短流程炼钢技术发展概论

H:\精品资料\建筑精品网原稿ok（删除公文）\建筑精品网5未上传百度短流程炼钢技术发展概论电炉的出现是为了经济地回收利用废钢并生产结构钢。从60年代起,对电炉炼钢需求增加,导致了超高功率电炉的开发,促进了各种新技术的出现,如泡沫渣和长弧操作、水冷炉壁和水冷炉盖部件、喷嘴燃烧和无渣出钢等。总体而言,电炉炼钢的发展方向如下:(1)进一步提高现有电炉和新建电炉的生产效率;(2)经过废钢预热,降低消耗,从而减小生产成本的压力;(3)灵活使用不同装炉原料的需求;(4)电能的替代和一次能源的使用。1.1短流程炼钢技术现状11.1短流程炼钢技术的发展电炉短流程亦称紧凑式电炉流程,国外通称为”Mimnill'电炉短流程将是21世纪以废钢为主原料的钢铁生产新流程。其主要特点是:(1)采用连续化生产,形成”电炉一精炼炉一连铸一连轧”四位一体的生产模式,(2)生产流程短,工艺布置紧凑,生产周期(从废钢至成品)一般只需3〜4h;(3)生产品种比较单一,适宜专业化生产;(4)生产效率高,全员劳动生产率达到2700t/人•a以上。1.12电炉短流程的设备配置电炉短流程的设备配置一般应遵循以下原则:(1)单机匹配:即一台超高功率电炉配一套精炼设施、一台连铸机和一套主力轧机;(2)广泛采用近终形连铸技术和连轧技术;(3)采用连铸坯热送和直轧技术;(4)以轧定产,即根据轧钢机的生产能力合理配备各工序设备a电炉短流程的设备配置情况和代表性工艺见表1-1。表1-1电炉短流程的设备配置和今后的发展趋势表1-1中计算按电炉作业率为75%,电炉生产效率为I.lt/t•h,电炉利用系数为I.6t/MV.A•h,钢水成材率为93%计算。按电炉短流程工艺运行的工厂设计力案,工艺布置紧凑,占地面积小,基建投资低,并充分考虑了生产节能(平均节能20%),提高生产效率等。自从90年代初美国Nucor的电炉-薄板坯连铸为代表的电炉短流程投产以来,引起了世界钢铁界的重视。电炉短流程的发展是第二次世界大战以后钢铁技木的第三个重大变化。该流程的典型示意图如图1-1所示。1.1.3当代电炉技木的发展近20年来电炉炼钢技术迅速发展,主要表现在以下两个方面:其一,电炉生产技术本身逐步发展完善,以电炉强化冶炼为中心,提高熔池能量输人密度T缩短冶炼周期,先后开发出超髙功率供电、水冷炉壁(盖)、偏心炉底出钢、直流或髙阻抗供电以及导电横臂等先进技术。其二,现代电炉技木大量借鉴、吸收和融合了各项转炉强化冶炼技术,如炉内氧气-燃料助熔、熔池喷炭增加热源、炉气二次燃烧和废钢在线预热等。如著名的Danarc电炉是以高阻抗供电技术与K-ES喷炭、二次燃烧技术结合的产物。竖炉电炉的开发则借鉴了kV•A和EOF炉等工艺技术经验。近代电炉炼钢技术的特点是:(1)冶炼强度提高,冶炼时间缩短。电炉经过了30年的发展,熔化功率从300kV•AA提高到IOOOkV•A八,冶炼强度提高了2倍以上,冶炼周期从180min缩短到53min,使电炉的生产能力相应提高了3.4倍。(2)热、电效率提高,能置消耗降低。由于冶炼时间大幅度缩短,电炉的热效率明显提高(从54,3%提高到71.7%),使电炉冶炼总能耗从700kW·h/t下降到530kW•h/t,下降了24.3%。(3)化学能输入比例提高,电耗降低。在标准状态下,电炉冶炼的氧气消耗从8m3/t增加到40m3/t,化学能的输入比例从5.1%提高到35.8%,而冶炼电耗从630kW•h/t下降到340kW·h/t。随着化学能输入比例的提高,电炉的利用系数明显提高,达到I.51t/MV·A·h国外电炉近30年生产技术的发展见表I-2。表1-2国外电炉生产技术的发展1.2电炉生产技术发展趋势1.2.1电炉强化冶炼技术电炉强化冶炼技术是电炉生产技术发展的核心,也是今后电炉技术进步的关键。分析世界上最先进的电炉技术参数和经济指标,见表1-3,可见电炉强化治炼技术发展趋势有以下特点:(1)生产高效化。经过采取扩大炉容,采用超高功率缩短冶炼时间等措施。当前.世界上最大的直流电炉为日本东京钢铁公司冈山厂200tDC炉,平均出钢量为220t大型现代化电炉的冶炼时间一般少于60min,最短的冶炼周期为Danarc电炉,达到45min。该电炉的日产炉数平均可达到32炉。根据德围BWS厂的生产数据计算,电炉的作业率可达到86.7%。