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      高廢鋼比對轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的影響及應(yīng)對措施分析

      2024-01-07 08:50:50
      山西冶金 2023年7期
      關(guān)鍵詞:爐襯煉鋼廠無煙煤

      侯 榮

      (南京鋼鐵聯(lián)合有限公司第一煉鋼廠,江蘇 南京 210035)

      0 引言

      轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝是我國大部分煉鋼廠的基礎(chǔ)煉鋼工藝,主要煉鋼原料為廢鋼和鐵水[1]。在各個行業(yè)對于鋼材質(zhì)量要求不斷提高、高爐鐵水煉鋼成本持續(xù)增加、優(yōu)質(zhì)焦煤資源數(shù)量日漸減少、節(jié)能減排壓力逐步增大的形勢下,我國廢鋼產(chǎn)生量一直處于增長態(tài)勢,廢鋼市場銷售價格則持續(xù)降低,煉鋼廠通過轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝不但能夠減少對煉鋼原材料和資源的依賴程度,還能夠?qū)崿F(xiàn)對廢鋼等煉鋼資源的有效利用,有利于同時實現(xiàn)減少工業(yè)生產(chǎn)資源消耗和環(huán)境污染影響的雙重目標(biāo)。近年來,為了充分應(yīng)用轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝,許多煉鋼廠從原本的低廢鋼轉(zhuǎn)向了高廢鋼比,因此有必要強化高廢鋼比對轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的影響分析。

      1 轉(zhuǎn)爐高廢鋼比煉鋼的關(guān)鍵單元技術(shù)

      1.1 廢鋼預(yù)熱技術(shù)

      廢鋼預(yù)熱是為提高轉(zhuǎn)爐煉鋼廢鋼比的基礎(chǔ)技術(shù),常見廢鋼預(yù)熱形式包括爐內(nèi)預(yù)熱和爐外預(yù)熱[2]。其中,爐內(nèi)預(yù)熱指的是在轉(zhuǎn)爐內(nèi)先后加入廢鋼和燃料,上部噴吹燃料達到的廢鋼預(yù)熱效率約為50%,下部噴吹燃料達到的廢鋼預(yù)熱效率約為70%。爐內(nèi)預(yù)熱形式的最大問題是噴吹燃料會占用煉鋼時間,為了解決這一問題,有國外公司選擇同時進行下部噴吹燃料、側(cè)吹燃料的廢鋼預(yù)熱燃料添加形式。而爐外預(yù)熱主要是通過轉(zhuǎn)爐爐氣的物理熱和化學(xué)熱完成廢鋼預(yù)熱操作,該預(yù)熱方式最大問題是廢鋼能夠吸收的爐氣熱量有限[2]。

      在此基礎(chǔ)上,提出一種在鐵水包內(nèi)展開預(yù)熱的廢鋼預(yù)熱形式,具體工藝流程是,在鐵水包內(nèi)放置規(guī)格較小的廢鋼,通過鐵水包烘包產(chǎn)生的熱量對廢鋼展開預(yù)熱。如果廢鋼預(yù)熱溫度達到1 000 ℃時,廢鋼比能夠提高18%。根據(jù)能量平衡及物料平衡的原則,可以繪制如圖1 所示的轉(zhuǎn)爐廢鋼比增加量與鐵水溫度增加量關(guān)系圖。

      圖1 轉(zhuǎn)爐廢鋼比增加量與鐵水溫度增加量關(guān)系圖

      1.2 二次燃燒技術(shù)

      二次燃燒在轉(zhuǎn)爐高煉鋼中的應(yīng)用不但能夠提高廢鋼比,也不會增加煉鋼時間[3]。具體來講,煉鋼廠可以通過上調(diào)頂吹氧槍位置的形式增加二次燃燒率,為了避免槍位上調(diào)削弱O2射流沖擊能力,有技術(shù)人員研發(fā)了具備副孔吹氧功能的二次燃燒氧槍。部分煉鋼廠應(yīng)用轉(zhuǎn)爐側(cè)面設(shè)置了噴嘴,通過調(diào)整噴嘴位置和角度,也能夠增加二次燃燒率。頂吹氧槍位置、調(diào)整噴嘴位置和角度調(diào)整均能夠?qū)U鋼的二次燃燒率提高至30%左右,是轉(zhuǎn)爐煉鋼二次燃燒率提高的極限值,此時的廢鋼比能夠提高10%。

