無煙煤在鋼液中的溶解特性研究

王 健，時進吉，張蕊紅，李 欣

(1.晉能控股山西科學技術研究院(晉城)技術研究院有限責任公司，山西 晉城 048000；2.晉能控股煤業集團晉城煤炭事業部銷售分部，山西 晉城 048000；3.北京科技大學，北京 100081)

近年來，國家對環保日趨重視，短流程煉鋼也逐漸成為未來發展的方向；但是短流程煉鋼尤其是全廢鋼冶煉存在鋼液碳含量不足的問題，從而導致電耗和生產周期居高不下。對此，人們開始使用煤氧噴吹助熔工藝向電爐內噴吹碳粉，以期提高生產效率并降低電耗。趙碧勛[1]等人使用煤氧噴吹工藝向30 t電爐中噴吹碳粉，噴吹量為噸鋼9.33 kg，與沒有噴吹碳粉相比，降低電耗72.8 kW/h，縮短冶煉時間23 min/爐。

在電爐冶煉過程中，部分企業為了進一步的降低生產成本，會減少總的噴碳量，并在冶煉初期加入煤塊替代部分煤粉[2-4]。而塊煤尤其是無煙塊煤在鋼液中的溶解特性鮮有研究，本文通過向鋼液中加入晉城無煙塊煤，對其在鋼液中的溶解特性進行了初步研究，并以此結果驗證了物料平衡計算模型的準確性。

1 無煙煤溶解試驗

1.1 實驗過程

實驗所用爐型為管式爐，將實驗用鋼樣放入剛玉坩堝中，為防止加熱過程中干鍋破裂造成管式爐的損壞，再嵌套一個尺寸稍大的剛玉干鍋；緩慢升溫至1 600 ℃，期間用Ar氣進行保護，防止鋼液被氧化；升至目標溫度后，分別向鋼液中放入10、20 g晉城無煙煤，同時向爐內通入5%的O2+95%Ar，保持爐內弱氧化性氣氛，模擬電爐內的氧化氣氛且便于煤炭燃燒完全。實驗所用鋼樣成分如表1所示，具體升溫速率曲線如圖1所示。

圖1 管式爐升溫曲線

表1 實驗用鋼樣成分 %

1.2 實驗結果

取出反應完全后的鋼樣，用線切割將其切割成四部分，將鋼樣的檢測面進行打磨至光滑，再分別檢測四份鋼樣的化學成分，每個鋼樣上選取三個部位進行檢測，取平均值作為最終結果；結果顯示，除鋼樣頂端式樣外，其他三個式樣的化學成分均無明顯區別，表明無煙煤中的碳元素僅在頂端式樣中擴散，稱量頂端式樣的質量分別為73.34、73.58 g。

利用直讀光譜儀測試實驗鋼的化學成分，其結果如表2所示，鑒于無煙煤對實驗鋼的其他三部分無影響，因此只統計實驗鋼頂端部分的成分。

表2 成莊無煙煤鋼樣的元素含量 %

為了更直觀地看出各試樣成分的變化，利用Origin進行繪圖，其結果如圖2和圖3所示。圖2和圖3分別是成莊無煙煤不同加入量時，試樣的C、S、P和Fe元素含量，試樣0為原始鋼樣，結合表2可以看出，原始鋼樣中的C含量為0.015 10%，S含量為0.002 03%；試樣2是加入10 g成莊無煙煤的鋼樣，試樣2是加入20 g成莊無煙煤后的鋼樣，從圖2中可以看出，當向鋼中加入10 g成莊無煙煤后，鋼中的碳含量約為0.039 64%，與原鋼樣相比增量較小，鋼中的P、S分別為0.006 45和0.002 34，含量幾乎沒有增加；而當成莊無煙煤的加入量達到20 g時，鋼中的碳明顯增加，約為0.082 43%，且S含量約為0.004 89%明顯增加，而磷含量增加量僅為0.000 6%。這主要是由于管式爐內為弱氧化氣氛，無煙煤中的碳原子在高溫下極易和氧原子進行反應生成CO和CO2[5]；而碳原子主要是以擴散的方式進入鋼液中，其擴散速度取決于無煙煤和鋼液的接觸面積以及鋼液中的碳含量，因此當加入少量無煙煤時，其中大部分無煙煤會與爐中的氧氣進行反應，而進入鋼液中含量相對較少，所以鋼中的碳和硫含量增加很少；而當無煙煤的加入量增加后，會增大無煙煤與鋼液的接觸面積，從而使得進入鋼中的碳原子增加，鋼中的碳含量就明顯升高，成莊無煙煤中的全硫含量檢測結果為0.39%，因此隨著加入的無煙煤量的增加，鋼中的S含量也會相應的增加。從圖3中可以看出隨著成莊無煙煤入爐量的增加，鋼中的Fe含量從99.93%降低到了99.8%，這主要是由于鋼中碳含量的增加，導致其Fe元素占比下降。

