噴粉冶金在100t Consteel電爐冶煉中的應用

姚同路，楊 勇，賀 慶，倪 冰，孟華棟，張 貴

（鋼鐵研究總院冶金工藝研究所，北京100081）

噴粉冶金是20世紀六七十年代發(fā)展起來的，根據(jù)流化態(tài)和氣力輸送原理，用氬氣或其他的氣體做載體，向鐵水或鋼水中噴吹氣體和粉劑進行攪拌和精煉的一種冶金工藝[1-3]。我國噴粉冶金研究起步稍晚，從1978年開始，我國在噴粉冶金技術方面開展了大量試驗研究工作[4-9]。噴粉冶金發(fā)展到現(xiàn)在，技術及裝備多種多樣，更新?lián)Q代迅速，近年來逐步向鐵水預處理、轉爐、電爐、精煉領域縱深發(fā)展。

2017 年以來，隨著國家對“地條鋼”的取締和對環(huán)保的日益重視[10-13]，國內廢鋼大量積聚，2017年中國廢鋼使用量1.5億t，預計2020年中國廢鋼使用量達到2億t以上。電爐短流程煉鋼以其高廢鋼比、低能耗、低CO2排放等優(yōu)勢迅速崛起，尤其是近年來Consteel 電爐的大量涌現(xiàn)，使電爐噴碳粉的主要冶金功能由增碳轉為造泡沫渣[14-17]，更好地做到埋弧冶煉，有效提高熱效率，降低電弧輻射。

噴粉冶金在現(xiàn)代電爐中的應用方式主要是噴碳粉造泡沫渣。電爐噴碳分為爐門噴碳與爐壁噴碳，與吹氧系統(tǒng)合稱碳氧槍噴吹系統(tǒng)。為適應Consteel 電爐的全程造泡沫渣需求，目前電爐噴粉已由傳統(tǒng)的小料倉、小粉罐發(fā)展為大料倉、大粉罐的噴粉系統(tǒng)，噴粉通道升級為耐磨材質，且可實現(xiàn)自動控制，大大提高了噴粉效率與工藝控制精度。

1 噴粉冶金原理概述

1.1 粉劑的沉降與懸浮速度

在噴粉系統(tǒng)工作過程中，要實現(xiàn)冶金粉劑的正常噴射，粉氣流必須處于懸浮流動狀態(tài)，因此首先需要確定粉劑的懸浮速度。

將粉劑粒子簡化為球形，直徑為dp，粒子在流體中自由下落，受到自身重力、流體阻力及浮力三者作用，在達到均勻等速的平衡狀態(tài)時，其速度稱為沉降速度[18]：

式中：pp為粉劑比重，kg/m3；ρg為氣體重度，kg/m3；g為重力加速度，9.8m/s；Cd為迎風阻力系數(shù)，與流動狀態(tài)有關。

式中：Rep為粉劑雷諾數(shù)函數(shù)。將式（2）～式（4）分別代入式（1），則三種情況下沉降速度表達式如式（5）～式（7）所示：

式中：μ為氣體的黏度。

當噴粉罐下方的流化氣體以速度Va通過粉劑時，若Va=Vt，則粉粒處于懸浮狀態(tài)，此時Va即為粉劑的懸浮速度，與沉降速度Vt大小相等，方向相反。對于電爐噴粉而言，碳粉粒度一般要求控制在1～3mm，因此適用于較大顆粒粉劑式（7）。

1.2 粉劑的流態(tài)化

粉劑的流態(tài)化是使固體粉劑由靜止狀態(tài)轉變?yōu)榱鲃訝顟B(tài)的過程。噴粉冶金就是通過載體使粉劑在罐內流態(tài)化，呈懸浮狀，通過管道噴入鋼液內部[19]。通常條件下，固體粉劑不具備流動能力，如果引進一外力，使粉劑之間的孔隙增大，并使每一個顆粒受到一個與重力方向相反的力，則粉劑就具有一定的流動性也就是粉劑已經(jīng)流態(tài)化了。隨著外力的不斷加大，固體粉劑將呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 固態(tài)顆粒床層與外力接觸的不同狀態(tài)

