的影響,因此,有必要針對現有鐵水成分進行碳飽和溶解度試驗,獲得鐵鋼界面溫度對鐵水碳析出的影響規律。為了探究鐵水成分對碳飽和溶解度的影響,本試驗取了2個不同成分的鐵樣進行試驗,試驗結果如圖2所示。

圖2 碳飽和溶解度隨鐵水溫度的變化

從圖2中可以看出,隨著溫度的升高,鐵水中碳飽和溶解度不斷升高,而且碳飽和溶解度與溫度呈良好的線性關系。采用最小二乘法對試驗數據進行線性擬合,獲得的斜率分別為2.54×10-3和3.00×10-3,即鐵樣2碳飽和溶解度隨溫度增大的速率較大。鐵樣1中硅和錳的質量分數分別為0.395%和0.115%,鐵樣2中硅和錳的質量分數分別為0.481%和0.138%。試驗數據用三元線性擬合法得到溫度、鐵水中Si含量和Mn含量對鐵水中碳飽和溶解度的影響,如式(4)所示。將計算值與試驗值對比,誤差小于2%。由式(4)計算得到鐵水溫度降低100 K,碳的飽和溶解度平均變化0.265%,即1t鐵水析出碳約2.65 kg。

在羅蘭·巴特看來，敘事是一種人類社會的普遍現象，“對人類來說，似乎任何材料都適宜于進行敘事；敘事承載物可以是口頭或書面的有聲語言、是固定的或活動的畫面、是手勢以及所有這些材料的有機混合；敘事遍布于神話、傳說、寓言、民間故事、小說、史詩、歷史、悲劇、正劇、喜劇、啞劇、繪畫……彩繪玻璃窗、電影、連環畫、社會雜聞、會話。而且，以這些幾乎無窮無盡的形式出現的敘事，存在于一切時代，一切地方，一切社會。有了人類歷史本身，就有了敘事”[注][法]羅蘭·巴特：《敘事作品結構分析導論》，張寅德編選：《敘述學研究》，中國社會科學出版社，1989年，第2頁。。

ω[C]飽%=2.65×10-3T-0.35×

ω[Si]%+0.081×ω[Mn]%+1.29

(4)

式中:ω[C]飽為碳的飽和溶解度,%;ω[Si]、ω[Mn]分別為鐵水中硅和錳的含量,%;T為鐵水溫度,K。

3.2 含鐵氧化物與鐵水溫降碳的利用

圖3為LT除塵灰、電爐灰和轉爐二次灰3種含鐵氧化物對鐵水溫降碳析出的利用效果。圖4為加入3種碳利用劑后,鐵水中Si、Mn含量的變化。反應溫度為1 450 ℃,加入量均為鐵水量的3%。由圖3、4分析可知,3種含碳鐵氧化物的最終降C量分別為0.31%、0.23%和0.05%;降Si量分別為0.21%、0.23%和0.16%。Mn含量變化不大,反應前后基本保持不變。LT除塵灰的降C效果最佳,主要是因為LT除塵灰中鐵氧化物含量最高,且灰中的C含量最低。因此,LT除塵灰是較為理想的降碳劑。

圖3 三種含碳鐵氧化物的降碳效果

圖4 加入不同含鐵氧化物鐵水中硅和錳含量變化

3.3 鐵鋼界面加廢鋼對鐵水碳析出的影響

為了分析鐵鋼界面加廢鋼對鐵水碳析出的影響,計算設定TPC鐵水裝載量280 t,空罐內襯溫度900 ℃,受鐵結束TPC鐵水溫度1 460 ℃,廢鋼加入TPC后運至煉鐵廠溫度達900 ℃,由輻射、對流和導熱產生的熱損失為鐵水總熱量的7%。通過計算可得到鐵水與廢鋼混合后的溫度和成分,以及運輸過程中產生7%熱損失后的最終溫度或稱運輸終點溫度。不同溫度下鐵水的碳飽和溶解度由公式(4)計算?；谟嬎愕玫降幕旌虾箬F水碳含量和終點溫度下鐵水的碳飽和溶解度,可計算得到鐵水的析碳量。

在TPC內將鐵水與不同量的廢鋼混合后,鐵水溫度和成分的變化見表5。由于TPC的容量一定,因此保持鐵水與廢鋼的總質量為280 t,未加廢鋼時是鐵水初始成分和溫度。從表5可以看出,隨著廢鋼(含碳量0.06%)加入量的增多,鐵水中C的質量分數不斷降低。加入5 t廢鋼,鐵水中碳質量分數降低了0.09%;加入10 t廢鋼,鐵水中碳質量分數降低了0.17%;加入15 t廢鋼,鐵水碳質量分數降低了0.26%。因廢鋼加入量遠小于TPC中的鐵水質量,鐵水中其余成分基本不變。未加廢鋼的碳析出量為0.79 t,加入5、10、15 t廢鋼的碳析出量分別減少了0.12、0.21、0.32 t。

表5 廢鋼加入量對鐵水析碳的影響

廢鋼替代鐵水可明顯降低長流程企業的噸鋼綜合能耗,每噸廢鋼替代鐵水可降低0.45 t標煤。轉爐加廢鋼受物理空間、鐵水溫度(不低于1 340 ℃)等限制,導致轉爐內直接加廢鋼量難以進一步提升。TPC加廢鋼現場應用與快速推廣,可對鐵水中碳質量分數起到稀釋作用,減少碳析出,充分利用TPC罐襯熱量,使以往鐵鋼界面噸鐵4.42 kg標煤(根據T/CISA 087—2021計算所得)的損失能源得到高效利用。

4 結論

(1)得出式(4)寶山基地鐵水碳飽和溶解度與溫度、成分關系,計算誤差小于2%。即鐵水溫度降低100 K,碳的飽和溶解度平均變化0.265%,即1 t鐵水析出碳約2.65 kg。

(3)TPC加入5、10、15 t廢鋼(含碳0.06%)的碳析出量分別減少了0.12、0.21、0.32 t;TPC加廢鋼已在現場應用與快速推廣,既可降低碳析出提高鋼產量,也使原來損失的噸鐵4.42 kg標煤能源得以高效利用。