林 滔, 馮 超, 朱 榮, 楊華鵬, 王 輝, 夏 韜

(1.北京科技大學(xué), 北京 100083;2.江蘇省鑌鑫鋼鐵集團(tuán)有限公司,江蘇 連云港 222000)

在煉鋼實(shí)踐過(guò)程中,鋼鐵料消耗是轉(zhuǎn)爐煉鋼中最重要的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo),鋼鐵料消耗的成本占煉鋼總成本的70%以上[1-2],其大小直接反映出轉(zhuǎn)爐的冶煉水平。影響轉(zhuǎn)爐鋼鐵料消耗的主要因素有原料情況、冶煉工藝、造渣操作和終點(diǎn)控制等。在煉鋼原料確定的情況下,確定合適的冶煉工藝、少渣操作制度將有利于降低冶煉過(guò)程中的鐵損[3]。

CO2作為溫室氣體的主要?dú)怏w,因其造成的環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重而逐漸受到重視[4-5]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)多家鋼廠將CO2應(yīng)用于鋼鐵冶煉,并獲得了較好的效果。朱榮等人[6-7]通過(guò)COMI煉鋼工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐煙塵產(chǎn)生量降低,與常規(guī)工藝相比,煙塵量平均減少12.50%,煙塵中TFe平均減少12.75%。董建鋒等人[8]研究了CO2頂吹比例對(duì)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制的影響,研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)CO2噴吹比例在10%以下時(shí),隨CO2噴吹比例的增加,碳氧濃度積與渣中 TFe 變化趨勢(shì)基本相同,均為先降低后增加,碳氧濃度積與渣中TFe下降比例最高分別為12.92%和8.89%。

本研究將CO2作為120 t轉(zhuǎn)爐上的頂吹混合氣體,從爐渣鐵損、煙塵鐵損和冷卻劑用量三方面分析了COMI煉鋼工藝對(duì)冶煉過(guò)程中鐵損的影響。

1 COMI煉鋼工藝原理

北京科技大學(xué)自2002年以來(lái)致力于轉(zhuǎn)爐降塵新工藝研發(fā),即CO2- O2混合噴吹煉鋼工藝,簡(jiǎn)稱COMI (CO2and O2mixed inject) 煉鋼工藝。經(jīng)過(guò)20余年的實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)COMI煉鋼工藝不僅有利于降低煉鋼產(chǎn)生的煙塵,有益于降低爐渣鐵損、鋼水終點(diǎn)碳氧積、提高脫磷率。

1.1 COMI煉鋼工藝熱力學(xué)分析

通過(guò)對(duì)CO2與鋼液中常見(jiàn)元素的反應(yīng)的ΔGθ的計(jì)算[9],在煉鋼溫度范圍內(nèi),CO2與熔池中[C]、[Fe]、[Si]和[Mn]均可發(fā)生反應(yīng),在1 600 ℃下反應(yīng)的DGq列于表1中。

表1 相關(guān)化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)數(shù)據(jù)表

相對(duì)于純O2射流,在頂吹射流中混摻部分CO2有利于降低轉(zhuǎn)爐火點(diǎn)區(qū)溫度,實(shí)現(xiàn)煙塵產(chǎn)量降低?；鞊紺O2降低轉(zhuǎn)爐火點(diǎn)區(qū)溫度的原因在于CO2在煉鋼過(guò)程中的吸熱特性,CO2在氧化煉鋼過(guò)程中熱效應(yīng)的表現(xiàn)主要由以下兩部分組成:

(1)室溫條件下的CO2進(jìn)入高溫鐵水中的物理吸熱;

(2)CO2與鋼液中[C]、Fe(l)反應(yīng)為吸熱反應(yīng),與其他元素反應(yīng)為微放熱反應(yīng)。

根據(jù)(1),計(jì)算噴吹CO2的物理吸熱量的公式如式(1)所示:

(1)

式中:T為冶煉溫度,K;Q為從室溫25 ℃到達(dá)冶煉溫度T過(guò)程中吸收的物理熱,J·mol-1;cp為CO2的比熱容,J·mol-1·K-1。

CO2的比熱容與溫度的關(guān)系式為[10]

cp=26.75+42.258×10-3T-14.25×10-6T2

(2)

根據(jù)式(1)和式(2)可得:當(dāng)升溫至1 600 ℃時(shí),CO2吸收的物理熱為

10-6T2dT=83.29 kJ/mol

噴吹CO2和O2的混合氣體時(shí),CO2會(huì)與熔池中[C]、[Si]、[Mn]、Fe(l)等元素發(fā)生氧化還原反應(yīng),反應(yīng)伴隨著吸放熱,CO2與鋼液中元素反應(yīng)的熱效應(yīng)可通過(guò)式(3)來(lái)計(jì)算:

(3)

式中:ΔH為溫度為T(mén)時(shí)CO2與元素的化學(xué)反應(yīng)熱,J·mol-1;ΔH298為溫度為25 ℃時(shí)CO2與元素的化學(xué)反應(yīng)熱,J·mol-1;Δcp為反應(yīng)中各物質(zhì)的比熱容,J·mol-1·K-1。

