全裝DRI電弧爐產(chǎn)量提高試驗研究

2019-12-20   作者：佚名   網(wǎng)友評論 0 條

本文研究了全裝DRI電弧爐在接近生產(chǎn)結(jié)束時，嚴(yán)格控制噴槍能夠避免爐渣過氧化，而且也研究了在爐次生產(chǎn)早期推遲開始噴吹所帶來的益處。在渣量基本固定的情況下，這兩種方法都能從根本上降低爐渣水平；另外，也介紹了利用兩爐次之間的時間間隙（如更換渣罐）和較大留鋼量操作，對系統(tǒng)殘渣中FeO進(jìn)一步還原的好處；總之，通過回收小顆粒DRI、優(yōu)化噴吹工藝、出鋼后對殘渣中FeO進(jìn)一步還原等措施的聯(lián)合使用，對提高電弧爐產(chǎn)量具有巨大潛力。

為了避免DRI球團(tuán)在電弧爐中出現(xiàn)破裂，開始研究和探討DRI球團(tuán)在還原期間球團(tuán)強度與使球團(tuán)具有良好還原能力所需要的孔隙率之間的平衡問題。球團(tuán)孔隙率由上游工序礦石品位的選擇以及球團(tuán)的生產(chǎn)工藝所決定。這些現(xiàn)象非常復(fù)雜，因此，決定對其進(jìn)行優(yōu)化。不過不打算犧牲金屬化率在抗壓強度和孔隙率之間做任何妥協(xié)。取而代之的是采用回收工藝，雖然會增加一些成本，比如壓塊成本，不過產(chǎn)量大幅提高，能夠彌補成本增加的不足。

影響電弧爐產(chǎn)量的主要因素是渣量過大，這是與出鋼時金屬中熱力學(xué)碳水平引起的FeO含量有關(guān)。熱力學(xué)觀點認(rèn)為，產(chǎn)量低是系統(tǒng)中氧氣與碳不平衡所造成的結(jié)果。這是因為電弧爐不像轉(zhuǎn)爐那樣混合充分。因為爐渣與金屬沒有充分混合，相對于金屬來說，爐渣可能被過度氧化，不過出鋼金屬保持了目標(biāo)氧含量。考慮到上述現(xiàn)象，研究重點應(yīng)該放在噴吹工藝上，因為其中任何一個因素都有可能產(chǎn)生過量的FeO。

1熔煉期間的產(chǎn)量損失

電弧爐中的碳與氧平衡非常重要。在給定渣堿度和溫度時，從FeO-O-C的熱動力學(xué)平衡計算可以看出，含有FeO的爐渣，在系統(tǒng)完全平衡情況下，F(xiàn)eO含量由目標(biāo)氧含量決定。如爐渣中CaO/ SiO2取值1.5，1600℃，目標(biāo)氧含量1300ppm，則渣中FeO含量約為20%。在一爐鋼生產(chǎn)開始時，留鋼殘渣中的FeO含量約為26%。與平衡值約差6%，結(jié)果在預(yù)冶煉階段需要加入焦炭。給定合理的最大留鋼量，假如為50000kg/爐，其中40%為爐渣，則在下一爐冶煉開始爐中，大約有5200kgFeO。因為FeO平衡值約為20%，每一爐生產(chǎn)開始的FeO與平衡值約差6%，則最大的產(chǎn)量差別為0.4%。

每個爐次中隨著DRI和保護(hù)渣的加入，爐渣體積增加。如果DRI中酸性脈石（Al2O3 + SiO2）含量特別高，渣量會高達(dá)300-400kg/t，或者是66000-88000kg/爐。在每個爐次生產(chǎn)結(jié)束時，渣中FeO含量能達(dá)到35%，這說明與FeO平衡值的差值更大約為15%。取爐渣量為350kg/t，與平衡狀態(tài)相比，產(chǎn)量差值最大可達(dá)4%。

