高爐配加廢鋼下的燃料消耗定量分析

王曉光，朱云杰

（德龍鋼鐵有限公司，河北邢臺(tái)054009）

0 引言

隨著鋼鐵需求關(guān)系的改善，加之鋼鐵庫(kù)存的減少，鋼鐵行業(yè)逐漸轉(zhuǎn)暖。在高爐產(chǎn)能審批條件日益嚴(yán)峻的前提下，擴(kuò)大高爐的產(chǎn)能，降低高爐的生產(chǎn)成本成為各大鋼廠增加利潤(rùn)的手段。許多高爐采用配加部分廢鋼替代鐵礦石入爐冶煉，不但提高了綜合入爐品位、節(jié)約了焦比，而且高爐比電爐更加節(jié)能，CO2排放量?jī)H為“鐵礦石-高爐-轉(zhuǎn)爐”流程CO2排放總量的1/5[1]。通過(guò)對(duì)比周邊廠家，有些廠家的廢鋼比例達(dá)到了150 kg/t，然而，在歐洲和北美國(guó)家的許多高爐使用爐料中廢鋼或金屬料的比例最高甚至超過(guò)了200 kg/t[10]。從廢鋼加入高爐到最后生成鐵水，主要包括本身碳含量的增加以及溫度升高這兩個(gè)變化，由能量守恒定律可知，含碳量及溫度的變化主要依靠燃料的消耗來(lái)完成。

1 研究過(guò)程及分析

從圖1中可以看出，廢鋼和鐵水主要區(qū)別在于含碳量。一般來(lái)說(shuō)，廢鋼碳含量在0.2%～2.11%，而鐵水含碳量一般均在4.3%以上，廢鋼含碳量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于生鐵，因此廢鋼被加入高爐后，需要一個(gè)強(qiáng)烈的增碳過(guò)程，這個(gè)過(guò)程中的碳消耗由焦炭補(bǔ)給。此外，各種廢鋼在高爐內(nèi)的變化屬于物理變化，在爐內(nèi)的行為僅為加熱熔化的過(guò)程，無(wú)需像其它含鐵料一樣需要消耗巨大還原熱以及較長(zhǎng)的爐內(nèi)冶煉時(shí)間，因此高爐加入廢鋼后，其在高爐內(nèi)只需要被熔化消耗熱量[4，9]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)一定比例的廢鋼加入高爐被熔化后，估算使用廢鋼的高爐工序能耗約為104 kgce/t鐵水[5]。另外，鐵水在轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中，因含碳含硅，又為煉鋼提供了冶煉過(guò)程中所需的部分能量[7，8]，總體來(lái)說(shuō)，其能耗基本上沒(méi)有增加，甚至?xí)?shí)現(xiàn)“負(fù)能”煉鋼。

1.1 熔化廢鋼量所需焦炭量

通過(guò)物質(zhì)物理特性可知，生鐵比熱容0.46 KJ/kg℃，我公司的高爐煤氣利用率大約為44%，焦炭在高爐內(nèi)與氧氣的反應(yīng)存完全反應(yīng)和不完全反應(yīng)兩種反應(yīng)方式，即反應(yīng)方程式①和②。因此，將常溫下的廢鋼加入高爐后，生成熔融鐵水的熱量可以通過(guò)如下公式計(jì)算得到：

圖1 鐵碳相圖

根據(jù)物理熱平衡計(jì)算公式Q吸=Q放的原理：

式中，Q吸為熔化1 t生鐵所需的熱量，kJ；Q放為熔化1 t生鐵所需焦炭放出的熱量，kJ；C生鐵為生鐵的比熱容，kJ/kg·℃；q為焦炭的熱值，kJ/kg（一般焦炭熱值36 380kJ/kg）；m1、m2分別為生鐵和焦炭的質(zhì)量，kg；Δt為廢鋼熔化前后的溫度差，℃（鐵水溫度按1 500℃與室溫差值計(jì)算）。

通過(guò)計(jì)算可以得到：m2=52 kg

在目前的中小型高爐操作中，焦炭的利用率為0.5～0.6[2]，根據(jù)我公司爐型，取利用率 0.5[6]，通過(guò)計(jì)算，我公司高爐加入1 t廢鋼實(shí)際需要熔化熱量的焦炭量大約為：

1.2 廢鋼增碳所需焦炭量

根據(jù)物質(zhì)守恒公式：

式中，C增為熔化1 t廢鋼所需的增碳量，kg；C終為廢鋼在高爐熔化后最終的含碳量，%；C初為廢鋼在加入高爐之前的初始含碳量，%。

由于廢鋼中含碳量相對(duì)很低，一般在0.2%～2.11%，這里含碳量取中間值0.5%（根據(jù)廢鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整），而鐵水中的含碳量基本上都是飽和含碳量，含碳量在4.3%。通過(guò)理論計(jì)算可以得到，高爐每加入1t廢鋼，根據(jù)含碳量差值，增碳所需的焦炭量大約為38kg。

2 研究結(jié)果

參照1.2和1.2節(jié)的計(jì)算結(jié)果可知，我公司高爐配加1 t廢鋼所需的焦炭消耗量大約為142 kg，將此數(shù)值作為7月、8月高爐入爐料中配加廢鋼時(shí)焦炭消耗量的參考，再根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的各個(gè)參數(shù)變化合理調(diào)整廢鋼及燃料的加入量，對(duì)7、8兩個(gè)月高爐的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。高爐生產(chǎn)車間的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 高爐實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)比看出，8月份比7月份廢鋼比下降46.6 kg/t，日廢鋼量下降138.8 t，高爐綜合焦比上升10.1 kg/t，日燃料消耗增加20 t。根據(jù)上述對(duì)比可知，廢鋼比降低導(dǎo)致燃料升高，而上升的燃料比可以通過(guò)產(chǎn)量的降低和燃料比值求得。因此，通過(guò)計(jì)算可以得到，在實(shí)際生產(chǎn)中，我公司高爐爐料中每多配加1 t廢鋼，需要多消耗的燃料量為144.09 kg，與上述理論計(jì)算值相差不多，此計(jì)算方法可作為高爐配加廢鋼時(shí)焦炭用量的計(jì)算模型。

3 結(jié)論

我公司高爐加入1 t廢鋼實(shí)際需要熔化熱量的焦炭量為104 kg，根據(jù)含碳量差值，加入1 t廢鋼需要增碳的焦炭量大約為38 kg，總共需要142 kg。通過(guò)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)得統(tǒng)計(jì)計(jì)算可知，我公司熔化噸鋼廢鋼消耗的燃料量為144.09 kg，與理論計(jì)算值接近，因此理論計(jì)算可以作為實(shí)際生產(chǎn)的數(shù)據(jù)指導(dǎo)。