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1前言 溅渣护炉技术是在转炉吹炼结束后,通过顶吹氧枪高速喷吹氮气射流,冲击残留在熔池内的部分高熔点炉渣,使熔渣均匀地喷溅粘附在转炉炉衬表面,形成炉渣保护层,达到护炉的目的。该技术在美国LTV厂成功后,使转炉炉龄从5000炉提高到15000炉以上,创造了目前世界上最高的转炉炉龄记录。该项先进技术介绍到中国后,我国许多工厂结合本厂的资源、工艺特点,进行开发采用,获得了明显的经济效益。
尽管溅渣护炉技术已经在生产中广泛应用,并获得了巨大的成功。但在溅渣护炉技术的基础理论研究方面,却处于空白状态。最近该方面的研究已经引起国内外广大冶金学者的重视。
本文将简单总结钢铁研总院工艺所在下述领域里的研究结果:
(1)熔池溅渣动力学的研究；
(2)溅渣层与炉衬的结合机理;
(3)溅渣层的浸蚀试验;
(4)合理的终渣成分控制。 2熔池溅渣动力学的研究
如何有效地利用高速氮气射流将炉渣均匀地喷溅在炉衬表面,是溅渣护炉的技术关键。其效果决定于以下控制因素:
(1)熔池内留渣量和渣层厚度;
(2)熔渣的物理状态:炉渣熔点、过热度、表面张力与粘度;
(3)溅渣气动力学参数:喷吹压力、枪位以及喷枪夹角和孔数等。
通过水力学模型试验和理论分析,研究了熔池溅渣动力学过程,初步提出优化溅渣的工艺参数。
2.1水模型测定
(1)喷吹工艺对溅渣高度的影响
1)对不同的介质,不同高度条件下的溅渣量的分布基本相似,随着溅渣高度的升高,溅渣量逐渐降低。
2)当溅渣高度hs/D=1.0时,不同高度下的溅渣量的分布规律发生变化。当hs/D≤l.0时,溅渣量的比例高达总渣量的30%~60%,随着高度的增加,溅渣量将迅速降低。在hs/D≥1.0以后溅渣量随高度增加,溅渣量减少的速率降低。在这一高度的范围内,溅渣量约占溅渣总量的0~20%。由此推论,炉内溅渣存在两个反应区:当hs/D≤1.0时,溅渣以渣液面波动为主,溅渣量大,并随溅渣高度增加迅速降低。当hs/D>1.0时,溅渣主要通过反射的高速氮气射流夹带的渣液为主。溅渣量低,但随高度的增加,溅渣量衰减比较缓慢。
3)枪位对溅渣高度有较为明显的影响。在同样气源压力下,采用较低的枪位易于造成渣液面的剧烈搅动,有利于转炉下部(hs/D≤1.0)溅渣;高枪位,易于炉渣的破碎、乳化,有利于转炉上部(hs/D>1.0)溅渣。
(2)炉渣物性的影响为了测定炉渣物性对溅渣效果的影响,水模中分别采用水、盐水和水玻璃模拟炉渣。溅渣介质的变化对转炉下部、以渣液面波动为溅渣机制的影响较大。随炉渣密度和粘度的升高,渣液面波动造成溅渣量迅速降低。说明对于密度、粘度较高的炉渣,将消耗更多的射流冲击能才能造成液面的剧烈波动。而对于转炉上部溅渣,溅渣介质的变化对溅渣量的影响不大,说明炉渣表面张力的变化对射流乳化和携带液体炉渣能力影响较小。由于熔池溅渣总量主要决定于下部溅渣(约占60%~70%)量,因而在不同压力和喷吹枪位下,盐水溅渣的总溅渣量明显高于水玻璃。
(3)喷吹压力与枪位的影响
炉内溅渣决定于两种不同的机制:液面波动溅渣与射流携带溅渣。高枪位利于渣滴的乳化与飞溅,适用于转炉的上部溅渣。低枪位利于熔池波动溅渣,适用于转炉下部溅渣。因此,对于不同的气源压力,有一最佳枪位使两种溅渣机制有机地协调配合,达到最佳的溅渣效果。
2.2理论分析
根据能量守恒定律可以确定氮气射流与渣池间的能量关系:
E∑=Es+EI+Eб+ER (1)
即喷吹射流的总能量等于射流对熔池作用的表面功Es与射流对熔池的冲击功EI、射流对熔池的搅拌能Eб以及携带渣滴的反射射流的能量ER的总和。
化简式(1)可求出炉内浅渣平均高度儿与各种工艺参数的关系式(1)。
3溅渣层与炉衬结合机理与抗浸蚀性能
