全廢鋼電爐爐門噴吹技術與工藝應用

姚同路,賀 慶, 楊 勇, 吳 偉, 孟華棟,胡硯斌

(鋼鐵研究總院有限公司 冶金工藝研究所,北京 100081)

2020年我國政府宣布了2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的“雙碳”目標[1],電爐短流程的噸鋼CO2排放量約為長流程的1/3,因此發展短流程煉鋼被視為實現鋼鐵工業“雙碳”目標的關鍵[3]。2021年我國鋼鐵工業電爐短流程煉鋼占比10.6%,遠低于28.9%的世界平均水平[2]。據測算[4],要達到2015年《巴黎協定》確立的2 ℃溫升目標[5],我國2050年電爐短流程煉鋼占比須達到33%;要達到1.5 ℃目標,需進一步發展氫能技術應用于高耗能行業。

近年來隨著國家重視電爐短流程煉鋼,國內電爐企業在綠色低碳生產、智能控制等方面取得了長足進步[6-10]。爐門碳氧槍作為電爐冶煉的輔助設備,是電爐強化冶煉的重要手段。隨著現代電爐冶煉技術的進步,電爐爐門碳氧槍系統更新換代加快,噴吹工藝向綠色高效方向邁進。

本文通過對電爐爐門碳氧槍吹氧、噴粉技術進行研究,結合在某鋼廠100 t Consteel電爐生產實踐,提出一系列爐門噴吹工藝與裝備的優化措施并得以驗證,目的在于對爐門強化吹煉的工藝技術進行深入剖析,對電爐短流程冶煉工藝提出建議與啟發,這也是本文的意義所在。

1 電爐爐門噴吹技術發展概況

近年來,強化冶煉技術的發展和應用對電爐煉鋼經濟指標的改善起到了重要作用。電爐強化冶煉技術主要有爐門吹氧噴粉、爐壁氧燃槍助熔、爐壁氧槍吹氧脫碳及二次燃燒等[11],如圖1所示。其中氧燃槍、氧槍和二次燃燒是主要的吹氧助熔手段,爐門/爐壁碳槍是主要的造泡沫渣手段,將它們結合使用可起到改善熔池攪拌效果、促進冶金反應、降低電耗以及提高生產率等工藝效果。

圖1 電爐強化冶煉手段

電爐爐門碳氧槍因其位置靈活、噴吹覆蓋面大、穿透力強等優點成為電爐強化冶煉的重要輔助設備,對于傳統電爐可以起到在熔化期切割廢鋼及助熔、在氧化期造泡沫渣及脫碳精煉的作用。目前國內電爐使用的爐門碳氧槍主要有:德國Fuchs、美國燃燒公司等開發的水冷式爐門碳氧槍裝置、德國BSE公司的自耗式爐門碳氧槍裝置及國內企業參考國外爐門槍研發制作的設備,如圖2及圖3所示。

圖3 爐門自耗式碳氧槍

2 電爐爐門噴吹技術研究

近年來國內電爐短流程鋼廠在原有頂開蓋電爐基礎上,大量引進了可實現廢鋼預熱的水平連續加料電爐及其他爐型,實現了平熔池冶煉,爐門噴吹的主要作用也由前期切割廢鋼變為了造泡沫渣及脫碳脫磷,但同時傳統爐門噴吹工藝的不適應性也逐漸顯現出來。本文以國內某廠100 t Consteel全廢鋼電爐生產為例,介紹電爐爐門噴吹技術在電爐冶煉中的優化及應用情況。

2.1 電爐基本技術參數

該廠全廢鋼電爐的主要設計技術參數如表1所示。

表1 電爐主要技術參數及設計指標

該鋼廠主要生產熱軋帶肋鋼筋,電爐配備1臺爐門碳氧槍+1支爐壁氧槍+1支爐壁碳槍,原爐門氧槍按單孔設計,設計氧氣流量4 200 m3/h。出現的問題有:①冶煉電耗居高不下,高達400 kW·h/t;②爐襯沖刷嚴重,爐齡最長300爐左右;③連續加料煙道溫度過高,耐材損壞速度過快;④原爐門氧槍不能很好地適應Consteel電爐冶煉特點,氧氣消耗高達30 m3/t(標準)。⑤碳粉消耗量大,波動在25～32 kg/t,平均28 kg/t。

