王 健，時進(jìn)吉，張蕊紅，李 欣

(1.晉能控股山西科學(xué)技術(shù)研究院(晉城)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000；2.晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉城煤炭事業(yè)部銷售分部，山西 晉城 048000；3.北京科技大學(xué)，北京 100081)

近年來，國家對環(huán)保日趨重視，短流程煉鋼也逐漸成為未來發(fā)展的方向；但是短流程煉鋼尤其是全廢鋼冶煉存在鋼液碳含量不足的問題，從而導(dǎo)致電耗和生產(chǎn)周期居高不下。對此，人們開始使用煤氧噴吹助熔工藝向電爐內(nèi)噴吹碳粉，以期提高生產(chǎn)效率并降低電耗。趙碧勛[1]等人使用煤氧噴吹工藝向30 t電爐中噴吹碳粉，噴吹量為噸鋼9.33 kg，與沒有噴吹碳粉相比，降低電耗72.8 kW/h，縮短冶煉時間23 min/爐。

在電爐冶煉過程中，部分企業(yè)為了進(jìn)一步的降低生產(chǎn)成本，會減少總的噴碳量，并在冶煉初期加入煤塊替代部分煤粉[2-4]。而塊煤尤其是無煙塊煤在鋼液中的溶解特性鮮有研究，本文通過向鋼液中加入晉城無煙塊煤，對其在鋼液中的溶解特性進(jìn)行了初步研究，并以此結(jié)果驗(yàn)證了物料平衡計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。

1 無煙煤溶解試驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)所用爐型為管式爐，將實(shí)驗(yàn)用鋼樣放入剛玉坩堝中，為防止加熱過程中干鍋破裂造成管式爐的損壞，再嵌套一個尺寸稍大的剛玉干鍋；緩慢升溫至1 600 ℃，期間用Ar氣進(jìn)行保護(hù)，防止鋼液被氧化；升至目標(biāo)溫度后，分別向鋼液中放入10、20 g晉城無煙煤，同時向爐內(nèi)通入5%的O2+95%Ar，保持爐內(nèi)弱氧化性氣氛，模擬電爐內(nèi)的氧化氣氛且便于煤炭燃燒完全。實(shí)驗(yàn)所用鋼樣成分如表1所示，具體升溫速率曲線如圖1所示。

圖1 管式爐升溫曲線

表1 實(shí)驗(yàn)用鋼樣成分 %

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

取出反應(yīng)完全后的鋼樣，用線切割將其切割成四部分，將鋼樣的檢測面進(jìn)行打磨至光滑，再分別檢測四份鋼樣的化學(xué)成分，每個鋼樣上選取三個部位進(jìn)行檢測，取平均值作為最終結(jié)果；結(jié)果顯示，除鋼樣頂端式樣外，其他三個式樣的化學(xué)成分均無明顯區(qū)別，表明無煙煤中的碳元素僅在頂端式樣中擴(kuò)散，稱量頂端式樣的質(zhì)量分別為73.34、73.58 g。

利用直讀光譜儀測試實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分，其結(jié)果如表2所示，鑒于無煙煤對實(shí)驗(yàn)鋼的其他三部分無影響，因此只統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)鋼頂端部分的成分。

表2 成莊無煙煤鋼樣的元素含量 %

為了更直觀地看出各試樣成分的變化，利用Origin進(jìn)行繪圖，其結(jié)果如圖2和圖3所示。圖2和圖3分別是成莊無煙煤不同加入量時，試樣的C、S、P和Fe元素含量，試樣0為原始鋼樣，結(jié)合表2可以看出，原始鋼樣中的C含量為0.015 10%，S含量為0.002 03%；試樣2是加入10 g成莊無煙煤的鋼樣，試樣2是加入20 g成莊無煙煤后的鋼樣，從圖2中可以看出，當(dāng)向鋼中加入10 g成莊無煙煤后，鋼中的碳含量約為0.039 64%，與原鋼樣相比增量較小，鋼中的P、S分別為0.006 45和0.002 34，含量幾乎沒有增加；而當(dāng)成莊無煙煤的加入量達(dá)到20 g時，鋼中的碳明顯增加，約為0.082 43%，且S含量約為0.004 89%明顯增加，而磷含量增加量僅為0.000 6%。這主要是由于管式爐內(nèi)為弱氧化氣氛，無煙煤中的碳原子在高溫下極易和氧原子進(jìn)行反應(yīng)生成CO和CO2[5]；而碳原子主要是以擴(kuò)散的方式進(jìn)入鋼液中，其擴(kuò)散速度取決于無煙煤和鋼液的接觸面積以及鋼液中的碳含量，因此當(dāng)加入少量無煙煤時，其中大部分無煙煤會與爐中的氧氣進(jìn)行反應(yīng)，而進(jìn)入鋼液中含量相對較少，所以鋼中的碳和硫含量增加很少；而當(dāng)無煙煤的加入量增加后，會增大無煙煤與鋼液的接觸面積，從而使得進(jìn)入鋼中的碳原子增加，鋼中的碳含量就明顯升高，成莊無煙煤中的全硫含量檢測結(jié)果為0.39%，因此隨著加入的無煙煤量的增加，鋼中的S含量也會相應(yīng)的增加。從圖3中可以看出隨著成莊無煙煤入爐量的增加，鋼中的Fe含量從99.93%降低到了99.8%，這主要是由于鋼中碳含量的增加，導(dǎo)致其Fe元素占比下降。

