電熔爐用于冶金渣制備巖棉熱工計算及可行性分析

尹貽民， 張貴杰 ，李海英， 李 闖， 李富鵬

(華北理工大學 冶金與能源學院，河北 唐山 063210)

冶金渣是鋼鐵企業生產過程中各工序中排出的廢渣的總稱，鋼渣和高爐渣是冶金生產中最具代表性的冶金渣，產出率分別約為粗鋼產量的14%和30%。2012年，全國鋼渣產出量達到 9 300 萬t，利用率約為 22%；高爐渣產生量為 2.21 億t，利用率為 78%[1]。經高爐冶煉產生約 1 300 ℃左右的熱態紅渣，每千克紅渣蘊含著大約959.85 kJ熱量[2]。冶金渣閑置堆積不僅對環境造成污染，同時也是對固體材料及熱能的浪費。當前冶金渣主要利用途徑:在冶金過程中用作燒結礦溶劑及高爐溶劑；冶金渣中回收廢鐵，冶金渣中提取稀有元素；冶金渣中含可被植物吸收利用的元素，因此冶金渣處理后用于生產礦物質肥料，冶金渣具有天然堿性，有改良酸性土壤的作用，是肥田的絕佳資源；日本利用廢冶金渣填海造陸，擴大土地規模，實現冶金渣的大批量處理；冶金渣具有大量的空隙及較大的比表面積，篩選多孔成型的冶金渣污用于水處理吸附材料；冶金渣在建材領域用于道路或地面的基層、墊層，建筑材料中的渣磚、瓦和普通砌塊等低附加值產品，生產冶金渣水泥[3]。

以冶金渣為原料制備巖棉是冶金渣高附加值利用的新途徑。巖棉是一種廣泛應用于建筑、工業、船舶和海工平臺等行業中的保溫防火隔音材料，其生產主要是通過高溫將天然巖石熔化，經高壓風吹拉或高速離心成纖維，用酚醛樹脂黏結在一起，經壓縮固化成型[4]。目前國內防火材料市場中，巖棉無機材料只占10%左右的份額[5]，隨著消防意識的加強，巖棉等無機保溫材料替代有機保溫材料將是必然趨勢。冶金渣制備巖棉有效處理了冶金渣存留問題，節省了因開采巖石制備巖棉的成本，將出爐的冶金渣立刻送入電熔爐還可節省一部分因加熱原料需要的能源消耗。因此今后的發展空間巨大，不斷完善巖棉生產工藝，開發電熔爐等相關先進設備將大大帶動產業的迅猛發展。本研究可為今后冶金渣在巖棉生產及其他建筑保溫材料的熱工藝驗證提供計算方法和理論依據。

1 冶金渣制備巖棉工藝及熔煉設備

1.1 冶金渣制備巖棉工藝

傳統生產工藝：將采取的天然巖石搗碎，配置輔料后稱量，經提升機等設備送入熔爐(沖天爐、池窯)高溫熔化、均化原料，料漿經熔體流槽進入保溫爐，經保溫爐下特制水口進入離心機，在高速離心輥的離心力及風環的高速氣流噴吹下拉伸成纖維，由纖維形成室進行收集，根據成品要求在加壓輥、固化爐中成型，最后半成品切邊、冷卻、包裝，入庫(見圖1)。

圖1 巖棉傳統生產工藝流程

電熔爐替換巖棉制備工藝中主要設備沖天爐(池窯)處理鋼廠中的爐渣等固體廢棄物，充分利用了高爐冶金渣的顯熱，經加熱爐電極的輔助提溫調質，保持熔融態輸送到巖棉生產的下一步工序繼續生產。此工序的熔煉能耗僅占傳統工序沖天爐生產能耗的30%左右，節省燃料大幅降低生產成本，取得較好經濟效益[6]。

1.2 主要熔煉設備類型

巖棉制備工藝中起主要作用的是熔煉設備。傳統的熔煉設備有沖天爐、池窯，除此之外還有電熔爐。前面兩者以燃料為熱源，后者以電極產熱。

沖天爐，是熔化巖石(爐渣)的設備，分為前爐和后爐。前爐又分為出料口，出渣口，爐蓋前爐缸和過橋；后爐又分為三個部分，頂爐，腰爐和爐缸，頂爐上是熱交換器，爐頂開口向上故稱沖天爐，以焦炭為燃料。池窯主要由用耐火磚砌建的熔制池和蓄熱室或換熱室等組成，原料由熔制池的一端加入，天然氣或者重油作燃料，原料經熔化、澄清、冷卻等階段后，由另一段引出而進行成型。沖天爐和池窯制備巖棉耗能嚴重，不適應當下國家倡導的節能減排的理念，甚至池窯在熔煉礦渣或巖石時對燃料及耐火材料要求嚴格，投資巨大，壽命短。

