李 亮,于 匯,胡志文,馬朔垚,馮亮花

(遼寧科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院,遼寧 鞍山 114051)

2021年我國廢鋼鐵資源接近三億噸,且廢鋼產(chǎn)量呈逐年增長趨勢。在“十四五”五大發(fā)展理念指導(dǎo)和當(dāng)前受疫情原因,國際大宗商品價格上漲影響,鐵礦石原料價格居高不下的產(chǎn)業(yè)背景下,如何有效利用廢鋼,提高廢鋼比,成為當(dāng)前鋼鐵企業(yè)研究的重要問題。另外,隨著電力成本持續(xù)走高,大氣CO2排放條例日趨嚴格,廢鋼的利用也引起了社會的普遍重視。廢鋼的利用又被稱為“第二礦業(yè)”,每生產(chǎn)1 t鋼,對比鐵礦石,使用廢鋼可節(jié)約鐵礦石1.65 t,減少約80%的廢氣排放量[1];以廢鋼作為煉鋼的直接原料,既可省去燒結(jié)、煉鐵等鐵前工序,也可減少能源消耗和污染物排放。根據(jù)目前世界鋼鐵生產(chǎn)的兩大主要流程[2-3],有效利用廢鋼和提高廢鋼比的方式有直接噴煤、技術(shù)改造、減少過程降溫和廢鋼預(yù)熱等[4-5]。其中,廢鋼預(yù)熱是提高廢鋼比的重要方式[6],已成為鋼鐵行業(yè)的研究重點[7-8]。

1 廢鋼預(yù)熱技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.1 長流程煉鋼中的廢鋼預(yù)熱

在長流程高爐-轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝中,在將廢鋼加入轉(zhuǎn)爐之前,常對常溫廢鋼進行預(yù)熱,以提高廢鋼的物理熱,補充轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)熱量,進而達到提高廢鋼比的目的。當(dāng)廢鋼預(yù)熱的溫度達到1 000 ℃時,廢鋼比將增加約9%[9]。大多數(shù)鋼鐵公司在轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)預(yù)熱廢鋼時,一般采用天然氣、煤粉、重油等為原料,通過轉(zhuǎn)爐上的噴嘴直接噴入爐內(nèi)。燃料在爐內(nèi)直接燃燒,釋放大量熱量,快速加熱廢鋼。此方法最早在國外應(yīng)用,但由于爐內(nèi)預(yù)熱,勢必會占用轉(zhuǎn)爐煉鋼的時間,我國首鋼公司研發(fā)出在鐵水包中預(yù)熱廢鋼的方法,該方法不占用轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)時間,且兼具投資少、見效快的特點。該方法已成功應(yīng)用于30 t和210 t轉(zhuǎn)爐的實際生產(chǎn)中[10],但鐵水包中的廢鋼裝入量有限,生產(chǎn)效率受到一定限制,且存在生產(chǎn)組織較為復(fù)雜、預(yù)熱不均勻的問題。另一種廢鋼預(yù)熱方式是在轉(zhuǎn)爐外對廢鋼進行預(yù)熱,一般利用加熱爐等裝置加熱廢鋼[11],其預(yù)熱過程沒有太嚴苛的時間限制,且預(yù)熱條件可控,燃料可采用低成本的煤氣,這有利于減少廢鋼預(yù)熱的成本,更好地控制廢鋼預(yù)熱的溫度。合理地設(shè)計廢鋼加熱裝置,使其達到生產(chǎn)要求是該方法的關(guān)鍵。在預(yù)熱裝置方面,國內(nèi)一些企業(yè)研發(fā)了一種廢鋼連續(xù)預(yù)熱系統(tǒng),該系統(tǒng)以轉(zhuǎn)爐煤氣為燃料,廢鋼經(jīng)過預(yù)熱區(qū)和加熱區(qū)后,溫度升高至600～900 ℃,使轉(zhuǎn)爐廢鋼比提高到35%[12-13]。

