智能耐材方案在冶煉過程中的應用

0引物利用及節(jié)能技術應是實現(xiàn)體積小和低碳小先進的抗彎涂層技術在提高高性能（bf）、電弧爐（aef）、堿性氧轉爐（bof）、精養(yǎng)爐（lf）和精煉過程中對傳輸和灌溉鋼包的實用性和使用壽命方面發(fā)揮著重要作用。不僅可以通過加固內襯以延長停爐周期,而且還可以通過優(yōu)化停爐方案來提高產量。如此,可降低耐材單耗成本、拆爐和砌筑人工成本以及減少烘烤和預熱所需的能量。為了提高爐子利用率和降低噸鋼成本,不斷發(fā)展耐材內襯技術以適應煉鋼新技術,比如水冷系統(tǒng)。對于一座高產節(jié)能的爐子,具有相應隔熱性能的合適的內襯工作壽命是其主要目標。煉鋼是一個能源消耗和CO2排放密集的生產過程,節(jié)約能源的同時相當于實現(xiàn)了CO2減排。本文闡述了多種先進的耐材技術有助于用戶實現(xiàn)產能最大化的同時,獲得能源效率最大化和CO2排放最小化。噸鋼主要能耗是由高爐、轉爐以及使用輔助燃氣燒嘴的電爐中的冶金化學放熱反應提供的。在電爐和LF爐中,電能是輸入能量的主要來源。根據(jù)入爐原料情況以及所應用的氧槍技術不同,電爐電耗大概在300～600kWh/t之間,電極消耗在1～3kg/t之間。現(xiàn)代LF爐噸鋼升溫電耗為0.35～0.45kWh/K,意味著15～50kWh的電耗對應大約0.01kg/kWh電極消耗。熔化升溫所需的電能取決于化學反應釋放能,包括鋁、硅和碳等的氧化,以及過程能源利用效率。對于短流程電爐工藝和長流程高爐—轉爐兩種煉鋼工藝路徑來說,噸鋼CO2排放都主要取決于入爐原料。采用現(xiàn)代化的高爐技術,最小CO2排放量接近1.518t/t,在煉鋼精煉還原反應中還有0.19～0.22t/t余量的CO2排放。對電爐流程來說,直接CO2排放量從小于0.100t/t(使用優(yōu)質廢鋼)到0.36～0.42t/t甚至0.44t/t(使用直接還原鐵)。實現(xiàn)CO2減排仍需進一步的創(chuàng)新和改進。使用底吹系統(tǒng)是提高轉爐和電爐能量轉換效率的有效措施,同時采用先進的出鋼技術可縮短出鋼時間及減少相應的熱損失。此外,使用如本文所述的高效隔熱材料,減少鋼包周轉和處理過程中的能量損失,從而減少對LF爐輸入能或化學反應放熱的需求。優(yōu)化耐材內襯,比如使用自硬性中間包噴涂料,可在連鑄過程中進一步節(jié)能減排。1爐身內制鋼的搗打料對爐身熱基于RADEX安全爐襯和ANKERHARTH爐膛搗打料的電爐爐底內襯是全球廣泛接受的標準爐襯(圖1),由燒鎂磚永久爐襯、爐膛搗打料、氧化鎂和鎂碳磚爐襯組成。爐襯與鋼水熔池接觸,爐襯中Fe2O3和SiO2部分溶解形成密集的ANKERHARTH燒結層。隨后在電爐熔化升溫過程中,形成耐高溫的方鎂石-Mg-FeO-硅酸二鈣C2S-CaO復合相。此外,沒有燒結的ANKERHARTH搗打料層具有良好的抗機械沖擊性能以及保溫性能。在優(yōu)質爐襯中會有穩(wěn)定的10～20cm厚的燒結層。然而,使用劣質的搗打料,可能會有鋼水滲透,燒結層會增厚。增厚的燒結層會導致電爐爐內傳導到爐殼的熱量增加、爐殼溫度升高以及熱量損失加劇。此外,由于爐襯溫度升高,爐襯侵蝕速率也會加快。因此,使用優(yōu)質爐膛搗打料是實現(xiàn)高效電爐工藝的關鍵。目前,由于廢鋼入電爐時對爐膛有明顯的機械沖擊,為了實現(xiàn)電爐爐底內襯節(jié)能,使用優(yōu)質的阿爾卑斯山氧化鎂爐膛搗打料是最具成本效益的。在升溫過程中,燒結的ANKERHARTH搗打料層的導熱率(2.3～2.5W/mK)幾乎翻倍,但仍低于永久層RADEX磚襯的導熱率。而滲鋼的搗打料導熱率則是原來的3～5倍,同時由于爐襯侵蝕,爐襯厚度減少,爐殼溫度從260℃急劇陡增到400℃甚至更高,熱損也隨之增加。