高師敏，呂 松

(1.達州市經(jīng)濟和信息化委員會，四川 達州 635002；2. 四川大學化學工程學院，四川 成都 610065)

目前，國內外冶金(包括鋼鐵和有色金屬)工藝多數(shù)是間歇式工藝。該工藝占用了較多的時間和空間，消耗了較多的資源，產(chǎn)生了較多的“三廢”且又不易治理。生產(chǎn)效率較低，產(chǎn)品成本較高。為了解決間歇式煉鋼工藝不足所帶來的問題，以下提出了一種連續(xù)式煉鋼工藝技術方案，希望能為我國煉鋼工藝今后的發(fā)展提供一種思路。

1 工藝簡介

1.1 設計思路

依據(jù)現(xiàn)代鋼鐵冶金原理，我國冶金設備設計、制造能力和國內外先進冶煉技術，設計一種傾斜放置的煉鋼爐。使進入爐內的鐵水變成厚度為0.01～0.20 m的流體，在金屬液體重力作用下，按一定的流速連續(xù)、均勻地在爐內流動。采用大面積底吹等技術，對鐵水進行“三脫”、初煉、精煉和微調處理，從煉鋼爐尾連續(xù)流出合格鋼水。

1.2 工藝流程簡述

鐵水流入鐵水中間槽，槽內上層爐渣由排渣器排出。定時取樣化驗鐵水、熔渣成分。槽底敷設有幾組透氣磚，可向槽內噴入氧氣，調節(jié)鐵水溫度。鐵水(溫度1400 ℃)通過槽下部閥門，經(jīng)過鐵水流量計流入一座傾斜的長條型全密封煉鋼爐內，鐵水變成薄層流體。在預處理段，對鐵水進行脫硫、脫硅和脫磷處理(也可噴入純堿粉，將硫、硅、磷等一起脫除)。預處理后的鐵水通過閥門流入煉鋼段吹氧脫碳。脫碳后的鋼水通過閥門流入精煉段，進行VOD等精煉工藝處理。精煉處理后的鋼水通過閥門流入微調段。在微調段，按用戶要求，添加一種或幾種元素，定時檢測相關元素含量，調節(jié)鋼水溫度等。微調合格的鋼水通過閥門，經(jīng)過鋼水流量計，流入連鑄機的鋼水分配槽內。

補充說明：(1)鐵水中間槽、煉鋼爐以及連鑄機鋼水分配槽是直接連接在一個直線型機架上，形成左高右低的階梯布置。(2)各段抽出的爐氣經(jīng)凈化、余熱回收后可達標排放。(3)中間槽、煉鋼爐各段爐內產(chǎn)生的爐渣采用排渣器排出，經(jīng)余熱回收后，作建材使用。(4)在“三脫”段、煉鋼段、精煉段、微調段的爐體設置有分流口及閥門；對連續(xù)檢測不合格鐵水或鋼水經(jīng)分流口排出，另行處理。(5)設置有生產(chǎn)操控室，生產(chǎn)過程由計算機控制。(6)工藝連續(xù)運行的基本條件是有連續(xù)、穩(wěn)定的鐵水來源。煉鋼流程示意圖見圖1。

1.煉鐵熔煉爐;2.鐵水中間槽;3.鐵水流量計;4.“三脫”段；5.煉鋼段；6.精煉段；7.微調段；8.鋼水流量計；9.連鑄鋼水分配槽；10.側部閥門；11.排渣口；12.抽氣孔；13.輸氣管線；14.抽真空孔;15.分流口圖1 煉鋼流程示意圖

