淺析鐵鋼界面魚雷罐加廢鋼工藝

王明月,陳國(guó)軍

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

鋼鐵生產(chǎn)能源強(qiáng)度很大程度上受廢鋼和鐵礦石使用比例、鐵礦石質(zhì)量的影響,鐵鋼比降低0.1,噸鋼綜合能耗降低約50 kgce/t[1-2](1 kgce/t=29.30 MJ)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中,70%以上的能源消耗、60%以上的碳排放發(fā)生在煉鐵區(qū)域。廢鋼應(yīng)用是鋼鐵節(jié)能增效增產(chǎn)、雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的路徑之一。隨著廢鋼積蓄量的提高,廢鋼回收、分類網(wǎng)絡(luò)的完善帶來的成本下降,以及鋼廠限煤限碳的要求,轉(zhuǎn)爐大廢鋼比冶煉是未來煉鋼趨勢(shì)之一。受限于鐵水蓄熱量限制,鋼鐵企業(yè)通過廢鋼預(yù)熱,轉(zhuǎn)爐內(nèi)加發(fā)熱劑,強(qiáng)化轉(zhuǎn)爐內(nèi)熔池?cái)嚢?鐵水運(yùn)輸過程保溫,魚雷罐、鐵包、鋼包中加廢鋼等措施,不斷提高鋼水冶煉廢鋼比上限,成效顯著。

魚雷罐加廢鋼工藝,是指魚雷罐倒鐵結(jié)束空罐時(shí),向其中加入適量的輕薄廢鋼料,一般不超過鐵水裝載量的4%。廢鋼在隨魚雷罐空罐運(yùn)行的過程中被預(yù)熱,隨后在魚雷罐運(yùn)行至高爐下受鐵后逐漸熔于鐵水中。該工藝抑制了魚雷罐空罐階段耐材對(duì)環(huán)境的輻射、對(duì)流散熱損失,并實(shí)現(xiàn)耐材蓄熱利用,提高了轉(zhuǎn)爐冶煉廢鋼比。魚雷罐中廢鋼的熔化行為及對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行的影響,是魚雷罐加廢鋼技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。為更好地支撐魚雷罐加廢鋼工藝現(xiàn)場(chǎng)常態(tài)化應(yīng)用,本文結(jié)合專家學(xué)者研究成果和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐,分析了廢鋼的熔化行為及影響因素,從設(shè)備可靠性、資源能源利用、工藝穩(wěn)定性等角度分析了魚雷罐加廢鋼工藝的特征。

1 廢鋼的熔化過程及影響因素

魚雷罐中廢鋼熔于鐵水(或稱作熔池)的過程與電爐、轉(zhuǎn)爐內(nèi)廢鋼熔化過程一致。廢鋼熔于鐵水是傳熱、傳質(zhì)共同作用的結(jié)果。對(duì)于廢鋼熔點(diǎn)高于鐵水溫度、廢鋼碳含量低于鐵水碳含量的體系,鐵水中的碳遷移至熔化界面并降低廢鋼熔點(diǎn)促使其熔化,熔化由碳的傳質(zhì)主導(dǎo);對(duì)于鐵水溫度高于廢鋼熔點(diǎn)、廢鋼與鐵水碳含量接近的體系,熔化由傳熱主導(dǎo)[3-5]。多數(shù)情況下,熔化過程受碳傳質(zhì)控制。廢鋼熔于鐵水的過程可大致分為凝固層形成、凝固層重熔和廢鋼滲碳熔化過程,凝固層是高溫鐵水遇到固體廢鋼后在其表面形成的凝結(jié)鐵皮,凝固層的形成和重熔時(shí)間較短[6-8]。由于激冷效應(yīng),在凝固層與廢鋼之間會(huì)形成氣隙[9]。

