淺析鐵鋼界面魚雷罐加廢鋼工藝

王明月,陳國軍

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

鋼鐵生產能源強度很大程度上受廢鋼和鐵礦石使用比例、鐵礦石質量的影響,鐵鋼比降低0.1,噸鋼綜合能耗降低約50 kgce/t[1-2](1 kgce/t=29.30 MJ)。統計數據表明,鋼鐵聯合企業中,70%以上的能源消耗、60%以上的碳排放發生在煉鐵區域。廢鋼應用是鋼鐵節能增效增產、雙碳目標實現的路徑之一。隨著廢鋼積蓄量的提高,廢鋼回收、分類網絡的完善帶來的成本下降,以及鋼廠限煤限碳的要求,轉爐大廢鋼比冶煉是未來煉鋼趨勢之一。受限于鐵水蓄熱量限制,鋼鐵企業通過廢鋼預熱,轉爐內加發熱劑,強化轉爐內熔池攪拌,鐵水運輸過程保溫,魚雷罐、鐵包、鋼包中加廢鋼等措施,不斷提高鋼水冶煉廢鋼比上限,成效顯著。

魚雷罐加廢鋼工藝,是指魚雷罐倒鐵結束空罐時,向其中加入適量的輕薄廢鋼料,一般不超過鐵水裝載量的4%。廢鋼在隨魚雷罐空罐運行的過程中被預熱,隨后在魚雷罐運行至高爐下受鐵后逐漸熔于鐵水中。該工藝抑制了魚雷罐空罐階段耐材對環境的輻射、對流散熱損失,并實現耐材蓄熱利用,提高了轉爐冶煉廢鋼比。魚雷罐中廢鋼的熔化行為及對生產運行的影響,是魚雷罐加廢鋼技術應用的關鍵。為更好地支撐魚雷罐加廢鋼工藝現場常態化應用,本文結合專家學者研究成果和現場生產實踐,分析了廢鋼的熔化行為及影響因素,從設備可靠性、資源能源利用、工藝穩定性等角度分析了魚雷罐加廢鋼工藝的特征。

1 廢鋼的熔化過程及影響因素

魚雷罐中廢鋼熔于鐵水(或稱作熔池)的過程與電爐、轉爐內廢鋼熔化過程一致。廢鋼熔于鐵水是傳熱、傳質共同作用的結果。對于廢鋼熔點高于鐵水溫度、廢鋼碳含量低于鐵水碳含量的體系,鐵水中的碳遷移至熔化界面并降低廢鋼熔點促使其熔化,熔化由碳的傳質主導;對于鐵水溫度高于廢鋼熔點、廢鋼與鐵水碳含量接近的體系,熔化由傳熱主導[3-5]。多數情況下,熔化過程受碳傳質控制。廢鋼熔于鐵水的過程可大致分為凝固層形成、凝固層重熔和廢鋼滲碳熔化過程,凝固層是高溫鐵水遇到固體廢鋼后在其表面形成的凝結鐵皮,凝固層的形成和重熔時間較短[6-8]。由于激冷效應,在凝固層與廢鋼之間會形成氣隙[9]。

廢鋼熔于鐵水過程受到諸多因素的影響,包括廢鋼裝入量、尺寸形態、堆積密度,熔池溫度、碳含量、熔池流動狀態等。高茗等[5,8]開展了1 kg的鐵/碳熔池中廢鋼棒熔化熱態試驗,表明熔池靜止狀態下廢鋼棒熔化呈現上窄下寬的錐形形貌,鋼棒旋轉狀態下鋼棒熔化呈現螺旋形貌,隨熔池溫度升高、鋼棒轉速增加,傳熱傳質增強,凝固層厚度減少,凝固層形成和重熔時間縮短。WRIGHT[10]測量了等溫條件下黑鐵棒在1 kg和25 kg鐵/碳熔池中的熔化速率,顯示在自然對流條件下或低氣體流速攪拌下,熔池表面處鐵棒出現頸縮,其余部分的熔化幾乎是平行的。楊文遠等[7]進行了250 kg感應爐中Q235圓鋼在熔池中熔化的熱模擬試驗。REBROV等[11]開展了130 t頂吹轉爐中廢鋼熔化行為的研究,表明提高鐵水溫度及碳含量、輕薄廢鋼形態有助于提高廢鋼熔化速度和廢鋼消納量。LI等[3-4]開展的雙鋼棒和多鋼棒熔化過程的動力學試驗表明,鋼棒間距(或孔隙率)達到一定范圍會造成“鋼冰山”(通過凝固層凝結在一起)的形成;隨著間距進一步降低而擴大,熔化時間受最大“鋼冰山”和“鋼冰山”形成量的影響?！颁摫健钡男纬稍趯嶋H生產中得到了驗證。LI等還指出通過廢鋼預熱對于較大廢鋼的熔化更有效且更易于實現。

