高師敏，呂 松

(1.達(dá)州市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)，四川 達(dá)州 635002；2. 四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065)

目前，國(guó)內(nèi)外冶金(包括鋼鐵和有色金屬)工藝多數(shù)是間歇式工藝。該工藝占用了較多的時(shí)間和空間，消耗了較多的資源，產(chǎn)生了較多的“三廢”且又不易治理。生產(chǎn)效率較低，產(chǎn)品成本較高。為了解決間歇式煉鋼工藝不足所帶來(lái)的問(wèn)題，以下提出了一種連續(xù)式煉鋼工藝技術(shù)方案，希望能為我國(guó)煉鋼工藝今后的發(fā)展提供一種思路。

1 工藝簡(jiǎn)介

1.1 設(shè)計(jì)思路

依據(jù)現(xiàn)代鋼鐵冶金原理，我國(guó)冶金設(shè)備設(shè)計(jì)、制造能力和國(guó)內(nèi)外先進(jìn)冶煉技術(shù)，設(shè)計(jì)一種傾斜放置的煉鋼爐。使進(jìn)入爐內(nèi)的鐵水變成厚度為0.01～0.20 m的流體，在金屬液體重力作用下，按一定的流速連續(xù)、均勻地在爐內(nèi)流動(dòng)。采用大面積底吹等技術(shù)，對(duì)鐵水進(jìn)行“三脫”、初煉、精煉和微調(diào)處理，從煉鋼爐尾連續(xù)流出合格鋼水。

1.2 工藝流程簡(jiǎn)述

鐵水流入鐵水中間槽，槽內(nèi)上層爐渣由排渣器排出。定時(shí)取樣化驗(yàn)鐵水、熔渣成分。槽底敷設(shè)有幾組透氣磚，可向槽內(nèi)噴入氧氣，調(diào)節(jié)鐵水溫度。鐵水(溫度1400 ℃)通過(guò)槽下部閥門(mén)，經(jīng)過(guò)鐵水流量計(jì)流入一座傾斜的長(zhǎng)條型全密封煉鋼爐內(nèi)，鐵水變成薄層流體。在預(yù)處理段，對(duì)鐵水進(jìn)行脫硫、脫硅和脫磷處理(也可噴入純堿粉，將硫、硅、磷等一起脫除)。預(yù)處理后的鐵水通過(guò)閥門(mén)流入煉鋼段吹氧脫碳。脫碳后的鋼水通過(guò)閥門(mén)流入精煉段，進(jìn)行VOD等精煉工藝處理。精煉處理后的鋼水通過(guò)閥門(mén)流入微調(diào)段。在微調(diào)段，按用戶要求，添加一種或幾種元素，定時(shí)檢測(cè)相關(guān)元素含量，調(diào)節(jié)鋼水溫度等。微調(diào)合格的鋼水通過(guò)閥門(mén)，經(jīng)過(guò)鋼水流量計(jì)，流入連鑄機(jī)的鋼水分配槽內(nèi)。

補(bǔ)充說(shuō)明：(1)鐵水中間槽、煉鋼爐以及連鑄機(jī)鋼水分配槽是直接連接在一個(gè)直線型機(jī)架上，形成左高右低的階梯布置。(2)各段抽出的爐氣經(jīng)凈化、余熱回收后可達(dá)標(biāo)排放。(3)中間槽、煉鋼爐各段爐內(nèi)產(chǎn)生的爐渣采用排渣器排出，經(jīng)余熱回收后，作建材使用。(4)在“三脫”段、煉鋼段、精煉段、微調(diào)段的爐體設(shè)置有分流口及閥門(mén)；對(duì)連續(xù)檢測(cè)不合格鐵水或鋼水經(jīng)分流口排出，另行處理。(5)設(shè)置有生產(chǎn)操控室，生產(chǎn)過(guò)程由計(jì)算機(jī)控制。(6)工藝連續(xù)運(yùn)行的基本條件是有連續(xù)、穩(wěn)定的鐵水來(lái)源。煉鋼流程示意圖見(jiàn)圖1。