      1.3 燃料添加技術(shù)

      添加或變更燃料是提高轉(zhuǎn)爐煉鋼廢鋼比的直接技術(shù),考慮到從頂部添加煤炭的成本較高,現(xiàn)展開了關(guān)于無電冶煉無煙煤燃料添加技術(shù)應(yīng)用效果的研究,同時通過工業(yè)實驗和理論計算兩種形式,計算了轉(zhuǎn)爐廢鋼比增加量與無煙煤補充量的關(guān)系,由圖2 可以看出,從頂部添加煤炭能夠獲得的效果有限,因此選擇應(yīng)用底吹碳粉爐形式,并且設(shè)計了相應(yīng)的爐底噴嘴。

      圖2 轉(zhuǎn)爐廢鋼比增加量與無煙煤補充量關(guān)系圖

      2 高廢鋼比對轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的影響

      2.1 影響轉(zhuǎn)爐終點碳溫控制

      高廢鋼比會影響轉(zhuǎn)爐開吹打火難度及轉(zhuǎn)爐成渣質(zhì)量,從而對轉(zhuǎn)爐終點碳溫控制產(chǎn)生影響。鐵水冷凝-冷凝層融化-廢鋼滲碳融化為轉(zhuǎn)爐熔池內(nèi)廢鋼融化的基本流程。在高廢鋼比下,規(guī)格較小、表面積較大的廢鋼在煉鋼前期的融化效率較高,會降低轉(zhuǎn)爐熔池溫度,增加轉(zhuǎn)爐開吹打火難度。如果使用的是干法除塵工藝,為了控制卸爆需要采用低氧壓打火方式,則會進一步增加高廢鋼比導(dǎo)致的轉(zhuǎn)爐開吹打火難度。當(dāng)轉(zhuǎn)爐開吹打火難度到達一定程度后,煉鋼廠便無法實現(xiàn)對煉鋼過程溫度及轉(zhuǎn)爐終點碳溫的準(zhǔn)確控制[3]。

      在轉(zhuǎn)爐熔池溫度較低的情況下,熔池傳質(zhì)速度、傳熱速度均會降低,從而降低吹氧反應(yīng)區(qū)熱量向其他區(qū)域擴散的速度,降低熔劑升溫效率,最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐成渣困難。為了提高熔劑升溫效率,煉鋼廠會選擇應(yīng)用提溫劑,從而實現(xiàn)增加轉(zhuǎn)爐成渣數(shù)量、降低轉(zhuǎn)爐成渣質(zhì)量的目的。在轉(zhuǎn)爐成渣不利的影響下,煉鋼廠對于轉(zhuǎn)爐終點碳溫的命中率便會下降,甚至可能導(dǎo)致過氧化爐次增加及高溫?zé)掍摰葐栴}。

      2.2 加大轉(zhuǎn)爐爐襯維護難度

      在高廢鋼比爐次中,廢鋼的加入量會直線提高,廢鋼加入操作會對轉(zhuǎn)爐爐襯表面造成一定沖擊,廢鋼加入量越大,表示廢鋼對于轉(zhuǎn)爐爐襯表面的沖擊力越大。再加上廢鋼槽容量有限、重型廢鋼占廢鋼比例較高、煉鋼廠持續(xù)提高廢鋼比等因素的影響,廢鋼對于轉(zhuǎn)爐爐襯表面的沖擊力會一直處于持續(xù)增長的趨勢,這就增加了沖擊機械作用強度、延長了對轉(zhuǎn)爐爐襯大面積耐材的沖擊時間,進而增加了轉(zhuǎn)爐爐襯消耗率,加大了轉(zhuǎn)爐爐襯維修難度。

