陳立杰, 李保良, 劉寶洋, 婁振國, 閆 斌, 任進權
(敬業鋼鐵有限公司, 河北 石家莊 050409)
摘 要:為實現高爐穩定順行,基于降硅基本理論,結合實際生產實踐,詳細分析低硅冶煉的過程,并進行效益分析。采用低硅冶煉技術后,鐵水 w(Si)由 0.35%逐步降低到 0.23%,硫負荷變化后,鐵水 w(Si)長期穩定在 0.23%左右,w(S)穩定在 0.021%,為低硅冶煉技術的發展積累了寶貴經驗。
關鍵詞:高爐;低硅冶煉;硫負荷;效益分析
中國鋼鐵行業發展到今天,面臨著產能過剩和環境污染的雙重壓力,國內外市場競爭日趨激烈,不斷降低生產成本已成為企業發展的必由之路。低硅冶煉對高爐強化冶煉、節能降耗有重要作用,同時也為轉爐煉鋼的少渣冶煉提供了條件,可為企業創造巨大的經濟效益[1-4]。
根據原燃料情況,自 2020 年 1 月中旬開始,在高爐上采取一系列技術手段,進行低硅冶煉試驗,逐步降低鐵水 w(Si),取得了豐碩成果。目前,鐵水 w(Si)穩定在 0.23%左右,w(S)穩定在 0.021%左右,鐵水物理熱為 1 470 ℃,成功冶煉出低硅高溫鐵水,達到國內領先水平。本文對高爐低硅冶煉理論進行分析,并對現場低硅冶煉實踐進行介紹,旨在為廣大鋼鐵企業的低硅冶煉探索提供借鑒。
1 降硅基本理論
降硅基本理論:在爐腰或爐腹上部 SiO2 開始還原,到風口水平面時,鐵水中還原出的 w(Si)達到最高,隨后在風口區和渣鐵界面處[Si]又被氧化一部分,才形成終鐵含硅量[5]。低硅冶煉主要從降低 SiO2還原和提高鐵水中[Si]的再氧化兩個方向著手。硅的還原是逐級進行的,第一步是焦炭灰分中的 SiO2 或渣中的 SiO2 還原產生 SiO 蒸氣,第二步是 SiO 蒸氣在上升過程中被鐵滴吸收,并被 [C]還原。硅還原的化學反應方程式如下所示:
SiO2+C=SiO(g)+CO (1)
SiO(g)+[C]=[Si]+CO (2)
SiO2+C+[C]=[Si]+2CO (3)
硅的還原是可逆吸熱反應,從熱力學上考慮,降低 SiO2 的活度、增大[Si]的活度系數或 CO 分壓、降低溫度都會使鐵水 w(Si)下降;從動力學上考慮,降低溫度和 SiO 的氣相分壓、減少反應接觸面積及時間可以降低還原反應速度。
鐵水中[Si]的再氧化過程是在鐵滴穿過渣層時的渣鐵界面上發生的。此反應是放熱反應,可以提高鐵水物理熱,為冶煉出低硅高溫鐵水提供了方向[6]。
鐵水中[Si]再氧化的化學方程式如下所示。
[Si]+2FeO=SiO2+2[Fe] (4)
[Si]+2MnO=SiO2+2[Mn] (5)
[Si]+2CaO+2S=SiO2+2CaS (6)
[Si]的再氧化過程主要在鐵滴穿過渣層時發生,占總氧化量的 95%。[Si]的再氧化與溫度、[Si]在鐵水中的擴散條件、渣中 w(FeO)、w(MnO)、渣堿度、渣黏度等有關,在動力學上則受到接觸時間、接觸面積的影響。
理論上降低鐵水 w(Si)有三個途徑:控制硅源、降低滴落帶高度、增加高爐渣的氧化性[7-8]。
2 低硅冶煉實踐
經過多年的探索實踐,高爐在低硅冶煉方面已取得了可喜的成績。取三個具有代表性的時間段分析其低硅冶煉過程。2020 年 1 月到 6 月,鐵水 w(Si)在0.35%的高硅階段;2020 年 8 月到 12 月,鐵水 w(Si)降至 0.23%;2021 年 1 月到 3 月,由于硫負荷變化,同時進行控制鐵水 w(Si)、w(S)的試驗。依次用 1 號、2 號和 3 號代表這三個時間階段。