針對以上問題,研究人員分別進行了以下研究,逐一解決了各項問題。

2.2 爐門吹氧工藝研究

針對冶煉電耗高、爐齡低、熱效率低的問題,首先從吹氧角度分析,認為主要原因有兩個:一是原爐門槍氧流量大,且為單孔射流,使氧氣流股穿透力過大,造成化渣效果差、爐渣FeO低,大量碳粉被抽入加料煙道燒損耐材,且對爐體耐材沖刷嚴重,使爐齡降低。二是原爐門氧槍設計難以適應Consteel電爐冶煉特點,使吹氧效果變差。

2.2.1 爐門吹氧流量研究

爐門吹氧在全廢鋼電爐冶煉過程中起著快速助熔、攪拌熔池、造渣脫磷的重要作用,是強化冶煉的重要手段,因此首先根據氧槍設計原理[12],對爐門吹氧工藝進行了研究,重新優化設計噴頭,參數如表2所示,圖4為噴頭軸向視圖對比。

表2 優化前后氧槍噴頭設計參數

圖4 優化前后氧槍噴頭軸向視圖對比

由表2及圖4可知,優化后噴頭最大的改變是將單孔變為雙孔,氧孔夾角40°,并將馬赫數由2.1降至2.0,減小了射流沖擊力。經測算,改為雙孔噴頭之后,顯著減少了沖擊深度,由原來的85 cm減至68 cm。同時根據出鋼[C]控制要求,調整吹煉前期氧氣流量2 500 m3/h(標準),中期氧氣流量3 000 m3/h(標準),后期氧氣流量根據冶煉狀況做適當調整。優化后氧氣射流對爐內耐材的沖擊明顯降低,爐齡增加至400爐,同時經熱量核算,煙道內溫度降低132 ℃,耐材燒損問題得到緩解。

2.2.2 爐門吹氧角度研究

生產中發現傳統爐門氧槍難以適應水平連續加料電爐冶煉特點,主要表現在:廢鋼單側連續加料與氧氣射流難以吹掃助熔之間的矛盾,以及熔池深度不斷變化與氧氣射流角度不夠之間的矛盾。

不同于傳統頂加料電爐,水平連續加料電爐廢鋼進料口位于爐體一側,容易形成冷區,即使有爐壁氧槍也很難快速熔化[13-14]。傳統爐門氧槍基于頂加料設計,使氧氣射流廣度不足以覆蓋連續加料區,不能起到快速助熔的作用。因此調整原爐門氧槍布置方式并加長槍體,使氧槍工作位偏離爐口中心線,氧氣射流范圍增大,實現了快速熔化廢鋼功能,縮短冶煉時間,如圖5所示。

圖5 爐門氧槍的偏心布置示意圖

水平連續加料電爐的另一個特點是冶煉過程熔池由淺到深動態變化。冶煉初期熔池較淺,氧槍需以較大角度伸入爐體吹氧以保證槍位要求,隨著冶煉進行,熔池逐漸上升,吹氧角度需隨之做出調整。傳統爐門氧槍由于其升降及俯仰行程有限,使其很難適應連續加料電爐冶煉的大角度需求。經過設計和計算,對爐門槍的升降及俯仰活動范圍進行調整,使吹氧角度增加,滿足了連續加料電爐的吹煉需求。

2.3 爐門噴粉工藝研究

2.3.1 電爐造泡沫渣機理

電爐造泡沫渣的作用是實現埋弧操作,以減少弧光輻射、提高功率因數、降低電耗并縮短電爐冶煉時間。泡沫渣是吹氧、噴碳、造渣同時作用的結果:吹入熔池的O2首先與Fe反應生成FeO, FeO與碳粉及熔池的C、Si、P等反應,并且由于FeO的破殼助熔作用,石灰迅速熔化,液態渣作為液膜將渣層下的CO氣泡隔開,使爐渣泡沫化形成泡沫渣[15-16]。