1.3 主要設備介紹

1.3.1鐵水中間槽

鐵水中間槽是一個由耐熱鋼板焊接而成的長條形密閉容器，其橫斷面為矩形。其內襯為隔熱層和耐火磚等。槽的左端墻上部設計有鐵水進口及閥門。其右端墻底部設計有鐵水出口閥門及鐵水流量計(與煉鋼爐預處理段連接)。槽側壁底部設計有鐵水分流口及閥門。槽的頂部設計有槽氣抽出孔、廢鋼、鐵塊加入口、攪拌器安裝孔、排渣器安裝孔、鐵水溫度、爐內氣壓測量儀器安裝孔等。槽的側壁有爐渣排出口。槽底面微微向右傾斜。槽底部設置有幾組透氣磚，透氣磚氣體管道與槽底的氧氣管線、管件等連接。鐵水中間槽的作用是儲存鐵水，可添加少量經(jīng)處理后的廢鋼、鐵塊。利用鐵水物理熱，使之熔化，鐵、渣分層，排渣，保障流入煉鋼爐的鐵水含渣量小于0.5﹪。定時檢測鐵水溫度，化學成分等。另外具有流程緩沖作用。

1.3.2煉鋼爐

煉鋼爐是一座由耐熱鋼板焊接而成的長條型密封容器。其橫斷面為矩形。整個爐體由鐵水預處理段、煉鋼段、精煉段、微調段等四段連接而成。各段連接處設置有膨脹縫、連接法蘭和密封裝置。各段爐體內部由薄層流體形成區(qū)、斜面反應區(qū)和澄清池三部分組成。斜面反應區(qū)末端設置有隔墻，隔墻下部有孔洞。澄清池的中部設置有隔墻，隔墻下部有孔洞。各段爐體內的頂面和兩側面敷設有隔熱層和耐火磚。爐底設計有多組透氣磚。透氣磚的氣體管道和噴吹輔料粉劑管道與爐底下面的輸氣總管和粉劑輸送管相連。每一組透氣磚的氣體流量，壓力和輔料粉劑的流量等都有獨自的調控裝置，且由生產(chǎn)控制室計算機調控。各段爐體的斜面和澄清池的頂部設置有爐氣(真空)抽出口，氣體溫度、氣壓測量儀器安裝孔，鐵水、鋼水測溫儀器安裝孔等。澄清池爐側壁上部有爐渣排出口，其爐頂有排渣器安裝孔。爐側壁有觀察孔。爐側壁底部設置有鐵水或鋼水取樣孔及孔塞，以及分流口及其閥門。鐵水預處理段的左端墻設置有鐵水流入口閥門及鐵水流量計(與中間槽連接)。微調段的右端墻下部設置有鋼水流出口閥門及鋼水流量計等。因鐵水在各段被處理的時間不同，各段產(chǎn)生熔渣的多少、粘度不同，故各段斜面的傾斜度、斜面長度，澄清池容積等不同，使得各段的總長度不同。各段的實際長度通過試驗確定。煉鋼爐某段結構示意圖見圖2。

1.上段爐體;2.連接法蘭;3.分流墻;4.斜面;5.透氣磚組;6.抽氣孔;7.混合凸條;8.斜面隔墻;9.澄清池左室;10.抽氣孔;11.排渣攪拌器安裝孔;12.排渣口;13.澄清池隔墻;14.抽氣孔;15.鋼水排出口;16.粉劑輸送管;17.氣體輸送管圖2 煉鋼爐某段結構示意圖

1.3.3閥門

在連續(xù)式運行中，中間槽與爐內各段鐵水或鋼水流量(含斜面上薄層流體厚度)調節(jié)、鋼水分流、停爐后爐內殘留鐵水、鋼水、爐渣排出等功能均由閥門承擔。閥門長時間經(jīng)受高溫鐵水或鋼水沖刷、侵蝕。閥門的基本結構是：閥座外殼為耐熱鋼材，內襯為隔熱層和人造石墨管套。閥體和鐵水或鋼水出口框為高強度人造石墨預制件，也可選用碳化硅、氮化硅、氮化硼等耐高溫材料。設計兩種閥門：(1)側部閥門，見圖3；(2)中部閥門，見圖4。

1.爐端墻;2.鐵水出口框;3.隔熱墊;4.推拉桿;5.液壓缸;6.閥蓋;7.閥座;8.閥體;9.爐體圖3 側部閥門

側部閥門安裝在鐵水熔煉爐與中間槽連接處，以及煉鋼爐各段右端的左、右下角。中部閥門安裝在中間槽右端墻底部鐵水出口處、煉鋼爐各段及連鑄鋼水分配槽的鋼水分流出口處。閥門開、閉由生產(chǎn)控制室計算機調控。