圖2 兩組成莊無煙煤試樣中C/S/P元素含量

圖3 兩組成莊無煙煤試樣的Fe含量

2 物料平衡計(jì)算

2.1 假設(shè)條件

物料平衡計(jì)算可以從理論上計(jì)算無煙煤的加入對于鋼液的影響，結(jié)合晉城無煙煤的檢測成分對其進(jìn)行平衡計(jì)算。

假設(shè)原始生鐵和目標(biāo)鋼水成分、輔料成分分別如表3、表4所示。

表3 原始生鐵和目標(biāo)鋼水成分 %

表4 煉鋼用輔料成分 %

假設(shè)冶煉周期為50 min，通電時間為39 min，出鋼溫度為1 600 ℃。同時，假設(shè)鋼鐵料氧化所需氧氣中72%來源于純氧，28%來源于空氣中的氧氣，并且氧氣純度為99%，其余均為氮?dú)?，氧氣的利用率?00%；假設(shè)碳的二次燃燒率為15%，爐氣二次燃燒率為35%，煙氣二次燃燒率為100%；爐渣的堿度R=2.5；鐵的燒損率為2.8%；假設(shè)氧化的鐵量中的80%生成Fe2O3變成煙塵，另外20%按FeO∶Fe2O3=3∶1的比例成渣。

實(shí)驗(yàn)選取晉城無煙煤中的成莊洗末煤，其成分、發(fā)熱量、固定碳等含量如表5所示：

表5 實(shí)驗(yàn)用晉城無煙煤的檢測成分

2.2 計(jì)算結(jié)果

物料平衡計(jì)算結(jié)果如表6～表8所示：

表6 10 kg成莊洗末煤的物料平衡計(jì)算

表7 10 kg成莊煤的物料平衡計(jì)算

表8 20 g成莊洗末煤的物料平衡計(jì)算

從圖4可以看出，隨著無煙煤加入量的增加，爐氣量基本成線性增加，結(jié)合表6表7可知，與不加無煙煤相比，加入10 kg無煙煤后爐氣量增加26.54 kg，金屬含量增加了0.02 kg；結(jié)合表6和表8可知，與不加無煙煤相比，加入20 kg無煙煤后爐氣量增加54.38 kg，金屬含量增加了0.05 kg。

圖4 加入不同量無煙煤后各組分量的變化

3 結(jié)果分析

將物料平衡用煤量計(jì)算結(jié)果折合成實(shí)驗(yàn)用煤量，得到鋼中碳的增量并與實(shí)驗(yàn)增碳量的結(jié)果進(jìn)行對比，如圖5所示。

圖5 不同加入量下計(jì)算碳含量和檢測碳含量對比

從圖5可以看出，實(shí)驗(yàn)所得的鋼中碳含量相比于物料平衡計(jì)算模型計(jì)算得到的鋼中的碳含量略微偏低，其主要原因是由于無煙煤加入鋼液后會浮于鋼液面，而無煙煤在高溫下燃燒會在其表面形成一層煤灰，而煤灰層的存在一定程度上會阻礙碳元素向鋼液中擴(kuò)散[6-8]，因此導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)檢測的碳含量略低于計(jì)算值。隨著無煙煤加入量的增加檢測值更加接近計(jì)算值，這是由于隨著加入量的增加，無煙煤浸入鋼液中的部分增大，與鋼液接觸面積也隨之增加，更加有利于C元素的擴(kuò)散。因此需要在物料平衡計(jì)算模型中增加煤灰對C元素?cái)U(kuò)散的阻礙系數(shù)，使該模型能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

4 總結(jié)與展望

本文通過晉城無煙煤在鋼液中的溶解實(shí)驗(yàn)和物料平衡計(jì)算，研究了晉城無煙塊煤在鋼液中的溶解特性，并得到以下結(jié)論：

(1)隨著無煙煤量由10 g增加至20 g，鋼液中的碳含量和爐氣量呈線性增加；

(2)物料平衡計(jì)算模型應(yīng)增加煤灰對C元素?cái)U(kuò)散的阻礙系數(shù)，使其更準(zhǔn)確地預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果。