從每一爐次生產(chǎn)開始到結(jié)束，存在的產(chǎn)出潛在差值，說明每個爐次冶煉期間產(chǎn)出都會有巨大損失。這不僅是由于渣中FeO含量增加，也是因為每爐次冶煉期間，產(chǎn)生了大量的爐渣。顯然，預(yù)冶煉階段產(chǎn)量有很大的提高空間，但在冶煉期間的第一個位置就防止渣中的FeO含量增加，投資回報率會更高。在爐渣體積特別高的情況下，這一效果更加明顯。

2電弧爐冶煉期間FeO超高水平及其動力學(xué)原理

以前曾研究過電弧爐全裝DRI時產(chǎn)生過量FeO的重要機制，即脫碳期間熔池中碳傳質(zhì)速率的作用。不僅包括傳質(zhì)系數(shù)，還包括碳在熔池中熔解的驅(qū)動力與平衡水平的關(guān)系。與噴吹速率相比，碳傳質(zhì)基本上是受限制的，吹入的氧在氧化鐵中找到位置被其所代替。在接近生產(chǎn)終點時，這一現(xiàn)象尤其重要。爐中碳達(dá)到最低點時，碳傳質(zhì)的驅(qū)動力也處于最低點。這樣很容易產(chǎn)生過吹，通過這個機制產(chǎn)生過高的FeO含量。

但是這個相同機制也可以在每爐次生產(chǎn)早期發(fā)生，也可能是由于較低的熔解速率和較低溫度下的碳傳遞。在每爐次生產(chǎn)早期，熔池溫度是最低的，這也許使鎖在DRI中的碳進(jìn)入熔池受到限制，導(dǎo)致碳擴散的驅(qū)動力較低。在生產(chǎn)早期，如果DRI反應(yīng)不活潑、混合不充分，則傳質(zhì)系數(shù)也比較小。這說明完整動力學(xué)圖非常復(fù)雜，界面面積、反應(yīng)速度系數(shù)以及其他的驅(qū)動力的影響也可以考慮進(jìn)來，但此處沒有一個機制是混合控制。

如果在生產(chǎn)早期控制脫碳速度，那么如果噴吹開始過早，速度又非常高，結(jié)果就會產(chǎn)生過量的FeO。因此研究認(rèn)為，這是在此階段優(yōu)化噴吹有利于生產(chǎn)的基本原理，也能夠解釋本研究所得到的結(jié)果。在大量工業(yè)試驗的基礎(chǔ)上，噴吹推遲8-10min，在此期間噴吹器作為燒嘴使用。

3在預(yù)熔煉階段殘留FeO的還原優(yōu)化

開發(fā)了可通過兩個爐次的間隙時間和較大的留鋼量操作來提高收得率的生產(chǎn)工藝。這個間隙時間是必須倒空渣罐所產(chǎn)生的，因為DRI中脈石含量高，導(dǎo)致渣量過多。估計上一爐留鋼中的40%是含F(xiàn)eO的殘渣。因為在兩個爐次之間時熔池液面最低，由于出渣量少，鐵損失就少，渣中含有FeO，也是因為不夠標(biāo)準(zhǔn)尺寸的DRI鐵粉浮在渣中所致。

在預(yù)熔煉階段用DRI粉壓制的1000kg焦炭壓塊，以及DRI球團(tuán)作為添加劑加入爐中，在裝爐前對DRI粉進(jìn)行篩分。向留鋼中加入的添加劑如圖1所示。

 

通過大量試驗研究了不同參數(shù)的作用，這些參數(shù)包括加入的碳量及其特性，加入DRI的量及其含碳量以及在這個階段的有效駐留時間，以及來自上一爐的FeO含量。焦炭和無煙煤作為含碳材料使用。研究發(fā)現(xiàn)在此階段，較高的固定碳量能夠加快并促進(jìn)FeO的還原。

與焦炭一起加入的DRI及其駐留時間是最重要的工藝變量，DRI必須與焦炭一起加入，最初是為了將比重較輕的片狀焦炭帶入到留鋼中，很快DRI發(fā)生反應(yīng)起到攪拌作用。焦炭加入量對FeO還原的作用總體溫合，但對在此階段的駐留時間有較大影響。

