廢鋼預熱技術在高爐-轉爐長流程中發展現狀及展望

胡硯斌,黃芳,何賽,侯中曉,賈志立

(鋼鐵研究總院有限公司 冶金工藝研究所,北京 100081)

鋼鐵工業作為我國經濟的重要基礎產業,在我國工業化和城鎮化方面起到重要的作用。我國鋼產量已連續26年躍居世界首位,2021年我國鋼產量已經突破10.32億t,目前占全球粗鋼產量超50%,但與歐美國家50%鋼產量來自電爐短流程相比[1],目前我國90%以上產能來自高爐-轉爐長流程。長流程的生產不可避免需要使用大量的焦炭資源,這也導致了鋼鐵行業實現“雙碳”目標壓力大[2-3]。根據2021年頒布的《廢鋼鐵產業“十四五”發展規劃》,到“十四五”末我國綜合廢鋼比要達到30%,提高廢鋼比可以明顯降低噸鋼碳排放量,從而降低長流程焦炭的消耗。現階段基于“雙碳”背景下,采用全廢鋼電爐冶煉條件下的產品價格明顯高于轉爐冶煉成本,而采用高廢鋼比轉爐生產流程可以提高經濟效益,所以許多企業采用多種方法提高轉爐長流程生產過程中廢鋼比。廢鋼預熱技術是提高轉爐流程廢鋼比的一種重要方法,在行業內得到廣泛的使用,尤其在螺紋鋼生產過程中,許多企業和研究工作者在廢鋼預熱方面做了大量的工作[4-7]。

1 廢鋼預熱技術發展現狀

鋼鐵企業為提高高爐-轉爐長流程廢鋼比,采用了廢鋼分布加入的技術,主要的廢鋼加入環節有高爐爐內加廢鋼、鐵水溝加廢鋼、鐵水包加廢鋼、轉爐加廢鋼,高位料倉加入廢鋼,轉爐出鋼側加入廢鋼,甚至部分企業在LF精煉爐加入廢鋼。在長流程生產工藝流程中廢鋼預熱技術主要使用在鐵水包加廢鋼與轉爐加廢鋼兩個環節。高爐-轉爐長流程之所以要加入廢鋼是因為轉爐冶煉是一種自熱式煉鋼方法,通過吹氧氧化鐵水中C、Si、Mn、P等雜質,其熱量有富余,一般通過加入廢鋼起到冷卻作用,但其氧化產生的熱量受鐵水中元素含量限制。圖1為采用普通鐵水(w([C])≈4.2%,w([Si])=0.4%～0.6%,T≈1 320 ℃)轉爐生產低碳鋼(w([C])=0.08%～0.1%,T≈1 620 ℃)的熱平衡計算。通過圖1可知在廢鋼比在17%條件下時,依靠鐵水自身熱量完全可以滿足廢鋼熔化要求,不需要對廢鋼進行額外補熱操作,隨廢鋼比增加,鐵水熱量減少,熔化廢鋼需要的熱量增加,需要通過對廢鋼進行熱補償的手段來提高廢鋼比。根據廢鋼預熱時廢鋼預熱位置,本文將廢鋼預熱技術主要分為:鐵水包廢鋼預熱、轉爐廢鋼料斗預熱、連續水平廢鋼預熱和高位料倉廢鋼預熱四類。

圖1 廢鋼比與轉爐熱平衡、廢鋼預熱溫度的關系

1.1 鐵水包廢鋼預熱技術

鐵水包廢鋼預熱技術是指在鐵水包接鐵水前采用高爐(轉爐或混合煤氣)煤氣燃燒對鐵水包內廢鋼進行烘烤,其特點是設備結構簡單、投資低,其廢鋼加入比例在3%～8%波動。圖2分別是筆者單位在河北敬業鋼鐵、天津聯合鋼鐵及江蘇永鋼參與建設的廢鋼烘烤項目現場照片,三者的主要區別是鐵水包廢鋼烘烤的位置不同,圖2(a)是建設有專門的廢鋼烘烤車間,其廢鋼通過行車磁盤將廢鋼加入鐵水包中,烘烤過程中鐵水包放置在運輸汽車上,這樣可以在廢鋼烘烤結束后快速運輸到鐵前接鐵水,減少熱量的損失;圖2(b)由于鐵水包采用專門的鐵路軌道運輸,所以在鐵路線上方增加廢鋼烘烤設備,這種方式也可以做到廢鋼烘烤結束后快速接鐵水,不需要建設單獨的烘烤車間,可以減少投資成本;圖2(c)是在高爐改造后富裕的出鐵口增加廢鋼預熱裝置,相比于前兩種方式,更加減少了廢鋼預熱后的熱量損失,可以做到烘烤結束后無縫銜接接鐵水操作。