圖6為電爐噴吹造泡沫渣過程示意圖。

圖6 噴吹造泡沫渣過程示意圖

電爐冶煉過程通過氧槍向熔池噴吹O2,C-O反應主要有兩種形式:直接氧化反應與間接氧化反應。

1)直接氧化:

(1)

2)間接氧化:

(2)

(3)

式(1)主要發生在氧氣射流與熔池直接接觸的高溫反應區,式(2)、式(3)主要發生在高溫反應區外圍及渣鋼界面,在實際吹煉過程中,以間接反應為主。基于此理論,對吹煉前期的槍位(噴孔-液面)做了調整,使之在原工藝基礎上增加100 mm,促進了間接反應進行。

2.3.2 電爐噴粉工藝研究

電爐造泡沫渣的主要手段是通過爐門及爐壁碳槍向爐內噴吹碳粉[17]。電爐噴粉系統主要由料倉、噴粉罐、流化裝置、輸粉系統、噴粉槍及控制系統等組成,如圖7所示。

圖7 電爐噴粉系統示意圖

研究人員對冶金過程用碳粉或煤粉粒徑做了大量研究[18-19],對碳粉的最合適粒徑并未取得一致意見,目前電爐噴吹碳粉的粒度一般要求0.5～3 mm。塞里茲認為,要使爐渣起泡,碳粉粒徑應大于2 mm,這樣才能更好地與渣中FeO反應生成CO并保持一定時間,太細或太粗都不利。課題組經過分析,將碳粉粒徑設定為1～4 mm,同時加大篩網孔徑,保證了噴粉順行并延長了泡沫渣維持時間,取得良好的冶金效果。

相對于傳統電爐的小噴粉量,全廢鋼電爐噴粉量增大數倍,噸鋼消耗碳粉量15～30 kg,這對傳統電爐噴粉系統的穩定性是一個巨大考驗。為適應全廢鋼電爐大噴粉量需求,參考冶金研究人員對噴粉技術的研究[20-21],新噴粉系統加大了料倉及噴粉罐的儲粉量,采用30 m3大料倉密封設計,并將輸粉管道全部升級為耐磨材質,有效保證了噴粉工藝需求,并實現了綠色環保。

3 電爐爐門噴吹技術優化效果

通過對該廠電爐爐門碳氧槍噴吹技術及工藝進行研究,升級優化吹氧及噴吹技術參數使之適應連續加料電爐冶煉特點,現場跟蹤采集數據105爐,取得了良好的冶金效果。

(1)通過優化吹氧工藝及噴頭設計,調整吹氧流量,使電爐爐齡由300爐提高至400爐,氧耗由30 m3/t(標準)降至26 m3/t(標準)。

(2)通過對傳統爐門氧槍進行多方面改造,采用爐門槍偏中心線布置、優化噴吹角度等,使之適應全廢鋼連續加料電爐冶煉特點,促進熔池化學反應速度。

(3)通過研究泡沫渣形成機理,對噴粉及吹氧工藝進行了優化,泡沫渣造渣效果顯著提升,電爐碳粉耗量由28 kg/t降至22 kg/t,電耗由400 kW·h/t降至340 kW·h/t,冶煉周期由48 min縮短至42 min,直接經濟效益50元/t鋼。

4 結論與展望

本文對電爐噴吹技術的發展現狀進行了充分調研,結合水平連續加料電爐生產實踐,對爐門吹氧、噴粉技術及工藝進行了深入研究。得出以下結論。

(1)隨著現代電爐多樣化及冶煉技術的進步,電爐爐門碳氧槍系統更新換代加快,噴吹技術及工藝需進一步優化,充分發揮強化冶煉作用。

(2)電爐爐門碳氧槍要適應全廢鋼電爐冶煉技術,需深入研究現代電爐的爐型特點、冶煉工藝、物料特征,結合冶金原理、泡沫渣機理、裝備設計等基礎理論,升級改進技術并應用于現場生產,在實踐中不斷改進。

(3)從國內電爐爐門噴吹技術發展水平來看,仍存在噴吹技術落后、不完全適應現代電爐冶煉特點、智能化發展水平低的現狀,建議下一步的發展重點是升級裝備技術,提升智能化水平,使之與現代電爐的發展相匹配。