环保型冶炼新技术应用研究

2015-10-21王鹏

建筑工程技术与设计 2015年12期

王鹏

摘要：我国正处于钢铁工业结构的调整和优化的关键时期，随着经济危机的深化，各行各业对钢材产品的性价比提出了更严格的要求，现存冶炼工艺存在排放量大、高能耗、高成本的问题。本文通过应用这些新技术来达到降低冶炼成本、环保降耗的目的。

关键词：低成本；精炼；外加电场；夹杂物

0.前言

当前全球钢铁行业产能过剩、钢材市场竞争残酷。钢铁产品正面临着被新型材料如铝、塑料、玻璃等替代的巨大压力和挑战。我国正处于钢铁工业结构的调整和优化的关键时期，随着经济危机的深化，各行各业对钢材产品的性价比提出了更严格的要求，现存冶炼工艺存在排放量大、高能耗、高成本的问题。因此要想在日趋激烈的钢材市场竞争中立于不败之地，钢铁企业必须尽快掌握钢材的低成本生产技术，做到节能减排、高效经济。本文结合一些研究成果对低成本冶炼新工艺及技术进行介绍，为降低冶炼成本提供思路。

1 二氧化碳用于低成本冶炼

1.1 二氧化碳作為炼钢过程的反应介质

二氧化碳在高温下具有弱氧化性，因此可以部分代替氧气作为炼钢过程中脱碳的反应介质。由于存在CO2 +C=2CO这个反应，直接气化脱碳所需的氧气用量降低，进而减少因局部氧气过剩而引起铁被氧化，从而造成铁损。朱荣课题组对转炉炼钢过程烟尘的形成机制进行详细研究后发现：氧气射流直接与高温铁液接触，能够产生2500℃以上的高温火点区，该区域温度最高可达到3000℃，而金属铁的沸点为2750℃因此金属铁将会部分被氧化、挥发（这也是细粉尘形成的主要因素），形成高温烟尘随烟气排放。文献[4]中工业实验证明了：同常规冶炼比较，底吹模式渣中铁及其氧化物数目大幅度减少，减少量平均达1/3。所以减少炼钢过程中氧气的用量，可以减少铁损、增加产能，利于降低冶炼成本是有利的。

1.2 二氧化碳作为炼钢过程搅拌气体

冶炼过程中向钢液中吹人CO2气体，会发生CO2+C=2CO的反应，气体分子体积变为反应前的二倍，可以强化熔池搅拌作用。日本在底吹炼钢方面进行了大量的研究，证明了底吹加大了对熔池的搅拌力度，有利于夹杂物和气体的去除。2009年朱荣等进行的底吹工业试验，试验结果表明：转炉底吹是完全可行的。在保持C含量基本不变的情况下，同常规冶炼相比，底吹CO2模式P含量从0.030%降至0.023% ，降幅高达23%。T.Bruce等人也报道了用CO2替代Ar对钢液进行搅拌，并在60t和200t钢包中进行了CO2喷吹搅拌的工业试验得到了底吹CO2对钢液基本没有不良影响的结论。因此，二氧化碳可以替代Ar等成本高的气体，作为炼钢过程搅拌气体。

1.3 二氧化碳冷却喷嘴和炼钢熔池

我们曾应用热分析技术对碳的二氧化碳气化反应进行了研究，研究表明：1）二氧化碳与碳的反应分为一步和多步反应，多步反应时的限制反应步骤为脱附反应过程。2）无论是一步还是多步反应，碳与二氧化碳气化均为吸热反应。佐野正道曾得到界面化学反应不足以成为脱碳的限制性环节，因此限制性环节是气体与碳的吸附和脱附。CO2+C=2CO反应不仅增大了搅拌气流的体积，同时增加了碳与二氧化碳吸附、脱附的接触概率和接触面积。从而促进了反应的进行，消除/削弱了限制性环节的作用。

碳的二氧化碳气化为吸热反应，对炉底喷嘴有良好的冷却效果。将CO2掺入氧气射流中进行CO2一O2混合喷吹，利用CO2作为氧化剂参与熔池反应，可降低熔池温度，减少金属铁的氧化蒸发。通过研究发现：随着射流中CO2比例的提高，烟尘的产生量逐步减少，当二氧化碳比例达到某一定值时，烟尘基本不再产生。

2 外加电场用于低成本冶炼

研究通过控制钢液中的分电压，使其达到或高于夹杂物的分解电压从而使夹杂物分解形成的气体在阳极逸出，电解出的金属在阴极富集、析出。在外加直流电场来处理钢液时，降低钢中的[s]、[0]的同时还可以减少了钢中夹杂的数量，实现夹杂物的形态的人为控制。在外加电场为交流或脉冲电场时，钢中的夹杂物受到“攻击”，进而使粒径较大的颗粒夹杂物被“击碎”或“蚕食”变为较小的颗粒。同时随着电流的变化钢液产生的涡流促使夹杂上浮从而被去除。钢液涡流的自身搅拌作用减少了搅拌气体的用量、降低了对耐火材料的冲刷，同时提高了钢液洁净度、降低了冶炼成本。该技术在冶金温度下应用，夹杂物离子在液态钢液中迅速迁移、传输，可大大缩短冶炼处理时间。

综上该外加电场技术可以达到快速有效去除钢中夹杂及其形态控制的目的，实现少渣或无渣冶炼，减轻耐材的渣料侵蚀及搅拌气体冲刷，提高钢液洁净度降低冶炼成本。

3 高效低成本冶炼平台的建立

我国大型钢铁企业的传统生产工艺为：铁水脱硫预处理一LD—LF—RH—CC。由于传统炼钢工艺流程长，生产流程中存在着炼钢回硫、低碳脱磷、铝脱氧与夹杂物控制及强还原精炼四个基本问题，是造成钢材质量不稳定、能耗高、成本高和CO2排放量大的主要原因。因此解决基本问题便可以节能减排，增产降耗。

解决这四个基本问题的措施如下：

1）如果在铁水预脱磷过程中，采用低氧位脱磷工艺，适当提高炉渣碱度和降低渣中TFe含量，提高硫在渣钢间的分配比，可以抑制转炉炼钢回硫。

2）采用铁水预脱磷处理工艺，可以提高脱磷效率；通过采用低FeO渣脱磷工艺，能够降低铁耗，也能抑制脱磷预处理过程中半钢增硫；严格控制铁水硅含量，减少渣量。通过以上方法就能够控制低碳脱磷。

3）减少铝加入量，提高铝脱氧的收得率；尽可能采用真空碳脱氧工艺，减少Al2O3脱氧产物对钢水的污染；改变Al2O3上浮机制，缩短弱搅时间；优化钙处理工艺。

4）改进强还原精炼的措施主要是提高转炉终点碳含量，降低钢水氧化性，采用真空脱碳脱氧工艺降低加铝前钢水氧含量。

由上述的传统工艺存在的问题的解决措施可见，传统钢铁流程中存在着重复还原和氧化、升温和降温、增碳和脱碳等复杂过程。综合上述问题后提出的新的工艺流程。

4 结论

现今钢铁行业正处于低迷的时期，生产高附加值的钢种，并降低其冶炼成本势在必行。本文介绍了几种低成本高效的生产途径，归纳如下：

（1）应用二氧化碳替换氧气作为炼钢过程反应介质；使用二氧化碳替代价格较高的氩气作为炼钢过程搅拌气体和保护气体。以上应用在获得高效的同时也起到冷却喷嘴和炼钢熔池的作用，从另一角度节约了生产成本。