1.2 短流程煉鋼中的廢鋼預(yù)熱

在電弧爐煉鋼當(dāng)中,最初是采用外加熱源技術(shù)進行廢鋼預(yù)熱的,這主要是通過煤氣加燒嘴烘烤實現(xiàn)。表1為利用一次能源預(yù)熱廢鋼后,電爐煉鋼的節(jié)能比隨預(yù)熱溫度的變化[14]。后來隨著研究的深入,研究人員發(fā)現(xiàn),當(dāng)電弧爐采用超高功率化、二次燃燒和底吹技術(shù)強化用氧后,電爐會有大量煙氣排出,所排放的廢氣高溫?zé)煔饧盁焿m中所蘊含的能量居然占總輸入能量的28%以上[15]。煙氣溫度高達1 200～1 500 ℃,煙氣帶走的熱量折合電能相當(dāng)于80～120 kW·h/t[16]。為了節(jié)能減排和回收余熱,人們開始嘗試使用高溫?zé)煔忸A(yù)熱廢鋼。起初,人們將高溫?zé)煔庵苯右氲窖b載廢鋼的料籃中,然而此種預(yù)熱方式會有大量白煙和廢氣產(chǎn)生,污染環(huán)境,且存在高溫?zé)煔獾淖茻瞎?降低料罐使用壽命的問題。因此料罐式廢鋼預(yù)熱如今已退出歷史舞臺。隨后,考慮到廢鋼預(yù)熱效果和環(huán)境保護問題,人們開始研發(fā)配備有專門廢鋼預(yù)熱系統(tǒng)的電弧爐。日本、歐美等國相繼研發(fā)出了基于廢鋼預(yù)熱的雙爐殼電弧爐,豎式電弧爐和Consteel電弧爐。與此同時,諸如EcoARC電弧爐、Quantum電弧爐等多種新型電弧爐也逐漸問世。

表1 電爐節(jié)能比隨廢鋼入爐溫度變化情況

目前,除利用高溫?zé)煔忸A(yù)熱廢鋼之外,廢鋼預(yù)熱的新方法、新技術(shù)還包括感應(yīng)加熱、等離子加熱、微波加熱等加熱方式。值得指出的是,在上述幾種預(yù)熱方式中,從能耗角度來看,煙氣預(yù)熱是最為節(jié)能的方法。由于煙氣預(yù)熱具有見效快、投資少、不影響生產(chǎn)、技術(shù)要求低等特點已被大多數(shù)工廠所應(yīng)用。為充分利用高溫?zé)煔?工廠常將預(yù)熱設(shè)備與電弧爐爐體結(jié)合,而這需要對電爐進行較大改造,這對于大容量的電爐而言,采用此方法有利于雜物形態(tài)。但對小容量電爐而言,采用此方法,投資大,節(jié)能和生產(chǎn)效率有限,因此小容量電爐只需要采用較為簡單的燃燒控制技術(shù)即可。

2 不同廢鋼預(yù)熱方式簡介

根據(jù)不同的煉鋼工藝流程和工藝生產(chǎn)要求,廢鋼預(yù)熱技術(shù)不盡相同。按廢鋼預(yù)熱設(shè)備結(jié)構(gòu)形式來分,可分為整體式和分離式,其中整體式為預(yù)熱設(shè)備和電爐體相結(jié)合,或直接在電爐體內(nèi)進行廢鋼預(yù)熱;分離式結(jié)構(gòu)為預(yù)熱設(shè)備與爐體分離,廢鋼的預(yù)熱和熔煉互不影響。表2為各類整體式與分離式廢鋼預(yù)熱方式簡介。

表2 整體式與分離式廢鋼預(yù)熱方式介紹

整體式廢鋼預(yù)熱設(shè)備主要有豎井式電弧爐,雙殼式電弧爐和連續(xù)加料電弧爐。對于豎井式電弧爐,豎井中不僅有物料的加入,還有冶煉過程中高溫?zé)煔獾呐懦?。在此過程中,煙氣與物料的相向運動使煙氣與廢鋼發(fā)生熱量交換從而預(yù)熱廢鋼,其預(yù)熱溫度一般在500 ℃以上,預(yù)熱效果明顯,熔化所需能耗顯著降低。對于雙殼電弧爐廢鋼預(yù)熱,雙殼電弧爐采用一套供電系統(tǒng)向兩個爐體供電的設(shè)計,在一臺爐體熔化和精煉過程中,另一臺爐體利用其產(chǎn)生的廢氣對廢鋼進行預(yù)熱,兩個爐體的交替使用,提高了電弧爐冶煉的生產(chǎn)效率。當(dāng)雙殼電爐采用噴嘴-氧槍系統(tǒng)預(yù)熱時,其設(shè)計的預(yù)熱溫度在550 ℃,而采用高溫?zé)煔忸A(yù)熱時,預(yù)熱溫度在250～300 ℃[17]。對于連續(xù)加料電弧爐預(yù)熱廢鋼,以20世紀80年代意大利得興公司研發(fā)的連續(xù)加料電弧爐為例,其上料系統(tǒng)采用密封裝置,廢鋼進入預(yù)熱段后,整個預(yù)熱過程動態(tài)封閉,使電弧爐煙氣全部參與到廢鋼預(yù)熱當(dāng)中。理論上,該預(yù)熱系統(tǒng)可使廢鋼預(yù)熱至400～600 ℃,且預(yù)熱較為均勻。