1.2 COMI煉鋼工藝對(duì)熔池?cái)嚢璧挠绊?/h3>

頂吹CO2和O2的混合射流相對(duì)于頂吹O2更有利于熔池的攪拌,減少混勻時(shí)間,改善熔池的動(dòng)力學(xué)條件,其原因有以下兩點(diǎn)。一是根據(jù)表1中常見(jiàn)元素的反應(yīng)方程式可知,相對(duì)于O2,CO2與熔池中元素反應(yīng)的產(chǎn)物均有氣體生成,生成的氣體將從反應(yīng)界面排出到煙氣中,在氣體運(yùn)動(dòng)的同時(shí),促進(jìn)熔池?cái)嚢?二是根據(jù)之前魏國(guó)立等人[11]的研究,在頂吹O2射流中混合CO2雖然幾乎不能增加射流的速度大小,但可以達(dá)到更高的動(dòng)壓,說(shuō)明混合CO2的頂吹射流有更強(qiáng)的沖擊動(dòng)能,從而有利于熔池的攪拌,減少混勻時(shí)間。從以上兩點(diǎn)分析,頂吹CO2可以改善熔池?cái)嚢璧膭?dòng)力學(xué)條件,從而有利于轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳氧反應(yīng)更接近平衡狀態(tài),降低渣中(FeO)含量。

2 120 t復(fù)吹轉(zhuǎn)爐應(yīng)用COMI煉鋼工藝的工業(yè)試驗(yàn)

2.1 工業(yè)試驗(yàn)方案

噴吹CO2試驗(yàn)方案如表2所示,在進(jìn)行CO2頂吹試驗(yàn)時(shí),制定了相應(yīng)的O2頂吹流量設(shè)定,氧氣流量的大小主要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)金屬料氧氣消耗的平衡計(jì)算。將冶煉全過(guò)程分為前、中、后3個(gè)時(shí)期,本研究的試驗(yàn)爐次共403爐,常規(guī)冶煉爐次193爐。

表2 噴吹CO2試驗(yàn)方案

2.2 試驗(yàn)條件

鐵水和廢鋼的主要成分和溫度如表3所示,試驗(yàn)爐次鐵水的[Si]含量比較高,這會(huì)對(duì)渣量造成一定的影響,石灰的加入量增加,渣量在一定程度上會(huì)增加。常規(guī)爐次的鋼水平均溫度要大于試驗(yàn)爐次,主要受冷料加入量的影響。

表3 鐵水、鋼液的主要成分和溫度

2.3 工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 粗灰產(chǎn)量分析

圖1顯示了不同冶煉模式下轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中的粗灰產(chǎn)量的分布情況,從圖1中可以得到CO2噴吹爐次的粗灰量要低于常規(guī)爐次,試驗(yàn)爐次的粗灰產(chǎn)量比原工藝降低了95.42 kg/爐,粗灰產(chǎn)量減少比例為21.4%。粗灰產(chǎn)量減少的主要原因與火點(diǎn)區(qū)溫度的降低有關(guān),CO2與熔池中[C]反應(yīng)為吸熱反應(yīng),火點(diǎn)區(qū)溫度隨CO2用量增加而降低,從而限制金屬鐵的蒸發(fā)。

圖2顯示了不同冶煉模式下粗灰產(chǎn)量隨轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度升高變化的過(guò)程,從圖中可以得到原工藝為隨著冶煉終點(diǎn)溫度的升高,粗灰產(chǎn)量是逐漸升高,而試驗(yàn)爐次的粗灰產(chǎn)量是先升高后降低,且1 650～1 700 ℃的粗灰產(chǎn)量要高于1 550～1 600 ℃的粗灰產(chǎn)量,說(shuō)明粗灰產(chǎn)量伴隨溫度升高而逐漸增大。產(chǎn)生上述趨勢(shì)的原因是終點(diǎn)溫度與反應(yīng)過(guò)程溫度相關(guān),終點(diǎn)溫度高則冶煉過(guò)程中熔池溫度相對(duì)較高,進(jìn)而產(chǎn)生的煙塵量大。通過(guò)對(duì)比可知,應(yīng)用COMI煉鋼工藝,可以對(duì)熔池溫度進(jìn)行有效控制,進(jìn)而有利于粗灰產(chǎn)量的降低。

圖2 不同終點(diǎn)溫度范圍下的粗灰產(chǎn)量

2.3.2 渣中鐵損分析

表4顯示了不同冶煉模式下渣量隨熔池中[Si]含量的改變而變化的情況,從表4中可以得到,隨著熔池中[Si]含量增加,渣量是逐漸增大的。對(duì)渣量進(jìn)行分析,試驗(yàn)爐次的渣量在不同鐵水[Si]含量階段均大于常規(guī)爐次,其原因主要是試驗(yàn)爐次不同鐵水[Si]含量階段的出鋼量大,且由表3可知,試驗(yàn)階段的鐵水[Si]含量大于常規(guī)爐次,所以試驗(yàn)爐次的渣量較大。通過(guò)表4可知,轉(zhuǎn)爐的渣量主要與鐵水的[Si]含量、鋼水產(chǎn)量等因素有關(guān),基于錳元素平衡分析轉(zhuǎn)爐渣量可知,COMI技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于渣量的產(chǎn)生沒(méi)有影響,但是試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),燒結(jié)礦等冷料的消耗量減少了5.93 kg/t。