      此外,在煉鋼前期,由于轉(zhuǎn)爐熔池溫度較低、轉(zhuǎn)爐成渣質(zhì)量較低,導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐內(nèi)堿度過低,轉(zhuǎn)爐爐襯受到侵蝕較為嚴(yán)重。高廢鋼比會降低鐵水比,尚不成熟的轉(zhuǎn)爐高廢鋼比煉鋼技術(shù)操作會增加爐次,這些都會增加FeO 元素的轉(zhuǎn)爐成渣占比,降低轉(zhuǎn)爐爐襯的濺渣護爐效果,長此以往還會降低濺渣層厚度,對轉(zhuǎn)爐爐襯后期運行維護造成不利影響。

      2.3 增加煉鋼終點鋼水氮含量

      提溫劑不但能夠提高熔劑升溫效率,還會增加轉(zhuǎn)爐回硫量,從而增加煉鋼終點鋼水氮含量。煉鋼廠想要提高廢鋼比,便需要增加外購廢鋼數(shù)量,因無法掌握外購廢鋼含硫量,導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐煉鋼回硫量存在波動變化,造成較為顯著的煉鋼終點鋼水氮含量變化。為了豐富轉(zhuǎn)爐熱源,煉鋼廠一般會選擇以焦炭為主的提溫劑,焦炭的含硫量較高,可以強化轉(zhuǎn)爐煉鋼回硫量波動變化。

      為了提高規(guī)格較小、表面積較小廢鋼的融化效率,適當(dāng)減少提溫劑的使用量,使得煉鋼終點鋼水氮含量控制向下傾斜,最終增加鋼水氮含量。

      3 高廢鋼比對轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝影響的應(yīng)對措施

      3.1 優(yōu)化沙鋼無煙煤應(yīng)用

      為了準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)爐終點碳溫,煉鋼廠需要選擇應(yīng)用無煙煤,沙鋼無煙煤在轉(zhuǎn)爐煉鋼中的應(yīng)用能夠大幅度提高無煙煤利用率,具體工藝流程是,在廢鋼斗放置廢鋼及沙鋼無煙煤同時加入轉(zhuǎn)爐,再加入相應(yīng)比例的鐵水進行氧槍吹煉。具體沙鋼無煙煤添加量需要根據(jù)鐵水溫度及硅含量確定,并且根據(jù)實際情況調(diào)整,現(xiàn)以鐵水溫度為1 350 ℃為例,統(tǒng)計如表1 所示的鐵水硅含量與沙鋼無煙煤添加量關(guān)系。

      表1 鐵水硅含量與沙鋼無煙煤添加量關(guān)系統(tǒng)計表

      3.2 優(yōu)化廢鋼質(zhì)量管理

      為了降低轉(zhuǎn)爐爐襯維護難度,煉鋼廠需要從根本上減少廢鋼對轉(zhuǎn)爐爐襯表面的沖擊力,具體方式是調(diào)整應(yīng)用廢鋼的規(guī)格和結(jié)構(gòu)。

      煉鋼廠需要嚴(yán)格控制廢鋼規(guī)格,尤其是報廢鑄坯廢鋼、坯頭廢鋼、中間包殘廢鋼。具體來講,煉鋼廠可以根據(jù)轉(zhuǎn)爐運行技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn),針對不同類型廢鋼設(shè)置切割標(biāo)準(zhǔn)、確定切割次數(shù),以此來實現(xiàn)對于廢鋼規(guī)格及重量的有效控制。如果需要外購廢鋼,煉鋼廠需要盡量采購原始規(guī)格較小的生鐵塊和破碎料廢鋼。

      煉鋼廠需要強化對廢鋼結(jié)構(gòu)控制的嚴(yán)格程度,盡量降低低碳廢鋼、非板狀廢鋼的占比,實現(xiàn)對煉鋼前期廢鋼融化效率的有效控制,避免出現(xiàn)融化效率過高或過低的問題?,F(xiàn)總結(jié)基本廢鋼結(jié)構(gòu)占比要求如下:規(guī)格較小生鐵塊和破碎料廢鋼占比約為40%;坯頭廢鋼占比≤20%;低碳廢鋼、非板狀廢鋼占比≤20%;自產(chǎn)廢鋼占比約為20%。

