節能型合金烘烤裝置在轉爐煉鋼中的設計及應用

衡 紅

(四川德勝集團釩鈦有限公司，四川 樂山 614900)

眾所周知，在鋼鐵冶煉過程中，必須添加一定量的合金才能生產出客戶所需要的鋼材產品。鋼水在冷卻凝固之前呈現出極不飽和的狀態，極易吸收周圍環境中的氣體成分，如0、H等元素。而在冷卻凝固的瞬間，又將溶解的氣體析出，造成鋼材中的氣體夾雜，影響了產品質量。合金中的水分是造成鋼水污染的重要來源，需要特別重視。合金中水分的存在方式有兩種：(1)表面水分，表面水分比較常見，它是在儲存和運輸過程當中，受到環境濕度的影響而產生的，經加溫到100 ℃即可使其消除，一般比較容易處理；(2)分子內部的結晶水分，結晶水分是化合水分，從表面無法觀察到，只有經過≥200 ℃的高溫才能使其析出。因此，全國各鋼鐵企業對轉爐出鋼溫度的降低，都做了大量的研究和試驗。其中降低出鋼溫度，研發一種高效合金烘烤裝置，勢在必行。通過對硅鐵、錳鐵、鉻鐵、鉬鐵、釩氮合金、釩鐵等合金爐料進行脫水烘烤，使合金達到一定溫度，進而可以滿足煉鋼工藝要求，實現縮短冶煉時間、提高鋼材質量的目的。

本項目研究設計開發的是一種轉爐爐后高效合金烘烤裝置，特結合某鋼廠80t轉爐爐后合金烘烤裝置為實踐載體，徹底解決目前市場上合金烘烤裝置烘烤溫度低、烘烤周期長、不能烘烤如碳化硅等粒徑比較小的細顆粒合金原料等問題。某鋼廠爐后平臺采用的合金烘烤裝置為老式結構的合金烘烤裝置，烘烤過程中，存在如下問題：(1)合金烘烤溫度損耗大；(2)加熱時間長；(3)設備結構形式復雜，且投資大；(4)合金加熱溫度低；(5)針對添加的細顆粒碳化硅合金容易造成火焰的熄滅等問題[1]。

目前國內合金烘烤器結構形式主要有兩種：第一種，合金烘烤裝置分布在轉爐平臺上，加熱后通過鏟車運至轉爐爐后加料口；第二種，采取高位料倉形式對合金進行集中加熱，然后通過皮帶或溜槽中轉、加料。本次進行項目研究是爐后高效合金烘烤裝置，通過結構形式優化，徹底解決企業在使用當中的痛點、難點問題。

1 技術難點解決

Question1:加料難點，轉爐在線加料口位于轉爐平臺上，緊靠轉爐壁和轉爐驅動裝置，位置比較緊湊，對合金爐在線加熱提出了較高要求，在設計中既要考慮單次最大加料量，也要兼顧到現場位置，為此設計出一種360°旋轉加料防護罩，可以有效解決這一問題。

Question2:收塵難點，在選裝加料罩的上部與轉爐附近二次除塵煙罩相連接，可有效排除加料過程中產生的灰塵和燃燒所產生的廢氣。

Question3：加熱難點，在線合金加熱時間一般在15 min左右，要求在短時間內把幾噸合金料加熱至500 ℃左右，且讓合金料得到充分的加熱，對燃燒器設計提出更高要求，設計的高效合金烘烤裝置解決了這一難題。

Question4：控制難點，針對此問題，設計了兩種加熱模式，分別是小火和大火，當檢測到爐內有料時，系統自動將火焰調節至大火烘烤，在特定時間內(可調節)系統會自動將火焰調節至小火保溫狀態。如果卸料或檢測到爐內無料時，系統會自動將火焰調節至小火狀態，可實現高效自動操作。

Question5：物料檢測難點，作為小火和大火轉換的關鍵信號點，對合金的加熱有著至關重要的作用，傳統的雷達和重錘料位計，不僅價格高，而且使用壽命短，設計一種機械式物料檢測裝置，有效的解決這一問題，實踐證明，使用效果較佳。