据国际先进指标计算,当代电炉最大生产能力可达到267t/h。电炉利用系数达到I.78t/MV•A·h;单台电炉最大年产量可达到176.8万t/a(即年产8841炉钢)。表1-390年代世界最先进电炉的技术参数和经济指标(2)供电直流化。20世纪90年代,世界上总计建设大型直流电炉80余座,占同期新建电炉总数的70%〜直流电炉的迅速发展充分显示出其技术优点。电炉供电方式比较见表l-4。l分析表1-4,可见:1)DC电炉的供电效率与超髙功率AC电炉相当,略低于高阻抗AC电炉;2)DC电炉的热效率高于AC电炉与高阻抗AC电炉;3)DC电炉的电极消耗明显低于AC电炉;4)DC电炉和AC电炉相比,减轻了环境污染。另外,对于发展中国家,由于电网容量小,更适合采用大型直流电炉。(3)熔炼转炉化。从能量输入的观点出发,电炉强化冶炼的技术途径为:表1-4电炉供电方式的比较1)超髙功率供电,受到耐火材料的限制,输入熔池的电能密度一般不超过IOOOkV·A/t。当大于700KV·A/t时,随着电能密度的提高,电弧热效率降低,电炉利用系数下降。2)提髙供氧强度,增加化学能的输入比例。一般采用以下两种方式:吹氧脱碳,在标准状态下,控制熔池供氧强度小于0.53m/t•min;燃料助熔,对于容量大小不同的电炉,输入比功率基本相同为0.14MW/t。3)回收烟气能量:根据电炉熔池脱碳童的大小,电炉烟气带走的热量每吨钢波动在105〜165kW·h。其中烟气的物理热每吨钢约为45〜65kW·h,烟气的化学潜热每吨铜(CO和H2气)约为60〜IOOkW.h。能够采用两种途径固收烟气能量:a废铜预热。热效率波动在53%(consteel法)〜68%(竖炉法),但同时增加了炉壁水冷件的散热损失5%〜10%。设备复杂,投资大.B炉气二次燃烧。热效率决定于炉气的二次燃烧率(PCR)和二次燃烧的传热效率(HTR)的乘积,可达到60%左右。操作智能化。长期以来,电炉依靠调节每根电极的单位阻抗进行控制。由于电炉熔池内情况复杂,反应剧烈,很难准确预报熔池阻抗&只能长期沿用电极定位控制的假设对电极进行自适应控制。因而造成电弧不稳定,三相不平衡,降低了电,热效率。最近,美国神经网络控制应用工程公司,利用人工神经网络技术,开发出”智能电炉”控制系统。诙系统具备以下3神基本功能:1)预报功能:对基于电炉操作条件分析,提前100〜300ms预报控制误差值,送出控制信号,实行超前补偿,保证电弧稳定。2)识别功能;了解三相供电的复杂关系和各种信咢对电极运动的影响,正确识别和选择满足所需条件的输出信号。3)优化功能:监视电极的不稳定性,调节电极进行优化补偿。当前,世界上已经有30多座电炉采用智能控制技术,见表1-5。采用该项控制技术,冶金效果明显优于普通计算机模型控制&美国北极星钢厂采用该项控制技术后,每年可获得纯经济效益122.28万美元。表I-5智能电炉的实际效果钢水纯净化。提高钢水的纯净度,进一步改进产品的各项特性,是20世纪90年代国际钢铁生产技术的发展重点。对于电炉流程也不例外,当代大型超高功率电炉配备各种炉外精炼设施能够生产出纯净度很高的各种钢材1.2.2现代电炉炼钢技术世界电炉炼钢技术发展很快,从电炉吹氧助熔到油氧喷枪,从低功率(LP),超高功率(UHP),偏心底出钢(EBT),水冷炉壁(盖),碳氧枪强化冶炼和泡沬渣工艺,二次冶炼,炉底搅拌技术,到20世纪80年代的直流电炉,90年代的双炉壳电炉和竖式电炉。各种新型电弧炉的开发应用状况见表1-6。表1-6各种斩型电炉的开发应用状况经过电炉技术发展,电炉几个主要参数发生了变化:(1)出钢至出钢时间和电极消耗量从20世纪(30年代的ieOmiri和每吨钢6.Skg,降至90年代的55min和每吨钢1,5〜2.5kg;(2)电耗从60年代的每吨钢630kW•h,降至90年代的每吨钢300〜35OkW•h;(3)每年出钢炉数从约2500炉增加到8000炉,双炉壳电炉接近10000炉,部分新型电炉及技术如下:(1)竖式电炉。英国希尔列斯钢厂是世界第一台工业化生产的90t竖式电炉(Fuchs)。经过多年来的不断完善和改进,在全废钢操作时,电耗可低达264kW•h/t。第一台竖式电炉的成功,使该项技术逐步被世界各国电炉炼钢界所接受,至今竖式电炉已公认是利用电炉废气热量预热废钢的最实用系统。