廢鋼預(yù)熱技術(shù)在高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程中發(fā)展現(xiàn)狀及展望

胡硯斌,黃芳,何賽,侯中曉,賈志立

(鋼鐵研究總院有限公司 冶金工藝研究所,北京 100081)

鋼鐵工業(yè)作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),在我國(guó)工業(yè)化和城鎮(zhèn)化方面起到重要的作用。我國(guó)鋼產(chǎn)量已連續(xù)26年躍居世界首位,2021年我國(guó)鋼產(chǎn)量已經(jīng)突破10.32億t,目前占全球粗鋼產(chǎn)量超50%,但與歐美國(guó)家50%鋼產(chǎn)量來(lái)自電爐短流程相比[1],目前我國(guó)90%以上產(chǎn)能來(lái)自高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程。長(zhǎng)流程的生產(chǎn)不可避免需要使用大量的焦炭資源,這也導(dǎo)致了鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)壓力大[2-3]。根據(jù)2021年頒布的《廢鋼鐵產(chǎn)業(yè)“十四五”發(fā)展規(guī)劃》,到“十四五”末我國(guó)綜合廢鋼比要達(dá)到30%,提高廢鋼比可以明顯降低噸鋼碳排放量,從而降低長(zhǎng)流程焦炭的消耗。現(xiàn)階段基于“雙碳”背景下,采用全廢鋼電爐冶煉條件下的產(chǎn)品價(jià)格明顯高于轉(zhuǎn)爐冶煉成本,而采用高廢鋼比轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)流程可以提高經(jīng)濟(jì)效益,所以許多企業(yè)采用多種方法提高轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程生產(chǎn)過(guò)程中廢鋼比。廢鋼預(yù)熱技術(shù)是提高轉(zhuǎn)爐流程廢鋼比的一種重要方法,在行業(yè)內(nèi)得到廣泛的使用,尤其在螺紋鋼生產(chǎn)過(guò)程中,許多企業(yè)和研究工作者在廢鋼預(yù)熱方面做了大量的工作[4-7]。

1 廢鋼預(yù)熱技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

鋼鐵企業(yè)為提高高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程廢鋼比,采用了廢鋼分布加入的技術(shù),主要的廢鋼加入環(huán)節(jié)有高爐爐內(nèi)加廢鋼、鐵水溝加廢鋼、鐵水包加廢鋼、轉(zhuǎn)爐加廢鋼,高位料倉(cāng)加入廢鋼,轉(zhuǎn)爐出鋼側(cè)加入廢鋼,甚至部分企業(yè)在LF精煉爐加入廢鋼。在長(zhǎng)流程生產(chǎn)工藝流程中廢鋼預(yù)熱技術(shù)主要使用在鐵水包加廢鋼與轉(zhuǎn)爐加廢鋼兩個(gè)環(huán)節(jié)。高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程之所以要加入廢鋼是因?yàn)檗D(zhuǎn)爐冶煉是一種自熱式煉鋼方法,通過(guò)吹氧氧化鐵水中C、Si、Mn、P等雜質(zhì),其熱量有富余,一般通過(guò)加入廢鋼起到冷卻作用,但其氧化產(chǎn)生的熱量受鐵水中元素含量限制。圖1為采用普通鐵水(w([C])≈4.2%,w([Si])=0.4%～0.6%,T≈1 320 ℃)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)低碳鋼(w([C])=0.08%～0.1%,T≈1 620 ℃)的熱平衡計(jì)算。通過(guò)圖1可知在廢鋼比在17%條件下時(shí),依靠鐵水自身熱量完全可以滿足廢鋼熔化要求,不需要對(duì)廢鋼進(jìn)行額外補(bǔ)熱操作,隨廢鋼比增加,鐵水熱量減少,熔化廢鋼需要的熱量增加,需要通過(guò)對(duì)廢鋼進(jìn)行熱補(bǔ)償?shù)氖侄蝸?lái)提高廢鋼比。根據(jù)廢鋼預(yù)熱時(shí)廢鋼預(yù)熱位置,本文將廢鋼預(yù)熱技術(shù)主要分為:鐵水包廢鋼預(yù)熱、轉(zhuǎn)爐廢鋼料斗預(yù)熱、連續(xù)水平廢鋼預(yù)熱和高位料倉(cāng)廢鋼預(yù)熱四類。

圖1 廢鋼比與轉(zhuǎn)爐熱平衡、廢鋼預(yù)熱溫度的關(guān)系

1.1 鐵水包廢鋼預(yù)熱技術(shù)

