姚同路,賀 慶, 楊 勇, 吳 偉, 孟華棟,胡硯斌

(鋼鐵研究總院有限公司 冶金工藝研究所,北京 100081)

2020年我國政府宣布了2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標(biāo)[1],電爐短流程的噸鋼CO2排放量約為長流程的1/3,因此發(fā)展短流程煉鋼被視為實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵[3]。2021年我國鋼鐵工業(yè)電爐短流程煉鋼占比10.6%,遠(yuǎn)低于28.9%的世界平均水平[2]。據(jù)測算[4],要達(dá)到2015年《巴黎協(xié)定》確立的2 ℃溫升目標(biāo)[5],我國2050年電爐短流程煉鋼占比須達(dá)到33%;要達(dá)到1.5 ℃目標(biāo),需進(jìn)一步發(fā)展氫能技術(shù)應(yīng)用于高耗能行業(yè)。

近年來隨著國家重視電爐短流程煉鋼,國內(nèi)電爐企業(yè)在綠色低碳生產(chǎn)、智能控制等方面取得了長足進(jìn)步[6-10]。爐門碳氧槍作為電爐冶煉的輔助設(shè)備,是電爐強化冶煉的重要手段。隨著現(xiàn)代電爐冶煉技術(shù)的進(jìn)步,電爐爐門碳氧槍系統(tǒng)更新?lián)Q代加快,噴吹工藝向綠色高效方向邁進(jìn)。

本文通過對電爐爐門碳氧槍吹氧、噴粉技術(shù)進(jìn)行研究,結(jié)合在某鋼廠100 t Consteel電爐生產(chǎn)實踐,提出一系列爐門噴吹工藝與裝備的優(yōu)化措施并得以驗證,目的在于對爐門強化吹煉的工藝技術(shù)進(jìn)行深入剖析,對電爐短流程冶煉工藝提出建議與啟發(fā),這也是本文的意義所在。

1 電爐爐門噴吹技術(shù)發(fā)展概況

近年來,強化冶煉技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用對電爐煉鋼經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的改善起到了重要作用。電爐強化冶煉技術(shù)主要有爐門吹氧噴粉、爐壁氧燃槍助熔、爐壁氧槍吹氧脫碳及二次燃燒等[11],如圖1所示。其中氧燃槍、氧槍和二次燃燒是主要的吹氧助熔手段,爐門/爐壁碳槍是主要的造泡沫渣手段,將它們結(jié)合使用可起到改善熔池攪拌效果、促進(jìn)冶金反應(yīng)、降低電耗以及提高生產(chǎn)率等工藝效果。

圖1 電爐強化冶煉手段

電爐爐門碳氧槍因其位置靈活、噴吹覆蓋面大、穿透力強等優(yōu)點成為電爐強化冶煉的重要輔助設(shè)備,對于傳統(tǒng)電爐可以起到在熔化期切割廢鋼及助熔、在氧化期造泡沫渣及脫碳精煉的作用。目前國內(nèi)電爐使用的爐門碳氧槍主要有:德國Fuchs、美國燃燒公司等開發(fā)的水冷式爐門碳氧槍裝置、德國BSE公司的自耗式爐門碳氧槍裝置及國內(nèi)企業(yè)參考國外爐門槍研發(fā)制作的設(shè)備,如圖2及圖3所示。

圖3 爐門自耗式碳氧槍

2 電爐爐門噴吹技術(shù)研究

近年來國內(nèi)電爐短流程鋼廠在原有頂開蓋電爐基礎(chǔ)上,大量引進(jìn)了可實現(xiàn)廢鋼預(yù)熱的水平連續(xù)加料電爐及其他爐型,實現(xiàn)了平熔池冶煉,爐門噴吹的主要作用也由前期切割廢鋼變?yōu)榱嗽炫菽懊撎济摿?但同時傳統(tǒng)爐門噴吹工藝的不適應(yīng)性也逐漸顯現(xiàn)出來。本文以國內(nèi)某廠100 t Consteel全廢鋼電爐生產(chǎn)為例,介紹電爐爐門噴吹技術(shù)在電爐冶煉中的優(yōu)化及應(yīng)用情況。

2.1 電爐基本技術(shù)參數(shù)

該廠全廢鋼電爐的主要設(shè)計技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 電爐主要技術(shù)參數(shù)及設(shè)計指標(biāo)

該鋼廠主要生產(chǎn)熱軋帶肋鋼筋,電爐配備1臺爐門碳氧槍+1支爐壁氧槍+1支爐壁碳槍,原爐門氧槍按單孔設(shè)計,設(shè)計氧氣流量4 200 m3/h。出現(xiàn)的問題有:①冶煉電耗居高不下,高達(dá)400 kW·h/t;②爐襯沖刷嚴(yán)重,爐齡最長300爐左右;③連續(xù)加料煙道溫度過高,耐材損壞速度過快;④原爐門氧槍不能很好地適應(yīng)Consteel電爐冶煉特點,氧氣消耗高達(dá)30 m3/t(標(biāo)準(zhǔn))。⑤碳粉消耗量大,波動在25～32 kg/t,平均28 kg/t。

