崔 猛,許衛(wèi)軍
(天津市新天鋼聯(lián)合特鋼有限公司,天津 301500)
我國是世界最大的鋼鐵生產(chǎn)國,但資源與能源相對匱乏,鋼鐵行業(yè)從粗獷型高產(chǎn)模式,亟須轉(zhuǎn)變?yōu)榈统杀?、低能耗、高效率的生產(chǎn)模式,提高低碳生產(chǎn)能力迫在眉睫。轉(zhuǎn)爐工序是鋼鐵生產(chǎn)過程中的關鍵環(huán)節(jié)之一,其能效的提升不僅降低能源消耗和環(huán)境污染,還能提高經(jīng)濟效益,因此降低轉(zhuǎn)爐工序能耗對保證鋼鐵工業(yè)健康發(fā)展具有重要意義[1-2]。2022年發(fā)布的《鋼鐵行業(yè)節(jié)能降碳改造升級實施指南》中指出,轉(zhuǎn)爐工序能效標桿水平為-30 kgce/t,為鋼鐵行業(yè)低碳發(fā)展提供重要指引。
天津市新天鋼聯(lián)合特鋼有限公司煉鋼廠(簡稱聯(lián)合特鋼煉鋼廠)配套3座120 t轉(zhuǎn)爐,2019年轉(zhuǎn)爐工序綜合能耗為-21.3 kgce/t,離能效標桿水平有一定差距。為此,聯(lián)合特鋼煉鋼廠對轉(zhuǎn)爐工序能效進行深入分析和研究,對轉(zhuǎn)爐高廢鋼比冶煉、高效冶煉、煤氣回收等技術進行綜合改進,提高了工序能效。
轉(zhuǎn)爐工序能耗計算公式為:
式中:Ezl為轉(zhuǎn)爐工序能耗,kgce/t;Ezlz為轉(zhuǎn)爐工序消耗能源介質(zhì)折合為標準煤總量,kg;Ezlh為轉(zhuǎn)爐工序回收能源折合標準煤總量,kg;Pzl為轉(zhuǎn)爐工序合格鋼產(chǎn)量,t。
轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率提高后,可以有效降低煉鋼工序各類介質(zhì)的平均消耗,煉鋼流程的熱效率提高,各環(huán)節(jié)的能源損耗大幅降低[3]。對國內(nèi)部分冶金企業(yè)轉(zhuǎn)爐年產(chǎn)量進行統(tǒng)計表明,當轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率>0.7 萬t/(t·a)時,煉鋼流程可以實現(xiàn)負能煉鋼[4]。
2022年中鋼協(xié)會員單位能耗數(shù)據(jù)顯示,高爐煉鐵工序的平均能耗為387.91 kgce,約占長流程鋼鐵企業(yè)全流程能耗的70%。廢鋼是綠色鐵素資源,轉(zhuǎn)爐采用大廢鋼比可有效降低碳排放,還可降低氧氣消耗,減少SO2的排放,減少煉鋼對環(huán)境的污染,轉(zhuǎn)爐煉鋼過程高廢鋼比,負能煉鋼水平將進一步提高,整個鋼鐵流程的能耗也將降低。通過統(tǒng)計聯(lián)合特鋼噸鋼綜合能耗和鐵鋼比控制關系,鐵鋼比升高時,煉鋼綜合能耗升高明顯。
轉(zhuǎn)爐工序消耗大量的水、電、氣能源介質(zhì),回收二次能源為轉(zhuǎn)爐煤氣和蒸汽,其中轉(zhuǎn)爐煤氣回收所占比例較大。提高轉(zhuǎn)爐煤氣的回收能力,可降低煉鋼成本,降低污染物排放,高效回收轉(zhuǎn)爐煤氣可以有效提升轉(zhuǎn)爐工序能效。
為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐高能效生產(chǎn),聯(lián)合特鋼煉鋼廠針對影響轉(zhuǎn)爐能效的主要因素,從提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率、提高廢鋼比以及提高煤氣回收3個方面采取了系列措施。