廢鋼熔于鐵水過程受到諸多因素的影響,包括廢鋼裝入量、尺寸形態(tài)、堆積密度,熔池溫度、碳含量、熔池流動(dòng)狀態(tài)等。高茗等[5,8]開展了1 kg的鐵/碳熔池中廢鋼棒熔化熱態(tài)試驗(yàn),表明熔池靜止?fàn)顟B(tài)下廢鋼棒熔化呈現(xiàn)上窄下寬的錐形形貌,鋼棒旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下鋼棒熔化呈現(xiàn)螺旋形貌,隨熔池溫度升高、鋼棒轉(zhuǎn)速增加,傳熱傳質(zhì)增強(qiáng),凝固層厚度減少,凝固層形成和重熔時(shí)間縮短。WRIGHT[10]測(cè)量了等溫條件下黑鐵棒在1 kg和25 kg鐵/碳熔池中的熔化速率,顯示在自然對(duì)流條件下或低氣體流速攪拌下,熔池表面處鐵棒出現(xiàn)頸縮,其余部分的熔化幾乎是平行的。楊文遠(yuǎn)等[7]進(jìn)行了250 kg感應(yīng)爐中Q235圓鋼在熔池中熔化的熱模擬試驗(yàn)。REBROV等[11]開展了130 t頂吹轉(zhuǎn)爐中廢鋼熔化行為的研究,表明提高鐵水溫度及碳含量、輕薄廢鋼形態(tài)有助于提高廢鋼熔化速度和廢鋼消納量。LI等[3-4]開展的雙鋼棒和多鋼棒熔化過程的動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)表明,鋼棒間距(或孔隙率)達(dá)到一定范圍會(huì)造成“鋼冰山”(通過凝固層凝結(jié)在一起)的形成;隨著間距進(jìn)一步降低而擴(kuò)大,熔化時(shí)間受最大“鋼冰山”和“鋼冰山”形成量的影響?！颁摫健钡男纬稍趯?shí)際生產(chǎn)中得到了驗(yàn)證。LI等還指出通過廢鋼預(yù)熱對(duì)于較大廢鋼的熔化更有效且更易于實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)有關(guān)于廢鋼熔化機(jī)制的研究主要是針對(duì)碳鋼,對(duì)于硅鋼在鐵水中的熔化過程,硅和碳屬于同族元素,硅鋼中硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于1.0%～4.5%間,硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高其熔點(diǎn)越低,判斷其在鐵水中的熔化機(jī)制應(yīng)與碳鋼類似,隨著硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加熔化加快。

2 魚雷罐加廢鋼對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行的影響

2.1 魚雷罐耐材影響

魚雷罐加廢鋼通常采用抓鋼機(jī)抓取廢鋼裝入的方式,加入的廢鋼主要為硅鋼片、破碎料和少量打包塊。寶鋼主要是硅鋼片和破碎料,寧鋼[12]主要是硅鋼片和鋼筋打包塊,先裝入硅鋼片再裝入鋼筋打包塊,抵消打包塊的機(jī)械沖擊,鋼筋打包塊的加入提高了廢鋼裝載量。廢鋼裝入過程由于沖擊磨損會(huì)傷害魚雷罐耐材,較大表面積的輕薄廢鋼料有助于減輕這一損傷,同時(shí)廢鋼料堆積避免鐵水直接沖擊魚雷罐底部耐材,起到保護(hù)耐材的作用。有研究顯示[13],鐵氧化物可能會(huì)與魚雷罐Al2O3-SiC-C磚中SiC反應(yīng),生成SiO2夾帶Al2O3進(jìn)入爐渣,加速罐襯侵蝕。根據(jù)寶鋼寶山基地應(yīng)用實(shí)踐,魚雷罐加輕薄廢鋼料對(duì)魚雷罐耐材使用壽命的影響不顯著。

2.2 鐵水溫度影響

魚雷罐加廢鋼可利用魚雷罐耐材散熱預(yù)熱廢鋼。作者團(tuán)隊(duì)[14]對(duì)320 t魚雷罐運(yùn)輸鐵水過程熱損規(guī)律的研究表明(圖1),魚雷罐受鐵階段(40 min)、重罐運(yùn)輸階段(60 min)、重罐等待階段(60 min)鐵水熱損失主要是魚雷罐耐材蓄熱增加所致,耐材蓄熱量占鐵水熱損失的60%以上,兌鐵結(jié)束魚雷罐空罐狀態(tài)下,耐材蓄熱通過罐口和罐襯的損失,分別約為總損失的52%和48%。減少魚雷罐空罐階段熱損失是減少鐵水溫降的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。廢鋼裝入魚雷罐形成錐形冷源,填充并分割罐內(nèi)空間,減少耐材通過罐口的對(duì)流和輻射熱損失,以及工作層向罐殼的導(dǎo)熱損失。根據(jù)廢鋼裝入量的不同,可減少空罐耐材熱損失30%以上。同時(shí),魚雷罐受鐵后由于廢鋼升溫熔化,會(huì)造成鐵水輸送過程溫降的增加。寶鋼股份研究結(jié)果及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,320 t魚雷罐裝入3～8 t常溫廢鋼,相比不加廢鋼鐵水溫降增加了3～10 K。

