转炉COMI技术对冶炼过程铁损失的影响研究

2024-01-05杨华鹏

工业加热 2023年11期

林滔, 冯超, 朱荣, 杨华鹏, 王辉, 夏韬

(1.北京科技大学, 北京 100083;2.江苏省镔鑫钢铁集团有限公司,江苏连云港 222000)

在炼钢实践过程中,钢铁料消耗是转炉炼钢中最重要的经济技术指标,钢铁料消耗的成本占炼钢总成本的70%以上[1-2],其大小直接反映出转炉的冶炼水平。影响转炉钢铁料消耗的主要因素有原料情况、冶炼工艺、造渣操作和终点控制等。在炼钢原料确定的情况下,确定合适的冶炼工艺、少渣操作制度将有利于降低冶炼过程中的铁损[3]。

CO2作为温室气体的主要气体,因其造成的环境问题日益严重而逐渐受到重视[4-5]。近年来,国内多家钢厂将CO2应用于钢铁冶炼,并获得了较好的效果。朱荣等人[6-7]通过COMI炼钢工艺技术实现了转炉烟尘产生量降低,与常规工艺相比,烟尘量平均减少12.50%,烟尘中TFe平均减少12.75%。董建锋等人[8]研究了CO2顶吹比例对转炉终点控制的影响,研究发现当CO2喷吹比例在10%以下时,随CO2喷吹比例的增加,碳氧浓度积与渣中 TFe 变化趋势基本相同,均为先降低后增加,碳氧浓度积与渣中TFe下降比例最高分别为12.92%和8.89%。

本研究将CO2作为120 t转炉上的顶吹混合气体,从炉渣铁损、烟尘铁损和冷却剂用量三方面分析了COMI炼钢工艺对冶炼过程中铁损的影响。

1 COMI炼钢工艺原理

北京科技大学自2002年以来致力于转炉降尘新工艺研发,即CO2- O2混合喷吹炼钢工艺,简称COMI (CO2and O2mixed inject) 炼钢工艺。经过20余年的实验室研究和工业应用,发现COMI炼钢工艺不仅有利于降低炼钢产生的烟尘,有益于降低炉渣铁损、钢水终点碳氧积、提高脱磷率。

1.1 COMI炼钢工艺热力学分析

通过对CO2与钢液中常见元素的反应的ΔGθ的计算[9],在炼钢温度范围内,CO2与熔池中[C]、[Fe]、[Si]和[Mn]均可发生反应,在1 600 ℃下反应的DGq列于表1中。

表1 相关化学反应热力学数据表

相对于纯O2射流,在顶吹射流中混掺部分CO2有利于降低转炉火点区温度,实现烟尘产量降低。混掺CO2降低转炉火点区温度的原因在于CO2在炼钢过程中的吸热特性,CO2在氧化炼钢过程中热效应的表现主要由以下两部分组成:

(1)室温条件下的CO2进入高温铁水中的物理吸热;

(2)CO2与钢液中[C]、Fe(l)反应为吸热反应,与其他元素反应为微放热反应。

根据(1),计算喷吹CO2的物理吸热量的公式如式(1)所示:

(1)

式中:T为冶炼温度,K;Q为从室温25 ℃到达冶炼温度T过程中吸收的物理热,J·mol-1;cp为CO2的比热容,J·mol-1·K-1。

CO2的比热容与温度的关系式为[10]

cp=26.75+42.258×10-3T-14.25×10-6T2

(2)

根据式(1)和式(2)可得:当升温至1 600 ℃时,CO2吸收的物理热为

10-6T2dT=83.29 kJ/mol

喷吹CO2和O2的混合气体时,CO2会与熔池中[C]、[Si]、[Mn]、Fe(l)等元素发生氧化还原反应,反应伴随着吸放热,CO2与钢液中元素反应的热效应可通过式(3)来计算:

(3)

式中:ΔH为温度为T时CO2与元素的化学反应热,J·mol-1;ΔH298为温度为25 ℃时CO2与元素的化学反应热,J·mol-1;Δcp为反应中各物质的比热容,J·mol-1·K-1。

1.2 COMI炼钢工艺对熔池搅拌的影响

顶吹CO2和O2的混合射流相对于顶吹O2更有利于熔池的搅拌,减少混匀时间,改善熔池的动力学条件,其原因有以下两点。一是根据表1中常见元素的反应方程式可知,相对于O2,CO2与熔池中元素反应的产物均有气体生成,生成的气体将从反应界面排出到烟气中,在气体运动的同时,促进熔池搅拌;二是根据之前魏国立等人[11]的研究,在顶吹O2射流中混合CO2虽然几乎不能增加射流的速度大小,但可以达到更高的动压,说明混合CO2的顶吹射流有更强的冲击动能,从而有利于熔池的搅拌,减少混匀时间。从以上两点分析,顶吹CO2可以改善熔池搅拌的动力学条件,从而有利于转炉终点碳氧反应更接近平衡状态,降低渣中(FeO)含量。

2 120 t复吹转炉应用COMI炼钢工艺的工业试验

2.1 工业试验方案

喷吹CO2试验方案如表2所示,在进行CO2顶吹试验时,制定了相应的O2顶吹流量设定,氧气流量的大小主要根据现场金属料氧气消耗的平衡计算。将冶炼全过程分为前、中、后3个时期,本研究的试验炉次共403炉,常规冶炼炉次193炉。

