王明月,陈国军

(宝山钢铁股份有限公司中央研究院,上海 201999)

钢铁生产能源强度很大程度上受废钢和铁矿石使用比例、铁矿石质量的影响,铁钢比降低0.1,吨钢综合能耗降低约50 kgce/t[1-2](1 kgce/t=29.30 MJ)。统计数据表明,钢铁联合企业中,70%以上的能源消耗、60%以上的碳排放发生在炼铁区域。废钢应用是钢铁节能增效增产、双碳目标实现的路径之一。随着废钢积蓄量的提高,废钢回收、分类网络的完善带来的成本下降,以及钢厂限煤限碳的要求,转炉大废钢比冶炼是未来炼钢趋势之一。受限于铁水蓄热量限制,钢铁企业通过废钢预热,转炉内加发热剂,强化转炉内熔池搅拌,铁水运输过程保温,鱼雷罐、铁包、钢包中加废钢等措施,不断提高钢水冶炼废钢比上限,成效显著。

鱼雷罐加废钢工艺,是指鱼雷罐倒铁结束空罐时,向其中加入适量的轻薄废钢料,一般不超过铁水装载量的4%。废钢在随鱼雷罐空罐运行的过程中被预热,随后在鱼雷罐运行至高炉下受铁后逐渐熔于铁水中。该工艺抑制了鱼雷罐空罐阶段耐材对环境的辐射、对流散热损失,并实现耐材蓄热利用,提高了转炉冶炼废钢比。鱼雷罐中废钢的熔化行为及对生产运行的影响,是鱼雷罐加废钢技术应用的关键。为更好地支撑鱼雷罐加废钢工艺现场常态化应用,本文结合专家学者研究成果和现场生产实践,分析了废钢的熔化行为及影响因素,从设备可靠性、资源能源利用、工艺稳定性等角度分析了鱼雷罐加废钢工艺的特征。

1 废钢的熔化过程及影响因素

鱼雷罐中废钢熔于铁水(或称作熔池)的过程与电炉、转炉内废钢熔化过程一致。废钢熔于铁水是传热、传质共同作用的结果。对于废钢熔点高于铁水温度、废钢碳含量低于铁水碳含量的体系,铁水中的碳迁移至熔化界面并降低废钢熔点促使其熔化,熔化由碳的传质主导;对于铁水温度高于废钢熔点、废钢与铁水碳含量接近的体系,熔化由传热主导[3-5]。多数情况下,熔化过程受碳传质控制。废钢熔于铁水的过程可大致分为凝固层形成、凝固层重熔和废钢渗碳熔化过程,凝固层是高温铁水遇到固体废钢后在其表面形成的凝结铁皮,凝固层的形成和重熔时间较短[6-8]。由于激冷效应,在凝固层与废钢之间会形成气隙[9]。

废钢熔于铁水过程受到诸多因素的影响,包括废钢装入量、尺寸形态、堆积密度,熔池温度、碳含量、熔池流动状态等。高茗等[5,8]开展了1 kg的铁/碳熔池中废钢棒熔化热态试验,表明熔池静止状态下废钢棒熔化呈现上窄下宽的锥形形貌,钢棒旋转状态下钢棒熔化呈现螺旋形貌,随熔池温度升高、钢棒转速增加,传热传质增强,凝固层厚度减少,凝固层形成和重熔时间缩短。WRIGHT[10]测量了等温条件下黑铁棒在1 kg和25 kg铁/碳熔池中的熔化速率,显示在自然对流条件下或低气体流速搅拌下,熔池表面处铁棒出现颈缩,其余部分的熔化几乎是平行的。杨文远等[7]进行了250 kg感应炉中Q235圆钢在熔池中熔化的热模拟试验。REBROV等[11]开展了130 t顶吹转炉中废钢熔化行为的研究,表明提高铁水温度及碳含量、轻薄废钢形态有助于提高废钢熔化速度和废钢消纳量。LI等[3-4]开展的双钢棒和多钢棒熔化过程的动力学试验表明,钢棒间距(或孔隙率)达到一定范围会造成“钢冰山”(通过凝固层凝结在一起)的形成;随着间距进一步降低而扩大,熔化时间受最大“钢冰山”和“钢冰山”形成量的影响。“钢冰山”的形成在实际生产中得到了验证。LI等还指出通过废钢预热对于较大废钢的熔化更有效且更易于实现。