德国福克斯公钶的竖式电炉的设计充分考虑了尽可能适应各厂不同的条件:1)在原料方面,有用全废钢的竖式电炉,有用55%的海绵铁的,也有用35%热铁水的。2)在竖炉结构上,有带托料机构的,也有让废钢自然落下的。3)有竖炉旋开式,也有竖炉壳开出式。4)竖炉供电方面有直流的,也有交流的当采用直流供电时,其底电极结构上,有采用水冷底电极的,也有底电极采用导电耐火材料的。由于在回收电炉废气热量的技术中,竖式电炉效率最高,近年来世界各国均在大力开发该顼技术。其中有:曰本石川邱播重工公司为东京制钢提供的炉容为240t的竖式双电极直流电炉,如图1-2所示。奥钢联推荐的竖式(Comelt)4电极直流电炉如图I-3所示。这些新的尝试、设想和概念,说明竖式电炉的技术将成为现代电炉的重要构成部分。(2)双竖炉电炉。法国SAM蒙特罗公司于199年投产一座90t双竖炉电炉,配备一台96MV·A交流变压器;其最大二次电压900V,设有5个位置的电抗器,装有12个3MW加热能力的烧嘴,直径6.3m的炉子为椭圆形,设计采用6支氧燃烧嘴。在竖炉出口处利用废气系统的能力,在标准状态下为9-10m3/h,便于炉于区域内的氧气收集。该双竖炉所用耐火材料为,渣线及水冷板下方的侧壁为镁碳砖,炉底为干式捣打料,在氮气搅拌器上放置一种特殊的多孔材料。为保证软气泡操作,在标准状态下,采用4mVh氮气进行搅拌,炉龄已达3000炉以上。(3)双炉壳电炉。采用双炉壳布置方法的电炉,能够充分利用变压器的能力,提高电炉生产率,同时将电炉的不通电时间降低到最短时间,保证了电炉出钢节奏稳定,易与连铸相匹配,双炉壳布置的电炉有以下类型;法国SAM钢厂:90t,双炉壳,交流,带有竖式预热器。卢森堡ARBED铜厂:95t,双炉壳,交流,带有竖式预热器。美国STEELDYNAMICS钢厂150t,双炉壳,交流,供板坯连铸机。美国NORTHSTAR-BHP钢厂:165t,双炉壳,交流,带有竖式预热器,供薄板臟铸机。加拿大DOFESCO钢厂:150t,双炉壳,交流,用热装铁水技术,供板坯连铸机。双炉壳电炉的操作特点:采用一个电源两个炉壳,交替重复地进行预热的熔化方法。即一个电炉进行熔化,另一个电炉在装入的炉料中开一个垂直孔,把加热器装在炉顶,把燃烧气体导入该垂直孔,对炉料进行预热。由图1-4看出,双炉壳电炉有A、B两个炉子A炉在通电熔化期间,B炉处于预热状态,电极供电装置5和预热用炉盖2,是两炉共用,采用互相交换的方式,交替重复地进行预热熔化。采用双炉壳能够使用髙温气体预热以提高预热效率,还可达到如下效果:1)预热时间35〜50min。2)平均温度约700℃。3)预热效率50%。4)单位电耗降低30%。5)电极单耗降低15%。6)耐火材料单位电耗降低15%。7)熔化时间缩短15%。8)熔化能力(t/月)提高30%。(4)康斯迪(consteel)连续炼钢新技术。该技术由美国莫特尔铜铁技术公司开发。其主要特点是髙生产率、低耗、低成本,适于新厂建设也可用于老厂改造,既可与交流(AC)电炉也可与直流(DC)电炉配套,完全符合未来对环保的要求。康斯迪技术与双炉壳、单炉壳电炉生产成本比较见表1-7。康斯迪技术将来自电炉炉膛的130C℃废气连续预热废钢至400〜600℃,每次出钢时均留下总钢液量的40%〜45%,热废钢进入熔池中被1580〜1590℃的钢液迅速熔化,喷吹氧气和碳粉形成的泡沬渣强化了电弧向熔池的传热,持续不断的碳沸腾促进了钢液中的传热传质和排除气体、夹杂物。康斯迪炼钼系统的功率利用率达93%,远髙于一般电炉的72%和双炉壳电炉的83%。当吹氧量在标准状态下为35m3/h时,100tDC炉用康斯迪技术的电耗为340kW.h/t,电极消耗为1.75kg/t。当前,应用康斯迪炼钢技术的共有7座电炉(含在建2座),即:美国的夏洛特(1989)、达灵顿(I993)、新泽西(1994)、日本的名古屋(1992)、意大利的美维査(1998)和泰国的可泰(19兆)等。中国的贵阳钢厂和西宁钢厂也分别使用该技术。1-3中国电炉生产技术的发展1.3,130t以上电炉运行状况按20世纪90年代中期统计,中国投入生产的电炉数量很多(计3380座),能力也较大(约3O4O万t/a),但其中约卯%的电炉是公称容量在30t以下的小炉子(不含30t)。30t及30t以上的电炉约有K座(能力1300万t/a),分属U个企业,占全国电炉总数2.13%,占全国生产能力43.16%。