1.爐端墻;2.液壓缸;3.推拉桿;4.閥蓋;5.隔熱墊;6.閥座;7.閥體;8.鐵水出口框圖4 中部閥門

1.3.4鐵水和鋼水流量計

鐵水流量計安裝在鐵水中間槽的鐵水出口處；鋼水流量計安裝在煉鋼爐微調段鋼水出口處。本工藝選用國內外市場上的鐵水或鋼水電磁流量計產(chǎn)品。

1.4 主要技術特點

煉鋼在全封閉、全負壓(或真空)條件下連續(xù)進行。在重力作用下金屬液在爐內流動，并在流動和靜止過程中被凈化、合金化。金屬液流量采用閥門調控。煉鋼需要的固體輔料為粉末狀，粒度為0.074～0.030 mm(200～460目)。由載氣從爐底部噴入鐵水中；載氣壓力0.01～0.60 MPa。煉鋼需要的氣體從爐底部噴入。煉鋼過程中產(chǎn)生的爐氣全部連續(xù)抽出處理利用，產(chǎn)生的熔渣由排渣器排出處理。

流入爐內的金屬液被分流成為薄層流體。沿斜面向下方流動。通過斜面爐底多組透氣磚，向薄層流體噴入氣體或噴吹粉劑。使鐵水或鋼水沸騰、攪合。多股氣流與流體之間，氣流中大量粉劑顆粒與流體之間相互激烈沖擊、摩擦、接觸。液固之間、氣液之間發(fā)生傳熱、傳質反應。產(chǎn)生的氣體從斜面上方爐頂抽風口抽出。生成的熔渣與金屬液混合發(fā)生冶金反應，并通過斜面末端隔墻下部孔洞流入澄清池左室，逐漸呈靜止狀態(tài)。在澄清池左室上部，部分冶金反應還在繼續(xù)進行。產(chǎn)生的氣體從澄清池上方爐頂抽風口抽出，生成的熔渣浮在金屬液上面。通過澄清池左室爐底幾組透氣磚向爐內噴入(不同的)氣體或噴吹(不同的)粉劑，對左室內的金屬液再次進行凈化處理。產(chǎn)生的氣體和熔渣上浮，氣體被抽出，上部熔渣漫過隔墻頂部從爐側壁上部排渣口排出。金屬液從隔墻下部孔洞流入澄清池右室，經(jīng)靜止、均化，然后從爐體右端下部閥門排出。

1.5 相對優(yōu)點

1.5.1節(jié)能

可實現(xiàn)煉鐵爐與煉鋼爐緊靠布置，省去鐵水運輸、周轉、保溫、儲存等環(huán)節(jié)。減少設備，減少能耗，節(jié)省時間，減少鐵水溫度損失，減少廢氣、粉塵、噪音對環(huán)境的污染，可提高煉鋼效率?？蓽p少制氧、各種載氣和真空設備等能耗。可減少煉鋼輔料、合金料消耗量等。本工藝和煉鋼-精煉工藝主要技術參數(shù)對比請見表1(設：生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)1000萬噸潔凈鋼水)。

表1 主要技術參數(shù)對比表

1.5.2環(huán)保

本工藝在負壓或真空條件下運行。鐵水或鋼水在密封煉鋼爐內流動、反應，不與外界空氣接觸。冶煉產(chǎn)生的爐氣全部連續(xù)抽出處理。鋼渣被排渣器連續(xù)排出，并通過密封管道落入鋼渣倉。倉內產(chǎn)生的的廢氣被連續(xù)抽出處理。倉內鋼渣的余熱被回收，鋼渣冷卻后，由密封渣車運出處理。產(chǎn)品鋼水在密封管道里流入連鑄鋼水分配槽內。如果某段發(fā)生鐵水或鋼水不合格情況 ，可將其通過密封分流管道排入密封處理槽。槽內產(chǎn)生的廢氣被抽出處理。因此，本工藝的三廢對環(huán)境污染較少，操作人員工作環(huán)境較好。本工藝和轉爐-精煉工藝排污工序及處理概況見表2。