圖1 魚雷罐運(yùn)輸鐵水熱損失途徑及比例

2.3 碳溶解度影響

鐵水運(yùn)輸過程由于溫度不斷降低,鐵水碳飽和溶解度降低,析出片狀石墨粉塵逸散到環(huán)境中。作者團(tuán)隊(duì)[15]通過試驗(yàn)測(cè)得寶鋼寶山基地鐵水溫降與碳飽和溶解度的定量關(guān)系,噸鐵水降溫100 K析出碳2.65 kg。碳析出逸散造成轉(zhuǎn)爐煤氣回收量減少,且不利于轉(zhuǎn)爐熔池升溫。廢鋼的裝入稀釋了碳素濃度,減少了碳素的析出。根據(jù)冶金反應(yīng)原理,基于元素平衡、熱平衡方法理論計(jì)算了魚雷罐中廢鋼(w(C)=0.18%,w(Si)=0.25%)裝入量5 t、鐵水(w(C)=5.02%,w(Si)=0.30%,1 460 ℃)裝入量275 t時(shí),熔池碳析出量及影響轉(zhuǎn)爐煤氣回收量。結(jié)果表明,相比魚雷罐不裝廢鋼碳析出量減少0.12 t,轉(zhuǎn)爐煤氣極限回收量(假設(shè)析出碳全部損失,不考慮煤氣回收過程CO含量、O2含量限制,轉(zhuǎn)爐爐氣中w(CO)=95%,空氣吸入系數(shù)0.1)增加289 m3(噸鋼平均回收熱值按8 360 kJ/m3計(jì)算)。唐鋼[16]生產(chǎn)實(shí)踐顯示,鐵水罐加3.5%～4.0%的廢鋼,熔池碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低0.380%,硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低0.039%。此外,研究表明[17],若魚雷罐加廢鋼種類主要為硅鋼片,熔池鐵水硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加1%,碳的溶解度降低0.29%。

2.4 脫硫預(yù)處理影響

由于廢鋼存儲(chǔ)過程的自然氧化及魚雷罐內(nèi)高溫氧化作用,魚雷罐裝入的廢鋼中含有較多含鐵氧化物(FeO和Fe2O3),會(huì)與熔池中C和Si發(fā)生脫碳、脫硅反應(yīng)。對(duì)含鐵氧化物與熔池中C和Si反應(yīng)的熱力學(xué)分析表明,1 477 ℃以下脫硅反應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行,因此魚雷罐中含鐵氧化物優(yōu)先與Si反應(yīng)。含鐵氧化物的帶入不利于鎂粉脫硫。寶鋼股份梅山基地研究顯示[13],破碎料中含鐵氧化物與熔池中的Si發(fā)生反應(yīng)生成SiO2,形成油渣,油渣中SiO2與Mg反應(yīng),抑制鎂粉脫硫反應(yīng),同時(shí)含鐵氧化物與脫硫產(chǎn)物MgS、CaS發(fā)生反應(yīng)造成回硫。其后梅鋼通過減少碳鋼破碎料裝入、前后扒渣,基本消除影響。

2.5 其他

硅鋼的投入會(huì)提高鐵水中Si含量。研究表明[18],轉(zhuǎn)爐廢鋼比與鐵水熔池中Si含量呈正相關(guān)性。由于硅氧化反應(yīng)的熱效應(yīng)高于碳氧化反應(yīng),可為煉鋼過程補(bǔ)充化學(xué)能,但氧化劑的使用量增加,使得煉鋼渣量增加,易造成噴濺。