1996年,全国电炉钢产童1893.21万t,30t以上电炉铜产量为546.26万t,占全国电炉钢产量2S.85%。近来,电炉钢产量及占总产量的比例见表1-8。电炉主要经济指标见表1-9。表1-8电炉钢产量及占总产置的比例表1-91995年部分钢铁企业电炉主要技术经济指标1996年,全国电炉钢平均吨钢电耗607kW·h/t。30t以上电炉72座统计,平均电耗560kW·h/t。1997年,1〜10月平均电耗540kW·h/t。与1996年相比,吨钢平均电耗降低20kW•总节电10320万kW•h。30t以上电炉的基本情况见表1-10。正建和待建的大电炉见表1-11。表1-1130t以上正建与待建电炉统计表(按炉子吨位排序)江苏省30t以上正常生产的电炉较多,占全国同类炉子总数的四分之一。江苏30t以上电炉1996年冶炼电耗每吨钢501kW•h。1997年及1998年上半年,33座30t以上电炉的生产技术指标,按全冶炼工序(电炉冶炼+二次精炼)和每座炉子的产钢量求出的加权平均电耗值见表1-12。表1-1233座电炉加权平均电耗值1.3.2大型起离功率电炉的发展电炉大型化和超高功率化是当代电炉发展的两大特征。扩大炉容,实现大型化,是电炉提髙生产率的有效手段。近年来,中国经过成套设备引进,建设了许多大型超髙功率电炉,其中许多为直流电炉。上海地区引进的大型直流电炉的主要技术经济指标(供货者保证值)标志着中国电炉生产技术的发展走向新阶段。从国内己投产的部分大型电炉的运行指标分析,尚存在如冶炼时间较长和冶炼电耗较髙等问题,因此,应加以重视以下几方面:(1)加强引进设备半产技术软件的研究开发,尽怏形成”电炉——精炼炉一连铸”三位一体的生产技术和成套软件管理;(2)加强引进消化吸收工作和外围配套,使引进设备的生产能力得到充分发挥;(3)重视电炉强化冶炼各项工艺技术的配套。使电炉输入功率,氧气、燃料助熔工艺,底吹搅拌和强化供氧技术,二次燃烧等技木充分发挥作用。随着大型电炉的引进投产,相配套的耐火材料经过国家”八五”、”九五”重点科技攻关项目安排,已基本实现了国产化。由于耐火材料制品的开发、应用成功,也使许多炼钢新技术的发展和革新成为可能。20世纪80年代后期,引进的十多座国际先进的超高功率(UHP)电炉,投产时的耐火材料基本都由国外引进。年消耗约660dt优质碱性耐火材料,耗外汇约700万美元。经过”八五”耐火材料科技攻关,已实现了耐火材料的国产化,如电炉炉壁耐火材料进口价为3192马克/t(当时[马克折合人民币5元),使用寿命230次。攻关产品仅为人民币6000元/t,平均寿命309次。现舞阳钢铁公司90t电炉,抚顺钢厂50t电炉,天津钢管公司150t电炉等,所用耐火材料全部实现国产化,使用效果达到引进材料水平,替代了进口。由于电炉采用新技术,耐火材料单耗显著降低,如旧式水冷板且未采用炉底出钢的电炉,耐火材料单耗每吨钢12kg;而采用水冷板及炉底出钢的电炉耐火材料单耗每吨钢仅为5〜6kg。沙钢90t超高功率竖式电炉,由进口耐火材料,改用苏嘉镁砖公司的镁碳砖,1999年EBT出钢口砖寿命180次,炉壁寿命由1997年平均565次,提髙至750次,镁质喷补料每吨钢消耗0.75kg。1.3.3依靠技术进步促进了国内电炉生产的发展例1江阴兴澄钢铁公司三炼分厂,有30t偏心电炉3座(出钢量40t,变压器功率15MV•A),40t钢包精炼炉2座,40t真空脱气炉(VD)I座,弧形方坯连铸机2台。该公司是国内汽车弹簧扁钢生产基地,部分产品出口。该公司采取了如下措施:(1)抓好料源清洁工作,做到入炉料合理搭配,为电炉冶炼创造良好的基础条件。(2)做好入炉料的配碳工怍,强化用氧降低冶炼电耗。(3)不断优化完善工艺。(4)加大品种开发力度,优质钢种已达38个品种,1999年取得了较大进步,其变化见表I-13。表1-13江阴兴S1999年各项指标变化例2南钢公苛电炉厂利用电炉炉墙氧枪和氧燃烧嘴实现电炉髙节奏生产,提高了出钢量和出钢炉数、炉数及对设备进行改造,1999年达到电炉生产快速高效。炉盖、电极同步旋转,使冶炼过程中的辅助时间节约3〜15min,平均每炉节约6min,节约非正常电耗损失IOkW.h/t。实行铁水热装,降低冶炼电耗,提高钢水原始质量。铁水比为扣30%〜40%,铁水带入物理热,使电炉冶炼过程提前成渣,缩短废钢熔化时间成为可能。