針對以上問題,研究人員分別進(jìn)行了以下研究,逐一解決了各項問題。

2.2 爐門吹氧工藝研究

針對冶煉電耗高、爐齡低、熱效率低的問題,首先從吹氧角度分析,認(rèn)為主要原因有兩個:一是原爐門槍氧流量大,且為單孔射流,使氧氣流股穿透力過大,造成化渣效果差、爐渣FeO低,大量碳粉被抽入加料煙道燒損耐材,且對爐體耐材沖刷嚴(yán)重,使?fàn)t齡降低。二是原爐門氧槍設(shè)計難以適應(yīng)Consteel電爐冶煉特點,使吹氧效果變差。

2.2.1 爐門吹氧流量研究

爐門吹氧在全廢鋼電爐冶煉過程中起著快速助熔、攪拌熔池、造渣脫磷的重要作用,是強化冶煉的重要手段,因此首先根據(jù)氧槍設(shè)計原理[12],對爐門吹氧工藝進(jìn)行了研究,重新優(yōu)化設(shè)計噴頭,參數(shù)如表2所示,圖4為噴頭軸向視圖對比。

表2 優(yōu)化前后氧槍噴頭設(shè)計參數(shù)

圖4 優(yōu)化前后氧槍噴頭軸向視圖對比

由表2及圖4可知,優(yōu)化后噴頭最大的改變是將單孔變?yōu)殡p孔,氧孔夾角40°,并將馬赫數(shù)由2.1降至2.0,減小了射流沖擊力。經(jīng)測算,改為雙孔噴頭之后,顯著減少了沖擊深度,由原來的85 cm減至68 cm。同時根據(jù)出鋼[C]控制要求,調(diào)整吹煉前期氧氣流量2 500 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)),中期氧氣流量3 000 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)),后期氧氣流量根據(jù)冶煉狀況做適當(dāng)調(diào)整。優(yōu)化后氧氣射流對爐內(nèi)耐材的沖擊明顯降低,爐齡增加至400爐,同時經(jīng)熱量核算,煙道內(nèi)溫度降低132 ℃,耐材燒損問題得到緩解。

2.2.2 爐門吹氧角度研究

生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)爐門氧槍難以適應(yīng)水平連續(xù)加料電爐冶煉特點,主要表現(xiàn)在:廢鋼單側(cè)連續(xù)加料與氧氣射流難以吹掃助熔之間的矛盾,以及熔池深度不斷變化與氧氣射流角度不夠之間的矛盾。

不同于傳統(tǒng)頂加料電爐,水平連續(xù)加料電爐廢鋼進(jìn)料口位于爐體一側(cè),容易形成冷區(qū),即使有爐壁氧槍也很難快速熔化[13-14]。傳統(tǒng)爐門氧槍基于頂加料設(shè)計,使氧氣射流廣度不足以覆蓋連續(xù)加料區(qū),不能起到快速助熔的作用。因此調(diào)整原爐門氧槍布置方式并加長槍體,使氧槍工作位偏離爐口中心線,氧氣射流范圍增大,實現(xiàn)了快速熔化廢鋼功能,縮短冶煉時間,如圖5所示。

圖5 爐門氧槍的偏心布置示意圖

水平連續(xù)加料電爐的另一個特點是冶煉過程熔池由淺到深動態(tài)變化。冶煉初期熔池較淺,氧槍需以較大角度伸入爐體吹氧以保證槍位要求,隨著冶煉進(jìn)行,熔池逐漸上升,吹氧角度需隨之做出調(diào)整。傳統(tǒng)爐門氧槍由于其升降及俯仰行程有限,使其很難適應(yīng)連續(xù)加料電爐冶煉的大角度需求。經(jīng)過設(shè)計和計算,對爐門槍的升降及俯仰活動范圍進(jìn)行調(diào)整,使吹氧角度增加,滿足了連續(xù)加料電爐的吹煉需求。

2.3 爐門噴粉工藝研究

2.3.1 電爐造泡沫渣機理

電爐造泡沫渣的作用是實現(xiàn)埋弧操作,以減少弧光輻射、提高功率因數(shù)、降低電耗并縮短電爐冶煉時間。泡沫渣是吹氧、噴碳、造渣同時作用的結(jié)果:吹入熔池的O2首先與Fe反應(yīng)生成FeO, FeO與碳粉及熔池的C、Si、P等反應(yīng),并且由于FeO的破殼助熔作用,石灰迅速熔化,液態(tài)渣作為液膜將渣層下的CO氣泡隔開,使?fàn)t渣泡沫化形成泡沫渣[15-16]。

圖6為電爐噴吹造泡沫渣過程示意圖。

圖6 噴吹造泡沫渣過程示意圖

電爐冶煉過程通過氧槍向熔池噴吹O2,C-O反應(yīng)主要有兩種形式:直接氧化反應(yīng)與間接氧化反應(yīng)。

1)直接氧化:

(1)

2)間接氧化:

(2)

(3)