綜上所述,魚雷罐加廢鋼工藝對(duì)設(shè)備安全可靠性、資源能源利用,以及工藝順行的影響是多維度的。從能效角度分析,魚雷罐加廢鋼增加了鐵水運(yùn)輸過程溫降,但本質(zhì)上這部分溫降熱量并未損失而是轉(zhuǎn)移到廢鋼中,且廢鋼加入減少了鐵水中碳資源損失及魚雷罐耐材對(duì)環(huán)境的散熱損失并實(shí)現(xiàn)散熱利用,屬于能效改善技術(shù)范疇。從安全角度分析,設(shè)定合理的廢鋼裝入類別和裝入量,優(yōu)化廢鋼裝入方式,對(duì)設(shè)備可靠性和工藝穩(wěn)定性的影響是可控的。從經(jīng)濟(jì)角度分析,無需較大的固定資產(chǎn)投資,不涉及煤炭、燃?xì)獾饶茉赐度爰纯商岣吒郀t—轉(zhuǎn)爐工藝流程廢鋼比,具有較高的投資回報(bào)率。

3 魚雷罐加廢鋼工藝優(yōu)化方向

魚雷罐加廢鋼工藝可實(shí)現(xiàn)鐵鋼比下降1%～3%。魚雷罐加廢鋼優(yōu)缺點(diǎn)明顯,鋼鐵企業(yè)繼續(xù)發(fā)揮魚雷罐加廢鋼工藝的優(yōu)勢(shì),強(qiáng)化魚雷罐加廢鋼工藝的基礎(chǔ)研究,克服或弱化實(shí)際應(yīng)用過程中的不利影響,是發(fā)展的趨勢(shì)與關(guān)鍵。具體可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化:

(1)研究魚雷罐中廢鋼熔化行為,結(jié)合鐵鋼界面鐵水物性變化測(cè)定廢鋼熔化基本參數(shù),為魚雷罐加廢鋼技術(shù)應(yīng)用提供基礎(chǔ)理論指導(dǎo)。

(2)建立魚雷罐設(shè)備狀態(tài)、運(yùn)行周期與廢鋼裝入的數(shù)學(xué)模型或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?根據(jù)魚雷罐設(shè)備狀態(tài)、空罐時(shí)間、重罐時(shí)間合理組織廢鋼類別、尺寸(厚度)和裝入量,充分利用魚雷罐空罐階段耐材蓄熱,減少鐵水碳析出損失并保證廢鋼在兌鐵前完全熔化不粘底。

(3)優(yōu)化鐵水脫硫工藝適配魚雷罐加廢鋼模式,并做好廢鋼防護(hù)減少氧化,如廢鋼保存在干燥環(huán)境并減少灑水緩解廢鋼自然氧化過程,魚雷罐加蓋緩解廢鋼在魚雷罐內(nèi)的高溫氧化過程。

(4)優(yōu)化廢鋼裝料方式,減少魚雷罐耐材沖擊損傷,實(shí)現(xiàn)廢鋼在魚雷罐內(nèi)的合理填充,減少耐材對(duì)外散熱損失,優(yōu)化廢鋼熔化過程。

4 結(jié)論

(1)魚雷罐中廢鋼熔化過程經(jīng)歷凝固層形成、凝固層重熔和正常熔化過程,通過魚雷罐加輕薄料及合理布料,有利于縮短凝固層形成和重熔時(shí)間,避免“鋼冰山”的形成,并提高廢鋼消納量。

(2)魚雷罐加廢鋼對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行的影響是雙向的,廢鋼的裝入抑制了高溫耐材對(duì)環(huán)境的散熱過程并利用耐材蓄熱預(yù)熱廢鋼,減少耐材散熱損失30%以上,降低鋼水冶煉鐵鋼比1%～3%,同時(shí)廢鋼熔化減少了熔池降溫造成的碳析出逸散損失,加入5 t廢鋼減少碳析出0.12 t;另一方面廢鋼攜帶含鐵氧化物可能造成鐵水脫硫效率下降。

(3)魚雷罐加廢鋼工藝仍有優(yōu)化提升空間,通過深入研究魚雷罐內(nèi)廢鋼熔化行為,量化廢鋼裝入量、合理匹配脫硫工藝、優(yōu)化裝料方式,提高精益管理水平。