加之铁水中配比较大董的生铁块,使金属料纯净度大幅度提高,成品钢中的有害残余元素Ni、Xu、As、Zn等降低I/3左右。I999年2月研制出炉墙固定氧枪。它与炉门双孔枪一起从炉子的不同部位向熔池供氧,废钢熔化速度提高40%〜60%。熔清后的化学反应提高20%〜50%。在实践中,将炉墙氧枪和炉H氧枪供氧强度分幵控制,炉内反应速度则更易于控制,炉内冷区滞后熔化现象减少50%以上。而炉墙氧枪在熔清后的气压调节能力,使其化渣能力充分发挥,促进了石灰成渣,加之炉门氧枪的作用,熔清前后的泡沫渣埋弧效果显著增强。EBT氧枪研制成功使用,解决了EBT废钢熔化滞后难题,在EBT区域,把氧-燃烧嘴和炉墙(EBT)、炉门氧枪结合使用,以期达到缩短冶炼时间2〜5min,降低电耗20〜30kW·h/t。例3沙钢是以电炉炼钢为主体的新兴冶金企业,经过技术改造增加效益。I999年,沙钢对永新、润忠电炉实施热装铁水工程改造,90tLF炉由单工位改成双工位。电炉兑30%的铁水,90t电炉除兑铁水30%的同时增设海绵铁加料系统,向电炉添加I5%〜20%的海绵铁成铁钢比达到50%左右,为实现铁水热装,专门新建2座380m3髙炉及相关工程,极大地提高了钢水的纯净度。沙钢90t竖炉生产线是亚洲第一台短流程生产线,配有超音速碳氧枪和炉底吹氩搅拌系统,能够对粗炼钢水充分地进行去气去杂。后面配有LF精炼炉和小方坯高质量的连铸机进行增流改造。7StUHP电炉由槽式出钢改成偏心底出钢,并配LF精炼炉,导电横臂改成整体式。20t电炉3座,改为偏心炉底出钢,配LF炉。从技术改造体现的经济效益十分显著,见表1-14。表1-14产置与电极、电耗的变化1.4电炉冶炼相关技术直接还原和衷钢预热技术是当代世界钢铁工业的两大前沿技术,是对传统钢铁冶炼工艺的重大技术革命。1.4.1直接还原技术近来,美、德、日、澳大利亚以及东南亚、中国等相继开发出直接还原法约三十余种。按生产工艺可分一段法、二段法、三段法以及电热法等。按铁矿石用还原剂可分为”气基法”、”煤基法”两类,两种方法简介如下。气基法:气体作还原剂的直接还原工艺。该方法当前在世界上占主导地位。气基法易于控制,反应后利用率高f能耗低,产品清洁,含硫量低,含碳量较高为1%〜2%,符合炼钢的要求,而且里机生产能力大,可达0.60Mt/a。其生产能力和实际产量均占直接还原铁总能力和总产量的92%。”煤基法”:固体煤作还原剂的直接还原工艺。煤基法较难控制,反应后利用率低,能耗高,产品中含有少量煤灰和残焦,含碳低为0.2%左右,含硫稍高为0.02%左右,单机生产能力低,劳动条件和环保条件不如气基法。1994年,世界直接还原各类方法的生产能力为36.4Mt,其中气基法占9I.S%,煤基法占8.2%,气基法1997年占总产量的91.6%,各国直接还原铁产量见表1-1S。1.4.I,1直接生产洁淨铜的工艺直接还原技术是直接生产洁净钢的工艺。铁矿石经直接还原法中的熔融工艺处理得到——还原铁(DRT)。直接还原技术具有生产成本低为10%〜25%,原料选用灵活性大,环境污染小,应变能力强等优点9近来世界直接还原铁产董稳步增长,约19.65Mt,平均每年增长1.765倍。近两年世界各国(或地区)直接还原铁产量及增减率见表1-16。国内外部分直接还原技术的特点介绍如下:(I)DIOS法,如图1-5所示.表1-15年世界各国(成地区)直接还原铁产置及增减率表1-16直接还原铁生产地区及其分布(单位/万t)曰本DKJS法采用二步法,生产流程主要包括预还原炉(流化床)、熔融还原炉(铁浴)和加煤重整还原废气的设备,其优点如下:1)官接使用煤粉;2)铁浴炉易于启动或停止操作;3)设备投资少(与新建高炉、烧结炉、焦炉相比);4)降低铁水生产成本(比髙炉法低10%);5)减少CO2气体的发生量(比髙炉法低5%〜10%)。铁浴式熔融还原炉使用的优质耐火材料品种有MgO-C砖,Al3O3-C砖以及MgO-Cr2O3砖等。(2)C0REX法,如图I-6所示。南非COREX炉分成两个容器。上部为预还原竖炉,其功能是将顶部装入的块状矿石、烧结矿或球团矿还原成金属化率90%〜93%的海绵铁。