當流體以較小速度穿過粉劑時，粉劑靜止不動，這樣的床層為固定床，如圖1（a）所示，其高度為Hm；當流體速度繼續(xù)加大，粉劑顆粒由流體摩擦力承托，整個床層呈現(xiàn)流體狀態(tài)，此時稱為臨界流態(tài)化，如圖1（b）所示，床層高度為Hmf；當流體速度進一步加大，在液-固系中，床層呈現(xiàn)散式流態(tài)化狀態(tài)，在氣-固系中，床層呈現(xiàn)聚式流態(tài)化狀態(tài)，如圖1（c）、圖1（d）所示，此時的床層高度均可用Hf表示；在細高的流化床層中易出現(xiàn)騰涌現(xiàn)象，粉劑呈現(xiàn)上下往復運動，如圖1（e）所示，這種不穩(wěn)定情況要盡量避免；當流速增大到某一數(shù)值時，顆粒開始被吹出床層，此時狀態(tài)稱為稀相流態(tài)化床，如圖1（f），此時的速度稱為第二臨界速度Ut，在數(shù)值上等于粉劑的懸浮速度Va或與沉降速度Vt，也是電爐噴粉罐流化床設計的重要依據(jù)。

1.3 粉劑的氣力輸送

粉劑從噴粉罐吹出后，氣力輸送使粉劑懸浮于氣流中通過管道進行輸送，粉劑從噴粉罐到鋼液之間的運動稱為氣力輸送。噴粉冶金要求粉劑在管道內的輸送應該是一種懸浮流狀態(tài)，輸送過程穩(wěn)定無“脈動”現(xiàn)象，且能調節(jié)輸粉量。實際應用氣源壓力0.6～0.8 MPa，氣體流量30～100 m3/h，氣粉比為15～30。在氣力輸送過程中，最理想的狀態(tài)是形成穩(wěn)定的懸浮流，最不利的狀態(tài)是形成柱塞流，靠氣體的壓力推動輸送粉粒體。

2 電爐噴粉冶金設備概述

噴粉冶金設備就是利用噴粉冶金原理，在一定時間內將一定數(shù)量的粉狀物料均勻而分散地噴入鋼水的內部，以完成各種冶金反應。國外對用于鈣處理、易氧化元素的合金化和強化冶煉操作，都分別有不完全相同的噴射沒備[20]。目前實際應用的有三種基本類型：西德TN 法、瑞典SL 法、法國IRSID 分配器。

我國目前所用噴粉冶金設備，要求可進行多方面的應用，既可向爐內噴射，又可向鋼包噴射，既要噴射碳粉等非金屬材料，又要噴射硅鈣等合金材料，因此很多設計單位參考SL、IRSID設計原理進行改進設計。為適應現(xiàn)代冶金需要，要求操作的靈活性和可靠性，目前多采用遙感、遙控技術，例如電爐碳氧槍控制可通過操作臺、遙控器、電腦三種方式完成，噴粉速度可做到在線連續(xù)可調等。

噴粉冶金技術在電爐冶煉過程的主要應用表現(xiàn)形式是電爐噴粉。電爐噴粉系統(tǒng)如圖2 所示，主要由料倉、噴粉罐、上料裝置、流化裝置、輸粉系統(tǒng)、噴粉槍、控制系統(tǒng)等組成。

3 噴粉冶金在電爐冶煉中的應用實踐

隨著現(xiàn)代電弧爐大型化、高效化趨勢日益明顯，尤其是近兩年來Consteel 電爐的興起，使噴碳造泡沫渣的冶金需求日益突出。本文以國內某廠100t電爐噴吹系統(tǒng)改造為例，介紹噴粉冶金在電爐冶煉中的應用情況。

3.1 電爐基本技術參數(shù)

該廠100t Consteel 電爐的主要設計技術參數(shù)如表1所示。

圖2 電爐冶煉噴粉示意圖

表1 電爐技術參數(shù)及設計指標

3.2 噴粉冶金技術在該廠的應用情況

該廠電爐由50 t普通電爐改為100t Consteel電爐。由于原噴粉系統(tǒng)不再適應Consteel 電爐大粉量的需求，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，對噴吹系統(tǒng)、工藝、材料等進行了升級改造，使電爐生產(chǎn)指標顯著提升。

1）噴粉系統(tǒng)改造

原電爐為普通電爐，實際噴粉量約5 kg/t，設計用粉量300 kg/爐。改造后，Consteel 電爐噴粉量最大設計30 kg/t，用粉量3 000 kg/爐。表2 為新舊噴粉系統(tǒng)設計對比，圖3為現(xiàn)場噴粉設備情況，圖4為噴粉控制畫面。