3.1溅渣过程中炉渣成分和结构的变化
冶炼和溅渣过程中,随着炉渣成分的改变,炉渣岩相结构发生很大的变化。
(1)初期渣:转炉开吹5min,熔池温度约为1420℃,炉渣碱度为R=1.6~1.7,渣中TFe含量较低,MgO含量约为6%~7%,接近或达到饱和值。初期渣矿相组成几乎全部为硅酸盐结构。结晶相为镁硅钙石(3CaO?MgO.2SiO2),结合相为橄榄石[CaO.(Mg、Fe、Mn)O?SiO2>。未发现RO相。MgO、FeO皆赋存于硅酸盐相中。
(2)终点渣:普通转炉终渣(如太钢渣),碱度为3.3~3.7。渣中全铁波动在13%~18%。渣中MgO的饱和浓度为3%~4%,但实际中MgO含量达到3%~13%,超过饱和溶解度值。终渣硅酸盐相以发达的板条状C3S为主,C2S含量极少。结合相为铁酸二钙(C2F)和RO相,约占总量的15%。结晶的MgO包裹在C3S晶体中或游离的结合相中。
采用半钢冶炼的终渣(如承钢终渣),铁酸盐高达40%~50%,C2S相只占20%~25%,还有少在量未熔的MgO颗粒。
(3)改质渣:转炉出钢后,如果出钢温度过高、溅渣粘度较低时,往往需要添加少量石灰或续质材料调整炉渣成分和温度,以利于溅渣护炉。改质炉渣中往往出现弥散未熔的石灰或MgO颗粒。同时C2S含量增加并发育为良好的板条状。
(4)溅后渣:溅渣后由于气流的冷却作用,使炉渣的岩相结构发生了明显的改变。粗大发育良好的板条状C3F被破碎成细小的颗粒,均匀弥散地分布于铁酸钙结合相中,使炉渣的密度增高。
3.2溅渣层与炉衬的结合机理
为了研究溅渣层与炉衬耐火材料的结合机理,在试验室内进行了小型柑埚溅渣试验。溅渣后的柑埚在炉内缓冷后纵向剖开进行岩相观察。
岩相分析结果证明,溅渣沿纵向分布很不均匀:
(1)由渣池向上,柑埚侧壁上的溅渣层由厚逐渐变薄,上部溅渣层的厚度仅为0.1~0.5mm；而柑埚下部是较厚的密实溅渣层。
(2)上部溅渣层颜色黑亮有金属光泽;下部渣层颜色暗,表面粗糙,有表面显微裂纹和气孔。
(3)从渣池底部向上连续溅渣层的矿物组成,发现随高度的增加,溅渣层的矿物组成逐渐发生明显的变化。在柑埚的底部,被气流破碎的粒状C3S和C2S以及结晶MgO颗粒富集在铁酸盐结合相内。
随溅渣高度的增加,高熔点氧化物(C3S、C2S和MgO颗粒)逐渐减少,铁相增加。在柑埚上部形成以铁酸盐为主的低熔点溅渣层。
溅渣层与Mg-C砖的结合部可细分为三个区域:
(1)烧结层:铁酸钙盐C2F沿续碳砖表面的显微气孔和裂纹,向致密的MgO机体内扩散。溶解与Mg0颗粒反应生成铁续橄榄石(MgO-Fe2O3)烧结层。
(2)结合层:在溅渣层一MgC砖表面,溅渣层中的铁酸钙将砖衬中突出的MgO颗粒包裹起来,形成镇铁橄榄石的化学结合。同时,溅渣层中C3S、C2S和MgO颗粒在气流的作用下镶嵌在粗糙的耐火衬表面,形成机械结合。
(3)溅渣层:以粗大的高熔点颗粒状C3S、C2s和MgO晶团为骨架,固溶在R0相和铁酸钙结合相中。
通过上述分析,推论出溅渣层与炉衬砖的结合机理如下:
在溅渣初期,低熔点流动性强的富铁炉渣首先溅射到炉衬表面,沿衬砖表面显微气孔和裂纹向MgO机体内扩散,形成以(MgO?CaO)Fe2O3为主的烧结层。
随溅渣的继续,颗粒状的高熔点氧化物(C3S、C2S和MgO)被气流溅射到炉衬砖表面,形成以镶嵌为主的机械结合。同时富铁的低熔点炉渣包裹在耐火砖表面突出的MgO颗粒周围形成化学结合层。
随着溅渣的进一步进行,使大颗粒C3S、C2S和MgO晶团溅射到结合层表面并与铁酸钙RO相相结合,冷却固溶形成衬砖表面溅渣层。
3.3溅渣层的浸蚀特性
为了研究溅渣层的抗浸蚀性能,在试验室内测定了两种合成渣在初渣和终渣条件下的浸蚀速度。
试验结果证明:
(1)溅渣层对转炉初期渣有较强的抗浸蚀能力,能够起到保护炉衬的作用。