現有關于廢鋼熔化機制的研究主要是針對碳鋼,對于硅鋼在鐵水中的熔化過程,硅和碳屬于同族元素,硅鋼中硅的質量分數介于1.0%～4.5%間,硅的質量分數越高其熔點越低,判斷其在鐵水中的熔化機制應與碳鋼類似,隨著硅的質量分數增加熔化加快。

2 魚雷罐加廢鋼對生產運行的影響

2.1 魚雷罐耐材影響

魚雷罐加廢鋼通常采用抓鋼機抓取廢鋼裝入的方式,加入的廢鋼主要為硅鋼片、破碎料和少量打包塊。寶鋼主要是硅鋼片和破碎料,寧鋼[12]主要是硅鋼片和鋼筋打包塊,先裝入硅鋼片再裝入鋼筋打包塊,抵消打包塊的機械沖擊,鋼筋打包塊的加入提高了廢鋼裝載量。廢鋼裝入過程由于沖擊磨損會傷害魚雷罐耐材,較大表面積的輕薄廢鋼料有助于減輕這一損傷,同時廢鋼料堆積避免鐵水直接沖擊魚雷罐底部耐材,起到保護耐材的作用。有研究顯示[13],鐵氧化物可能會與魚雷罐Al2O3-SiC-C磚中SiC反應,生成SiO2夾帶Al2O3進入爐渣,加速罐襯侵蝕。根據寶鋼寶山基地應用實踐,魚雷罐加輕薄廢鋼料對魚雷罐耐材使用壽命的影響不顯著。

2.2 鐵水溫度影響

魚雷罐加廢鋼可利用魚雷罐耐材散熱預熱廢鋼。作者團隊[14]對320 t魚雷罐運輸鐵水過程熱損規律的研究表明(圖1),魚雷罐受鐵階段(40 min)、重罐運輸階段(60 min)、重罐等待階段(60 min)鐵水熱損失主要是魚雷罐耐材蓄熱增加所致,耐材蓄熱量占鐵水熱損失的60%以上,兌鐵結束魚雷罐空罐狀態下,耐材蓄熱通過罐口和罐襯的損失,分別約為總損失的52%和48%。減少魚雷罐空罐階段熱損失是減少鐵水溫降的關鍵環節。廢鋼裝入魚雷罐形成錐形冷源,填充并分割罐內空間,減少耐材通過罐口的對流和輻射熱損失,以及工作層向罐殼的導熱損失。根據廢鋼裝入量的不同,可減少空罐耐材熱損失30%以上。同時,魚雷罐受鐵后由于廢鋼升溫熔化,會造成鐵水輸送過程溫降的增加。寶鋼股份研究結果及統計數據顯示,320 t魚雷罐裝入3～8 t常溫廢鋼,相比不加廢鋼鐵水溫降增加了3～10 K。

圖1 魚雷罐運輸鐵水熱損失途徑及比例

2.3 碳溶解度影響

鐵水運輸過程由于溫度不斷降低,鐵水碳飽和溶解度降低,析出片狀石墨粉塵逸散到環境中。作者團隊[15]通過試驗測得寶鋼寶山基地鐵水溫降與碳飽和溶解度的定量關系,噸鐵水降溫100 K析出碳2.65 kg。碳析出逸散造成轉爐煤氣回收量減少,且不利于轉爐熔池升溫。廢鋼的裝入稀釋了碳素濃度,減少了碳素的析出。根據冶金反應原理,基于元素平衡、熱平衡方法理論計算了魚雷罐中廢鋼(w(C)=0.18%,w(Si)=0.25%)裝入量5 t、鐵水(w(C)=5.02%,w(Si)=0.30%,1 460 ℃)裝入量275 t時,熔池碳析出量及影響轉爐煤氣回收量。結果表明,相比魚雷罐不裝廢鋼碳析出量減少0.12 t,轉爐煤氣極限回收量(假設析出碳全部損失,不考慮煤氣回收過程CO含量、O2含量限制,轉爐爐氣中w(CO)=95%,空氣吸入系數0.1)增加289 m3(噸鋼平均回收熱值按8 360 kJ/m3計算)。唐鋼[16]生產實踐顯示,鐵水罐加3.5%～4.0%的廢鋼,熔池碳質量分數降低0.380%,硅質量分數降低0.039%。此外,研究表明[17],若魚雷罐加廢鋼種類主要為硅鋼片,熔池鐵水硅質量分數增加1%,碳的溶解度降低0.29%。