炉内髙温区温度800〜900℃,—般耐火材料可满足要求,下部为熔融氧化炉,其功能是将海绵铁和剩余未金属化的矿石熔化,形成液态渣、脱硫,冶炼出炼钢所需的铁水,同时供应上部还原炉所需的煤气,其煤气成分为CO含量75%,H2含量25%,CO2极少量,温度为1000〜1100℃;所用耐火材料品神一般为优质莫来石砖、Sialcm结合的SiC砖、Sialon结合的Al2O3砖,以及不同类型的碳砖等。(3)HISMELT法,澳大利亚HKMELT的工艺流程,主要包括流态化预还原炉和铁浴终还原炉。后者不用氧气,而用高热空气;煤进入熔融还原炉的位置不在上方,在炉的中部,该炉中的气体直接进入预还原炉,不经集尘器,铁矿粉在喷入卧式熔炼还原池前,在循环流化床内进行预热和预还原该法工艺简单、成本低,有如下特点:1)广泛使用各种略经加工的铁矿粉作原料;2)可用各种煤;3)与髙效高炉有同等的节能效果;4)操作简单灵活,利用率髙;5)能满足未来对污染物排放控制的要求。⑷ROMELT法。俄罗斯称ROMELT法为液相还原法。具有代表性的ROMELT法是一步还原法,设备简单,投资较少,特别适宜处理含铁粉尘及废料。该工艺使用大容积高度搅拌的熔池,可在70%以上的髙二次燃烧率下操作,而且热回收率可达ROMELT工艺采用水冷套作反应装置的炉壁,可使熔渣冷凝在炉壁上,保护炉衬”耐火材料仅用在炉缸和虹吸区。上述4种还原工艺的技术经济指标见表1-17。表1-174种还原工艺参數与耐火衬料侵蚀速率(5)AISI法。美国的AlSI技术,其生产流程主要包括连续式球团预还原炉和水平槽式熔炼炉。氧化性球团在预还原炉内直接还原后,在热状态下,连续进入槽式炉中熔化和精炼,获得中碳和高碳半钢,经二次精炼即得合格钢水。(6)中国采用的直接还原铁工艺。为解决中国优质废钢短缺的问题,发展直接还原铁(DRI)是有效途径之一。中国天然气有限,煤资源丰富,已探明的煤炭资源占能量总量的98%以上,这样的能源结构,决定了中国优先发展煤基DRI工艺,或用煤造气(将煤转化为CO作还原剂)的气基直接还原工艺,煤基还原铁的生产方法很多_中国正在实施的方法有下列几种:(a)回转窑法。该法生产能力占煤基直接还原总能力的95%以上技术比较成熟,典型工艺是SL/RN法。机械化程度高,生产效率较高,单台设备产量较大。使用熔点髙和还原性能好的煤,可实现较好的还原。中国辽宁喀左海绵铁厂,采用优质磁铁精矿为原料,普通褐煤为还原剂,将氧化、还原二步工艺合为一步进行,年产2.5万t,月产量已达3000t是国内采用煤基”一步法”链算机一回转窑工艺,实现述原铁工业化的第一条生产线。已生产两万余吨合格产品,供天津钢管公司、赤峰钢铁厂、舞阳钢铁公司等单位使用。天津钢管公司炼钢厂有中国引进最早的大型超高功率电炉、LF炉、VD真空炉,圆坯连铸机。即1+1+1+1的短流程。产品以石油套管为主,其产量占70%,品种从引进时的34种,发展到当前的I37种,成为中国的石油管材基地。为适应150t电炉优质冶炼,要求原料采用DRI,以减少残余元素和有色金属的混人,为优质钢打下基础。DRI原料从1995年起逐步自给,实现了国产化,其用量也日益增多。逐年用量见表1-18。(b)隧道窑法。一种生产还原铁粉的传统方法(Hogamis法),扩大后用于生产炼钢用直接还原铁(海绵铁采用罐装料间接加热方式,以避免炉内氧化反应,产品金属化率高,但造价较高,单台设备的产量较低。河北、辽宁、山东等地建成了年产1万t左右的隧道窑生产线。(C)环形炉法&环形炉法是美国的Fastmet和Inmetco工艺,它是用环形转底炉生产还原铁,要求快速加热、出料及时,技术要求较高。环形炉決机械化程度高,生产率高,单台设备产量较高。辽宁在建一座直径6m环形炉。(d)连续炉法。北京科技大学开发的连续炉法(C0F法),具有在高温炉气中敞焰加热含碳球团,实现快速还原的优点,又妥養地解决了氧化问题。因燃煤机械的燃烧能力有限,单台连续炉的产量较低。实施COF直接还原工艺的设备有两:1)COF-R(用于环形转底炉),已在四川阿坝州一座直径7.4m的环形转底炉上实施。2)COF-C(用于台车底连续加热炉),在四州峨盾钢铁厂设计了一座年产2万t的生产线,(e)XSH-A煤基法。哈尔滨市海绵铁研究所专利技术,其工艺的主要特点1)节能效果显著,采用金属还原罐,热传导效果显著提高,还原气氛的作用得到加强。2)投资少,年产2.5万t生产线,总投资约1800万元左右。3)自动化程度高,工序环节少,生产设备简单。生产过程易实现自动化控制。年产1.5万t的设备生产线已基本建成,日产能力可达70t。