圖2 兩組成莊無煙煤試樣中C/S/P元素含量

圖3 兩組成莊無煙煤試樣的Fe含量

2 物料平衡計算

2.1 假設條件

物料平衡計算可以從理論上計算無煙煤的加入對于鋼液的影響，結合晉城無煙煤的檢測成分對其進行平衡計算。

假設原始生鐵和目標鋼水成分、輔料成分分別如表3、表4所示。

表3 原始生鐵和目標鋼水成分 %

表4 煉鋼用輔料成分 %

假設冶煉周期為50 min，通電時間為39 min，出鋼溫度為1 600 ℃。同時，假設鋼鐵料氧化所需氧氣中72%來源于純氧，28%來源于空氣中的氧氣，并且氧氣純度為99%，其余均為氮氣，氧氣的利用率為100%；假設碳的二次燃燒率為15%，爐氣二次燃燒率為35%，煙氣二次燃燒率為100%；爐渣的堿度R=2.5；鐵的燒損率為2.8%；假設氧化的鐵量中的80%生成Fe2O3變成煙塵，另外20%按FeO∶Fe2O3=3∶1的比例成渣。

實驗選取晉城無煙煤中的成莊洗末煤，其成分、發熱量、固定碳等含量如表5所示：

表5 實驗用晉城無煙煤的檢測成分

2.2 計算結果

物料平衡計算結果如表6～表8所示：

表6 10 kg成莊洗末煤的物料平衡計算

表7 10 kg成莊煤的物料平衡計算

表8 20 g成莊洗末煤的物料平衡計算

從圖4可以看出，隨著無煙煤加入量的增加，爐氣量基本成線性增加，結合表6表7可知，與不加無煙煤相比，加入10 kg無煙煤后爐氣量增加26.54 kg，金屬含量增加了0.02 kg；結合表6和表8可知，與不加無煙煤相比，加入20 kg無煙煤后爐氣量增加54.38 kg，金屬含量增加了0.05 kg。

圖4 加入不同量無煙煤后各組分量的變化

3 結果分析

將物料平衡用煤量計算結果折合成實驗用煤量，得到鋼中碳的增量并與實驗增碳量的結果進行對比，如圖5所示。

圖5 不同加入量下計算碳含量和檢測碳含量對比

從圖5可以看出，實驗所得的鋼中碳含量相比于物料平衡計算模型計算得到的鋼中的碳含量略微偏低，其主要原因是由于無煙煤加入鋼液后會浮于鋼液面，而無煙煤在高溫下燃燒會在其表面形成一層煤灰，而煤灰層的存在一定程度上會阻礙碳元素向鋼液中擴散[6-8]，因此導致實驗檢測的碳含量略低于計算值。隨著無煙煤加入量的增加檢測值更加接近計算值，這是由于隨著加入量的增加，無煙煤浸入鋼液中的部分增大，與鋼液接觸面積也隨之增加，更加有利于C元素的擴散。因此需要在物料平衡計算模型中增加煤灰對C元素擴散的阻礙系數，使該模型能夠更準確地預測實驗的結果。

4 總結與展望

本文通過晉城無煙煤在鋼液中的溶解實驗和物料平衡計算，研究了晉城無煙塊煤在鋼液中的溶解特性，并得到以下結論：

(1)隨著無煙煤量由10 g增加至20 g，鋼液中的碳含量和爐氣量呈線性增加；

(2)物料平衡計算模型應增加煤灰對C元素擴散的阻礙系數，使其更準確地預測實驗結果。