圖2 鐵水包廢鋼預熱工程應用

這三種廢鋼烘烤預熱的技術原理是相同的,都是煤氣燃燒直接對廢鋼進行烘烤預熱,僅在鐵水包廢鋼預熱的位置、燒嘴及燃燒方式上方式有所區別。雖然上述方法設備簡單、投資低,且在提高廢鋼比方面有一定效果,但在實際生產過程中有著相同的問題,首先熱量利用率低,根據實踐經驗表明這類型預熱方式煤氣利用率較低一般只有10%～20%,在烘烤鋼筋壓塊過程中,由于廢鋼之間有一定的縫隙,廢鋼上下烘烤溫度較為均勻,但對于內部緊實的輕薄料壓塊,上層廢鋼和下層廢鋼溫差大,烘烤效率低,所以對烘烤原料有一定的要求;其次,由于在一種開放的環境下進行明火直接預熱,氧氣過剩,廢鋼被氧化嚴重、鐵損高;最后,采用這類廢鋼預熱方式一般未設置專門的煙氣處理設備,所以帶來一定的環境污染問題。

1.2 轉爐廢鋼料斗預熱技術

轉爐廢鋼料斗預熱技術是指直接在給轉爐運送廢鋼的料斗內利用燃氣燃燒直接對廢鋼進行加熱,這種技術由于占地面積小,操作簡單,所以部分企業開發并使用了這一技術。如圖3所示,這種廢鋼預熱方式是在盛裝廢鋼的料斗內直接將廢鋼進行預熱,其預熱原理和上述鐵水包預熱原理一致,不過因為料斗長度較長,一般采用多排燒嘴對廢鋼進行預熱,但由于廢鋼料斗長期在高溫下使用容易發生變形,使用壽命會降低,同時帶來一定的安全隱患,所以料斗預熱廢鋼一般只能將廢鋼預熱到200～300 ℃,和鐵水包預熱廢鋼一樣,對于下層的廢鋼由于燃燒產生的高溫煙氣穿透性差,導致其預熱效果不好,煤氣利用效率較低,廢鋼氧化嚴重,尤其部分企業在采用富氧預熱后,廢鋼之間發生黏結,影響后續廢鋼入爐操作。

圖3 廢鋼料斗廢鋼預熱工程應用

1.3 連續水平廢鋼預熱技術

針對上述廢鋼預熱過程中廢鋼預熱溫度不均、廢鋼預熱效率低的問題,有相關企業,如河南全順、泰航節能科技等企業研發了水平連續廢鋼預熱技術,圖4(a)是在廢鋼連續預熱后加入料斗中,這種流程是在廢鋼預熱后加入轉爐爐內;圖4(b)廢鋼預熱后可以加入盛有鋼水的鋼包中,比如鋼包在進LF精煉站前加入廢鋼,也可以在鐵水包中加入廢鋼后接運鐵水。這類型廢鋼預熱技術可以做到連續加料、連續出料、連續預熱,但占地面積大、設備復雜,投資高。預熱過程中由于廢鋼堆放高度較低,預熱段較長,能夠獲得不錯的預熱效果,但這種廢鋼預熱方式其廢鋼氧化率明顯高于鐵水包及料斗廢鋼預熱,造成鐵損較高,熱量利用效率低,也帶來一定的煙氣污染問題。

圖4 連續水平廢鋼預熱工程應用

1.4 高位料倉廢鋼預熱技術

高位料倉廢鋼預熱技術主要是通過熱風爐產生的熱風(或其他熱煙氣)對轉爐(LF精煉爐)料倉加入的廢鋼進行預熱處理,從而達到補充爐內熱量和提高廢鋼比的目的。其加入方式靈活,和其他轉爐(LF精煉爐)爐料一樣,可以在冶煉過程中加入,不占用冶煉時間。雖然這種廢鋼預熱技術廢鋼預熱均勻,高溫煙氣中氧含量低,可以減少廢鋼的燒損和氧化,但其對廢鋼要求極高,需要使用鋼筋頭或流動性好的廢鋼,同時需要對車間現有設備進行部分改造,這也限制了其使用范圍,所以高位料倉廢鋼預熱技術使用較少。

