转炉烟气回收及高效吹氧技术

转炉烟气回收及高效吹氧技术

转炉精炼节能的本质是转炉精炼生产过程的合理化，以消除能量浪费。本文就转炉炼钢中的煤气回收、少渣炼钢、降低铁水比和降低氧气消耗等几个技术问题进行分析。中国转炉炼钢的能耗高于世界上先进国家10%以上,这与中国转炉平均容量小、铁水比高、炼钢原料不精、炼钢操作和管理有些地方不合理有关。中国转炉炼钢的吨钢冶炼能耗平均为-3.78kgce,宝钢、鞍钢、首钢、武钢等一批大型企业转炉炼钢能耗已达到国际先进水平。还有一批小企业尚未进行煤气回收,在转炉炼钢生产中还存在能量浪费之处。各厂之间的转炉冶炼能耗值相差很大。为使中国转炉炼钢能耗达到世界先进国家水平,炼钢工作者还需在今后较长时间内进行大量工作。1降低煤气中co含量,提高煤气热负荷计算条件:铁水碳含量4.3%,钢水终点碳含量0.10%,废钢碳含量0.3%(质量分数),铁块成分与铁水相同。钢铁料吨钢消耗1080kg。不同铁水比时碳的氧化量见表1。假定煤气回收率为95%,煤气中CO含量为60%(体积分数),不同铁水比的煤气回收量见表2(计算值)。吹炼过程中炉气的η受喷头参数、枪位高度、操作习惯的影响。CO2的体积分数一般在10%～12%范围内,吹炼半钢、“三脱”铁水,CO2的体积分数可达16%。吹炼过程中烟罩与炉口间隙对炉气成分影响很大,吸入空气中的氧与CO反应生成CO2,同时吸入大量氮气,降低煤气质量。吹炼过程中转炉应采取降罩操作。空气中的氧与煤气中的CO燃烧会加大汽化冷却锅炉的热负荷。回收煤气的体积增大,质量下降。不同铁水比时煤气中CO含量与煤气回收量的关系见图1。回收煤气中CO含量降低使煤气发热值下降,煤气的燃烧温度降低。图2是煤气理论燃烧温度与CO含量的关系。由图2可见,当煤气中CO的体积分数由69%降低到20.7%时,发热量由8.853MJ/m3降低到2.60MJ/m3,煤气的理论燃烧温度由2030℃降低到1105℃。燃烧温度降低限制煤气的用途。煤气中CO的体积分数平均不应低于60%。建议各钢厂送中国钢铁工业协会报表中增加回收煤气中CO含量的内容,以便了解煤气回收的全面情况。2热mj/t分析转炉炼钢的热效率定义为:ηC=Q′1+Q′4−Q1ΣQ−Q1(1)ηC=Q′1+Q′4-Q1ΣQ-Q1(1)式中,Q′1为钢水物理热(MJ/t),Q′4为物料反应吸热(MJ/t),Q1为铁水物理热(MJ/t),ΣQ为热量总收入(MJ/t)。ηC值的大小表示转炉炼钢热能利用水平的高低。表3为300t转炉(宝钢第一炼钢厂)的热平衡。热效率达46.07%,吨钢热量总收入为1935.33MJ,运行良好的50t转炉,吨钢热量总收入为2170.28MJ,比宝钢高234.95MJ,热效率低9.53%。从节能出发,大转炉有其优势。3吹炼渣质量及影响因素转炉渣量是由铁水成分、铁水比、冶炼钢种和操作制度等因素决定的,吹炼不同成分铁水的渣量见表4。近10多年来由于高炉利用系数提高,喷煤和降低焦比,使铁水硅的质量分数降低到0.20%～0.30%。转炉炼钢则产生化学热不足和造渣困难问题。宝钢与钢铁研究总院合作在21世纪初通过改变喷头设计参数、添加合成渣、优化供氧造渣操作等措施解决了低硅铁水炼钢的技术问题,并且提高了供氧强度,增加了钢产量。“三脱”铁水炼钢也有化渣困难的问题,其解决方法类似于低硅铁水炼钢。高硅铁水炼钢使渣量过大,容易喷溅,增加石灰消耗和降低金属收得率。渣量与铁水含硅量的关系见图3。减少渣量的措施:①使铁水含硅量保持在合适的范围(0.40%～0.60%);(2)石灰质量好,CaO的质量分数大于90%,活度大于350mL(4NHCl);(3)氧枪喷头参数和供氧造渣制度合理,减少渣中fCaO;(4)减少吹炼终点渣-钢反应偏离平衡值,提高炉渣脱磷、脱硫能力的利用程度。减少1kg渣量可以节省0.22MJ热量,降低石灰消耗0.5kg,减少金属消耗0.2kg。炉渣中游离氧化钙即渣料中的未熔石灰,其含量过高会使炉渣变稠,恶化脱磷、脱硫反应。终渣游离氧化钙的质量分数在4%～6%范围内是正常的,其含量过高的原因包括:石灰质量不好,氧化铁过低,渣料配比不正确或末批石灰加入过晚等。终渣游离氧化钙含量是衡量转炉造渣制度是否正确的尺度之一。fCaO在终渣内的分布见图4。