另外,山西垣曲采用多管直接还原炉工艺,建设年产1万t的装置。鞍山直径8m的转底炉即将建成投产。几种煤基还原铁生产工艺特点和技术经济指标见表1-19。表1-19几种煤基海绵铁生产方法对比1.4.1.2还原铁性狀与应用”还原铁”是铁矿石经直接述原处理后得到的金属铁,是废铜的替用品,也是冶炼某些优质钢的必须品,该产品有:海绵铁:块状矿石直接还原。球团矿:粉状矿经球团化之后再还原。还原团矿:将海绵铁和球团矿,按比例加压成形,使其具有一定尺寸和形状。海绵铁是由矿石经直接还原而得到海绵状的多孔金属块,并杂有一定数量的脉石,系老式生产金属铁的工艺。现代大型工业化生产的多为粒状的直接还原铁(DRI)或热压铁块(HBI),近年来使用热压块的趋势迅速增长,但一般将这3种铁源产品统称为海绵铁。或简称直坯铁。近年来,各种直接还原铁生产技术发展很快,它作为一种铁源的重要性在日益增加以1997年为例,直还铁与钢产最的比例达到4,8%,与电炉铜的总产量比达到约16%,1990年以来,全世界直接还原铁产量增长的情况见表1-20。表1-20全世界直接还原铁产量增长状况A还原铁的理化特性述原铁已不同于生铁,质童较髙,性能稳定,形状也便于使用,可进行连续装料,含碳量较低且与钢的含碳量相近,其理化特性如下:(1)物理特征。密度:从操作中有效化学反应及热传递考虑,其理想密度以4.0〜6.0g/cm3为宜(渣的密度一般为2.5g/cm3;粒度:粒度过大会使电炉加料系统复杂化,反之,下落过程中易被氧化或进入除尘装置内。适宜的粒度范围为10〜IOOmm。強度:要求有一定的强度,以免处理过程中产生粉尘。(2)化学性能。含氧童(指以氧化铁形式存在的氧)与含碳量:向电炉中加入还原铁时,应尽量保护炉壁耐火材料不受损毁,有效的措施是一氧化碳使钢水产生持续沸腾状态。如能确保每分钟的脱碳速度,则可防止电弧对炉壁的损毁。为此,还原铁中氧化铁的最佳氧含量为下式:还原铁中的含碳量,按氧量相应确定,不得低于0.6%C。(3)金属化率。指还原铁中金属铁与全铁之比。金属化率低,导致电炉内铁的回收率低,电耗增加;若过高,会降低熔池内CO的反应程度,显著降低炉衬寿命。(4)脉石(杂质)成分。杂质SiO2和Al2O3含量髙,将导致热量、石灰消耗增加,成本提高,并降低生产率。还原铁的化学成分见表1-21。表1-21还原铁的化学组分(%)B应用还原铁的优点电炉炼钢采用适童还原铁替代废钢,可提髙钢的质量,改进电炉的技术经济指标,提高生产效率。与废钢相比,还原铁的最大优点,是成分稳定,残余元素含量低。随着低合金高强度和镀锌钢使用量不断增加,加之废钢多次回收循环使用,使废钢中残余金属含量不断升髙。这些元素包括铜(Cu)、铬(Cr)、镍(Ni)、锌(Zn)和锡(Sn)等。由于在炼钢过程中无法用经济的方法去除这些残余元素,成为炼钢生产的一大难题,采用还原铁,则能避免因废钢质量不稳定和这些残余元素对钢的质量产生不利髟响,还可根据产品质量要求,灵活改变炉料的化学组成。采用还原铁,有助于造泡沫渣,保护耐火材料。电炉内形成泡沫渣,使炉渣厚度增加,炉渣密度减少。剧烈的脱碳沸腾和较厚的泡沫渣,可使电炉冶炼采用高压长弧操作,降低电耗;缩短冶炼时间,低密度炉渣使还原铁能快速进入渣钢水界面,同时因炉渣发泡提高了传热速度;炉内CO气氛能降低电极氧化,减少电极消耗;提高钢的质量,因渣钢水界面逸出的CO能去除熔池中的氮(N)和氢(H)。同时,由于电极辐射被泡沫渣吸收,减缓了耐火材料的蚀损,提髙了耐火材料的寿命。采用适量还原铁,由于在电炉炼钢过程中熔化与氧化精炼同时进行,在电弧稳定条件下,连续加料完毕,精炼过程世同时完成,因而提髙了电炉生产效率。由图1-7可看出,电炉炼钢采用全废铕和配入75%还原铁(连续加料)比较,加入还原铁可提高生产率近20%。1.4.1.3熔融还原炉用耐火材料铁浴式熔融还原炉的使用条件最苛刻,对耐火材料要求高。在铁浴式熔融还原炉操作过程中,炉内髙的二次燃烧率引起温度提高,二次燃烧带的炉渣层的温度可达1700〜1900℃,耐火材料蚀损严重。长时间高温下装料、出铁的连续交替操作,更加剧耐火材料的损毁。低碱度(CaO/SiO2=1.2〜1.5)高FeO(4%~13%0)炉渣,对耐火材料侵蚀严重。还原炉主要用碱性耐火材料如直接结合镁铬砖,镁白石砖和含碳耐火材料Al2O3-C砖,MgO-C砖等。