通過標準電爐爐膛內襯增加的熱通量值見表1。對于爐膛直徑6.4m、出鋼到出鋼時間60min的120t電爐來說,熱計算結果表明:由于劣質搗打料異常燒結,所造成的熱量損失在180～250kW/t或1.5～2kWh/t。在正常生產周期中,電爐爐膛內襯一般處于穩(wěn)態(tài)條件,爐底鋼殼熱量損失與出鋼到出鋼周期呈正相關。這些熱損只能通過下一爐的電能進行彌補,每噸鋼的相應成本會上升0.1C。此外,對電爐爐膛內襯的計算表明:爐襯熱梯度小,則熱損相對較少。但是,為降低爐襯耐材侵蝕速率而配置的水冷系統(tǒng)又大大提高了熱損。2水冷銅棒的熱損帶鰭水冷銅板是附加冷卻裝置,用于平抑燃氣燒嘴或超音速氧槍造成電爐爐襯耐材產生的過熱點。一般來說,水冷銅板單個或少量(少于3個)安裝在永久層耐材的渣線部位或渣線以上。然而,近來有人提出使用多個銅板(16～20個),安裝在整圈渣線部位進行試驗,目的是通過固定此處的滲渣和滲鋼,形成堆積層,降低耐材熔損。另外,將這些水冷銅板擴展到工作爐襯整個渣線部位的工廠試驗也在討論中。由于銅板冷卻會產生較高的溫度梯度,相應地產生較高的應力分布,有可能會加速耐材侵蝕。然而,除了銅板對爐殼內襯的冷卻外,從水系統(tǒng)到水冷板的過程熱損也增加了,進一步提高了電爐冶煉能耗需求。熱通量密度(q)和溫度梯度(gradT)關系見方程(1):q=?λgradT=?λΔTΔX(1)q=-λgradΤ=-λΔΤΔX(1)式中,λ是熱導系數(shù);X是距離。在穩(wěn)態(tài)傳熱條件下,分別在任意位置對有無水冷板進行了數(shù)值模擬。明顯可見:有水冷銅板的情況下,冷卻等溫線呈壓扁狀,向熱源面靠攏,表明溫度梯度增大,更多的熱通量流向水冷板(圖2)。典型的電爐爐壁熱通量密度見表2。爐襯耐材中安裝水冷系統(tǒng),熱損增加。安裝3個冷卻銅板,噸鋼熱損大約是幾個kWh。根據(jù)安裝的銅板數(shù)量、電爐直徑以及煉鋼工藝參數(shù)的不同,熱損在5.1～9.3kWh/t之間。考慮到安裝在爐襯里的水冷系統(tǒng)會消耗額外能源成本,大約0.3～0.5C/t,計算成本以年為單位來看,還是使用優(yōu)質耐材磚內襯的方案比較經濟。3火炬氣排放的影響由于電弧輻射、利用氧燃燒嘴以及富含CO廢氣的二次燃燒等,造成電爐爐頂區(qū)域過熱。這些年來為解決這一問題,大多數(shù)電爐廠都利用水冷爐壁和水冷爐蓋技術。冶煉過程中10%～15%的電能(大約是30～100MVA),輻射到爐壁。因而,除廢氣排放系統(tǒng)以外,水冷系統(tǒng)是重要的吸熱設備。噸鋼熱損大概在80～140kWh范圍,占總能耗量的10%～20%。其中約30%～50%的熱損是由于爐頂水冷系統(tǒng)造成的。三角區(qū)的水冷耐材爐頂,耐材消耗通常為0.15kg/t;完全砌磚爐頂,消耗為1～2kg/t。水冷爐頂造成的熱損范圍為24～70kWh/t,相當于3.5～10kg/t的CO2直接排放量,那么估算的電爐內CO2排放系數(shù)為0.148kg/kWh。若考慮間接二氧化碳排放量,相應的電耗和氧耗還會增加,CO2排放系數(shù)值會更高。然而,使用優(yōu)質耐材爐頂?shù)脑?相應的CO2排放量會顯著下降(如氧化鋁磚和堿性耐火磚噸耐材消耗通常分別為0.17～0.28t、1.65～2.18t),使用氧化鋁的全磚爐頂,CO2排放量最大為1kg/t,使用堿性磚爐頂,CO2排放量為3.3～4.4kg/t。因此,采用優(yōu)質耐材替代水冷爐頂,對于CO2減排有著重要的影響。4應用底吹透氣性技術奧鎂公司的底吹系統(tǒng)可以在生產的任何階段,按照要求的流速將惰性氣體吹入熔池,可起到強化攪拌和增加鋼渣接觸界面的作用,傳質效率更高(圖3)。