分離式廢鋼預(yù)熱設(shè)備由于與爐體分離,無法利用電爐的高溫?zé)煔舛耆揽客饧訜嵩搭A(yù)熱廢鋼。目前國內(nèi)與此有關(guān)的預(yù)熱設(shè)備主要有以下幾種:①爐內(nèi)廢鋼預(yù)熱?？芍苯釉诟郀t內(nèi)加入廢鋼進行爐內(nèi)預(yù)熱,該方法較為簡單,無需專門預(yù)熱設(shè)備,但存在冶煉周期長,對料型要求高和含油廢鋼容易糊死布袋等問題。②鐵包廢鋼預(yù)熱。鐵包兌鐵后加入廢鋼,保溫至預(yù)熱站后,將廢鋼加熱到600 ℃左右,然后由高爐接鐵水,最后由轉(zhuǎn)爐兌鐵。該方法預(yù)熱速度快,裝料簡單,但裝料有限,且存在預(yù)熱不均勻的現(xiàn)象。③廢鋼料槽預(yù)熱。廢鋼加入料槽后,由廢鋼預(yù)熱裝置將廢鋼預(yù)熱至500～600 ℃,廢鋼料槽預(yù)熱可用于各種廢鋼預(yù)熱,預(yù)熱迅速、均勻,但預(yù)熱過程較為復(fù)雜。④轉(zhuǎn)爐爐后在線廢鋼預(yù)熱,即將經(jīng)過嚴格分類后的廢鋼經(jīng)輸送期送至加熱爐進行預(yù)熱,這種方式預(yù)熱過程無煙氣和廢氣排出,廢鋼燒損少,但對廢鋼料型要求較高。⑤廢鋼壓塊預(yù)熱,即將廢鋼先壓制制成統(tǒng)一規(guī)格的廢鋼塊,再由推鋼器將廢鋼送到預(yù)熱爐進行加熱,這種方式的優(yōu)點是預(yù)熱溫度高,爐內(nèi)氣氛易于控制;缺點是需要增加廢鋼制塊裝置,投資高。

3 廢鋼預(yù)熱特性研究

以河北冀南特鋼連續(xù)加料式電爐為例,分析廢鋼在預(yù)熱段的行為,計算廢鋼完成預(yù)熱后的平均溫度。圖1為連續(xù)加料式電爐廢鋼預(yù)熱示意圖。該段密封運輸機即為連續(xù)電爐的預(yù)熱段。預(yù)熱段長度為30 m,輸送機的速度為3 m/min,廢鋼以1 500 kg/min平均速度進入爐內(nèi),廢鋼從預(yù)熱段到電爐,停留時間約為10 min,以10 min為一個周期,則每個周期共預(yù)熱廢鋼15 t。在預(yù)熱段中,廢鋼和煙氣相向運動,并伴隨著CO向CO2轉(zhuǎn)化的后燃燒過程,這帶來的化學(xué)能將進一步加熱廢鋼。CO氣體的產(chǎn)生是電爐冶煉過程催氧噴碳所致,工藝上要求在預(yù)熱段內(nèi)完成所有電爐產(chǎn)生的CO氣體的燃燒。

圖1 連續(xù)加料式電爐廢鋼預(yù)熱示意圖

預(yù)熱模型如圖2所示,在該傳熱模型里,我們把預(yù)熱段內(nèi)的廢鋼按長度方向進行分割,在距爐氣入口x換熱面積為Lx處的微小區(qū)間ΔL范圍內(nèi),取一個微元換熱面dS,高溫氣體進入預(yù)熱段后,熱量從氣體傳到廢鋼。假設(shè)在每一個微小區(qū)間內(nèi),廢鋼溫度分布均勻,氣體溫度和流量恒定,在不計熱損失的情況下,廢鋼和氣體滿足如下熱平衡方程。

圖2 廢鋼預(yù)熱模型

微元面上廢鋼與氣體的熱交換量:

dQ=a(Tg-Ts)dS

(1)

氣體失去的熱量:

dQ=-WgdTg

(2)

廢鋼所得熱量:

dQ=-WsdTs

(3)

三式聯(lián)立得:

(4)

式中:a為總傳熱系數(shù);Wg、Ws分別為爐氣、廢鋼的水當(dāng)量。預(yù)熱系統(tǒng)的初始條件見表3。

表3 系統(tǒng)預(yù)熱參數(shù)

對式(4)積分得

(5)

又由逆流交換的熱平衡方程可得

(6)

聯(lián)立式(5)、式(6)解得

(7)