2.1 試驗原料
高爐的基本爐料結構為 80%燒結礦 +15%球團礦 +5%塊礦,熟料比在 95%以上,含鐵原料全部混勻處理,以減少原料化學成分波動,焦炭強度較好M25>91%、M10<7%,反應性為 36.6%,反應后強度為44.61%,為高爐順行提供了良好的原料條件。
燒結礦化學成分如下頁表 1 所示。燒結礦二元堿度 R=1.83 不變,轉鼓指數在 73%以上。由表 1 可以看出,隨低硅冶煉進程的發展,燒結 w(TFe)由51.26%逐步提高至 52.87%,w(Al2O3 )由 3.63%逐步降低到 2.87%。3 號階段比另外兩個階段中的 w(SiO2 )和 w(MgO)顯著降低,但 w(S)由 0.03%增加到 0.07%。燒結礦中 w(TFe)提高,w(SiO2 )降低,有利于降低燒結返粉。強化槽下篩分和管理,使燒結入爐粒度組成中<5 mm 的粉末在 6%以下。
球團礦化學成分如表 2 所示。由表 2 可以看出,3 號階段球團礦 w(S)由 0.06%顯著增加到 0.12%。
焦炭和煤粉的化學成分如表 3 所示。由表 3 可以看出,隨低硅冶煉進程的發展,焦炭灰分由12.68% 逐步降低到 11.97%,3 號階段焦炭 w(S)由 0.80%增加到 0.86%;而煤粉成分基本穩定。
2.2 高爐操作參數優化
由于高爐實行高冶煉強度和重負荷,經不住爐況的劇烈波動,一旦順行遭到破壞,爐缸熱量支出過大,就會造成嚴重爐涼,發生號外生鐵等重大事故,因此,低硅冶煉生鐵的基本前提是高爐的長期穩定順行。在操作制度上,運用上下部調劑手段,鼓風動能要能夠吹透中心,以保持爐缸工作均勻活躍。控制氣流合理分布,保證渣鐵溫度充足。此外,在順行前提下,要適當抑制邊緣氣流,疏通中心氣流。
高爐主要操作參數如圖 1 所示。由圖 1 可以看出,隨著低硅冶煉進程的發展,壓差基本維持在 151 kPa不變,即高爐透氣性不降低,礦批由 24.3 t 逐步增大到 26.3 t,富氧率由 2.75%逐步提高到 3.93%,熱風溫度由 1 171 ℃提高到 1 200 ℃以上,爐頂壓力由163 kPa 逐步提高到 181 kPa。
在高爐順行前提下,增大礦批有利于提高煤氣利用率,發展間接還原,有利于低硅冶煉。 提高富氧率或爐頂壓力,煤氣中 CO 分壓升高,由反應方程式(3)可知,此操作會抑制硅的還原。雖然提高富氧率可使爐缸溫度升高,但冶煉煉鋼生鐵時,前者作用大于后者,故提高富氧率會抑制硅的還原。
提高風溫,可以增大間接還原反應區,降低滴落帶高度,減少硅還原反應時間,有利于降低鐵水 w (Si)。此外提高風溫還可以降低焦比。冶煉煉鋼生鐵時的[Si]主要來自于焦炭灰分。焦炭和煤粉灰分中的SiO2 活度是爐渣 SiO2 活度的 10~20 倍,且與碳有均勻而緊密的接觸,更易被還原[9]。焦比、煤比降低,噸鐵進入高爐的焦炭、煤粉灰分中 w(SiO2 )減少,有利于低硅冶煉。
2.3 鐵水和爐渣成分
