钢铁冶金清洁生产新工艺探索

2021-11-30段海洋

中国金属通报 2021年11期

段海洋，王毅

（方大特钢科技股份有限公司，江西南昌 330012）

人类社会对钢铁冶金行业有着刚性需求，所以不能简单从降低产量提升钢铁冶金的清洁性，而是需要利用全新的生产技术，提升钢铁冶金的生产效率和降低生产能耗。针对现代钢铁冶金发展理念，目前产生了很多全新的工艺和技术，对解决钢铁冶金的能耗问题，有着巨大的帮助。

1 钢铁冶金方法的变革过程

1.1 传统钢铁冶金工程设计思路

在传统的冶金工程生产环节，对冶金工程的设计会采用静态分割的思路，导致很难有效应对冶金过程中存在的动态变化，所以实际工作中无论是工程理念、思维都存在局限性[1]。例如传统思路的工程理念并未从生命周期的角度考虑与自然的和谐发展，仅从对资源、能源控制角度考虑优化冶金工程工作，影响了人与自然之间的和谐相处，所以冶金工作缺少对环保工作的统筹，并未对污染进行精细化管控。工程师的工程思路大多停留在还原理论中，限制了工程师对冶金工作方法的创新，也缺少对相关技术、工艺的灵活应用。

由于传统方式存在的种种不足，所以在节能、能量控制上也容易出现问题，比如由于设计观念过于零散，不会考虑整体上的节能控制，对技术流程的设计工作中，对节约能耗也没有系统的观念，会仅从割裂的环节入手降低能耗，解决不了整体体系匮乏的问题。尤其是过于关注生产环节中不同子系统的设计，导致系统的协调性不足，所以可能会由于子系统之间协调性不足导致冶金生产的能耗增加。由于传统设计思路的种种不足，技术人员必须做出改变，采用更为系统的设计思路，降低能耗并提升生产效率。

1.2 现代冶金工程设计形成过程

由于传统冶金工程设计思路存在明显的局限性，已经不能适应现代低能耗、高效率的工业生产理念，因此需要研究全新的思路，解决之前的问题，促进钢铁冶金生产工作的变革。企业的技术人员、一线炼钢工人在总结传统炼钢经验，优化炼钢流程的过程中，逐渐形成了全新的工程理论，改变了过去的工程设计方式，更符合实际生产的需要，也能满足高效节能的工业发展理念[2]。

现代冶金工程设计工作中，设计人员会更看重把握整体设计意图和目标，在充分利用现代化工程设计方法的前提下，给冶金工程科学制定规模，并优化企业的生产流程，利用现代技术调整生产工艺。因此在冶金企业的生产过程中，不仅看重对质量和效率的控制，更通过降低能源消耗达到了节约资金和保护环境目的，让企业的冶金生产工作获得了更高的经济效益、社会效益和环境效益。

2 钢铁冶金清洁生产工艺能源结构调整

钢铁冶金工作必然需要消耗大量的能源，而且冶金过程中可能会产生大量有害物质，容易导致环境污染问题。继续采取传统的冶金生产方式显然已经不能满足低碳环保的要求，通过对生产中的能源结构进行调整，增加对清洁能源的使用，可以降低生产中的污染消耗，满足绿色环保要求[3]。所以，在开发钢铁冶金的新工艺时，首先就要做好对生产能源结构的调整，通过调整能源供应，达到清洁生产的要求。

2.1 调整能源结构和比例

钢铁冶金生产过程中，有60%的成本都被用于能源消耗，所以科学控制能耗，调整能源的结构和比例，不仅可以降低能源损耗，提升企业生产的环境效益，也能让企业获得更高的经济效益。企业通过实际情况对生产比例进行调整，在实现清洁生产的同时，可以实现企业效益的整体性提升。

调整能源结构工作中，工作人员可以根据冶金工作过程中的实际情况，对现阶段的炉料进行优化，达到完善能源结构的目的。比如利用精细化生产等全新的生产理念，整体上完善生产工作，确保炉料的均匀性和稳定性，提升生产过程中的孰料比，在降低能耗的同时，更能同实现高炉的节焦和增产目的[4]。企业在调整能源结构和比例的过程中，应该做好整体优化工作，配合全新的能源结构继续使用清洁生产技术，比如可以使用富氧高煤量喷技术，实现技术之间的配合，整体上降低能源消耗，提升不同能耗的比例合理性，保证节能效果。

2.2 使用新能源进行替换

由于化石能源的大量消耗，导致世界范围内都出现了能源紧张的问题，而且化石能源在燃烧的过程中将会对环境产生破坏和污染，将严重影响人类的发展。为了避免能量消耗，解决资源紧张等问题，在改变能量源结构的基础上，还应该探索跟多可以代替传统化石能源的新能源，尤其利用可再生能源，满足当前低碳经济等环保理念的要求。比如大量利用风能、太阳能、潮汐能、核能余热、余压清洁能源，可以避免生产能源的过程中产生温室气体，也能降低有害气体有害物质的排放，满足可持续发展要求。

3 钢铁冶金生产工艺优化

钢铁冶金工作有着复杂的生产工艺，是一项会经过大量不同工序和生产流程才能完成生产的活动。生产工艺的优化主要思路在于提升生产环节之间的联系，使系统转换过程更加连贯，从而达到降低能源消耗，以及减少废物的目的，满足节能环保的最终目标。在一些生产工艺的优化工作中，也开始减少不必要的生产环节，简化了钢铁冶金生产的方法，同样能满足提升冶金生产效率的要求，并且避免了一些不必要环节所导致的能耗，改变了冶金的生产模式。