因此，電熔爐作為鋼廠制備巖棉的設備是必然趨勢。電熱熔爐是利用電熱效應供熱的冶金爐，以電流通過導體所產生的焦耳熱為熱源的電爐，按電熱產生方式分為直接加熱和間接加熱兩種。

2 基于某鋼廠的電熔爐熱平衡計算

某鋼廠預設計并利用電熔爐熔煉冶金渣制備巖棉。電熔爐整體長5.11 m，高1.67 m，寬0.82 m。壁層為20 mm鋼板，內襯耐火材料：12 mm的復合絕熱板，100 mm硅藻土，115 mm的高鋁磚；內設兩部分連通空腔體，圓柱形爐膛和長方體導流槽；每爐液態冶金渣最大容量不大于10 t，電極為500 kW；電熔爐入爐溫度1 530～1 560 ℃，出爐溫度1 440～1 490 ℃，爐壁外表面溫度60 ℃，溫度控制精度±15 ℃；入料流量3 t/h，出爐流量2.5～3.5 t/h，控制精度±5%。

冶金渣主要成分如表1所示，各狀態參數如表2所示：

表1 冶金渣成分構成 %

表2 冶金渣各狀態參數

圖2來源于設計單位為某鋼廠提供的電熔爐CAD圖樣，針對特定工況依據原始數據，對電熔爐的熱工分析，以冶金渣最大容量10 t計算舉例。簡化計算做以下假設：將圓柱形部分爐膛圓錐底面改成水平形狀，將導流槽高低不平的底面取成等高的形狀。

圖2 某鋼廠電熔爐幾何剖面圖

1)液面高度的確定

圓柱型爐膛的內徑2 256 mm，導流槽的長1 881 mm，寬286 mm。

底面積：Sd=S1+S2=4.53 m2

(1)

(2)

(3)

式中：S1為圓柱形爐膛的底面積或其爐蓋表面積，m2；S2為導流槽的底面積或其爐蓋表面積，m2；H為液面高度，m。

而CAD圖中的液面高度為0.836 m，因此基本一致，就按照CAD中的數據來算。

2)熱平衡計算

以下產熱量均以單位時間(1小時內計算)。

熱平衡關系式：Qin+Qdj=Qout+Qsr

(4)

單位時間內入料質量Min取3 t，入料溫度tin取1 823 K，cp為冶金渣體比熱容：0.32 kcal/(kg·℃)。

Qin=cpMintin=6 228 768 kJ/h

(5)

電極單位時間產熱量：Qdj=Pt=1 800 000 kJ/h

(6)

單位時間出料質量Mout取3 t，出料溫度tout取1 723 K。

Qout=CMouttout=5 826 912 kJ/h

式中：Qin為單位時間內入爐冶金渣攜帶的熱量，kJ/h；Qdj為單位時間內電極釋放的熱量，kJ/h；Qout為單位時間內出爐熔渣體攜帶的熱量，kJ/h；Qsr為單位時間內爐內冶金渣的對外熱損失，分為冶金渣體對底面和側面的熱傳導和冶金渣體對爐蓋或空氣(無蓋時)的熱輻射,kJ/h。

(1)冶金渣體由于熱傳導散失的熱量。

側面積Sc由兩部分組成，圓柱爐膛部分的側面積和導流槽部分的側面積。為了計算容易將導流槽的前后兩個側面積分為兩個梯形一個長方形。左側梯形的上底為404 mm，下底為346 mm，高度為585 mm；右側的梯形上底為1 247 mm，下底為30 mm，高度為322 mm；矩形的長392 mm，寬300 mm；出口端側面的長為553 mm，寬為286 mm。