在低硅冶煉過程中,要保證渣鐵的物理熱、流動性和爐渣的脫硫能力。低硅冶煉要緊緊圍繞這兩大難題進行,一是保證鐵水物理熱充足,實現“化學涼,物理熱”;二是保證鐵水 w(S)合格。而鐵水物理熱及 w(S)與造渣制度緊密相關。鐵水各項指標和高爐渣成分如圖 2 所示。
由圖 2 可以看出,隨著低硅冶煉進程的發展,鐵水 w(Si)由 0.35%降低到 0.23%,硅偏差控制在0.23%±0.04%;w(S)維持在 0.020%左右;鐵水物理熱先由 1 460 ℃略微降低到 1 453 ℃,后又提高到 1471 ℃,鐵水物理熱充足。為增強爐渣脫硫能力,高爐渣二元堿度由 1.10 提高到 1.28,降低鐵水 w(S)的同時,提高鐵水物理熱至 1 471 ℃。渣中 w(MgO)=5%~10%時,對改善爐渣流動性能、降低生鐵含 w(S)的效果最好,超過 12%后作用減弱;若渣中 w(Al2O3)>15%,會使渣流動性變差。因此,在 3 號階段降低渣 中 w (MgO) 和 w (Al2O3 ) 分 別 到 10.47%和14.78%,此時鎂鋁質量比為 0.71,處在相對合適的水平,取得了良好冶煉效果。
2.4 高爐出鐵制度
低硅冶煉也是強化冶煉的過程。放凈渣鐵能夠穩定風量、風壓,保證爐內煤氣流分布穩定,防止爐內受憋。因此,高爐需要加強出鐵管理,減少出鐵間隔,及時排凈渣鐵。高爐出鐵制度如表 4 所示。
3 效益分析
低硅冶煉可以為企業創造巨大的經濟效益和社會效益。高爐主要技術經濟指標如圖 3 所示。
由圖 3 可知,隨著低硅冶煉進程的發展,高爐利用系數由 2.58 t/(m3·d)逐步提高到 2.78 t/(m3·d);焦比降低 41 kg/t,由 397 kg/t 逐步下降到 356 kg/t;煤比降低 20 kg/t,由 177 kg/t 逐步下降到 157 kg/t;綜合焦比由 538 kg/t 逐步下降到 481 kg/t。
計算一座高爐低硅冶煉的年增經濟效益。應用低硅冶煉技術,高爐年增鐵水產量及節約焦炭和煤粉量分別為:ΔWFe= (2 918-2 710)×365= 7.6 萬 t;ΔW 焦炭 =(397-356)×(2 918×365)= 4.37 萬 t;ΔW 煤粉=(177-157)×(2 918×365)= 2.13 萬 t。
計算一座高爐低硅冶煉的年增社會效益,因焦比、煤比降低,一座高爐年減排 CO2 量為 (4.37× 0.85+2.13×0.67)×44/12= 18.8 萬 t。
此外,低硅冶煉還可以大大降低 SO2、氮氧化物等有害氣體的排放。
4 結語
低硅冶煉是一項系統工程,涉及原料條件、上下部調劑、高壓操作、合理的熱制度和造渣制度、爐前出鐵制度等許多方面,需要企業經過長時間的探索實踐才能實現,絕不是一蹴而就的。經過多年低硅冶煉實踐,主要得到以下幾點經驗:
1)高爐煉鐵是講究冶煉條件的,高熟料比和優良的焦炭質量是低硅冶煉成功的關鍵;
2)高爐操作上,適度加大礦批、提高富氧率、風溫、頂壓有利于降低硅的還原;
3)造渣制度上,提高爐渣堿度有利于鐵水[Si]的再氧化,提高鐵水物理熱;
4)要使生鐵 w(Si)穩定在 0.23%左右甚至更低,保證爐缸長期穩定活躍、熱量充足尤為重要;
5)低硅冶煉可以創造巨大的經濟效益和社會效益,是企業降本增效的有力手段。
參考文獻
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