(2)溅渣层对高温终渣的抗浸蚀能力很差。进一步提高溅渣层的熔点是提高溅渣层抗浸蚀能力的关键。同时,在生产实践中坚持一炉一溅和低温出钢,将有利于提高溅渣护炉的效果。 4适宜溅渣护炉的终渣成分控制
试验证明,高温熔化将造成溅渣层的严重浸蚀。因此,改变炉渣成分,进一步提高炉渣的熔化性温度,有利于溅渣护炉。
在一定的碱度条件下,提高渣中TFe含量将使炉渣熔化性温度明显降低。而碱度变化对炉渣熔化性温度影响不大。在正常炼钢条件下,控制渣中TFe=15%~20%,炉渣熔化性温度波动在1720~1780℃之间。
在渣中TFe=20%的前提下,改变渣中MgO含量和炉渣碱度,可以调整炉渣的熔化性温度。
(1)当渣中MgO含量小于8%时,对同一碱度,随MgO含量的增加,炉渣熔化性温度降低。在此范围内,增加MgO含量有利于熔池化渣,不利于溅渣护炉。当渣中MgO含量大于8%以后,对于确定的碱度,增加MgO含量有利于提高炉渣的熔化性温度。
(2)当MgO含量小于8%时,对同一MgO含量,提高炉渣碱度,将降低炉渣熔化性温度;当M束。含量大于8%以后,对同一MgO含量,提高炉渣碱度,会提高炉渣熔化性温度。
(3)对于正常炉渣碱度范围(R=2.1~3.8),控制炉渣MgO含量为8%~10%,将使炉渣熔化性温度降低至最低点(l700~1725℃),不利于溅渣护炉。
(4)从溅渣护炉的观点出发,最佳的炉渣成分控制为:
低碱度、低MgO含量区域(R=2.l~2.4;MgO≤4%、TFe=20%)
高碱度、低MgO含量区域(R=3.0~3.8;Mg0≥l2%、TFe=20%)
该区域内,炉渣的熔化性温度可达到1800~1870℃。 5结语 从水模试验、炉渣岩相检验、试验室高温模拟溅渣及理论计算几方面进行了溅渣工艺动力学、炉渣改质、粘结机理、溅渣层的损蚀机理及适宜溅渣的终渣成分等方面的研究工作,取得了初步的结果,有些尚不能得出确切的结论。由于篇幅所限不能详细论述，其中部分工作今后还将深入进行，以期得出更为符合实际得结论。
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转炉负能炼钢与煤气回收技术
摘要 论述转炉实现负能炼钢的基本原理及可能性,宝钢在l989年炼钢工序能耗标煤达到-1.05kg/t;对负能炼钢的技术途径进行了分析,提出要实现负能炼钢必须回收利用转炉煤气;还对我国转炉煤气回收技术的现状及节能的巨大潜力作了综述。
1转炉炼钢工序能耗实现负值——负能炼钢 在转炉内,把铁水炼成钢的过程,主要是降碳、升温、脱磷、脱硫以及脱氧和合金化等高温物理化学反应过程,其工艺操作是控制供氧、造渣、温度及加入合金料等,以获得所要求的钢液并浇铸成钢锭或连铸坯。氧气顶吹转炉炼钢法的特点之一是不需要外来热源,根据物料和热平衡计算:以铁水的物理热和化学热为主要热收入,抵消金属和炉渣的含热量以及各项热损失外,还有剩余热量。因此常将废钢、铁矿石和石灰石等作为冷却剂加入炉内以平衡热量防止炉温过高。
1.1炼钢过程的能量消耗
炼钢过程需要有足够的能量输入才能完成,通常要消耗电力、氧气、燃气、惰性气体、虚缩空气以及水、蒸汽等。
1.2炼钢过程能量的释放
在吹炼过程中,碳氧反应是冶炼过程始终存在的一个重要反应,反应的生成物主要是C0气体(浓度约为85%~90%),但也有少量碳与氧直接作用生成CO2,其化学反应式为
2C+O2→2CO↑
2C+2O2→2CO2↑
2CO+O2→2CO2↑
在冶炼过程中炉内处于高温,碳氧反应形成的CO气体也称转炉煤气,温度约在1600℃。此时高温转炉煤气的能量约为1GJ/t,其中煤气显热能约占1/5,其余4/5为潜能(燃烧时转化为热能,不燃烧时为化学能),这就是转炉冶炼过程中释放出的主要能量。因此,转炉煤气回收利用是炼钢节能降耗的重要途径。