鐵水包廢鋼預(yù)熱技術(shù)是指在鐵水包接鐵水前采用高爐(轉(zhuǎn)爐或混合煤氣)煤氣燃燒對(duì)鐵水包內(nèi)廢鋼進(jìn)行烘烤,其特點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資低,其廢鋼加入比例在3%～8%波動(dòng)。圖2分別是筆者單位在河北敬業(yè)鋼鐵、天津聯(lián)合鋼鐵及江蘇永鋼參與建設(shè)的廢鋼烘烤項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)照片,三者的主要區(qū)別是鐵水包廢鋼烘烤的位置不同,圖2(a)是建設(shè)有專門的廢鋼烘烤車間,其廢鋼通過(guò)行車磁盤將廢鋼加入鐵水包中,烘烤過(guò)程中鐵水包放置在運(yùn)輸汽車上,這樣可以在廢鋼烘烤結(jié)束后快速運(yùn)輸?shù)借F前接鐵水,減少熱量的損失;圖2(b)由于鐵水包采用專門的鐵路軌道運(yùn)輸,所以在鐵路線上方增加廢鋼烘烤設(shè)備,這種方式也可以做到廢鋼烘烤結(jié)束后快速接鐵水,不需要建設(shè)單獨(dú)的烘烤車間,可以減少投資成本;圖2(c)是在高爐改造后富裕的出鐵口增加廢鋼預(yù)熱裝置,相比于前兩種方式,更加減少了廢鋼預(yù)熱后的熱量損失,可以做到烘烤結(jié)束后無(wú)縫銜接接鐵水操作。

圖2 鐵水包廢鋼預(yù)熱工程應(yīng)用

這三種廢鋼烘烤預(yù)熱的技術(shù)原理是相同的,都是煤氣燃燒直接對(duì)廢鋼進(jìn)行烘烤預(yù)熱,僅在鐵水包廢鋼預(yù)熱的位置、燒嘴及燃燒方式上方式有所區(qū)別。雖然上述方法設(shè)備簡(jiǎn)單、投資低,且在提高廢鋼比方面有一定效果,但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中有著相同的問(wèn)題,首先熱量利用率低,根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明這類型預(yù)熱方式煤氣利用率較低一般只有10%～20%,在烘烤鋼筋壓塊過(guò)程中,由于廢鋼之間有一定的縫隙,廢鋼上下烘烤溫度較為均勻,但對(duì)于內(nèi)部緊實(shí)的輕薄料壓塊,上層廢鋼和下層廢鋼溫差大,烘烤效率低,所以對(duì)烘烤原料有一定的要求;其次,由于在一種開(kāi)放的環(huán)境下進(jìn)行明火直接預(yù)熱,氧氣過(guò)剩,廢鋼被氧化嚴(yán)重、鐵損高;最后,采用這類廢鋼預(yù)熱方式一般未設(shè)置專門的煙氣處理設(shè)備,所以帶來(lái)一定的環(huán)境污染問(wèn)題。

1.2 轉(zhuǎn)爐廢鋼料斗預(yù)熱技術(shù)

轉(zhuǎn)爐廢鋼料斗預(yù)熱技術(shù)是指直接在給轉(zhuǎn)爐運(yùn)送廢鋼的料斗內(nèi)利用燃?xì)馊紵苯訉?duì)廢鋼進(jìn)行加熱,這種技術(shù)由于占地面積小,操作簡(jiǎn)單,所以部分企業(yè)開(kāi)發(fā)并使用了這一技術(shù)。如圖3所示,這種廢鋼預(yù)熱方式是在盛裝廢鋼的料斗內(nèi)直接將廢鋼進(jìn)行預(yù)熱,其預(yù)熱原理和上述鐵水包預(yù)熱原理一致,不過(guò)因?yàn)榱隙烽L(zhǎng)度較長(zhǎng),一般采用多排燒嘴對(duì)廢鋼進(jìn)行預(yù)熱,但由于廢鋼料斗長(zhǎng)期在高溫下使用容易發(fā)生變形,使用壽命會(huì)降低,同時(shí)帶來(lái)一定的安全隱患,所以料斗預(yù)熱廢鋼一般只能將廢鋼預(yù)熱到200～300 ℃,和鐵水包預(yù)熱廢鋼一樣,對(duì)于下層的廢鋼由于燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔獯┩感圆?導(dǎo)致其預(yù)熱效果不好,煤氣利用效率較低,廢鋼氧化嚴(yán)重,尤其部分企業(yè)在采用富氧預(yù)熱后,廢鋼之間發(fā)生黏結(jié),影響后續(xù)廢鋼入爐操作。

圖3 廢鋼料斗廢鋼預(yù)熱工程應(yīng)用

1.3 連續(xù)水平廢鋼預(yù)熱技術(shù)