帶入有關(guān)數(shù)據(jù)得

當(dāng)廢鋼初始溫度為環(huán)境溫度20 ℃時,可得理論預(yù)熱溫度為527 ℃,但考慮到整個預(yù)熱系統(tǒng)的熱損失,如果按照系統(tǒng)的熱效率為60%計算,則廢鋼預(yù)熱溫度應(yīng)為316 ℃左右。冀南特鋼廢鋼預(yù)熱系統(tǒng)因漏風(fēng)嚴重,實際預(yù)熱溫度只有200 ℃左右,說明預(yù)熱系統(tǒng)效率只有38%。這對于提高整個預(yù)熱系統(tǒng)的效率還有很大的余地。

4 廢鋼預(yù)熱經(jīng)濟效益分析

某鋼廠廢鋼預(yù)熱采用水冷槽水平輸送外加天然氣烘烤實現(xiàn),該預(yù)熱系統(tǒng)預(yù)熱段長34 m,水冷槽寬1 800 mm。預(yù)熱期間燒嘴噴出的火焰將對均料層廢鋼進行持續(xù)烘烤,烘烤溫度設(shè)定為800 ℃。設(shè)備運行期間配備有三臺功率為75 kW/h的助燃風(fēng)機和三臺功率為50 kW/h的水平加料系統(tǒng)。預(yù)熱完成后的廢鋼將和電爐內(nèi)熔化的鐵水一同加入精煉爐中進行精煉處理。在一個生產(chǎn)周期內(nèi)預(yù)計預(yù)熱廢鋼15 t。預(yù)熱系統(tǒng)初始條件見表4。由于廢鋼的預(yù)熱,現(xiàn)有煉鋼工藝的生產(chǎn)成本勢必在原來不加入預(yù)熱廢鋼的情況下有所改變。下面將綜合預(yù)熱系統(tǒng)燃氣費用、預(yù)熱系統(tǒng)耗電費用和電爐出鋼成本變化三個方面計算廢鋼預(yù)熱的經(jīng)濟效益。

表4 廢鋼和燃氣預(yù)熱特性

1)預(yù)熱系統(tǒng)燃氣費用

預(yù)熱1 t廢鋼折合天然氣15 m3(標準),天然氣價格按2.5元/m3(標準)計算,則噸鋼預(yù)熱到800 ℃所需天然氣成本為37.5元。

2)預(yù)熱系統(tǒng)耗電費用

由于預(yù)熱廢鋼時,預(yù)熱系統(tǒng)會產(chǎn)生一定電耗,所以我們在計算預(yù)熱成本時,需要將該部分考慮在內(nèi)。持續(xù)工作的助燃風(fēng)機功率為75 kW/h;間歇工作的水平加料設(shè)備平均功率為50 kW/h。以系統(tǒng)預(yù)熱廢鋼能力80 t/h計算,電費0.5元/(kW·h),則噸鋼加熱到800 ℃的用電成本為[(75+50) ×3]÷80×0.5≈2.4元。

3)電爐出鋼成本變化

廢鋼預(yù)熱可減少電爐每爐15 t的出鋼量,相應(yīng)電爐環(huán)節(jié)可降低電耗每噸約70 kW·h,而精煉爐因廢鋼加入電耗將增加每噸20 kW·h。綜合電爐和精煉爐的電耗,則總電耗每噸可降低約50 kW·h,節(jié)約電費約25元。

綜上,預(yù)熱系統(tǒng)噸鋼加熱到800 ℃所需的燃氣費用和耗電費用等于39.9元,則15 t廢鋼的成本為598.5元。電爐出鋼量為60 t,外加廢鋼15 t,則總出鋼量為75 t,以每爐總鋼量75 t計算,則平均每爐噸鋼增加的煉鋼成本為598.5÷75≈8元;但由于電爐噸鋼出鋼成本降低了25元,則噸鋼的綜合成本可降低約17元。

5 結(jié) 論

(1)廢鋼預(yù)熱可以有效提高煉鋼過程中的廢鋼比,起到節(jié)能減排、降低能耗的作用,在“碳達峰、碳中和”的形式下,具有較強的現(xiàn)實意義。

(2)不同的煉鋼工藝,廢鋼預(yù)熱技術(shù)不盡相同,選擇合理的預(yù)熱技術(shù),可以最大程度地滿足相應(yīng)的工藝生產(chǎn)要求。

(3)在連續(xù)加料式電爐煉鋼中,利用高溫?zé)煔忸A(yù)熱廢鋼,通過計算結(jié)果表明,可使廢鋼入爐溫度達到500 ℃左右,預(yù)熱效果明顯。

(4)根據(jù)某鋼廠廢鋼預(yù)熱的實際狀況,當(dāng)一個生產(chǎn)周期內(nèi)預(yù)熱廢鋼15 t,預(yù)熱溫度為800 ℃時,可使噸鋼煉鋼成本降低約17元。