Question6：放料難點，合金爐的出料口和加料口，因為位置問題不能在一個中心線上，因此，將下爐體設計為偏錐體，有效解決這一技術難題。

2 結構設計

2.1 本體結構設計

高效合金烘烤裝置結構組成，按照自上向下空間維度進行介紹，上端是合金旋轉加料罩，在旋轉加料罩左前方是倒錐形進料口，倒錐形進料口下端面設計的是碳粉料斗，主要添加粒徑比較小的合金原料。右側面是高能離子自動點火裝置(需單獨設計)；旋轉加料罩下端是二次預熱室(環形氣道)，二次預熱室分成兩層，上層結構為煤氣預熱腔室，下層為空氣預熱腔室(加熱的形式，為烘烤合金放散的余熱進行加熱)；環形氣道內層套設圓柱爐體燃燒室(為提高使用壽命，燃燒室采用的是鑄鐵材質)；圓柱體燃燒室下端布設的是偏錐體燃燒室，中間連接部位布設有壓環。為確保合金料烘烤的均勻，在圓柱體燃燒室、偏錐體燃燒室環向空間位置交錯布置至少四個高效燃燒器裝置。圓柱體燃燒室四周布設鋼結構支架，對合金烘烤裝置進行固定；合金料卸料裝置采取液壓裝置+雙密封翻板閥+溜槽的結構形式進行下料方式結構設計。詳細結構見圖1。

圖1 爐后合金烘烤裝置結構設計組成Fig.1 Structural design and composition of alloy baking device behind furnace

2.2 供能管路設計

合金烘烤裝置供能管路設計主要分為三部分：(1)第一部分由燃氣管道組成，該燃氣管路取自鋼廠煤氣管路，通過不斷分支細化到用戶端(DN200，根據煤氣用量取值烘烤器端管徑數值)，從左至合金烘烤器端分別連接設計的有蝶閥、流量計、截至閥、壓力表、壓力變送器、氣動快切閥、電動調節閥等裝置，直接連接到高效燃燒器燒嘴煤氣端；(2)第二部分由左向右依次布局的是高壓風機、對夾式蝶閥、電動調節閥，直接連接到高效燃燒器燒嘴空氣端；(3)第三部分是烘烤合金裝置燃燒廢氣，通過DN300管徑連接到煉鋼工序二次除塵管道當中。具體見圖2。

2.3 高效燃燒器結構設計

合金烘烤器高效燃燒器采用低速旋風式結構，內管連接煤氣管道，外層套設的是助燃空氣腔室，介于內層煤氣管與外層助燃空氣腔室，中間自上至下螺旋布局若干帶弧形定位塊。高效燃燒器末端設置若干傾斜擋塊，用來擋住合金料進入燒嘴造成堵塞，另外煤氣管徑小于風管管徑1/3，營造出平行的煤氣氣流+旋轉助燃空氣氣流進行交匯，加速空煤氣的混合效果。

圖2 供能管道結構設計組成Fig.2 Structural design composition of energy supply pipeline

3 設計參數

以某鋼鐵企業為例，針對該企業合金烘烤裝置烘烤能耗大、烘烤溫度低等諸多技術難題進行技術改造，具體改造技術參數如表1所示。

表1 高效合金烘烤裝置的主要技術參數

表2 常用鐵合金烘烤溫度設定值

4 實踐結果分析

4.1 實踐結果

本次實踐選取有效爐次160爐[2]，其中使用高效合金烘烤器裝置與使用傳統老式合金烘烤裝置各80爐進行對比，兩種烘烤方式下各項指標的平均數見表3所示。

表3 兩種烘烤方式各項指標

4.2 實踐結果分析

根據上表3分析，高效合金烘烤器裝置烘烤合金的平均溫度為468.43 ℃，老式合金烘烤器裝置烘烤合金的平均溫度為127.5 ℃，高效合金烘烤器裝置烘烤合金溫度明顯高于老式合金烘烤器裝置。顯而易見，選擇高效合金烘烤器裝置具有效率優勢。

5 經濟效益分析

5.1 直接經濟效益

采取高效合金烘烤裝置：(1)烘烤時間，10-15 min;(2)烘烤終點溫度400～600 ℃；(3)實施后出鋼溫度降幅10 ℃；(4)噸鋼成本下降2.7元/噸。形成年直接經濟效益389萬元。

5.2 間接經濟效益

采取高合金烘烤裝置：(1)單爐冶煉節約時間0.5 min;(2)單爐全工序生產時間40 min,實際生產時間35 min，[3]節約時間含造渣耗時縮短時間;(3)全年日歷作業時間8000 h;(4)單爐產量120 t;(5)全年增加產量18228 t,噸鋼利潤300元,形成年度間接效益547萬元+造渣料消耗降低效益107萬元=654萬元。

6 結論

通過實踐試驗對比數據分析，采取高效合金烘烤器裝置，產生直接經濟效益389萬元/年，間接經濟效益654萬元/年，綜合經濟效益1043萬元。