針對(duì)上述廢鋼預(yù)熱過(guò)程中廢鋼預(yù)熱溫度不均、廢鋼預(yù)熱效率低的問(wèn)題,有相關(guān)企業(yè),如河南全順、泰航節(jié)能科技等企業(yè)研發(fā)了水平連續(xù)廢鋼預(yù)熱技術(shù),圖4(a)是在廢鋼連續(xù)預(yù)熱后加入料斗中,這種流程是在廢鋼預(yù)熱后加入轉(zhuǎn)爐爐內(nèi);圖4(b)廢鋼預(yù)熱后可以加入盛有鋼水的鋼包中,比如鋼包在進(jìn)LF精煉站前加入廢鋼,也可以在鐵水包中加入廢鋼后接運(yùn)鐵水。這類型廢鋼預(yù)熱技術(shù)可以做到連續(xù)加料、連續(xù)出料、連續(xù)預(yù)熱,但占地面積大、設(shè)備復(fù)雜,投資高。預(yù)熱過(guò)程中由于廢鋼堆放高度較低,預(yù)熱段較長(zhǎng),能夠獲得不錯(cuò)的預(yù)熱效果,但這種廢鋼預(yù)熱方式其廢鋼氧化率明顯高于鐵水包及料斗廢鋼預(yù)熱,造成鐵損較高,熱量利用效率低,也帶來(lái)一定的煙氣污染問(wèn)題。

圖4 連續(xù)水平廢鋼預(yù)熱工程應(yīng)用

1.4 高位料倉(cāng)廢鋼預(yù)熱技術(shù)

高位料倉(cāng)廢鋼預(yù)熱技術(shù)主要是通過(guò)熱風(fēng)爐產(chǎn)生的熱風(fēng)(或其他熱煙氣)對(duì)轉(zhuǎn)爐(LF精煉爐)料倉(cāng)加入的廢鋼進(jìn)行預(yù)熱處理,從而達(dá)到補(bǔ)充爐內(nèi)熱量和提高廢鋼比的目的。其加入方式靈活,和其他轉(zhuǎn)爐(LF精煉爐)爐料一樣,可以在冶煉過(guò)程中加入,不占用冶煉時(shí)間。雖然這種廢鋼預(yù)熱技術(shù)廢鋼預(yù)熱均勻,高溫?zé)煔庵醒鹾康?可以減少?gòu)U鋼的燒損和氧化,但其對(duì)廢鋼要求極高,需要使用鋼筋頭或流動(dòng)性好的廢鋼,同時(shí)需要對(duì)車間現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行部分改造,這也限制了其使用范圍,所以高位料倉(cāng)廢鋼預(yù)熱技術(shù)使用較少。

2 廢鋼預(yù)熱發(fā)展方向展望

針對(duì)現(xiàn)有預(yù)熱廢鋼方式,為了提高廢鋼預(yù)熱效率和速率,許多研究工作者在這些廢鋼預(yù)熱技術(shù)上展開(kāi)了如富氧燃燒、煤氣預(yù)熱、自身蓄熱預(yù)熱式燃燒等技術(shù),在提高燃燒效率的同時(shí)也明顯地提高了廢鋼預(yù)熱效果,但這些廢鋼預(yù)熱技術(shù)基本是在開(kāi)放的環(huán)境下進(jìn)行,一方面外排煙氣帶來(lái)一定的環(huán)境污染問(wèn)題,另一方面廢鋼預(yù)熱溫度越高,其金屬料氧化更加嚴(yán)重,廢鋼燒損率高。廢鋼預(yù)熱環(huán)節(jié)作為鋼鐵冶煉流程中的一部分,面臨嚴(yán)峻的資源、環(huán)保、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)等重大挑戰(zhàn),迫切需要加快高效、綠色的廢鋼預(yù)熱技術(shù),也是促進(jìn)鋼鐵工業(yè)綠色化發(fā)展是必然趨勢(shì)[8-11]。結(jié)合現(xiàn)有廢鋼預(yù)熱技術(shù)的分析對(duì)未來(lái)廢鋼預(yù)熱發(fā)展方向提出以下三個(gè)方面的展望。

2.1 蓄熱式煙氣高速循環(huán)廢鋼預(yù)熱技術(shù)

蓄熱式煙氣高速循環(huán)廢鋼預(yù)熱技術(shù)主要包含蓄熱式燃燒和煙氣高速循環(huán)兩方面的技術(shù),蓄熱式燃燒是一種高效的熱量利用燃燒技術(shù),其熱量利用率可以達(dá)到70%～75%,遠(yuǎn)高于現(xiàn)有預(yù)熱技術(shù),同時(shí),蓄熱式燃燒技術(shù)在高爐熱風(fēng)爐、加熱爐等方面有著廣泛的應(yīng)用,技術(shù)非常成熟;其次采用煙氣高速循環(huán)利用可以減少煙氣的外排,提高煙氣對(duì)廢鋼的穿透能力從而提高對(duì)廢鋼的預(yù)熱效果。利用煙氣循環(huán)可實(shí)現(xiàn)低氧加熱,有效避免明焰加熱,避免廢鋼局部過(guò)熱黏結(jié)的解決廢鋼燒損、氧化的問(wèn)題,提高廢鋼預(yù)熱的均勻性,為廢鋼入爐提供有利的條件。這一技術(shù)也符合劉瀏教授[12]提出的新一代廢鋼預(yù)熱技術(shù)需要解決的廢鋼預(yù)熱均勻、避免過(guò)熱或軟熔造成的廢鋼黏結(jié)等技術(shù)問(wèn)題的要求。