现有关于废钢熔化机制的研究主要是针对碳钢,对于硅钢在铁水中的熔化过程,硅和碳属于同族元素,硅钢中硅的质量分数介于1.0%～4.5%间,硅的质量分数越高其熔点越低,判断其在铁水中的熔化机制应与碳钢类似,随着硅的质量分数增加熔化加快。

2 鱼雷罐加废钢对生产运行的影响

2.1 鱼雷罐耐材影响

鱼雷罐加废钢通常采用抓钢机抓取废钢装入的方式,加入的废钢主要为硅钢片、破碎料和少量打包块。宝钢主要是硅钢片和破碎料,宁钢[12]主要是硅钢片和钢筋打包块,先装入硅钢片再装入钢筋打包块,抵消打包块的机械冲击,钢筋打包块的加入提高了废钢装载量。废钢装入过程由于冲击磨损会伤害鱼雷罐耐材,较大表面积的轻薄废钢料有助于减轻这一损伤,同时废钢料堆积避免铁水直接冲击鱼雷罐底部耐材,起到保护耐材的作用。有研究显示[13],铁氧化物可能会与鱼雷罐Al2O3-SiC-C砖中SiC反应,生成SiO2夹带Al2O3进入炉渣,加速罐衬侵蚀。根据宝钢宝山基地应用实践,鱼雷罐加轻薄废钢料对鱼雷罐耐材使用寿命的影响不显著。

2.2 铁水温度影响

鱼雷罐加废钢可利用鱼雷罐耐材散热预热废钢。作者团队[14]对320 t鱼雷罐运输铁水过程热损规律的研究表明(图1),鱼雷罐受铁阶段(40 min)、重罐运输阶段(60 min)、重罐等待阶段(60 min)铁水热损失主要是鱼雷罐耐材蓄热增加所致,耐材蓄热量占铁水热损失的60%以上,兑铁结束鱼雷罐空罐状态下,耐材蓄热通过罐口和罐衬的损失,分别约为总损失的52%和48%。减少鱼雷罐空罐阶段热损失是减少铁水温降的关键环节。废钢装入鱼雷罐形成锥形冷源,填充并分割罐内空间,减少耐材通过罐口的对流和辐射热损失,以及工作层向罐壳的导热损失。根据废钢装入量的不同,可减少空罐耐材热损失30%以上。同时,鱼雷罐受铁后由于废钢升温熔化,会造成铁水输送过程温降的增加。宝钢股份研究结果及统计数据显示,320 t鱼雷罐装入3～8 t常温废钢,相比不加废钢铁水温降增加了3～10 K。

图1 鱼雷罐运输铁水热损失途径及比例

2.3 碳溶解度影响

铁水运输过程由于温度不断降低,铁水碳饱和溶解度降低,析出片状石墨粉尘逸散到环境中。作者团队[15]通过试验测得宝钢宝山基地铁水温降与碳饱和溶解度的定量关系,吨铁水降温100 K析出碳2.65 kg。碳析出逸散造成转炉煤气回收量减少,且不利于转炉熔池升温。废钢的装入稀释了碳素浓度,减少了碳素的析出。根据冶金反应原理,基于元素平衡、热平衡方法理论计算了鱼雷罐中废钢(w(C)=0.18%,w(Si)=0.25%)装入量5 t、铁水(w(C)=5.02%,w(Si)=0.30%,1 460 ℃)装入量275 t时,熔池碳析出量及影响转炉煤气回收量。结果表明,相比鱼雷罐不装废钢碳析出量减少0.12 t,转炉煤气极限回收量(假设析出碳全部损失,不考虑煤气回收过程CO含量、O2含量限制,转炉炉气中w(CO)=95%,空气吸入系数0.1)增加289 m3(吨钢平均回收热值按8 360 kJ/m3计算)。唐钢[16]生产实践显示,铁水罐加3.5%～4.0%的废钢,熔池碳质量分数降低0.380%,硅质量分数降低0.039%。此外,研究表明[17],若鱼雷罐加废钢种类主要为硅钢片,熔池铁水硅质量分数增加1%,碳的溶解度降低0.29%。