表2 轉爐-精煉工藝和本工藝主要排污工序及處理概況表

2 本工藝可行性研討

從現(xiàn)代冶金原理和關鍵設備設計制造兩方面，研討本工藝可行性。

2.1 冶金熱力學分析

從冶金熱力學角度上分析，本工藝與現(xiàn)行轉爐-精煉工藝是一致的。都是運用冶金熱力學原理，對鐵水進行預處理、脫碳、精煉、微調等處理。在處理過程中，這兩種工藝的熱力學條件相同。

2.2 冶金動力學分析

煉鋼-精煉工藝將鐵水預處理、轉爐吹煉、精煉爐精煉和微調成分、升溫等分成四個獨立工序，間斷性運行。本工藝將上述四個工序安排在一個組合爐內連續(xù)性進行。從宏觀冶金動力學分析，本工藝煉鋼總反應速率是現(xiàn)行煉鋼-精煉工藝總反應速率的數(shù)倍。

2.2.1煉鋼化學反應速率影響因素

冶金動力學理論和冶金生產(chǎn)實踐證明，鋼鐵冶煉具有一般化學反應基本性質。隨著反應物性質越活潑，反應溫度越高，壓強減小(有氣體生成物)，濃度增加(反應物含量和分散程度)，反應物顆粒越小，反應物表面積越大，反應物之間的接觸面積越大(攪拌、混合)，反應體系條件的穩(wěn)定，生成物離開反應體系速率大等，則化學反應速率越大?；瘜W反應速率直接決定反應器的尺寸大小[1]?；瘜W反應速率大，反應器尺寸小。

2.2.2本工藝與轉爐煉鋼工藝化學反應速率影響因素對比

本工藝和轉爐煉鋼工藝影響化學反應速率主要因素見表3。

從表3中可知，本工藝化學反應速率比轉爐煉鋼工藝化學反應速率大得多。與此類似，本工藝化學反應速率比精煉工藝化學反應速率大得多。

2.2.3本工藝與轉爐-精煉工藝物理過程速率影響因素對比

本工藝和轉爐-精煉工藝物理過程速率主要影響因素見表4。

表3 本工藝與轉爐煉鋼工藝影響化學反應速率主要因素對比表

表4 本工藝與轉爐-精煉工藝物理過程速率主要影響因素對比表

從表4中可知，和轉爐-精煉工藝物理過程速率相比，本工藝物理過程速率(含擴散傳質和對流傳質)[2]大得多。根據(jù)上面冶金動力學分析，可以預判，本工藝化學反應速率和物理過程速率是轉爐-精煉工藝的數(shù)倍是可能的。本工藝實際煉鋼反應速率需要通過試驗、實踐確定。

2.3 關鍵設備設計制造可行性

關鍵設備一：煉鋼爐。煉鋼爐是一個長度較長、由多個分段爐組合的、全密封高溫容器。設計、制造、安裝和調試等都有一定難度；煉鋼爐長時間連續(xù)運行，其運行可靠性、實用性、安全性需要在實驗室、小試、中式、工業(yè)性試驗中得到驗證。關鍵設備二：側部閥門和中部閥門。該閥門是本工藝連續(xù)性運行的鑰匙。必須使用可靠，經(jīng)久耐用。設計、制造該閥門應從可靠性、實用性和經(jīng)濟性等方面綜合考慮。根據(jù)當今我國冶金設備設計制造及多種新型耐高溫材料制造水平和能力，設計、制造本工藝煉鋼爐、耐高溫閥門已經(jīng)不是難題。本工藝的可行性，需要專家評審組織從理論和試驗等方面進行論證。

3 結語

連續(xù)式煉鋼工藝將鐵水預處理、煉鋼和精煉集中于一爐。理論上與轉爐-精煉煉鋼工藝相比，在節(jié)能，環(huán)保和經(jīng)濟效益等方面具有較大優(yōu)勢。連續(xù)式煉鋼工藝能否為我國煉鋼工藝技術今后的發(fā)展提供一種思路，還需要廣大煉鋼工作者們研討。