1.煉鐵熔煉爐;2.鐵水中間槽;3.鐵水流量計(jì);4.“三脫”段；5.煉鋼段；6.精煉段；7.微調(diào)段；8.鋼水流量計(jì)；9.連鑄鋼水分配槽；10.側(cè)部閥門(mén)；11.排渣口；12.抽氣孔；13.輸氣管線；14.抽真空孔;15.分流口圖1 煉鋼流程示意圖

1.3 主要設(shè)備介紹

1.3.1鐵水中間槽

鐵水中間槽是一個(gè)由耐熱鋼板焊接而成的長(zhǎng)條形密閉容器，其橫斷面為矩形。其內(nèi)襯為隔熱層和耐火磚等。槽的左端墻上部設(shè)計(jì)有鐵水進(jìn)口及閥門(mén)。其右端墻底部設(shè)計(jì)有鐵水出口閥門(mén)及鐵水流量計(jì)(與煉鋼爐預(yù)處理段連接)。槽側(cè)壁底部設(shè)計(jì)有鐵水分流口及閥門(mén)。槽的頂部設(shè)計(jì)有槽氣抽出孔、廢鋼、鐵塊加入口、攪拌器安裝孔、排渣器安裝孔、鐵水溫度、爐內(nèi)氣壓測(cè)量?jī)x器安裝孔等。槽的側(cè)壁有爐渣排出口。槽底面微微向右傾斜。槽底部設(shè)置有幾組透氣磚，透氣磚氣體管道與槽底的氧氣管線、管件等連接。鐵水中間槽的作用是儲(chǔ)存鐵水，可添加少量經(jīng)處理后的廢鋼、鐵塊。利用鐵水物理熱，使之熔化，鐵、渣分層，排渣，保障流入煉鋼爐的鐵水含渣量小于0.5﹪。定時(shí)檢測(cè)鐵水溫度，化學(xué)成分等。另外具有流程緩沖作用。

1.3.2煉鋼爐

煉鋼爐是一座由耐熱鋼板焊接而成的長(zhǎng)條型密封容器。其橫斷面為矩形。整個(gè)爐體由鐵水預(yù)處理段、煉鋼段、精煉段、微調(diào)段等四段連接而成。各段連接處設(shè)置有膨脹縫、連接法蘭和密封裝置。各段爐體內(nèi)部由薄層流體形成區(qū)、斜面反應(yīng)區(qū)和澄清池三部分組成。斜面反應(yīng)區(qū)末端設(shè)置有隔墻，隔墻下部有孔洞。澄清池的中部設(shè)置有隔墻，隔墻下部有孔洞。各段爐體內(nèi)的頂面和兩側(cè)面敷設(shè)有隔熱層和耐火磚。爐底設(shè)計(jì)有多組透氣磚。透氣磚的氣體管道和噴吹輔料粉劑管道與爐底下面的輸氣總管和粉劑輸送管相連。每一組透氣磚的氣體流量，壓力和輔料粉劑的流量等都有獨(dú)自的調(diào)控裝置，且由生產(chǎn)控制室計(jì)算機(jī)調(diào)控。各段爐體的斜面和澄清池的頂部設(shè)置有爐氣(真空)抽出口，氣體溫度、氣壓測(cè)量?jī)x器安裝孔，鐵水、鋼水測(cè)溫儀器安裝孔等。澄清池爐側(cè)壁上部有爐渣排出口，其爐頂有排渣器安裝孔。爐側(cè)壁有觀察孔。爐側(cè)壁底部設(shè)置有鐵水或鋼水取樣孔及孔塞，以及分流口及其閥門(mén)。鐵水預(yù)處理段的左端墻設(shè)置有鐵水流入口閥門(mén)及鐵水流量計(jì)(與中間槽連接)。微調(diào)段的右端墻下部設(shè)置有鋼水流出口閥門(mén)及鋼水流量計(jì)等。因鐵水在各段被處理的時(shí)間不同，各段產(chǎn)生熔渣的多少、粘度不同，故各段斜面的傾斜度、斜面長(zhǎng)度，澄清池容積等不同，使得各段的總長(zhǎng)度不同。各段的實(shí)際長(zhǎng)度通過(guò)試驗(yàn)確定。煉鋼爐某段結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

