冶煉過程中鋼原料預(yù)熱技術(shù)研究

劉衛(wèi)華

（日照鋼鐵控股集團有限公司，山東 日照 276800）

鋼鐵冶煉技術(shù)是機械加工原材料的重要生產(chǎn)途徑，關(guān)系到國家工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。目前，為了達成低碳冶煉的技術(shù)目標，在冶煉爐上部空間安置預(yù)熱井已成為一種新的技術(shù)手段。預(yù)熱井一般采用垂直方向放置，通過預(yù)熱井向冶煉爐內(nèi)添加各種型材的鋼原料。冶煉爐冶煉過程中產(chǎn)生的高溫氣體持續(xù)向上升騰，會對預(yù)熱井內(nèi)的鋼原料產(chǎn)生預(yù)熱效果，從而加快冶煉過程，減少能源消耗。但是作為一種全新的低碳冶煉技術(shù)，該技術(shù)在實際運用過程中仍然會受很多問題的困擾[2]。冶煉過程中的鋼原料一般是通過回收手段獲得的廢鋼，這些原料形態(tài)各異，質(zhì)量差別較大，有重型的、輕型的、塊狀的、破碎的和輕薄型的[3]。不同類型的鋼原料在預(yù)熱井中的預(yù)熱溫度如何會直接關(guān)系到預(yù)熱效果和填料效率。為此，該文以三維仿真模擬的技術(shù)手段對鋼原料的預(yù)熱過程進行了試驗研究。

1 冶煉過程中鋼原料的三維建模

在冶煉過程的低碳化改造中，預(yù)熱井在垂直方向上的設(shè)置是最核心的技術(shù)手段。在鋼原料的填料過程中會受重力作用產(chǎn)生自由落體運動，正好和冶煉爐內(nèi)的熱氣形成反向運動。這種方式可以有效利用冶煉蒸汽的殘余熱量，對鋼原料實施預(yù)熱，從而達到節(jié)能低碳的目的。

要把握鋼原料在預(yù)熱過程中的規(guī)律是非常困難的事。鋼原料存在各種形式的差異，博阿凱重型、輕型、塊狀、破碎和輕薄型，通過三維仿真軟件對冶煉過程中預(yù)熱井中的鋼原料進行三維建模是分析的有效手段。該文選擇ProE三維仿真軟件，得到的預(yù)熱井中各種鋼原料的仿真結(jié)果如圖1 所示。

圖1 預(yù)熱井中各種鋼原料的三維仿真結(jié)果

因為冶煉過程中使用的鋼原料多為回收的廢舊鋼料，所以形成了一些以特定形狀報廢零件為主的配置情況。圖1 中有塊狀、片狀、圓柱形、角鋼形和不規(guī)則的鋼零件。為了便于對鋼原料的闡述，該文將試驗對象劃分為5 類，其對應(yīng)特征見表1。

表1 鋼原料的類型和對應(yīng)的特征

從表1 中可以看出，該文將鋼原料劃分為輕型鋼原料、較重型鋼原料、薄片型鋼原料、塊狀鋼原料碎狀鋼原料5個類別，分別對應(yīng)不同的尺寸范圍和形狀，這也直接決定了其質(zhì)量。其中，較重型鋼原料的尺寸范圍最大，也最厚。相比較而言，薄片型鋼原料和碎狀鋼原料的尺寸范圍則比較接近。

2 冶煉過程中鋼原料預(yù)熱的過程仿真

為了便于量化分析冶煉過程中鋼原料的預(yù)熱過程，需要設(shè)定鋼原料預(yù)熱的三維仿真環(huán)境。設(shè)定后，三維仿真的環(huán)境條件包括冶煉過程中的速度條件、冶煉爐的溫度條件等。為了便于形成仿真過程的準確描述，該文設(shè)定的假設(shè)條件如下：第一個假設(shè)條件，在整個冶煉過程中，冶煉爐和預(yù)熱井內(nèi)的各種機械參數(shù)、物理參數(shù)以及工藝參數(shù)都不會產(chǎn)生明顯波動；第二個假設(shè)條件，冶煉爐的預(yù)熱井內(nèi)沒有能自身產(chǎn)生熱量的熱源，其預(yù)熱過程的熱量吸收全部來源于冶煉爐蒸汽溫度；第三個假設(shè)條件，不考慮冶煉爐蒸汽溫度持續(xù)加熱可能使極少比例的鋼原料出現(xiàn)熔融狀態(tài)；第四個假設(shè)條件，不考慮冶煉爐蒸汽上升過程中可能出現(xiàn)的持續(xù)體積壓縮情況。

在上述假設(shè)條件下，結(jié)合冶煉領(lǐng)域的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，對冶煉過程中的導熱系數(shù)、密度、固相率以及熱焓等參數(shù)進行規(guī)律性設(shè)置，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 冶煉過程仿真模擬中4 個參數(shù)的設(shè)置規(guī)律

從圖2（a）中的曲線變化情況可以看出，冶煉過程中的導熱系數(shù)呈現(xiàn)出先下降、后上升的劇烈波動，900℃是一個拐點，而在1400℃～1500℃中出現(xiàn)了一個峰值較大的脈沖。從圖2（c）中的曲線變化情況可以看出，冶煉過程中的固相率參數(shù)呈現(xiàn)出先平緩下降、后劇烈下降的形態(tài)，1500℃是一個拐點。從圖2（b）中的曲線變化情況可以看出，冶煉過程中的密度參數(shù)呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。從圖2（d）中的曲線變化情況可以看出，冶煉過程中的熱焓參數(shù)呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。