表4 渣量計(jì)算統(tǒng)計(jì)

圖3(a)和圖3(b)分別顯示了爐渣(FeO)含量、鐵損與鐵水[Si]含量的變化情況,鐵損進(jìn)行的變化趨勢(shì)由爐渣(FeO)含量和渣量等因素共同決定。通過(guò)圖3(a)可知,試驗(yàn)爐次的爐渣(FeO)含量低于常規(guī)爐次,CO2作為弱氧化性氣體,其氧化性弱,且CO2參與冶煉過(guò)程的氣泡增殖效應(yīng),可以加強(qiáng)熔池?cái)嚢?有利于渣鋼間的氧化還原反應(yīng),實(shí)現(xiàn)爐渣(FeO)降低。雖然,試驗(yàn)爐次的渣量相對(duì)較高,但因FeO含量下降得更加顯著,造成噸鋼渣中的鐵損小于常規(guī)爐次,尤其是當(dāng)鐵水中[Si]含量在0.4%～0.6%,試驗(yàn)爐次的鐵損相比常規(guī)爐次降低了0.37 kg/t。另外,隨著熔池中[Si]含量增加,鐵損是先增加后減少的,這種趨勢(shì)由爐渣(FeO)含量和造渣劑加入量等多種因素共同控制。

圖3 不同鐵水[Si]范圍下渣中FeO含量和噸鋼鐵損情況

2.3.3 噸鋼鐵損減少分析

在冶煉過(guò)程中,鋼鐵料的損失主要來(lái)自渣中的鐵損、轉(zhuǎn)爐除塵系統(tǒng)帶走的煙塵損失、操作不當(dāng)噴濺造成的鐵損等。本次研究中主要分析了爐渣和除塵灰造成的鐵損,以及含鐵原料燒結(jié)礦消耗量變化對(duì)于鐵損的影響。

通過(guò)圖1可知,試驗(yàn)爐次每爐的粗灰產(chǎn)量要比常規(guī)爐次低95.42 kg,實(shí)現(xiàn)粗灰產(chǎn)生量降低0.8 kg/t,經(jīng)檢測(cè)粗灰TFe含量為63%,核算試驗(yàn)爐次除塵灰減少造成的鐵損降低0.5 kg/t。

對(duì)轉(zhuǎn)爐全爐次的渣樣進(jìn)行分析,試驗(yàn)爐次爐渣(FeO)含量平均為11.58%,常規(guī)爐次爐渣(FeO)含量平均為12.19%。結(jié)合表3顯示結(jié)果,試驗(yàn)爐次和常規(guī)爐次的平均渣量分別為10.12 t和9.21 t,因試驗(yàn)爐次的平均出鋼量為126.30 t,常規(guī)爐次的平均出鋼量為119.59 t,經(jīng)過(guò)計(jì)算可知,試驗(yàn)爐次和常規(guī)爐次爐渣鐵損分別為9.38 kg和9.28 kg,則試驗(yàn)爐次的爐渣鐵損降低了0.1 kg/t。

冷卻劑加入量分析可知,試驗(yàn)爐次的燒結(jié)礦消耗量減少了5.93 kg/t,主要是由于CO2的冷卻效果和增強(qiáng)攪拌共同作用的結(jié)果,取燒結(jié)礦中鐵的回收率為38%,則試驗(yàn)爐次的冷卻劑減少造成的鐵損降低2.25 kg/t。

綜上所述,爐渣、粗灰和冷卻劑影響結(jié)果為,轉(zhuǎn)爐COMI技術(shù)降低鐵損3.54 kg/t。

3 結(jié) 論

本文研究了COMI技術(shù)應(yīng)用于120 t轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程鐵損失變化情況,得到以下結(jié)論:

(1) 粗灰產(chǎn)量伴隨冶煉溫度升高而增加,COMI技術(shù)的平均粗灰產(chǎn)量比常規(guī)爐次減少了21.4%,鐵損失降低0.5 kg/t。

(2) 用錳平衡法計(jì)算轉(zhuǎn)爐煉鋼渣量,渣量隨鐵水中[Si]含量的增加而增加,且COMI技術(shù)的爐渣(FeO)含量降低了0.61%,鐵損失降低0.1 kg/t。

(3) COMI技術(shù)的成功應(yīng)用后,相比常規(guī)爐次的冶煉指標(biāo)更好,綜合分析爐渣、粗灰和冷卻劑造成的鐵損失,COMI技術(shù)的鐵損失降低了3.54 kg/t。