1.上段爐體;2.連接法蘭;3.分流墻;4.斜面;5.透氣磚組;6.抽氣孔;7.混合凸條;8.斜面隔墻;9.澄清池左室;10.抽氣孔;11.排渣攪拌器安裝孔;12.排渣口;13.澄清池隔墻;14.抽氣孔;15.鋼水排出口;16.粉劑輸送管;17.氣體輸送管圖2 煉鋼爐某段結(jié)構(gòu)示意圖

1.3.3閥門(mén)

在連續(xù)式運(yùn)行中，中間槽與爐內(nèi)各段鐵水或鋼水流量(含斜面上薄層流體厚度)調(diào)節(jié)、鋼水分流、停爐后爐內(nèi)殘留鐵水、鋼水、爐渣排出等功能均由閥門(mén)承擔(dān)。閥門(mén)長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)受高溫鐵水或鋼水沖刷、侵蝕。閥門(mén)的基本結(jié)構(gòu)是：閥座外殼為耐熱鋼材，內(nèi)襯為隔熱層和人造石墨管套。閥體和鐵水或鋼水出口框?yàn)楦邚?qiáng)度人造石墨預(yù)制件，也可選用碳化硅、氮化硅、氮化硼等耐高溫材料。設(shè)計(jì)兩種閥門(mén)：(1)側(cè)部閥門(mén)，見(jiàn)圖3；(2)中部閥門(mén)，見(jiàn)圖4。

1.爐端墻;2.鐵水出口框;3.隔熱墊;4.推拉桿;5.液壓缸;6.閥蓋;7.閥座;8.閥體;9.爐體圖3 側(cè)部閥門(mén)

側(cè)部閥門(mén)安裝在鐵水熔煉爐與中間槽連接處，以及煉鋼爐各段右端的左、右下角。中部閥門(mén)安裝在中間槽右端墻底部鐵水出口處、煉鋼爐各段及連鑄鋼水分配槽的鋼水分流出口處。閥門(mén)開(kāi)、閉由生產(chǎn)控制室計(jì)算機(jī)調(diào)控。

1.爐端墻;2.液壓缸;3.推拉桿;4.閥蓋;5.隔熱墊;6.閥座;7.閥體;8.鐵水出口框圖4 中部閥門(mén)

1.3.4鐵水和鋼水流量計(jì)

鐵水流量計(jì)安裝在鐵水中間槽的鐵水出口處；鋼水流量計(jì)安裝在煉鋼爐微調(diào)段鋼水出口處。本工藝選用國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的鐵水或鋼水電磁流量計(jì)產(chǎn)品。

1.4 主要技術(shù)特點(diǎn)

煉鋼在全封閉、全負(fù)壓(或真空)條件下連續(xù)進(jìn)行。在重力作用下金屬液在爐內(nèi)流動(dòng)，并在流動(dòng)和靜止過(guò)程中被凈化、合金化。金屬液流量采用閥門(mén)調(diào)控。煉鋼需要的固體輔料為粉末狀，粒度為0.074～0.030 mm(200～460目)。由載氣從爐底部噴入鐵水中；載氣壓力0.01～0.60 MPa。煉鋼需要的氣體從爐底部噴入。煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的爐氣全部連續(xù)抽出處理利用，產(chǎn)生的熔渣由排渣器排出處理。