由表2、圖3、圖4 可知，為適應Consteel 電爐大噴粉量的需求，新噴粉系統(tǒng)最大的特點是加大了料倉、噴粉罐的儲粉量，并將噴粉管道材質升級為耐磨材料。參考研究者對噴粉系統(tǒng)設計研究[21-22]，實際設計參數(shù)如下：料倉容積30 m3，最大儲粉量21 t，噴粉罐容積3.5 m3。先從上方料倉將碳粉經(jīng)由下粉管道裝入噴粉罐，然后罐內充壓至0.25～3.0 MPa，通入流化氣使碳粉呈稀相流態(tài)化狀態(tài)，由壓力0.2～0.25 MPa 的N2將碳粉帶入耐磨輸粉管道，最后經(jīng)由爐門/爐壁碳槍噴射進爐內。獨特的雙倉雙罐加料模式，有效保證了碳粉供應。

表2 新舊噴粉系統(tǒng)對比

圖3 獨特的雙倉雙罐噴粉設計

圖4 100 t Consteel電爐噴粉系統(tǒng)控制畫面

2）碳粉粒徑研究

研究人員對冶金過程用碳粉或煤粉粒徑作了大量研究[23-24]，結論并不一致，但總體而言，目前碳粉的粒度一般規(guī)定為1～3 mm。以上研究是基于粉劑侵入金屬液增碳為目的，對造泡沫渣的碳粉粒徑并無文獻研究。但塞里茲認為，要使爐渣起泡，碳粉粒徑應大于2 mm，這樣才能更好地與渣中FeO 反應并保持一定時間，如若太細容易被吸走或燃燒掉，降低其利用率；太粗則容易堵塞輸粉管道，且對管道內壁造成損傷。

考慮到現(xiàn)場碳粉實際粒徑很難完全保證在3 mm以下，將粒徑要求放寬至1～4 mm，加大料倉篩網(wǎng)孔徑至6～8 mm 并增加了振動裝置，保證了噴粉順利進行，且造渣效果良好。

3）氧槍噴頭設計優(yōu)化

正式生產(chǎn)后，碳粉消耗量大，波動在25～32 kg/t，平均28 kg/t，經(jīng)多次工藝優(yōu)化后改變不大。課題組討論研究后認為原爐門槍氧流量過大，且為單孔射流，使氧氣流股穿透力強，大部分氧氣參與熔池內部脫碳反應而表面化渣效果差，造成爐渣FeO 低，大量碳粉未能參與反應而被抽走，且對耐材沖刷嚴重，爐齡僅300 爐左右。

根據(jù)電爐噴頭設計理論，重新設計噴頭參數(shù)如表3所示，圖5為噴頭軸向視圖對比。

表3 新舊氧槍噴頭設計參數(shù)對比

圖5 新舊氧槍噴頭對比

由表3及圖5可知，新噴頭最大的改變是將單孔變?yōu)殡p孔，并將馬赫數(shù)由2.1 降至2.0。經(jīng)測算，改為雙孔噴頭之后，顯著減少了沖擊深度，由原來的85 cm減至68 cm。這樣做的好處一是減小了氧氣射流對爐襯的沖擊侵蝕，二是使更多的氧氣可以吹渣，渣中與碳粉反應的FeO 增多，可以更好地造泡沫渣，提高了碳粉利用率。

經(jīng)改進噴粉系統(tǒng)及優(yōu)化噴頭設計后，該廠電爐生產(chǎn)順行，工藝效果明顯，碳粉耗量由28 kg/t降至22 kg/t，爐齡由300爐增至大于400爐，電耗降低30～60 kW·h/t至350 kW·h/t，冶煉周期縮短至42 min。

4 結 語

噴粉冶金作為20 世紀六七十年代發(fā)展起來的技術，距今已有50 多年的歷史，現(xiàn)在仍廣泛應用于冶金過程。本文對噴粉冶金的國內外狀況進行了充分調研，對噴粉冶金技術、裝備、原理進行了系統(tǒng)論述，并以某廠100 t Consteel 電爐噴粉系統(tǒng)應用實踐為例，闡述了噴粉冶金在電爐冶煉中的重要作用。電爐噴碳粉從機理上符合造泡沫渣的條件，既能產(chǎn)生氣泡，又能提高泡沫的穩(wěn)定性，對超高功率電爐長弧操作意義重大。根據(jù)現(xiàn)場實踐結果，100 t 全廢鋼Consteel 電爐采用新改造優(yōu)化噴粉系統(tǒng)后，碳粉耗量由28 kg/t降至22 kg/t，電耗降至350 kW·h/t，縮短冶煉周期至42 min。