图4(a)是由于石灰块度大或石灰加入时间过晚,到终点时仍呈块状。图4(b)是未熔石灰的正常形貌。图4(c)是由于渣中氧化铁含量低,石灰表面生成高熔点(熔点2130℃)硅酸二钙壳,使石灰在吹炼过程中难以熔化,直到吹炼终点仍呈游离状态。游离氧化钙与终渣成分的关系如下:wfCaO=-8.49+0.01t+1.828B-0.155wTFe-0.065wMgO-0.194wMnO-3.547wP2O5(2)转炉留渣操作在侧吹转炉和顶吹转炉炼钢中都试验过,其冶金效果是明显的,因出现过安全事故而未推广应用。近几年转炉溅渣之后炉渣流动性很差,加废钢对炉渣进一步冷却,兑铁时已无喷溅危险。现在国内一些转炉钢厂已采用留渣或部分留渣。采用留渣操作应注意:①如前一炉终渣氧化铁含量过高,溅渣后炉渣仍有较高的流动性,本炉可不留渣。②采用留渣操作,开始兑铁水速度应缓慢,兑铁量超过1/2时可按正常速度兑铁。③兑铁时与操作无关人员应离开现场。④兑铁吊车应增添防火措施。⑤采用留渣操作,初期渣成渣加快,应适当降低吹炼初期枪位,防止渣中氧化铁含量过高造成喷溅。采用“半钢”炼钢的转炉厂(攀钢、承钢、威远)采用留渣操作,对于加速成渣效果更为明显。“半钢”中硅的质量分数低于0.02%,兑铁时比普通铁水更容易喷溅,在采用留渣操作时更应注意炉渣的冷却和缓慢兑铁。中国转炉炼钢的吨钢渣量多数在90～140kg范围内,比国外先进转炉高30～40kg,明显地增加了能耗和成本。4中国转炉钢板的热效应铁水比(包括生铁块)是影响转炉炼钢能耗的最重要指标。中国转炉炼钢平均铁水比为93%,欧美等工业发达国家转炉炼钢铁水比一般为80%,日本为90%。钢铁料吨钢消耗按1085kg计算,中国转炉炼钢吨钢多用铁水141kg,能耗增加60.3kgce。有些钢厂为提高钢产量,在转炉中大量加入生铁块,见表5。以萍乡第二炼钢厂的炉料组成,进行热效应计算,得出:①由于多用铁块少用铁水(每吨钢127.4kg),吨钢减少的热收入为140.74MJ。②吹炼过程中熔池温度与正常废钢用量相比低100℃。③降低了废钢熔化速度和转炉成渣过程。④吹炼终点温度和钢中磷含量不易控制。⑤由于吹炼前期炉温低,石灰不易熔化,造成炉渣大量外溢,增加铁损失和渣料消耗。5氧枪行为的计算方法转炉炼钢的吨钢氧气消耗以m3表示。氧气消耗与铁水成分、铁水比、冶炼钢种等因素有关。不同成分铁水炼钢的氧耗见表6。减少氧耗的措施包括正确选择喷头参数,制定合理的供氧制度,减少高枪位吊吹,防止钢水和炉渣过氧化。加入适量铁矿石,氧化铁皮调渣,采用留渣操作,设计专用吹炉口粘钢的喷头或辅助工具,提高吹炉口氧气利用率和减少炉衬熔损。提高氧耗数据的准确性的措施有:①提高氧气计量仪表精度和稳定性。近几年国内20多个转炉炼钢用氧情况表明,较好的钢厂氧流量测量误差小于5%,有的钢厂氧流量测量误差超过20%,失去了参考价值。②用物料平衡方法计算氧耗,这是取得氧耗数据的普通方法。③氧枪喷头的压力与流量的关系,精确加工的拉瓦尔喷管可做流量计使用。QO2=178.45×ΣAt×P0T√QΟ2=178.45×ΣAt×Ρ0Τ。式中QO2为氧流量(m3/min),P0为氧气滞止压力(MPa),ΣAt为喷孔喉口总面积(cm2),T为滞止温度(K)。合理用氧措施包括:①根据炼钢厂具体条件确定合适的供氧强度,充分发挥转炉效率。建议转炉容量(t)为200～300、80～200、小于80时,转炉供氧强度为3.0～3.8、3.2～4.0、3.5～4.4。②测定氧枪系统的管道压力损失,选择合理的氧枪喷头参数。不同吨位转炉的喷头参数见表7。③进行喷头的射流流场测定和射流与熔池作用的水模试验。④制定合理的枪位曲线,选择正确的L/L0值。⑤用氧设备符合安全规程,有健全的安全用氧制度,供氧系统的仪表要齐全、准确。6减少热损失的措施1)转炉煤气回收要保证煤气质量,回收煤气中CO的体积分数应在60%左右。煤气回收报表中应增加煤气中CO含量。2)大型转炉的热效率比小转炉高10%左右,提高转炉供氧强度、缩短吹氧时间、提高转炉作业率都可减少热损失。3)中国转炉炼钢的吨钢渣量比国外先进国家高20～40kg,应贯彻转炉“精料”和“少渣炼钢”方针。优化造渣制度,提高炉渣脱磷、脱硫能力和减少渣-钢反应偏离平衡程度。4)68个