圖3 導流槽幾何劃分

假設底面Sd和蓋子Stop的面積都是一樣的：Sd=Stop=4.53 m2。

側面和底面為熱傳導，蓋子的散熱為熱輻射。取進爐溫度與出爐溫度平均值1 500 ℃作為冶金渣體的溫度，設爐壁外表面溫度60 ℃，鋼板厚度，復合絕熱板厚度，硅藻土厚度，高鋁磚厚度。

側面的傳熱量：

(7)

式中：λ1為鋼板的導熱系數，43.2 W/(m·K)，由導熱系數表查得；λ2為復合絕熱板導熱系數0.05 W/(m·K)；λ3為硅藻土導熱系數0.076 W/(m·K)；λ4為高鋁磚導熱系數0.45 W/(m·K)。

底面和側面相比，高鋁磚和硅藻土的厚度都有所區別，底面硅藻土厚度δ3=405 mm,高鋁磚的厚度δ4=230 mm。

底面的傳熱量：

Qd=3 862.09 kJ/h

(2)冶金渣體由于熱輻射損失的熱量。

設環境溫度Thj為313 K，冶金渣溫度Tgs為1 773 K時，冶金渣體對空氣的輻射熱量：

Qfs=qA3600=3 663 233.42 kJ/h

(8)

式中：q為冶金渣體對單位面積空氣的輻射照度，kW/m2;σ為黑體輻射常數，其值為5.67×10-8W/(m2·K4);ε為冶金渣體發射率0.45;Tgs為鋼水溫度，K；Thj為環境溫度，Qfs為冶金渣體對蓋子的輻射熱量，kJ/h；A為冶金渣向空氣輻射的總面積，m2。

查文獻[7]圖9-7兩長方形的表面的角系數與圖9-9兩同軸平行圓盤間的角系數。

(9)

Qfs=(Q1A1+Q2A2)×3 600=1 478 463.4 kJ/h

(10)

式中：X1,2為兩長方形表面的角系數，約0.25(其中X=268 mm,Y=1 881 mm，H=400 mm)；X3,4為兩同軸平行圓盤間的角系數，約0.425(其中R2=R1=1 128 mm，l=1 003 mm)。

(3)熱平衡檢驗。

有蓋：

熱收入項：Qin=6 228 768 kJ/h;Qdj=1 800 000 kJ/h

熱支出項：Qout=5 826 912 kJ/h;Qc=20 749.642 kJ/h；Qd=3 862.09 kJ/h

Qfs=1 478 463.4 kJ/h

總熱收入：Q∑in=8 028 768 kJ/h

總熱支出：Q∑out=5 851 523.73 kJ/h

總熱收入>總熱支出

無蓋：

熱收入項：Qin=6 228 768 kJ/h;Qdj=1 800 000 kJ/h

熱支出項：Qout=5 826 912 kJ/h;Qc=20 749.642 kJ/h

Qd=3 862.09 kJ/h

Qfs=qA3600=3 663 233.42 kJ/h

(11)

總熱收入：Q∑in=8 028 768 kJ/h

總熱支出：Q∑out=9 514 757.15 kJ/h

總熱收入<總熱支出；

在上述計算舉例中，依據設備原參數。當電熔爐有蓋時滿足工藝熱平衡，不需要額外添加熱源即可理論上保證生產的發生；有時為保證氣壓穩定或向爐中通氣，使得電熔爐無蓋運行，相比有蓋時其向空氣輻射熱損耗巨大，無法滿足工藝熱平衡的需要，因此需要對電熔爐加以改造，簡單易行的方法是為此鋼廠的電熔爐增加一個功率大于413 kW的電極；根據不同的設備及工藝條件，開啟不同的電極功率，滿足過程的熱平衡。

3 分析與結論

電熔爐在滿足熱平衡的理論條件下，可以替代沖天爐或熔窯作為冶煉設備，利用冶金渣自帶熱量，可有效減少燃料的使用量與環境的污染，在節能減排的大背景下是冶金渣制備巖棉等高附加值保溫材料的必然選擇。

通過研究，得出以下研究結論：在熱平衡計算中，發現熱輻射損失占總熱支出很大一部分。因此今后設計電熔爐要以降低熱損失，其中包括優化爐口面積，減少爐料對空氣的直接輻射為主；此外選擇導熱系數小的耐火材料，優化耐火層(保溫層)厚度對熱損失有輕微改善；在一定條件下，對冶金渣進行改性，降低熔融溫度，提高電熔窯出口爐料溫度等均對電熔爐降低熱損失有作用。