      3.3 優(yōu)化提溫劑的應(yīng)用

      為了有效控制提溫劑對于煉鋼終點鋼水氮含量的影響,煉鋼廠需要科學(xué)選擇提溫劑。碳化鈣在轉(zhuǎn)爐中的融化效率較低,并且應(yīng)用成本較高,不適合作為轉(zhuǎn)爐高廢鋼比煉鋼提溫劑。碳化硅容易產(chǎn)生SiO2,對于添加量的要求較高,作為提溫劑應(yīng)用也會受到限制。硅鐵的穩(wěn)定性控制難度較低,應(yīng)用技術(shù)流程簡單,添加量的控制較為靈活,但成本高,或多或少會產(chǎn)生SiO2,作為提溫劑同樣會受到限制。焦炭的融化效率較高,應(yīng)用成本較低,因此被廣泛應(yīng)用,但是需要注意掌握添加量,避免因添加量過大導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐含硫量過高。

      3.4 優(yōu)化轉(zhuǎn)爐成渣工藝

      為了實現(xiàn)對轉(zhuǎn)爐終點碳溫的準(zhǔn)確控制,煉鋼廠需要通過科學(xué)的轉(zhuǎn)爐成渣工藝提高轉(zhuǎn)爐成渣質(zhì)量。主流轉(zhuǎn)爐成渣工藝分為鈣質(zhì)成渣工藝、鐵質(zhì)成渣工藝兩種,兩種工藝的最終目標(biāo)均為改善轉(zhuǎn)爐成渣的流動性及堿度,確保轉(zhuǎn)爐成渣質(zhì)量能夠達到濺渣護爐技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在低廢鋼比轉(zhuǎn)爐煉鋼模式中,煉鋼廠一般選擇鈣質(zhì)成渣工藝,考慮到高廢鋼比轉(zhuǎn)爐煉鋼的顯著特征為煉鋼前期熔池溫度偏低,更適合應(yīng)用鐵質(zhì)成渣工藝。

      鐵質(zhì)成渣工藝具體工藝流程是,分批次在轉(zhuǎn)爐中加入造渣劑,首先加入鎂質(zhì)熔劑,將加入時間延遲2 min 左右,以此來提高煉鋼前期廢鋼融化效率,為熔池溫度升高提供助推力,還可以在轉(zhuǎn)爐成渣中加入MgO,以此來提高FeO 含量;隨后結(jié)合具體轉(zhuǎn)爐成渣情況,分3~5 次加入造渣劑,逐步提高CaO 含量;在轉(zhuǎn)爐煉鋼后期,需要及時下調(diào)頂吹氧槍位置,將轉(zhuǎn)爐成渣w(MgO)控制在9%左右。

      4 結(jié)論

      1)轉(zhuǎn)爐高廢鋼比煉鋼關(guān)鍵單元技術(shù)主要包括廢鋼預(yù)熱技術(shù)、二次燃燒技術(shù)、燃料添加技術(shù)、轉(zhuǎn)爐底噴粉技術(shù),在這些關(guān)鍵技術(shù)的支持下,轉(zhuǎn)爐煉鋼作業(yè)才能夠獲得足夠的熱量供應(yīng)。

      2)高廢鋼比能夠影響轉(zhuǎn)爐終點碳溫控制,加大轉(zhuǎn)爐爐襯維護難度,增加煉鋼終點鋼水氮含量,從而對轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝實施質(zhì)量及效率產(chǎn)生不同程序的影響。

      3)為了有效應(yīng)對高廢鋼比對轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的影響,煉鋼廠可以采取優(yōu)化沙鋼無煙煤應(yīng)用、優(yōu)化廢鋼質(zhì)量管理、優(yōu)化提溫劑應(yīng)用、優(yōu)化轉(zhuǎn)爐成渣工藝、優(yōu)化轉(zhuǎn)爐操作工藝等具體應(yīng)對措施,從而提高轉(zhuǎn)爐高廢鋼比煉鋼效果。

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