流入爐內(nèi)的金屬液被分流成為薄層流體。沿斜面向下方流動(dòng)。通過(guò)斜面爐底多組透氣磚，向薄層流體噴入氣體或噴吹粉劑。使鐵水或鋼水沸騰、攪合。多股氣流與流體之間，氣流中大量粉劑顆粒與流體之間相互激烈沖擊、摩擦、接觸。液固之間、氣液之間發(fā)生傳熱、傳質(zhì)反應(yīng)。產(chǎn)生的氣體從斜面上方爐頂抽風(fēng)口抽出。生成的熔渣與金屬液混合發(fā)生冶金反應(yīng)，并通過(guò)斜面末端隔墻下部孔洞流入澄清池左室，逐漸呈靜止?fàn)顟B(tài)。在澄清池左室上部，部分冶金反應(yīng)還在繼續(xù)進(jìn)行。產(chǎn)生的氣體從澄清池上方爐頂抽風(fēng)口抽出，生成的熔渣浮在金屬液上面。通過(guò)澄清池左室爐底幾組透氣磚向爐內(nèi)噴入(不同的)氣體或噴吹(不同的)粉劑，對(duì)左室內(nèi)的金屬液再次進(jìn)行凈化處理。產(chǎn)生的氣體和熔渣上浮，氣體被抽出，上部熔渣漫過(guò)隔墻頂部從爐側(cè)壁上部排渣口排出。金屬液從隔墻下部孔洞流入澄清池右室，經(jīng)靜止、均化，然后從爐體右端下部閥門(mén)排出。

1.5 相對(duì)優(yōu)點(diǎn)

1.5.1節(jié)能

可實(shí)現(xiàn)煉鐵爐與煉鋼爐緊靠布置，省去鐵水運(yùn)輸、周轉(zhuǎn)、保溫、儲(chǔ)存等環(huán)節(jié)。減少設(shè)備，減少能耗，節(jié)省時(shí)間，減少鐵水溫度損失，減少?gòu)U氣、粉塵、噪音對(duì)環(huán)境的污染，可提高煉鋼效率?？蓽p少制氧、各種載氣和真空設(shè)備等能耗。可減少煉鋼輔料、合金料消耗量等。本工藝和煉鋼-精煉工藝主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比請(qǐng)見(jiàn)表1(設(shè)：生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)1000萬(wàn)噸潔凈鋼水)。

表1 主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比表

1.5.2環(huán)保

本工藝在負(fù)壓或真空條件下運(yùn)行。鐵水或鋼水在密封煉鋼爐內(nèi)流動(dòng)、反應(yīng)，不與外界空氣接觸。冶煉產(chǎn)生的爐氣全部連續(xù)抽出處理。鋼渣被排渣器連續(xù)排出，并通過(guò)密封管道落入鋼渣倉(cāng)。倉(cāng)內(nèi)產(chǎn)生的的廢氣被連續(xù)抽出處理。倉(cāng)內(nèi)鋼渣的余熱被回收，鋼渣冷卻后，由密封渣車運(yùn)出處理。產(chǎn)品鋼水在密封管道里流入連鑄鋼水分配槽內(nèi)。如果某段發(fā)生鐵水或鋼水不合格情況 ，可將其通過(guò)密封分流管道排入密封處理槽。槽內(nèi)產(chǎn)生的廢氣被抽出處理。因此，本工藝的三廢對(duì)環(huán)境污染較少，操作人員工作環(huán)境較好。本工藝和轉(zhuǎn)爐-精煉工藝排污工序及處理概況見(jiàn)表2。

表2 轉(zhuǎn)爐-精煉工藝和本工藝主要排污工序及處理概況表

2 本工藝可行性研討

從現(xiàn)代冶金原理和關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)制造兩方面，研討本工藝可行性。

2.1 冶金熱力學(xué)分析

從冶金熱力學(xué)角度上分析，本工藝與現(xiàn)行轉(zhuǎn)爐-精煉工藝是一致的。都是運(yùn)用冶金熱力學(xué)原理，對(duì)鐵水進(jìn)行預(yù)處理、脫碳、精煉、微調(diào)等處理。在處理過(guò)程中，這兩種工藝的熱力學(xué)條件相同。

2.2 冶金動(dòng)力學(xué)分析

煉鋼-精煉工藝將鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐吹煉、精煉爐精煉和微調(diào)成分、升溫等分成四個(gè)獨(dú)立工序，間斷性運(yùn)行。本工藝將上述四個(gè)工序安排在一個(gè)組合爐內(nèi)連續(xù)性進(jìn)行。從宏觀冶金動(dòng)力學(xué)分析，本工藝煉鋼總反應(yīng)速率是現(xiàn)行煉鋼-精煉工藝總反應(yīng)速率的數(shù)倍。

