轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹二氧化碳對(duì)除塵灰影響的研究

張慶南,朱 榮,林 滔,董 凱,夏 韜,馮 超

(1.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院, 北京科技大學(xué),北京 100083;2.高端金屬材料特種熔煉與制備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;3.江蘇省鑌鑫鋼鐵集團(tuán)有限公司,江蘇 連云港 222000)

我國(guó)轉(zhuǎn)爐鋼產(chǎn)量約占總鋼產(chǎn)量85%以上[1],每生產(chǎn)1 t合格的鋼水約產(chǎn)生20～30 kg的煙塵,煉鋼煙塵通常含有較多有毒有害物質(zhì),難以處理[2-3]。目前有關(guān)煉鋼煙塵治理的技術(shù)以煙塵的回收利用為主,從源頭上減少煙塵產(chǎn)生的技術(shù)不多。轉(zhuǎn)爐利用CO2可以從源頭上減少煙塵產(chǎn)生[4-6],尹振江等人[7]研究出轉(zhuǎn)爐CO2噴吹比例的增加可以降低煙塵及鐵損量,畢秀榮等人[8-9]研究出煉鋼煙塵的產(chǎn)生是蒸發(fā)理論和氣泡理論共同作用的結(jié)果,但是關(guān)于CO2在實(shí)際生產(chǎn)減少煙塵的文獻(xiàn)報(bào)道不多。

本文在國(guó)內(nèi)某鋼廠(chǎng)120 t生產(chǎn)轉(zhuǎn)爐進(jìn)行試驗(yàn),研究轉(zhuǎn)爐頂吹CO2、底吹CO2和頂?shù)讖?fù)吹CO2工藝對(duì)除塵灰產(chǎn)生量和T.Fe的影響。

1 理論分析

1.1 煉鋼煙塵產(chǎn)生機(jī)理

常壓下金屬鐵的沸點(diǎn)約為2 750 ℃,煉鋼過(guò)程中超音速氧氣射流與高溫鐵浴熔池接觸反應(yīng),形成2 500～3 000 ℃的高溫火點(diǎn)區(qū)[10]。煙塵的產(chǎn)生主要是因?yàn)槿鄢鼗瘘c(diǎn)區(qū)的溫度過(guò)高,高溫會(huì)致使金屬蒸發(fā)氧化。經(jīng)過(guò)理論分析及對(duì)煉鋼煙塵產(chǎn)生過(guò)程進(jìn)行分析研究,確認(rèn)了兩種形成機(jī)制模型,高溫使大量金屬鐵蒸發(fā)氧化,先蒸發(fā)的部分鐵迅速被氧化并成為形核核心,其余被蒸發(fā)的鐵依附核心不斷上升被氧化,形成煙塵進(jìn)入爐氣,即“蒸發(fā)理論”[11];超音速氧氣射流與高溫熔脫碳反應(yīng)會(huì)有大量CO產(chǎn)生,CO氣泡從熔池中上浮,部分鐵液被氣泡帶出,被氧化完成凝結(jié)形成煙塵進(jìn)入爐氣,即“氣泡理論”[12-13]。

由于煙塵形成機(jī)制不同,其形貌和成分存在較大區(qū)別:鐵蒸汽被氧化形核,并以此為核心逐漸被氧化并長(zhǎng)大,“蒸發(fā)理論”形成較大顆粒煙塵,形狀規(guī)則,粒徑較大;“氣泡理論”形成的煙塵中含有較多爐渣成分的細(xì)小顆粒,形貌復(fù)雜,粒徑小。其中煉鋼粉塵形成機(jī)理主要是“蒸發(fā)理論”,即由熔池高溫引起元素蒸發(fā)造成[14]。

1.2 CO2降溫機(jī)理

超音速氧氣射流沖擊熔池形成高溫火點(diǎn)區(qū),火點(diǎn)區(qū)溫度超過(guò)鐵元素沸點(diǎn),冶煉過(guò)程產(chǎn)生大量的煙塵,且煙塵中含鐵量較多,因此,在保證冶煉過(guò)程脫碳和脫硅等任務(wù)的前提下,實(shí)現(xiàn)火點(diǎn)區(qū)溫度的降低,是抑制煙塵大量產(chǎn)生的關(guān)鍵措施。

將CO2與氧氣混合后由氧槍噴入煉鋼熔池,CO2可與氧氣充分混勻,共同經(jīng)由超音速氣流直接沖擊氧氣射流火點(diǎn)區(qū),保證氧氣和CO2冷卻劑的同步輸送和均勻發(fā)揮作用。表1顯示的煉鋼溫度下CO2與鋼液元素反應(yīng)的吉布斯自由能變化證明了在煉鋼溫度下CO2具有參與反應(yīng)的能力,可與O2共同完成煉鋼脫碳、脫硅、脫錳等冶金任務(wù)。CO2與熔池中的[C]發(fā)生了吸熱反應(yīng),很大程度降低了火點(diǎn)區(qū)的溫度,減少煉鋼煙塵的產(chǎn)生[15]。