式(1)主要發(fā)生在氧氣射流與熔池直接接觸的高溫反應(yīng)區(qū),式(2)、式(3)主要發(fā)生在高溫反應(yīng)區(qū)外圍及渣鋼界面,在實際吹煉過程中,以間接反應(yīng)為主。基于此理論,對吹煉前期的槍位(噴孔-液面)做了調(diào)整,使之在原工藝基礎(chǔ)上增加100 mm,促進(jìn)了間接反應(yīng)進(jìn)行。

2.3.2 電爐噴粉工藝研究

電爐造泡沫渣的主要手段是通過爐門及爐壁碳槍向爐內(nèi)噴吹碳粉[17]。電爐噴粉系統(tǒng)主要由料倉、噴粉罐、流化裝置、輸粉系統(tǒng)、噴粉槍及控制系統(tǒng)等組成,如圖7所示。

圖7 電爐噴粉系統(tǒng)示意圖

研究人員對冶金過程用碳粉或煤粉粒徑做了大量研究[18-19],對碳粉的最合適粒徑并未取得一致意見,目前電爐噴吹碳粉的粒度一般要求0.5～3 mm。塞里茲認(rèn)為,要使?fàn)t渣起泡,碳粉粒徑應(yīng)大于2 mm,這樣才能更好地與渣中FeO反應(yīng)生成CO并保持一定時間,太細(xì)或太粗都不利。課題組經(jīng)過分析,將碳粉粒徑設(shè)定為1～4 mm,同時加大篩網(wǎng)孔徑,保證了噴粉順行并延長了泡沫渣維持時間,取得良好的冶金效果。

相對于傳統(tǒng)電爐的小噴粉量,全廢鋼電爐噴粉量增大數(shù)倍,噸鋼消耗碳粉量15～30 kg,這對傳統(tǒng)電爐噴粉系統(tǒng)的穩(wěn)定性是一個巨大考驗。為適應(yīng)全廢鋼電爐大噴粉量需求,參考冶金研究人員對噴粉技術(shù)的研究[20-21],新噴粉系統(tǒng)加大了料倉及噴粉罐的儲粉量,采用30 m3大料倉密封設(shè)計,并將輸粉管道全部升級為耐磨材質(zhì),有效保證了噴粉工藝需求,并實現(xiàn)了綠色環(huán)保。

3 電爐爐門噴吹技術(shù)優(yōu)化效果

通過對該廠電爐爐門碳氧槍噴吹技術(shù)及工藝進(jìn)行研究,升級優(yōu)化吹氧及噴吹技術(shù)參數(shù)使之適應(yīng)連續(xù)加料電爐冶煉特點,現(xiàn)場跟蹤采集數(shù)據(jù)105爐,取得了良好的冶金效果。

(1)通過優(yōu)化吹氧工藝及噴頭設(shè)計,調(diào)整吹氧流量,使電爐爐齡由300爐提高至400爐,氧耗由30 m3/t(標(biāo)準(zhǔn))降至26 m3/t(標(biāo)準(zhǔn))。

(2)通過對傳統(tǒng)爐門氧槍進(jìn)行多方面改造,采用爐門槍偏中心線布置、優(yōu)化噴吹角度等,使之適應(yīng)全廢鋼連續(xù)加料電爐冶煉特點,促進(jìn)熔池化學(xué)反應(yīng)速度。

(3)通過研究泡沫渣形成機理,對噴粉及吹氧工藝進(jìn)行了優(yōu)化,泡沫渣造渣效果顯著提升,電爐碳粉耗量由28 kg/t降至22 kg/t,電耗由400 kW·h/t降至340 kW·h/t,冶煉周期由48 min縮短至42 min,直接經(jīng)濟(jì)效益50元/t鋼。

4 結(jié)論與展望

本文對電爐噴吹技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了充分調(diào)研,結(jié)合水平連續(xù)加料電爐生產(chǎn)實踐,對爐門吹氧、噴粉技術(shù)及工藝進(jìn)行了深入研究。得出以下結(jié)論。

(1)隨著現(xiàn)代電爐多樣化及冶煉技術(shù)的進(jìn)步,電爐爐門碳氧槍系統(tǒng)更新?lián)Q代加快,噴吹技術(shù)及工藝需進(jìn)一步優(yōu)化,充分發(fā)揮強化冶煉作用。

(2)電爐爐門碳氧槍要適應(yīng)全廢鋼電爐冶煉技術(shù),需深入研究現(xiàn)代電爐的爐型特點、冶煉工藝、物料特征,結(jié)合冶金原理、泡沫渣機理、裝備設(shè)計等基礎(chǔ)理論,升級改進(jìn)技術(shù)并應(yīng)用于現(xiàn)場生產(chǎn),在實踐中不斷改進(jìn)。

(3)從國內(nèi)電爐爐門噴吹技術(shù)發(fā)展水平來看,仍存在噴吹技術(shù)落后、不完全適應(yīng)現(xiàn)代電爐冶煉特點、智能化發(fā)展水平低的現(xiàn)狀,建議下一步的發(fā)展重點是升級裝備技術(shù),提升智能化水平,使之與現(xiàn)代電爐的發(fā)展相匹配。