3 鋼原料預(yù)熱的試驗結(jié)果與分析

上述工作對冶煉過程中的鋼原料進行了Pro/E 的三維建模，進而分別設(shè)置了假設(shè)條件和4 類關(guān)鍵參數(shù)。下文將驗證預(yù)熱后的鋼原料進入冶煉爐后和已經(jīng)熔化的鋼液迅速接觸時出現(xiàn)的情況，如圖3 所示。

圖3 預(yù)熱后的鋼原料進入冶煉爐后和已經(jīng)熔化的鋼液迅速接觸時出現(xiàn)的情況

圖3 中，預(yù)熱后的鋼原料進入冶煉爐后和已經(jīng)熔化的鋼液迅速接觸，直至完全浸沒到熔融的鋼液中會出現(xiàn)5 個層次的變化：第一個層次，鋼原料進入冶煉爐；第二個層次，熱量蓄積，出現(xiàn)凝鋼；第三個層次，凝鋼出現(xiàn)熔化現(xiàn)象；第四個層次，鋼原料出現(xiàn)滲碳熔化的現(xiàn)象或熱透速溶的現(xiàn)象。在剛開始的接觸中，鋼原料的芯部是有美感、有變化的，然后外表面碳化并逐步出現(xiàn)凝鋼層，隨著凝鋼層不斷向內(nèi)部深入，整個鋼原料呈現(xiàn)凝鋼狀態(tài)，最后變成熔融狀態(tài)。進而觀察鋼原料整體的預(yù)熱平均溫度，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 鋼原料的預(yù)熱平均溫度變化

從圖4 中曲線的變化情況來看，隨著預(yù)熱時間的不斷增加，鋼原料整體的預(yù)熱平均溫度持續(xù)升高，但在500s 以后，預(yù)熱溫度的飽和特征漸趨明顯。從細節(jié)特征來看，當預(yù)熱時間為100s 時，鋼原料的平均預(yù)熱溫度迅速升至340℃左右。當預(yù)熱時間為200s 時，鋼原料的平均預(yù)熱溫度進一步升至480℃。比較0s～100s 和100s～200s 這2 個預(yù)熱時間范圍，鋼原料預(yù)熱溫度變化曲線的斜率出現(xiàn)了明顯變化。顯然，在0s～100s 的預(yù)熱時間段內(nèi)，鋼原料預(yù)熱溫度變化曲線的斜率更大，表明其預(yù)熱過程更快。在100s～200s 的預(yù)熱時間段內(nèi)，鋼原料預(yù)熱溫度變化曲線的斜率變小，表明其預(yù)熱過程在逐漸減慢。再繼續(xù)觀察后續(xù)的時間范圍，可以明顯看出鋼原料預(yù)熱溫度曲線的斜率逐步減小，表明鋼原料預(yù)熱溫度的升高速度越來越慢。如果將時間軸線進一步延伸，那么鋼原料的預(yù)熱溫度將在某一時刻后維持在水平位置保持不變，即達到飽和狀態(tài)。此時，無論再持續(xù)加熱多時間，鋼原料的預(yù)熱溫度也不會再產(chǎn)生變化。

進一步考察不同分類的鋼原料在充分預(yù)熱后可以形成的預(yù)熱平均溫度，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 各種鋼原料的平均預(yù)熱溫度

從圖5 中的柱狀圖結(jié)果可以看出，在充分預(yù)熱的情況下，輕薄型鋼原料的預(yù)熱平均溫度最高，可達1400℃；其次是輕型鋼原料的預(yù)熱平均溫度，達900℃左右；再次是中重型鋼原料，預(yù)熱平均溫度接近600℃；塊狀和碎狀鋼原料的預(yù)熱平均溫度均低于400℃。從該結(jié)果可以明顯看出，為了能夠滿足進一步的冶煉需求，不同品類鋼原料的預(yù)熱處理存在明顯不同。體積越大、質(zhì)量越大的鋼原料需要更高的預(yù)熱溫度，才能充分預(yù)熱，否則在預(yù)熱不充分的情況下送入冶煉爐，會造成嚴重的工藝問題。而體積越小、質(zhì)量越輕的鋼原料所需的預(yù)熱溫度就較低，即便在較低的預(yù)熱溫度下，也可以取得充分預(yù)熱的效果，并滿足進一步的冶煉需求。因此，進行鋼原料預(yù)熱處理時，應(yīng)充分分析不同品類鋼原料的情況，區(qū)別對待，以滿足冶煉的需求并節(jié)省能源。

4 結(jié)論

冶煉過程中，鋼原料的充分預(yù)熱可以有效節(jié)省冶煉能源，達到低碳生產(chǎn)的目的。該文中，先對鋼原料的類型進行分類，共有5 個類別，分別是輕型鋼原料、較重型鋼原料、薄片型鋼原料、塊狀鋼原料和碎狀鋼原料。在該基礎(chǔ)上運用Pro/E 進行鋼原料的建模，進而設(shè)置冶煉過程的假設(shè)條件和4 類關(guān)鍵的控制參數(shù)規(guī)律曲線。試驗過程中，分析了預(yù)熱后的鋼原料和冶煉爐內(nèi)熔融鋼液接觸到完全浸沒過程中的變化。試驗結(jié)果顯示，隨著預(yù)熱時間的不斷增加，鋼原料整體的預(yù)熱平均溫度持續(xù)生個，但在500s 以后，預(yù)熱溫度的飽和特征漸趨明顯。在充分預(yù)熱的情況下，輕薄型鋼原料的預(yù)熱平均溫度最高，可達1400℃；其次是輕型鋼原料的預(yù)熱平均溫度，達900℃左右。