加快了脫碳、脫硫,爐內熱量及化學成分更加均勻,冶煉時間縮短,同時氧氣和碳粉的利用率提高。奧鎂公司在全球安裝了無數(shù)的底吹系統(tǒng),并根據(jù)客戶的具體需求對每套耐材和系統(tǒng)組件進行微調和優(yōu)化。底吹系統(tǒng)應用于鋼、銅以及鋁制造行業(yè)。通常,在電爐上使用的是定向底吹透氣系統(tǒng)(DPP),在轉爐上使用的是多孔透氣磚系統(tǒng)(MHP)。在電爐安裝DPP底吹系統(tǒng),可提高原料轉換效率。65t電爐安裝DPP后,可降低煤粉加入量以及降低電極消耗,與工藝過程相關的直接碳排放降低0.62kg/t(表3)。若加上降低的燒嘴燃氣消耗,直接CO2排放可降低3.7kg/t。間接CO2減排根據(jù)降低的電耗計算(如每降1度電CO2減排0.363kg)為3.1kg/t。在現(xiàn)有的1座165t電爐安裝DPP底吹透氣系統(tǒng)進行優(yōu)化試驗,模擬計算結果顯示節(jié)約能耗5.2kWh/t。從經濟角度來看,底吹透氣系統(tǒng)使燒嘴燃氣和氧氣消耗降低,可顯著節(jié)約成本。此外,節(jié)約成本更重要的是來自電耗降低(0.28～0.61C/t)和石墨電極消耗降低(電極單價6000C)∶1.5C/t。5圓形出鋼口節(jié)能技術最近,許多電爐和轉爐引入了經計算流體動力學(CFD)系統(tǒng)優(yōu)化的出鋼口。與傳統(tǒng)出鋼口設計相比,在給定出鋼口直徑的情況下,新的錐形通道可減少出鋼流的紊亂,降低出鋼口熔損速率,提高出鋼流速率(圖4)。因而,在工作壽命期限內,出鋼時間縮短,出鋼速率和出鋼時間保持更加穩(wěn)定。出鋼時間縮短,電爐和轉爐的出鋼到出鋼時間也隨之縮短,能源效率更高。安裝錐形出鋼系統(tǒng),降低了出鋼口熔損速率并提高了出鋼速率,放鋼時間隨即縮短(圖5)。對當前的1座120t電爐進行試驗,圓柱形出鋼口改為錐形出鋼口,前50爐鋼可節(jié)省大約40～50min(相當于1爐鋼時間)。熔損速率降低,避免了出鋼口修補(如出鋼口管道修補),由此節(jié)省了兩次出鋼口修補時間,相當于為電爐增加了40～60min的作業(yè)時間。因此,每個出鋼口大約在冶煉140爐鋼的工作周期內,節(jié)省了大約相當于冶煉2爐鋼的時間。因此,提升了電爐產量,降低了能量損失。電爐熱量損失主要是由出鋼到出鋼時間決定的。最大的熱損不是出鋼過程,而是出現(xiàn)在熔池過熱之后。根據(jù)配置的設備技術不同(如超高功率和氧槍),電爐噸鋼熱損大約在1～4kWh/min,這些熱損相當于鋼水溫度下降4～17℃。電爐冷卻和煙氣系統(tǒng)導致的熱損從原料入爐時的2kWh/(t·min)提高到出鋼前的4kWh/(t·min)。據(jù)報道,初期熔化階段電耗為0.4kWh/(t·min),出鋼前提高到1.7kWh/(t·min),而快速出鋼可將過熱鋼水散發(fā)的熱損降到最低。因此,使用錐形出鋼口有著重要的節(jié)能潛力。降低1min出鋼時間相當于節(jié)能1～4kWh/t和CO2減排0.15～0.59kg/t,假設美國電爐工藝過程平均CO2排放系數(shù)為0.148kg/kWh,那么相應的電能成本可節(jié)約0.07～0.28C/t。6有隔熱層設計的鋼包壁熱質問題從鋼水精煉過程中的能源效率、工作安全和物流等方面來看,運輸和澆鑄用的鋼包內襯發(fā)揮著重要的作用。通過選擇適當?shù)哪突鸩牧稀⒌燃墑澐帧⒄_安裝、精心預熱以及采取有效的維護方法,延長耐材工作壽命,顯著節(jié)約能源。奧鎂公司可提供一系列基于耐材的解決方案,包括優(yōu)質內襯、優(yōu)化內襯維護和底吹系統(tǒng),可實現(xiàn)縮短生產時間和節(jié)約能源(圖6)。