3.1 废钢－电弧炉－连铸－连轧

传统的冶金生产模式下会有废钢出现，虽然会将一部分生产原料重新投入到冶金流程中开展生产工作，但是绝大多数废钢都在生产中被浪费掉，并没有得到充分的应用。被遗弃掉的废钢不仅会导致严重的原料浪费，也会造成钢铁冶金工业的损失，而且废钢在生产过程中同样消耗能源，因此废钢被遗弃同样是对能源的浪费[5]。随着钢铁行业生产规模的不断增大，废钢的产量也在不断上升。为了解决废钢浪费问题，目前开发了废钢－电弧炉－连铸－连轧的加工工艺，生产过程中废钢会被引进电弧炉回收，通过电弧炉炼钢、精炼和轧制等流程，使废钢得到重新利用。该方法先对传统工艺实现了生态效益和经济效益的双重提升，因此目前得到了一定的推广。但是目前仍需解决一定的工艺缺陷，因为废钢和普通钢材在结构和种类上存在差异，内部组成成分存在明显不同，为此必然会调整生产工艺，容易造成高纯度钢水生产脱节的问题。目前一般会在生产过程中向废钢中加入一定量的还原剂，保证精炼工作的效果。

3.2 熔融还原－超高功率电路－薄板连铸连轧

该工艺是一项全新的生产方式，简化了传统的钢铁生产工艺，不仅做到大幅度提升钢铁冶炼工作的效率，也降低了生产过程中的能耗，能在短时间完成对钢铁的冶炼工作，是一种能充分控制能耗而且具有较高效益的技术手段。同时，使用该技术也具有较高的灵活性和安全性，对降低炼钢厂的管理压力也有很大帮助[6]。炼钢过程中，会先进行熔融和直接还原，以便降低生产过程中的工序，有效控制钢铁企业的基建成本，利用连铸连轧技术，能获得比较高的金属生产效率，控制生产工作中的能源损耗。而且熔融还原属于一种非高炉法冶炼工艺，在简化生产流程的同时，也降低了能源的损耗，和目前的电炉炼钢工艺也十分契合，提升了总体技术水平。

4 钢铁冶金清洁生产新技术

4.1 高炉煤气余压透平发电技术

该技术被简称为TRT技术，是一种目前比较领先的炼铁技术，在高炉炼铁过程中，会将高炉炉顶煤气压力作为基础，转化高炉煤气的能量，从整体上控制高炉的能量消耗。从原理上分析，该技术主要提高热能像机械能的转化效率，利用技术有时满足生产工作的需求[7]。使用该方法的过程中，必须先对煤气进行一定的处理，包括袋式除尘器或两级文氏管和重力除尘器对煤气进行净化，然后煤气会通过TRT装置进入电动蝶阀，在经过调速阀最后进入发电机运转，满足生产工作要求。使用该技术时，能极大程度满足经济效益的要求，而且在工作过程中不需要继续提供其他燃料和能源，因此对能源消耗进行了有效控制，并且能降低在生产过程中产生噪声，避免噪声防治过程中产生的能源消耗，提升了能源的生产效率。

4.2 干熄焦技术

干熄焦技术在现阶段也有比较广泛的应用，使用该方法可以在钢铁冶炼过程中有效完成熄焦工作，减少能源浪费。正常生产时，会在干熄炉的顶部装入1000℃的红焦，然后利用风机在控制，在炉内不断向红焦鼓入130℃的惰性气体。由于惰性气体具有稳定的性质，不会和炉内其他生产原料产生化学反应，所以可以促使其生产焦炭，惰性气体的温度将会在炉内提升，并且会促使火炉中有水蒸气产生，之后使用冷却循环系统对惰性气体进行降温，可以循环利用惰性气体，继续循环在锅炉内的干熄过程[8]。使用该方法可以使能耗得到整体性降低，同时提升焦炭的质量，达到优化生产的目标，也能保证冶金技术，满足各行各业对钢铁性能和质量的要求。

4.3 炉渣处理技术

在钢铁冶金工作的过程中，会有大量炉渣产生，而且炉渣的生成过程极为复杂，包括转炉渣、高炉渣、铁合金炉渣等不同种类。传统的钢铁冶金生产工作中，并没有认识到炉渣所具有的价值，因此会直接将炉渣作为废物丢弃。在技术和理念不断创新的背景下，钢铁行业已经发展出了高效应用炉渣的技术，极大程度上提升了对资源的综合利用，使钢铁冶金工作能满足资源利用效率的要求。

对炉渣的回收利用工作中，会从分离和应用两个方面研究优化炉渣应用的方法，充分发挥炉渣的价值，减少生产环节中产生的浪费。比如可以将炉渣应用到路基建设、农业肥料、玻璃原料制造等工作中，有着丰富的应用价值。目前，最为常用的炉渣处理技术是干式成粒法，利用干式处理的思路处理炉渣，能充分利用炉渣内部所具有内能，可以控制能源损耗，提升炉渣的生产质量[9]。在回收利用的过程中，会专门建立熔渣变速旋转杯，并将炉渣从渣道输送到旋转中心，经过离心后会形成固化体，能有效保证处理的整体质量和性能。在生产过程中，必须控制好周围条件，避免炉渣出现结块等问题，比如需要进行空气冷却，避免渣粒出现粘结，最终可以获得高质量的炉渣，经过分类之后可以应用到水泥生产、玻璃制造等行业中。