表2 喷吹CO2试验方案

2.2 试验条件

铁水和废钢的主要成分和温度如表3所示,试验炉次铁水的[Si]含量比较高,这会对渣量造成一定的影响,石灰的加入量增加,渣量在一定程度上会增加。常规炉次的钢水平均温度要大于试验炉次,主要受冷料加入量的影响。

表3 铁水、钢液的主要成分和温度

2.3 工业试验结果分析

2.3.1 粗灰产量分析

图1显示了不同冶炼模式下转炉冶炼过程中的粗灰产量的分布情况,从图1中可以得到CO2喷吹炉次的粗灰量要低于常规炉次,试验炉次的粗灰产量比原工艺降低了95.42 kg/炉,粗灰产量减少比例为21.4%。粗灰产量减少的主要原因与火点区温度的降低有关,CO2与熔池中[C]反应为吸热反应,火点区温度随CO2用量增加而降低,从而限制金属铁的蒸发。

图2显示了不同冶炼模式下粗灰产量随转炉终点温度升高变化的过程,从图中可以得到原工艺为随着冶炼终点温度的升高,粗灰产量是逐渐升高,而试验炉次的粗灰产量是先升高后降低,且1 650～1 700 ℃的粗灰产量要高于1 550～1 600 ℃的粗灰产量,说明粗灰产量伴随温度升高而逐渐增大。产生上述趋势的原因是终点温度与反应过程温度相关,终点温度高则冶炼过程中熔池温度相对较高,进而产生的烟尘量大。通过对比可知,应用COMI炼钢工艺,可以对熔池温度进行有效控制,进而有利于粗灰产量的降低。

图2 不同终点温度范围下的粗灰产量

2.3.2 渣中铁损分析

表4显示了不同冶炼模式下渣量随熔池中[Si]含量的改变而变化的情况,从表4中可以得到,随着熔池中[Si]含量增加,渣量是逐渐增大的。对渣量进行分析,试验炉次的渣量在不同铁水[Si]含量阶段均大于常规炉次,其原因主要是试验炉次不同铁水[Si]含量阶段的出钢量大,且由表3可知,试验阶段的铁水[Si]含量大于常规炉次,所以试验炉次的渣量较大。通过表4可知,转炉的渣量主要与铁水的[Si]含量、钢水产量等因素有关,基于锰元素平衡分析转炉渣量可知,COMI技术的应用对于渣量的产生没有影响,但是试验结果发现,烧结矿等冷料的消耗量减少了5.93 kg/t。

表4 渣量计算统计

图3(a)和图3(b)分别显示了炉渣(FeO)含量、铁损与铁水[Si]含量的变化情况,铁损进行的变化趋势由炉渣(FeO)含量和渣量等因素共同决定。通过图3(a)可知,试验炉次的炉渣(FeO)含量低于常规炉次,CO2作为弱氧化性气体,其氧化性弱,且CO2参与冶炼过程的气泡增殖效应,可以加强熔池搅拌,有利于渣钢间的氧化还原反应,实现炉渣(FeO)降低。虽然,试验炉次的渣量相对较高,但因FeO含量下降得更加显著,造成吨钢渣中的铁损小于常规炉次,尤其是当铁水中[Si]含量在0.4%～0.6%,试验炉次的铁损相比常规炉次降低了0.37 kg/t。另外,随着熔池中[Si]含量增加,铁损是先增加后减少的,这种趋势由炉渣(FeO)含量和造渣剂加入量等多种因素共同控制。

图3 不同铁水[Si]范围下渣中FeO含量和吨钢铁损情况

2.3.3 吨钢铁损减少分析

在冶炼过程中,钢铁料的损失主要来自渣中的铁损、转炉除尘系统带走的烟尘损失、操作不当喷溅造成的铁损等。本次研究中主要分析了炉渣和除尘灰造成的铁损,以及含铁原料烧结矿消耗量变化对于铁损的影响。

通过图1可知,试验炉次每炉的粗灰产量要比常规炉次低95.42 kg,实现粗灰产生量降低0.8 kg/t,经检测粗灰TFe含量为63%,核算试验炉次除尘灰减少造成的铁损降低0.5 kg/t。

对转炉全炉次的渣样进行分析,试验炉次炉渣(FeO)含量平均为11.58%,常规炉次炉渣(FeO)含量平均为12.19%。结合表3显示结果,试验炉次和常规炉次的平均渣量分别为10.12 t和9.21 t,因试验炉次的平均出钢量为126.30 t,常规炉次的平均出钢量为119.59 t,经过计算可知,试验炉次和常规炉次炉渣铁损分别为9.38 kg和9.28 kg,则试验炉次的炉渣铁损降低了0.1 kg/t。

冷却剂加入量分析可知,试验炉次的烧结矿消耗量减少了5.93 kg/t,主要是由于CO2的冷却效果和增强搅拌共同作用的结果,取烧结矿中铁的回收率为38%,则试验炉次的冷却剂减少造成的铁损降低2.25 kg/t。

综上所述,炉渣、粗灰和冷却剂影响结果为,转炉COMI技术降低铁损3.54 kg/t。