2 轉(zhuǎn)爐工業(yè)試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)方案

本文利用現(xiàn)場(chǎng)120t轉(zhuǎn)爐進(jìn)行頂?shù)讖?fù)吹CO2煉鋼試驗(yàn),分別進(jìn)行轉(zhuǎn)爐頂吹、轉(zhuǎn)爐底吹和轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹試驗(yàn),試驗(yàn)過(guò)程頂吹CO2與O2的混合氣體,底吹CO2/N2/Ar氣體。

本研究定義常規(guī)工藝是指轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中頂吹O2,底吹N2/Ar的頂?shù)讖?fù)吹工藝;頂吹CO2工藝是指轉(zhuǎn)爐頂吹O2和CO2混合氣體,底吹N2/Ar氣體的頂?shù)讖?fù)吹工藝;底吹CO2工藝是指轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中頂吹O2,底吹CO2/N2/Ar的頂?shù)讖?fù)吹工藝;復(fù)吹CO2工藝是指轉(zhuǎn)爐頂吹O2和CO2混合氣體,底吹CO2/N2/Ar氣體的頂?shù)讖?fù)吹工藝。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

基于試驗(yàn)方案,開(kāi)展本研究的工業(yè)試驗(yàn),分析不同噴吹模式對(duì)于除塵灰產(chǎn)生量、含鐵量和金屬收得率的影響規(guī)律,探明了噴吹CO2有利于改善轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程除塵灰產(chǎn)生量等指標(biāo)。

2.2.1 噴吹CO2對(duì)于煙塵的影響

圖1顯示了除塵灰的產(chǎn)生量,結(jié)果顯示,原工藝每爐粗灰產(chǎn)生量平均為540.2 kg,且頂吹CO2工藝粗灰產(chǎn)量較常規(guī)工藝平均下降了11.5%,底吹CO2工藝每爐粗灰產(chǎn)生量較常規(guī)工藝平均下降了4.3%,復(fù)吹CO2工藝每爐粗灰產(chǎn)生量較常規(guī)工藝平均下降了10.0%。

圖1 粗灰分布散點(diǎn)圖

基于煙塵產(chǎn)生機(jī)理,熔池火點(diǎn)區(qū)溫度過(guò)高是產(chǎn)生煙塵的主要原因,高溫造成金屬氧化蒸發(fā)形成大量煙塵。除塵灰產(chǎn)生量降低的主要原因是噴吹CO2與熔池中的[C]發(fā)生了吸熱反應(yīng),很大程度降低了火點(diǎn)區(qū)的溫度,減少金屬蒸發(fā)量,實(shí)現(xiàn)了冶煉過(guò)程的煙塵量減少。

圖2顯示了除塵灰中T.Fe的變化,結(jié)果顯示,原工藝除塵灰中T.Fe為63.5%,頂吹CO2工藝除塵灰中T.Fe較常規(guī)工藝降低了2.5%,底吹CO2工藝除塵灰中T.Fe較常規(guī)工藝降低了0.6%,復(fù)吹CO2工藝除塵灰中T.Fe較常規(guī)工藝降低了2.2%,結(jié)果顯示,噴吹CO2爐次的除塵灰中T.Fe呈減小趨勢(shì)。

圖2 煙塵T.Fe對(duì)比

2.2.2 噴吹CO2對(duì)于金屬收得率的影響

圖3顯示了金屬收得率的變化情況,結(jié)果顯示,常規(guī)工藝鋼鐵料消耗1 057.9 kg/t,頂吹CO2工藝鋼鐵料消耗較常規(guī)工藝降低了1.1 kg/t;底吹CO2工藝鋼鐵料消耗較常規(guī)工藝降低了0.6 kg/t;復(fù)吹CO2工藝鋼鐵料消耗較常規(guī)工藝降低了0.8 kg/t。

圖3 鋼鐵料消耗對(duì)比

基于除塵灰化驗(yàn)結(jié)果和金屬收得率數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)爐噴吹CO2除塵灰T.Fe降低,金屬收得率增加,與前文中除塵灰產(chǎn)生量降低情況對(duì)應(yīng)。

3 結(jié) 論

通過(guò)在120 t轉(zhuǎn)爐進(jìn)行頂?shù)讖?fù)吹CO2煉鋼工業(yè)試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論:

(1)采用頂?shù)讖?fù)吹CO2工藝在整個(gè)冶煉過(guò)程中降低煙塵產(chǎn)生量、T.Fe,提高金屬收得率,其中粗灰產(chǎn)生量平均下降了11.5%,除塵灰中的T.Fe平均降低了2.5%,鋼鐵料消耗平均降低了1.1 kg/t。

(2)通過(guò)CO2與熔池中的[C]發(fā)生吸熱反應(yīng)可以有效降低火點(diǎn)區(qū)溫度,從而減少金屬蒸發(fā),減少煉鋼過(guò)程煙塵產(chǎn)生量和T.Fe,從源頭減少煉鋼煙塵的產(chǎn)生。

(3)采用頂?shù)讖?fù)吹CO2工藝可以提高金屬收得率,節(jié)約成本。