1.3炼钢工序能耗实现负值分析
炼钢工序能耗是按生产出每吨合格产品(钢锭或连铸坯)所用的各种能量之和扣除相应回收的能量(标煤)进行计算的。
消耗能量>回收能量时,耗能为正值
消耗能量-回收能量=0时(称“零”能炼钢)
消耗能量<回收能量时,耗能为负值(称“负”能炼钢)
1.4实现负能炼钢是可能的
转炉炼钢过程中释放出的能量是以高温煤气为载体,若以热能加以度量分析,具体表现为潜热占83.6%,显热占16.4%。显然,煤气所拥有的能量占总热量中的绝大部分。因此,要做到负能炼钢必须回收煤气,而且应尽可能提高回收煤气的数量和质量。
宝钢一期设计年产钢水318万t,铸成锭为312万t,铁钢比为1,宝钢一期工序能耗设计值为
(8.790-6.822)÷312=6kg/t
1988年宝钢炼钢实际工序能耗为3.26kg/t。
宝钢于1989年科学地应用了目标管理以及劳动技能提高等措施,吨钢能耗下降4.31kg,使转炉工序能耗达到-1.05kg/t,实现了负能炼钢,跨入了世界先进炼钢技术行列。
1.5实现转炉负能炼钢必须回收煤气
1.6实现负能炼钢的主要技术途径
(1)采用新技术系统集成,提高煤气回收的质量与数量;
(2)采用交流变频调速新技术,降低炼钢工序大功率电机的电力消耗;
(3)改进炼钢(包括连铸等)操作水平,降低物料、燃料消耗;
(4)提高管理水平及人员素质,保证安全、正常、稳定生产。 2国内转炉煤气回收技术现状及其节能巨大潜力
2.1转炉煤气净化回收主要代表流程
我国于1966年在上钢一厂30t转炉上首先实现了煤气回收,是湿法流程,简称OG法,主要采用两级文丘里型煤气除尘器,贮气为湿式煤气柜,至今我国已回收煤气的企业均为湿法流程。此流程基建技资较低,操作运行简单、安全,但运行费用相对较高,要附设除尘污水处理设施。
另一种干法流程,简称LT法,为宝钢三期250t转炉引进奥钢联技术建设的煤气回收装置。转炉煤气净化采用干式静电除尘器,贮气为干式煤气柜。此流程基本建设投资较高,运行费用较低,操作较为复杂,没有污水处理设施,将与宝钢250t转炉同时投产。
2.2我国转炉煤气回收技术水平与国外先进水平的比较
1986年上钢三厂三座30t转炉采用较为完善的国产成套煤气回收技术设备,主要包括:①线性矩形可调喉口文丘里除尘器;②可调喉口液压伺服装置;③炉口微差压自动调节系统;④快速三通切换阀;⑤大管径文丘里型煤气流量计;⑥煤气回收自动控制装置；⑦煤气成分自动分析装置。
2.3回收煤气的节能潜力巨大
自1966年我国开始回收转炉煤气以来,经历了30年,到1996年已有20个企业回收了煤气,占应回收煤气企业的51%。全行业转炉煤气回收利用率平均为51%,重点钢铁企业为70%,中小骨干企业仅为6%。如果目前还没有回收煤气的19个企业尽快增添回收设施,采用新技术装备,初期回收先按中等水平要求,即每吨钢回收65m3,煤气热值为1800×4.18kJ/m3,每年回收的煤气折合标煤可达34万t。已做到低水平回收的17个企业,用新技术进行技术改造,把回收水平提高到较高水平,即每吨钢回收70m3,煤气热值为1950×4.18kJ/m3,则每年多回收的煤气折合标煤可达16万t。上述二者之和,将达到每年回收能量约40万t,上述36个企业转炉炼钢工序能耗(标煤)将平均下降9.2kg/t,节能潜力是巨大的。
转炉负能炼钢是先进炼钢技术的重要标志之一,是炼钢工艺、装备、操作以及管理诸方面先进水平的综合体现,也是节能降耗、降低生产成本、提高企业竞争力的主要技术措施。实现负能炼钢也是一项艰难的科技攻关系统工程,需要将许多先进技术集成、配套,尤其离不开企业现代化的科学管理和生产,必须千方百计提高转炉煤气回收的数量与质量。
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