2.4 脱硫预处理影响

由于废钢存储过程的自然氧化及鱼雷罐内高温氧化作用,鱼雷罐装入的废钢中含有较多含铁氧化物(FeO和Fe2O3),会与熔池中C和Si发生脱碳、脱硅反应。对含铁氧化物与熔池中C和Si反应的热力学分析表明,1 477 ℃以下脱硅反应优先进行,因此鱼雷罐中含铁氧化物优先与Si反应。含铁氧化物的带入不利于镁粉脱硫。宝钢股份梅山基地研究显示[13],破碎料中含铁氧化物与熔池中的Si发生反应生成SiO2,形成油渣,油渣中SiO2与Mg反应,抑制镁粉脱硫反应,同时含铁氧化物与脱硫产物MgS、CaS发生反应造成回硫。其后梅钢通过减少碳钢破碎料装入、前后扒渣,基本消除影响。

2.5 其他

硅钢的投入会提高铁水中Si含量。研究表明[18],转炉废钢比与铁水熔池中Si含量呈正相关性。由于硅氧化反应的热效应高于碳氧化反应,可为炼钢过程补充化学能,但氧化剂的使用量增加,使得炼钢渣量增加,易造成喷溅。

综上所述,鱼雷罐加废钢工艺对设备安全可靠性、资源能源利用,以及工艺顺行的影响是多维度的。从能效角度分析,鱼雷罐加废钢增加了铁水运输过程温降,但本质上这部分温降热量并未损失而是转移到废钢中,且废钢加入减少了铁水中碳资源损失及鱼雷罐耐材对环境的散热损失并实现散热利用,属于能效改善技术范畴。从安全角度分析,设定合理的废钢装入类别和装入量,优化废钢装入方式,对设备可靠性和工艺稳定性的影响是可控的。从经济角度分析,无需较大的固定资产投资,不涉及煤炭、燃气等能源投入即可提高高炉—转炉工艺流程废钢比,具有较高的投资回报率。

3 鱼雷罐加废钢工艺优化方向

鱼雷罐加废钢工艺可实现铁钢比下降1%～3%。鱼雷罐加废钢优缺点明显,钢铁企业继续发挥鱼雷罐加废钢工艺的优势,强化鱼雷罐加废钢工艺的基础研究,克服或弱化实际应用过程中的不利影响,是发展的趋势与关键。具体可从以下几个方面进行优化:

(1)研究鱼雷罐中废钢熔化行为,结合铁钢界面铁水物性变化测定废钢熔化基本参数,为鱼雷罐加废钢技术应用提供基础理论指导。

(2)建立鱼雷罐设备状态、运行周期与废钢装入的数学模型或经验模型,根据鱼雷罐设备状态、空罐时间、重罐时间合理组织废钢类别、尺寸(厚度)和装入量,充分利用鱼雷罐空罐阶段耐材蓄热,减少铁水碳析出损失并保证废钢在兑铁前完全熔化不粘底。

(3)优化铁水脱硫工艺适配鱼雷罐加废钢模式,并做好废钢防护减少氧化,如废钢保存在干燥环境并减少洒水缓解废钢自然氧化过程,鱼雷罐加盖缓解废钢在鱼雷罐内的高温氧化过程。

(4)优化废钢装料方式,减少鱼雷罐耐材冲击损伤,实现废钢在鱼雷罐内的合理填充,减少耐材对外散热损失,优化废钢熔化过程。

4 结论

(1)鱼雷罐中废钢熔化过程经历凝固层形成、凝固层重熔和正常熔化过程,通过鱼雷罐加轻薄料及合理布料,有利于缩短凝固层形成和重熔时间,避免“钢冰山”的形成,并提高废钢消纳量。

(2)鱼雷罐加废钢对生产运行的影响是双向的,废钢的装入抑制了高温耐材对环境的散热过程并利用耐材蓄热预热废钢,减少耐材散热损失30%以上,降低钢水冶炼铁钢比1%～3%,同时废钢熔化减少了熔池降温造成的碳析出逸散损失,加入5 t废钢减少碳析出0.12 t;另一方面废钢携带含铁氧化物可能造成铁水脱硫效率下降。

(3)鱼雷罐加废钢工艺仍有优化提升空间,通过深入研究鱼雷罐内废钢熔化行为,量化废钢装入量、合理匹配脱硫工艺、优化装料方式,提高精益管理水平。