3.1.1 氧槍吹煉工藝改進
聯(lián)合特鋼煉鋼廠主要采用低鐵耗生產(chǎn)模式,通過分析轉(zhuǎn)爐低鐵耗入爐物料結構和主要成分特點,開發(fā)轉(zhuǎn)爐大流量供氧分階段耦合技術,以提高氧氣吹煉利用率,降低轉(zhuǎn)爐氧氣噸鋼消耗。
氧槍常規(guī)開吹槍位1.6~2.0 m,由于采用低鐵耗冶煉,前期加入大量廢鋼,熔池內(nèi)液面較高,需要調(diào)整轉(zhuǎn)爐吹煉工藝參數(shù),氧槍的開吹槍位設定在4 m,可實現(xiàn)更好的廢鋼前期熔化;進入硅錳反應期,適當降槍升溫;吹煉中期“返干”時可小幅提高槍位,過程中根據(jù)碳氧反應強度及爐口火焰狀況,選取合適的氧槍操作模式;終點前,將氧槍降到1.0~1.2 m,槍位按照“高低高低”模式,吹煉全程較為平穩(wěn),噴濺率大幅降低[5]。槍位與吹煉時間控制見圖1。
圖1 槍位與吹煉時間控制
3.1.2 氧槍銅頭參數(shù)調(diào)整
高廢鋼比模式下,為縮短轉(zhuǎn)爐供氧時間,對氧槍及供氧系統(tǒng)進行研究與開發(fā),保持有效沖擊深度的同時,促進轉(zhuǎn)爐快速成渣。聯(lián)合特鋼煉鋼廠120 t轉(zhuǎn)爐采用新設計氧槍,新氧槍將噴孔中心線與氧槍軸線的夾角由12.5°調(diào)整至12°。根據(jù)水模與數(shù)模實驗結果,確立轉(zhuǎn)爐煉鋼氧槍合理參數(shù):實際流量25 000~28 000 m3/h 時,熔池獲得較好的攪拌能,混勻時間最短;實際槍位1 388~1 808 mm 時,熔池攪拌能力較好,混勻時間短;實際槍位1 488~1 648 mm時可得到較好的液面擾動效果。
新氧槍銅頭相關技術參數(shù)在高廢鋼比模式下的操作更加合理,加之新氧槍氧氣流量增加,攪拌強度加大,冶煉效果好。工藝優(yōu)化后新氧槍供氧強度噸鋼達到4 m3/min(優(yōu)化前為3.5 m3/min),供氧時間11 min/爐(優(yōu)化前13 min/爐)。
3.1.3 轉(zhuǎn)爐出鋼系統(tǒng)效率提升
轉(zhuǎn)爐出鋼時間是影響轉(zhuǎn)爐節(jié)奏一個關鍵環(huán)節(jié)。減少出鋼時間,可以有效提高轉(zhuǎn)爐吹煉節(jié)奏。聯(lián)合特鋼煉鋼廠原使用的出鋼口內(nèi)孔通徑為180 mm,出鋼時間4~7 min,通過采用錐形出鋼口,均勻鋼水流速,出鋼孔外側湍流明顯減小,出鋼口孔徑提高至220 mm,大幅降低了出鋼時間。在出鋼過程,通過爐口向轉(zhuǎn)爐渣面分散性加入除塵鋼泥作為冷卻壓渣料,主要組分為:TFe 為48%~55%,SiO2為4%~6%,CaO 為10%~15%,MgO 為3%~5%,MnO為1%~2%,Zn<0.03%,S<0.15%,H2O<8%~12%,起到冷卻壓渣作用,減少了出鋼過程的爐口溢渣。出鋼時間縮短為3~5 min,提高了轉(zhuǎn)爐效率,出鋼溫度損失減小。
3.1.4 提高過LF處理占比
采用全程過精煉生產(chǎn)模式,利用精煉作為轉(zhuǎn)爐與連鑄的緩沖,精煉比不低于95%,減輕轉(zhuǎn)爐出鋼壓力,鋼水成分和溫度在滿足基本要求的情況下即可出鋼,提升轉(zhuǎn)爐高效出鋼的穩(wěn)定性,供連鑄鋼水合格率高達99%以上。
聯(lián)合特鋼作為一家長流程鋼鐵生產(chǎn)企業(yè),積極開發(fā)全流程高廢鋼比技術,用最少的鐵生產(chǎn)最多的鋼,降低能源消耗和碳排放,將長流程煉鋼廢鋼比提到35%以上。