以下是在5t铁浴还原炉上的初步使用结果。(I)MgO-Cr2O3砖。镁铬砖在渣线部位使用,在一般的连续操作下,由剥落造成的蚀损较小,而主要是髙温下熔损造成的蚀损。这与镁铬砖的纯度有关,砖中SiO2等杂质成分产生液相进入炉渣反应生成低熔物,促进熔损。为提髙对熔融还原炉等低碱性渣的抗侵蚀和耐磨损性,开发了高铬质镁铬砖,砖中Cr2O3含量越高,耐侵蚀性越好。添加70%镁铬矿(MgO·Cr2O3)的砖,其跗用性是添加25%镁铬矿的1.7倍,蚀损速度在lmm/h以下。但随着砖中熔剂成分(SiO2,Fe2O3,CaO,Al2O3)的增加,耐侵蚀性有下降趋势,为此采用以电恪镁铬砂和氧化铬组成的合成砖,提高了耐侵蚀性,同时也采用高铬铁矿为原料。但用后的镑铬砖存在环堉污染,因此无铬砖的开发和应用十分迫切。(2)Al2O3-C砖。Al2O3-C砖的蚀损,主要是在髙温下Al2O3颗粒的熔出和基质石墨的氧化脱碳同时进行所致。研究了石墨含量与金属添加物对Al2O3-c砖耐蚀性的影响。以石墨含量10%并添加金属Al的Al3O3-C砖,抗侵蚀性能最好。高温氧化气氛、低碱度(Ca0/Si02=l.2〜1.5)高FeO炉查,Al2O3-SiO-C砖的耐蚀性不如Al2O3-C砖,MgO-Cr2O3砖的侵蚀速率最小,约是Al2O3-C砖的I/2,其次是含碳量10%的Mga-C砖,其蚀损速率比A12O3-C砖小1/5。(3)MgO-C砖。MgO-C砖的蚀损,受炉渣温度、气氛的影响较大,尤以渣线部位,炉渣的影响更甚,当铁氧化物含量增多时,因C的液相氧化造成的蚀损加剧,渣线上部尤为严重。对高温氧化气氛、低碱度炉渣,采用电熔氧化镁的MgO-C砖,C含量从20%减至10%的效果好。U)Al2O3-SiC-C砖,在Al2O3-C质耐火材料中加入SiC,可提高抵抗熔融还原型炉渣对耐火材料的侵蚀能力。1)添加SiC大于5%后,在铁浴中,侵蚀速率随SiC量的增加变化很小。在渣及演铁熔体中的侵蚀速率随SiC量增加直线降低。2)在铁渣共存熔体中,渣线处Al2O3-SiC-C侵蚀速率最高,铁浴内侵蚀速率最低。随时间延长,熔体对耐火材料的侵蚀速率降低。3)加入SiC后,由于SiC与CO反应析碳而使砖内脱C速率降低。加之SiO2薄膜对SiC的保护作用,使SiC也能稳定存在,降低Al2O3-SiO-C砖气孔率,可阻止熔体向耐火材料的渗透。几种熔融还原炉用耐火材料的性能见表1-22。表1-22熔融还原炉用耐火材料的性能重庆大学冶金系在25kV•A电炉上进行了普通铁矿石熔融还原扩大热态冶炼试验,考査了3种耐火材料见表1-23,表明了Al2O3-SiC-C砖和Al2O3-TiO2-C砖侵蚀速率低,小于0,9mm/h,Al203-C砖的侵蚀速率髙为3,48mm/h以上,是前2种的3〜4倍。在铁浴内,对耐火材料的侵蚀程度低,为渣界面的百分之几。因此,在铁浴内,可选用Al2O3-C砖作炉衬耐火材料,而渣层及铁浴上部应选用Al2O3-TiO2-C或Al2O3-SiC-C为宜。矿石的预还原率是影响熔体对耐火材料侵蚀的重要因素。用未经预还原的矿石冶炼时,熔体中FeO可达50%左右,熔体对耐火材料的侵蚀速率很高。用预先还原的矿石冶炼时熔体内FeO可降至30%,耐火材料的侵蚀速率为前者的百分之几。因此,熔融还原工艺应对矿石预先还原,然后再进行冶炼。表1-233种实验砖理化性能采用三维旋转浸溃法进行实验,研究了铁浴型熔融还原熔体与镁碳砖的相互作用。从材料的组成(见表1-20与镁碳砖侵蚀速率(见图1-8)的关系及侵蚀特征看:(1)镁碳砖在铁浴中的侵蚀速率最低,渣铁共存体系中侵蚀速率最高,纯渣熔体中的侵蚀速率低于渣铁共存体系。(2)温度提高,熔体对耐火材料的侵蚀速率迅速提髙^。(3)渣中FeO浓度是影响耐火材料侵蚀速率的重要因素。渣中FeO浓度提高,耐火材料的侵蚀速率和损毁程度增大。(4)镁碳砖的侵蚀特征是渣表面处侵蚀程度最髙,渣铁界面处次之,渣主体内与界面处接近,铁浴内的侵蚀仅为渣中的千分之几,熔渣中几种镁碳砖的侵蚀速率都较高。(5)耐火材料中碳含量增加,抗熔融还原熔体的侵蚀能力提高。图I-8中SM5渣组成(%):FeO5,Al2O310,MgO8,CaO38.5,SiO238,5。表1-24镁碳砖试样性能铁浴还原炉衬的研究,当前处于试验阶段,渣型、含碳量不同其损毁情况各异,结合熔融还原条件,进一步开展髙抗