2.4 脫硫預處理影響

由于廢鋼存儲過程的自然氧化及魚雷罐內高溫氧化作用,魚雷罐裝入的廢鋼中含有較多含鐵氧化物(FeO和Fe2O3),會與熔池中C和Si發生脫碳、脫硅反應。對含鐵氧化物與熔池中C和Si反應的熱力學分析表明,1 477 ℃以下脫硅反應優先進行,因此魚雷罐中含鐵氧化物優先與Si反應。含鐵氧化物的帶入不利于鎂粉脫硫。寶鋼股份梅山基地研究顯示[13],破碎料中含鐵氧化物與熔池中的Si發生反應生成SiO2,形成油渣,油渣中SiO2與Mg反應,抑制鎂粉脫硫反應,同時含鐵氧化物與脫硫產物MgS、CaS發生反應造成回硫。其后梅鋼通過減少碳鋼破碎料裝入、前后扒渣,基本消除影響。

2.5 其他

硅鋼的投入會提高鐵水中Si含量。研究表明[18],轉爐廢鋼比與鐵水熔池中Si含量呈正相關性。由于硅氧化反應的熱效應高于碳氧化反應,可為煉鋼過程補充化學能,但氧化劑的使用量增加,使得煉鋼渣量增加,易造成噴濺。

綜上所述,魚雷罐加廢鋼工藝對設備安全可靠性、資源能源利用,以及工藝順行的影響是多維度的。從能效角度分析,魚雷罐加廢鋼增加了鐵水運輸過程溫降,但本質上這部分溫降熱量并未損失而是轉移到廢鋼中,且廢鋼加入減少了鐵水中碳資源損失及魚雷罐耐材對環境的散熱損失并實現散熱利用,屬于能效改善技術范疇。從安全角度分析,設定合理的廢鋼裝入類別和裝入量,優化廢鋼裝入方式,對設備可靠性和工藝穩定性的影響是可控的。從經濟角度分析,無需較大的固定資產投資,不涉及煤炭、燃氣等能源投入即可提高高爐—轉爐工藝流程廢鋼比,具有較高的投資回報率。

3 魚雷罐加廢鋼工藝優化方向

魚雷罐加廢鋼工藝可實現鐵鋼比下降1%～3%。魚雷罐加廢鋼優缺點明顯,鋼鐵企業繼續發揮魚雷罐加廢鋼工藝的優勢,強化魚雷罐加廢鋼工藝的基礎研究,克服或弱化實際應用過程中的不利影響,是發展的趨勢與關鍵。具體可從以下幾個方面進行優化:

(1)研究魚雷罐中廢鋼熔化行為,結合鐵鋼界面鐵水物性變化測定廢鋼熔化基本參數,為魚雷罐加廢鋼技術應用提供基礎理論指導。

(2)建立魚雷罐設備狀態、運行周期與廢鋼裝入的數學模型或經驗模型,根據魚雷罐設備狀態、空罐時間、重罐時間合理組織廢鋼類別、尺寸(厚度)和裝入量,充分利用魚雷罐空罐階段耐材蓄熱,減少鐵水碳析出損失并保證廢鋼在兌鐵前完全熔化不粘底。

(3)優化鐵水脫硫工藝適配魚雷罐加廢鋼模式,并做好廢鋼防護減少氧化,如廢鋼保存在干燥環境并減少灑水緩解廢鋼自然氧化過程,魚雷罐加蓋緩解廢鋼在魚雷罐內的高溫氧化過程。

(4)優化廢鋼裝料方式,減少魚雷罐耐材沖擊損傷,實現廢鋼在魚雷罐內的合理填充,減少耐材對外散熱損失,優化廢鋼熔化過程。

4 結論

(1)魚雷罐中廢鋼熔化過程經歷凝固層形成、凝固層重熔和正常熔化過程,通過魚雷罐加輕薄料及合理布料,有利于縮短凝固層形成和重熔時間,避免“鋼冰山”的形成,并提高廢鋼消納量。

(2)魚雷罐加廢鋼對生產運行的影響是雙向的,廢鋼的裝入抑制了高溫耐材對環境的散熱過程并利用耐材蓄熱預熱廢鋼,減少耐材散熱損失30%以上,降低鋼水冶煉鐵鋼比1%～3%,同時廢鋼熔化減少了熔池降溫造成的碳析出逸散損失,加入5 t廢鋼減少碳析出0.12 t;另一方面廢鋼攜帶含鐵氧化物可能造成鐵水脫硫效率下降。

(3)魚雷罐加廢鋼工藝仍有優化提升空間,通過深入研究魚雷罐內廢鋼熔化行為,量化廢鋼裝入量、合理匹配脫硫工藝、優化裝料方式,提高精益管理水平。