3.2.1 鋼包加蓋減少流程熱損失
采用鋼包加蓋工藝,減少鋼水向環(huán)境的散熱,轉(zhuǎn)爐出鋼至澆鑄過程的鋼水溫降進一步降低,出鋼溫度降低5~10 ℃,節(jié)約精煉環(huán)節(jié)的電力消耗。
3.2.2 生產(chǎn)組織優(yōu)化
加強鐵包、鋼包跟蹤管理與實際生產(chǎn)相結合,減少熱損失。主要措施:
(1)確保轉(zhuǎn)爐爐后溫度在1 560 ℃以上,轉(zhuǎn)爐根據(jù)鐵水條件及時調(diào)整廢鋼加入量和廢鋼種類配比,優(yōu)化生產(chǎn)節(jié)奏,達到穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。轉(zhuǎn)爐出鋼后溫度達到1 580 ℃以上時,在爐后加入1~2 t 廢鋼小料或者鐵塊,以達到增加鋼水量的目的,降低鋼鐵料消耗,提高金屬收得率。(2)鋼水進精煉站后,根據(jù)鋼水進站溫度、供鋼節(jié)奏、連鑄的拉速周期確定精煉給電時間和加入廢鋼小料的量,以達到合理的供鋼時機和足夠的鋼液軟吹時間。(3)轉(zhuǎn)爐冶煉周期按22 min,每座連鑄機的拉速周期按平均28 min 計算,在三轉(zhuǎn)爐三精煉四連鑄機的生產(chǎn)情況下,嚴控最大在線鋼包數(shù)為15個。
3.2.3 轉(zhuǎn)爐爐后廢鋼預熱
為降低廢鋼降溫幅度,采用爐外廢鋼預熱模式,把廢鋼預熱后再加入鋼包或精煉爐中[6]。廢鋼預熱系統(tǒng)布置在轉(zhuǎn)爐后,合金、廢鋼預熱量每爐3~5 t,預熱15~20 min,預熱廢鋼溫度接近800 ℃。
3.3.1 轉(zhuǎn)爐煤氣回收
對影響轉(zhuǎn)爐煤氣回收的因素進行分析,確定影響煤氣回收的關鍵因素,調(diào)整轉(zhuǎn)爐操作、優(yōu)化喉口設定、改進回收條件、爐口微差壓控制、加強操作以及設備管理等措施,使煤氣回收量由110 m3/t 提高到170 m3/t以上,實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐煤氣零放散。
3.3.2 鋼包烘烤器節(jié)能改造
鋼包經(jīng)過煤氣烘烤后才能夠使用,普通烘烤器排出煙氣溫度在800 ℃以上,熱量損失占燃料總熱量的50%~70%,聯(lián)合特鋼煉鋼廠通過對烘烤器節(jié)能改造,將空氣預熱到接近1 000 ℃,而排出煙氣溫度可低于150 ℃。結合鋼包烘烤溫度,通過合理控制烘烤器空氣與燃氣比例,將鋼包烘烤溫度、煤氣用量控制在合理區(qū)間,節(jié)省煤氣840 萬m3/a,提高了設備熱效率,減少了對大氣的溫室氣體排放。
聯(lián)合特鋼煉鋼廠120 t 轉(zhuǎn)爐通過提高生產(chǎn)效率、減少鐵水消耗、增加煤氣回收,平均冶煉周期由35 min 降低至22 min,轉(zhuǎn)爐全爐役平均鐵鋼比達到720 kg/t以下,實現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐煤氣資源高效回收利用,轉(zhuǎn)爐工序能耗達到-30 kgce/t 以下,經(jīng)濟和社會效益顯著,經(jīng)天津市發(fā)改委認定,轉(zhuǎn)爐工序能效“優(yōu)于標桿水平”,該項技術對實現(xiàn)行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展,具有良好的借鑒意義。