鋼包內襯的傳熱特性受鋼包內襯設計影響較小。現(xiàn)今的鋼包內襯設計主要有冶金工藝本身的約束和成本確定:?白云石-碳質鋼包襯;?鎂碳(MgO-C)質鋼包襯;?鋁鎂碳質(Al2O3-MgO-C)鋼包襯;?整體澆注式鋼包襯;?鎂鉻(MgO-Cr)質鋼包襯(主要用于不銹鋼生產)。MgO-C,MgO-Cr,AMC的內襯磚熱導率范圍較窄,對熱傳導特性影響最大的是使用隔熱板或隔熱磚。有無隔熱層設計的鋼包壁熱通量范圍比較見表4,熱梯度分布如圖7所示。在有隔熱層的包襯中,MgO-C質襯磚平均溫度隨之升高(圖7),這樣有可能造成鋼水滲透深度增加和MgO-C磚侵蝕加劇。隨著空的保溫鋼包冷卻,靠熱源側的熱梯度升高,包襯抗熱沖擊性可能會降低。有隔熱層包襯的鋼包熱量損失少,因而鋼水在運輸和處理過程中溫降小。從處理到澆鑄結束,整個過程的鋼水溫度變化,是能量平衡和工藝控制的重要部分。例如,在67t澆注成型的氧化鋁質內襯鋼包(如ANKOCAST)中,有1cmSUPETHERM隔熱層(圖8),出鋼時計算的鋼水溫降為3.07℃/min。如果把這1cm的隔熱層用工作襯材料代替,鋼包壁熱通量將從8.3kW/m2提高到10.8kW/m2,出鋼時鋼水溫降速度將增加到3.61℃/min。假如鋼包處理時間為45min,那么溫降速度相差0.54℃/min的熱損相當于5.6kWh/t。因此,這1cm的SUPETHERM隔熱層對應可節(jié)約能源成本0.4C/t。此外,優(yōu)質隔熱材料需避免磚膨脹造成隔熱層擠壓和失效。如果增加鋼水容積,不管有無隔熱層的鋼包,熱損都會降低。例如,從表4可以看出,對于120t鋼包,每小時有MgO-C隔熱層比沒有MgO-C隔熱層熱通量密度降低6.2kW/m2,相當于每小時處理時間節(jié)電1.1kWh/t。然而,如果鋼包能源補償不是靠LF爐物理升溫而是靠Al氧化升溫,那么即使通過優(yōu)化鋼包襯節(jié)能很小,但也是很重要的。在優(yōu)質鋼種生產中,要盡量減少生成Al2O3。圖9給出的是有、無化學熱,原設計包襯和新設計含隔熱層包襯的300t鋼包隨時間變化鋼水的溫降情況。圖中可見,使用的帶隔熱層鋼包節(jié)能效果顯著,化學升溫用的Al從250kg/爐降低到60kg/爐。除了通過鋼包包襯引起的能量損失外,其他重要的能量損失是由鋼包頂部鋼水表面的對流和輻射引起的散熱造成的。圖10是24t澆注用鋼包的鋼水溫度隨著頂渣表面溫度下降而降低。隨著渣厚增加,通過渣層和渣面溫度的傳熱降低,因而后期的鋼水溫降隨之減少。其他的重要節(jié)能和二氧化碳減排潛力在于優(yōu)化的鋼包預熱站和控制鋼包運轉周期,以避免鋼包空等造成過度預熱。然而,比使用厚渣層更具成本效益的是使用有內襯的鋼包蓋(圖11),以減少鋼水頂部表面的熱損。7能降低鋼水溫度,提高鋼包質量出鋼后裝滿鋼水的鋼包在運輸中以及在澆鑄過程中,通常都是使用頂渣以減少能量損失,很少使用稻殼灰覆蓋和隔熱的鋼包蓋。使用鋼包蓋可減少最高90%的連續(xù)能量損失(圖12)。在精煉和運輸過程中,減少了鋼水能量損失,因此可降低電爐或轉爐出鋼溫度。另外,通過有效的鋼包修補和預熱方法,再結合先進的燒嘴技術和優(yōu)化鋼包運轉也可以實現(xiàn)節(jié)能。在鋼包處理周期中,總節(jié)能量相當于最大30℃的鋼水溫度差異所節(jié)約的能量(如67t鋼包,鋼包周轉+處理+等待時間為53min,節(jié)能7kWh/t)。假定轉爐平均單位二氧化碳排放系數(shù)為0.072kg/kWh,電爐為0.148kg/kWh(圖13),那么在轉爐或電爐中,降低出鋼溫度帶來的CO2減排量估計為0.5～1.0kg/t。8能源的最大化通常,中間包工作襯是使用易于噴補泥漿噴涂料的ANKERTUN設備。這些泥漿噴補料需要大量的水和非常耗能的烘烤方法。然而,應用