2 廢鋼預熱發展方向展望

針對現有預熱廢鋼方式,為了提高廢鋼預熱效率和速率,許多研究工作者在這些廢鋼預熱技術上展開了如富氧燃燒、煤氣預熱、自身蓄熱預熱式燃燒等技術,在提高燃燒效率的同時也明顯地提高了廢鋼預熱效果,但這些廢鋼預熱技術基本是在開放的環境下進行,一方面外排煙氣帶來一定的環境污染問題,另一方面廢鋼預熱溫度越高,其金屬料氧化更加嚴重,廢鋼燒損率高。廢鋼預熱環節作為鋼鐵冶煉流程中的一部分,面臨嚴峻的資源、環保、市場競爭等重大挑戰,迫切需要加快高效、綠色的廢鋼預熱技術,也是促進鋼鐵工業綠色化發展是必然趨勢[8-11]。結合現有廢鋼預熱技術的分析對未來廢鋼預熱發展方向提出以下三個方面的展望。

2.1 蓄熱式煙氣高速循環廢鋼預熱技術

蓄熱式煙氣高速循環廢鋼預熱技術主要包含蓄熱式燃燒和煙氣高速循環兩方面的技術,蓄熱式燃燒是一種高效的熱量利用燃燒技術,其熱量利用率可以達到70%～75%,遠高于現有預熱技術,同時,蓄熱式燃燒技術在高爐熱風爐、加熱爐等方面有著廣泛的應用,技術非常成熟;其次采用煙氣高速循環利用可以減少煙氣的外排,提高煙氣對廢鋼的穿透能力從而提高對廢鋼的預熱效果。利用煙氣循環可實現低氧加熱,有效避免明焰加熱,避免廢鋼局部過熱黏結的解決廢鋼燒損、氧化的問題,提高廢鋼預熱的均勻性,為廢鋼入爐提供有利的條件。這一技術也符合劉瀏教授[12]提出的新一代廢鋼預熱技術需要解決的廢鋼預熱均勻、避免過熱或軟熔造成的廢鋼黏結等技術問題的要求。

2.2 鐵水分級指導廢鋼預熱技術

鐵水分級指導廢鋼預熱技術是指根據鐵水原料的條件,有針對性地調整廢鋼預熱生產過程,包括廢鋼預熱量、預熱溫度等。因為高爐在生產鐵水過程中,其成分存在一定的波動,后續鐵水中由C、Si、Mn等氧化能夠提供的熱量也不同,能熔化的廢鋼量也不同,所以廢鋼預熱量、預熱溫度等需要根據鐵水的成分進行適當的調整。如針對一些高硅高碳鐵水,在廢鋼預熱溫度一定的條件下,適當的增加鐵水包廢鋼量既可以穩定鐵水條件,同時可以做到多吃廢鋼的目的;對于低硅低碳的鐵水需要減少預熱廢鋼加入量、提高廢鋼預熱溫度等。通過鐵水分級來指導廢鋼預熱可以有利于生產工藝流程的順行。

2.3 廢鋼預熱精準控制技術

廢鋼預熱精準控制技術主要是指通過對廢鋼預熱溫度、廢鋼加入量根據前后冶煉工藝要求、時間要求等實現廢鋼預熱在量、溫度及烘烤時間上的精準控制。現階段廢鋼預熱一般采用粗放的控制模式,根據操作人員經驗,廢鋼進入烘烤位后就進行廢鋼烘烤,等下一個冶煉環節開始生產后將預熱后的廢鋼進行下一步生產,沒有對廢鋼預熱溫度、溫度進行精準控制,廢鋼預熱應該要更好地與生產節奏進行匹配,部分企業甚至未對廢鋼預熱操作納入煉鋼生產環節中,廢鋼預熱的穩定性其實影響后續的生產節奏,比如鐵水包廢鋼預熱溫度低可能導致后續鐵水預脫硫生產環節;對于未設置鐵水預處理工位的企業,將會影響轉爐進站鐵水溫度,造成冶煉過程的不穩定,所以下一步廢鋼預熱工作盡量做到廢鋼預熱控制精準化,有利于生產冶煉工藝流程的順行。

3 結 論

(1)通過上述分析可以看出,在“雙碳”這一背景下,電爐冶煉成本高于轉爐冶煉成本,廢鋼預熱作為一種有效的提高廢鋼比的方法,其在今后的長流程高廢鋼比生產過程中將依然發揮的重要作用。

(2)針對現階段廢鋼預熱效率低、氧化嚴重及污染等問題,未來高效、綠色、低損耗及精準控制的廢鋼預熱技術將是未來發展的重要方向。

(3)應積極鼓勵鋼鐵企業開展自主創新,開展高爐-轉爐高廢鋼比工藝與裝備開發工作,進一步提高廢鋼預熱裝備和技術水平。