2.2.1煉鋼化學(xué)反應(yīng)速率影響因素

冶金動(dòng)力學(xué)理論和冶金生產(chǎn)實(shí)踐證明，鋼鐵冶煉具有一般化學(xué)反應(yīng)基本性質(zhì)。隨著反應(yīng)物性質(zhì)越活潑，反應(yīng)溫度越高，壓強(qiáng)減小(有氣體生成物)，濃度增加(反應(yīng)物含量和分散程度)，反應(yīng)物顆粒越小，反應(yīng)物表面積越大，反應(yīng)物之間的接觸面積越大(攪拌、混合)，反應(yīng)體系條件的穩(wěn)定，生成物離開(kāi)反應(yīng)體系速率大等，則化學(xué)反應(yīng)速率越大。化學(xué)反應(yīng)速率直接決定反應(yīng)器的尺寸大小[1]?；瘜W(xué)反應(yīng)速率大，反應(yīng)器尺寸小。

2.2.2本工藝與轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝化學(xué)反應(yīng)速率影響因素對(duì)比

本工藝和轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝影響化學(xué)反應(yīng)速率主要因素見(jiàn)表3。

從表3中可知，本工藝化學(xué)反應(yīng)速率比轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝化學(xué)反應(yīng)速率大得多。與此類似，本工藝化學(xué)反應(yīng)速率比精煉工藝化學(xué)反應(yīng)速率大得多。

2.2.3本工藝與轉(zhuǎn)爐-精煉工藝物理過(guò)程速率影響因素對(duì)比

本工藝和轉(zhuǎn)爐-精煉工藝物理過(guò)程速率主要影響因素見(jiàn)表4。

表3 本工藝與轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝影響化學(xué)反應(yīng)速率主要因素對(duì)比表

表4 本工藝與轉(zhuǎn)爐-精煉工藝物理過(guò)程速率主要影響因素對(duì)比表

從表4中可知，和轉(zhuǎn)爐-精煉工藝物理過(guò)程速率相比，本工藝物理過(guò)程速率(含擴(kuò)散傳質(zhì)和對(duì)流傳質(zhì))[2]大得多。根據(jù)上面冶金動(dòng)力學(xué)分析，可以預(yù)判，本工藝化學(xué)反應(yīng)速率和物理過(guò)程速率是轉(zhuǎn)爐-精煉工藝的數(shù)倍是可能的。本工藝實(shí)際煉鋼反應(yīng)速率需要通過(guò)試驗(yàn)、實(shí)踐確定。

2.3 關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)制造可行性

關(guān)鍵設(shè)備一：煉鋼爐。煉鋼爐是一個(gè)長(zhǎng)度較長(zhǎng)、由多個(gè)分段爐組合的、全密封高溫容器。設(shè)計(jì)、制造、安裝和調(diào)試等都有一定難度；煉鋼爐長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，其運(yùn)行可靠性、實(shí)用性、安全性需要在實(shí)驗(yàn)室、小試、中式、工業(yè)性試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。關(guān)鍵設(shè)備二：側(cè)部閥門(mén)和中部閥門(mén)。該閥門(mén)是本工藝連續(xù)性運(yùn)行的鑰匙。必須使用可靠，經(jīng)久耐用。設(shè)計(jì)、制造該閥門(mén)應(yīng)從可靠性、實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮。根據(jù)當(dāng)今我國(guó)冶金設(shè)備設(shè)計(jì)制造及多種新型耐高溫材料制造水平和能力，設(shè)計(jì)、制造本工藝煉鋼爐、耐高溫閥門(mén)已經(jīng)不是難題。本工藝的可行性，需要專家評(píng)審組織從理論和試驗(yàn)等方面進(jìn)行論證。

3 結(jié)語(yǔ)

連續(xù)式煉鋼工藝將鐵水預(yù)處理、煉鋼和精煉集中于一爐。理論上與轉(zhuǎn)爐-精煉煉鋼工藝相比，在節(jié)能，環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益等方面具有較大優(yōu)勢(shì)。連續(xù)式煉鋼工藝能否為我國(guó)煉鋼工藝技術(shù)今后的發(fā)展提供一種思路，還需要廣大煉鋼工作者們研討。