添加劑加入量的多少與上一爐留鋼中FeO含量有關(guān)，但是由于渣中FeO含量過高，需要加入大量焦炭和DRI，熔池溫度下降過多，一般會使此階段的還原動力學(xué)受抑制。焦炭加入量為1000kg時效果最好。開爐時渣中FeO含量約為32%。在預(yù)熔煉階段FeO降至約為26%，對于50000kg/爐（其中40%為爐渣）的留鋼量來說，這一下降說明有0.64%的產(chǎn)量空間節(jié)省出來。

在此階段加入焦炭添加劑的第二個好處是FeO被還原后爐渣泡沫化。如果一直延長到生產(chǎn)開始，任何泡沫都能在開始起弧就可以保護(hù)爐襯。研究發(fā)現(xiàn)，焦炭最優(yōu)化尺寸為2mm小塊。由于留鋼爐渣中SiO2含量很高（即直到生產(chǎn)開始都沒有加入保護(hù)渣），還原速度受到影響，因為硅具有表面活性。不過，這一現(xiàn)象有利于延長還原反應(yīng)，雖然反應(yīng)速度較低，但是造泡沫渣效果仍然很好。

鐵礦石中脈石含量較高（>6.5%），若使金屬收得率保持在可接受范圍內(nèi)，所面臨的一個很重要的不利條件是酸性混合物（SiO2 + Al2O3 > 5.0%）過高。硅是煉鋼爐渣中表面活性氧化物，這一性能的物理意義是指此氧化物濃度從渣中向渣-氣界面轉(zhuǎn)移。當(dāng)渣的酸性提高，硅對氣-渣界面吸收程度加強，表現(xiàn)為使渣中FeO還原的界面面積更少。

4試驗結(jié)果

 

 

圖2和圖3為最終取得的渣中FeO含量的改善結(jié)果和開爐時目標(biāo)氧含量。最初目標(biāo)是將FeO含量降至33%，實際獲得結(jié)果見圖2，F(xiàn)eO平均值為30.6%，改善凈差值為2.4%。

 

熔化后鋼中氧含量下降改善也取得相同的效果，初始目標(biāo)是氧含量低于900ppm以下，實際獲得氧含量平均值是862ppm以下（見圖3），這說明氧含量凈改善值是38ppm。

另外，上述期間內(nèi)在電弧爐內(nèi)也使用了更高質(zhì)量的DRI，即金屬化率和含碳量都較高的DRI。

5結(jié)論

1）在全裝DRI的電弧爐中，嚴(yán)格控制氧槍能夠防止鐵收得率損失，在每爐次生產(chǎn)早期就開始控制非常重要。另外，在兩爐鋼生產(chǎn)之間留鋼殘渣中FeO的還原對提高產(chǎn)量作用很大。

2）研究發(fā)現(xiàn)噴吹開始時間推遲8-10min能夠提高產(chǎn)量，這是由于生產(chǎn)早期增碳不足所致。這種情況下，氧槍吹出來的氧在氧化鐵中找到位置，因而不再進(jìn)行脫碳。

3）熔煉開始時，強制加入焦炭添加劑，能夠降低FeO含量水平，并向熔池中提供重要的碳元素，最終產(chǎn)生腐蝕性更小的爐渣。

4）在每一爐次生產(chǎn)結(jié)束，即在開爐前，必須嚴(yán)格控制氧槍噴吹，避免爐渣過氧化，這與碳對氧的傳質(zhì)有關(guān)，因為在此階段，擴散驅(qū)動力比較低，碳含量也較低，因此在生產(chǎn)結(jié)束時要增碳。

5）所使用的DRI中C含量（2.4%-2.8%）的控制和金屬化（94%）程度對降低電弧爐渣中FeO含量水平也很重要。

在熔煉期間，除了避免鐵的過氧化之外，兩爐鋼生產(chǎn)的間隙時間和相對大的留鋼量操作，能夠進(jìn)一步平衡加入焦炭和DRI的殘渣中FeO的還原。這種方法不僅有利于鐵的總收得率提高，而且也有利于產(chǎn)生泡沫渣并一直持續(xù)到早期的起弧階段。因此，在每爐鋼生產(chǎn)早期，即起到保護(hù)爐襯的作用。此階段FeO還原優(yōu)化的重要工藝參數(shù)是增加焦炭和DRI的駐留時間。