2.2 鐵水分級(jí)指導(dǎo)廢鋼預(yù)熱技術(shù)

鐵水分級(jí)指導(dǎo)廢鋼預(yù)熱技術(shù)是指根據(jù)鐵水原料的條件,有針對(duì)性地調(diào)整廢鋼預(yù)熱生產(chǎn)過(guò)程,包括廢鋼預(yù)熱量、預(yù)熱溫度等。因?yàn)楦郀t在生產(chǎn)鐵水過(guò)程中,其成分存在一定的波動(dòng),后續(xù)鐵水中由C、Si、Mn等氧化能夠提供的熱量也不同,能熔化的廢鋼量也不同,所以廢鋼預(yù)熱量、預(yù)熱溫度等需要根據(jù)鐵水的成分進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。如針對(duì)一些高硅高碳鐵水,在廢鋼預(yù)熱溫度一定的條件下,適當(dāng)?shù)脑黾予F水包廢鋼量既可以穩(wěn)定鐵水條件,同時(shí)可以做到多吃廢鋼的目的;對(duì)于低硅低碳的鐵水需要減少預(yù)熱廢鋼加入量、提高廢鋼預(yù)熱溫度等。通過(guò)鐵水分級(jí)來(lái)指導(dǎo)廢鋼預(yù)熱可以有利于生產(chǎn)工藝流程的順行。

2.3 廢鋼預(yù)熱精準(zhǔn)控制技術(shù)

廢鋼預(yù)熱精準(zhǔn)控制技術(shù)主要是指通過(guò)對(duì)廢鋼預(yù)熱溫度、廢鋼加入量根據(jù)前后冶煉工藝要求、時(shí)間要求等實(shí)現(xiàn)廢鋼預(yù)熱在量、溫度及烘烤時(shí)間上的精準(zhǔn)控制。現(xiàn)階段廢鋼預(yù)熱一般采用粗放的控制模式,根據(jù)操作人員經(jīng)驗(yàn),廢鋼進(jìn)入烘烤位后就進(jìn)行廢鋼烘烤,等下一個(gè)冶煉環(huán)節(jié)開(kāi)始生產(chǎn)后將預(yù)熱后的廢鋼進(jìn)行下一步生產(chǎn),沒(méi)有對(duì)廢鋼預(yù)熱溫度、溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制,廢鋼預(yù)熱應(yīng)該要更好地與生產(chǎn)節(jié)奏進(jìn)行匹配,部分企業(yè)甚至未對(duì)廢鋼預(yù)熱操作納入煉鋼生產(chǎn)環(huán)節(jié)中,廢鋼預(yù)熱的穩(wěn)定性其實(shí)影響后續(xù)的生產(chǎn)節(jié)奏,比如鐵水包廢鋼預(yù)熱溫度低可能導(dǎo)致后續(xù)鐵水預(yù)脫硫生產(chǎn)環(huán)節(jié);對(duì)于未設(shè)置鐵水預(yù)處理工位的企業(yè),將會(huì)影響轉(zhuǎn)爐進(jìn)站鐵水溫度,造成冶煉過(guò)程的不穩(wěn)定,所以下一步廢鋼預(yù)熱工作盡量做到廢鋼預(yù)熱控制精準(zhǔn)化,有利于生產(chǎn)冶煉工藝流程的順行。

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)上述分析可以看出,在“雙碳”這一背景下,電爐冶煉成本高于轉(zhuǎn)爐冶煉成本,廢鋼預(yù)熱作為一種有效的提高廢鋼比的方法,其在今后的長(zhǎng)流程高廢鋼比生產(chǎn)過(guò)程中將依然發(fā)揮的重要作用。

(2)針對(duì)現(xiàn)階段廢鋼預(yù)熱效率低、氧化嚴(yán)重及污染等問(wèn)題,未來(lái)高效、綠色、低損耗及精準(zhǔn)控制的廢鋼預(yù)熱技術(shù)將是未來(lái)發(fā)展的重要方向。

(3)應(yīng)積極鼓勵(lì)鋼鐵企業(yè)開(kāi)展自主創(chuàng)新,開(kāi)展高爐-轉(zhuǎn)爐高廢鋼比工藝與裝備開(kāi)發(fā)工作,進(jìn)一步提高廢鋼預(yù)熱裝備和技術(shù)水平。