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2008-01-23 16:06
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转炉热平衡与节能降耗
马彦珍 摘 要 文中给出了包钢转炉物料平衡、热平衡及主要技术经济指标结果,并根据这些测定结果剖析了转炉设备结构、吹炼操作、工艺流程与生产管理存在问题,提出了节能措施,对包钢转炉工序实现“零能、负能炼钢”具有实用价值。
关键词 转炉 热平衡 炼钢 节能 Heat Balance and Energy Saving Consumption Reduction of Converter Ma Yanzhen
(Baotou Iron & Steel Corp.) Abstract This paper provides material balance, heat balance and some major economic and technological indexes of converter in Baotou Iron & Steel Corporation.According to these results, the problems occuring in converter structure, blowing operation, production process and management are also analyzed. Finally, it puts forward that the measures of energy saving will be of practical value to realiza zero-energy and minus-energy consumption steelmaking process in Baotuo Iron & Steel Corporation.
Keywords converter heat balance steelmaking energy saving 1 前 言 包钢于1994年改造了原50t转炉,相继建成了5台新型的80t顶吹氧气转炉。目前转炉年产量可达290万t,1997年工序能耗为27.6kgce/t钢。包钢在十大钢铁企业转炉能耗居第六位,排在宝钢、武钢、本钢、攀钢、鞍钢之后,趋于下游水平,同先进的宝钢工序能耗对比,相差38.1kgce/t钢。由此可见,还有潜力可挖,需增加技术投入,进一步降低转炉工序能耗。
转炉工序用能主要由三部分构成,其中:氧气消耗占总能耗59.02%,电能消耗占21.85%,压缩空气和氮气消耗占12.41%,其余水、煤气、蒸汽、氩气消耗占6.72%。转炉应用汽化冷却器回收蒸汽能量约8.9kgce/t钢。
为进一步了解转炉能源利用水平,合理评价转炉用能状况,包钢于1997年6月对炼钢厂2号80t转炉进行了热平衡测试,确定了转炉物料收入及支出、热收入及支出、热效率等项技术经济指标,具体测定结果见物料平衡表1、热平衡表2、主要技术经济指标表3。下面根据测定技术数据进行分析,指出存在问题,提出改进建议,探索转炉工序节能途径。表1 物料平衡表 | 收 入 | | 符 号 | 项 目 | 数 量 | | kg.t-1 | % | | G1 | 铁水重量 | 956.96 | 74.9 | | G2 | 铁水带渣重量 | 8.07 | 0.6 | | G3 | 废钢重量 | 118.37 | 9.4 | | G4 | 石灰重量 | 57.36 | 4.5 | | G5 | 白云石重量 | 6.03 | 0.4 | | G6 | 氧化铁皮重量 | 6.21 | 0.5 | | G7 | 萤石重量 | 5.72 | 0.4 | | G8 | 铁合金重量 | 7.17 | 0.6 | | G9 | 入炉氧重量 | 67.72 | 5.3 | | G10 | 吸入空气重量 | 41.96 | 3.3 | | G11 | 炉衬侵蚀重量 | 1.28 | 0.1 | | ΣG | 合 计 | 1276.85 | 100.0 | | 支 出 | | 符 号 | 项 目 | 数 量 | | kg.t-1 | % | | G′1 | 出炉钢水重量 | 1000.00 | 78.3 | | G′2 | 终渣含钢重量 | 2.99 | 0.2 | | G′3 | 出炉钢渣重量 | 120.68 | 9.4 | | G′4 | 出炉炉尘重量 | 17.38 | 1.4 | | G′5 | 出炉炉气重量 | 142.73 | 11.2 | | ΔG | 差 值 | -6.93 | 0.5 | | ΣG | 合 计 | 1276.85 | 100.0 |
| 收 入 | | 符 号 | 项 目 | 热 量 | | 103kJ.t-1 | % | | Q1 | 铁水带入的物理热量 | 1313.96 | 58.24 | | Q2 | 铁渣带入的物理热量 | 11.80 | 0.52 | | Q3 | 元素氧化放出热量 | 886.01 | 39.28 | | Q4 | 成渣反应热量 | 42.39 | 1.88 | | Q5 | 炉衬烧损带入的物理热量 | 1.87 | 0.08 | | ΣQ | 合 计 | 2256.03 | 100.00 | | 支 出 | | 符 号 | 项 目 | 热 量 | | 103kJ.t-1 | % | | Q′1 | 钢水带出的物理热量 | 1516.89 | 67.24 | | Q′2 | 终渣含钢珠带出的物理热量 | 4.54 | 0.20 | | Q′3 | 钢渣带出的物理热量 | 255.18 | 11.31 | | Q′4 | 物料分解反应吸热量 | 56.90 | 2.52 | | Q′5 | 炉气带出的物理热量 | 220.66 | 9.78 | | Q′6 | 冷却水的吸热量 | 38.71 | 1.72 | | Q′7 | 炉尘带出的热量 | 25.36 | 1.12 | | Q′8 | 炉体表面散热量 | 22.95 | 1.02 | | Q′9 | 炉口辐射损失的热量 | 31.76 | 1.41 | | ΔQ′ | 差 值 | 83.08 | 3.68 | | ΣQ′ | 合 计 | 2256.03 | 100.00 |
| 指 标 | 符号或算式 | 数 值 | | 单位氧耗/m3.t-1 | V9=G9/1.429 | 47.39 | | 单位铁水耗量/kg.t-1 | G1 | 956.96 | | 单位废钢铁耗量/kg.t-1 | G3 | 18.37 | | 单位钢铁料耗量/kg.t-1 | G1+G3 | 1075.33 | | 废钢比/% | G3×100/(G1+G3) | 11.01 |
2 存在问题与改进措施 本次测试2号80t转炉主要技术经济指标为:热效率27.58%,吨钢氧耗47.39m3,吨钢铁水耗量956.96kg,吨钢废钢耗量118.37kg,吨钢钢铁料耗量1075.33kg,废钢比11.01%。通过热平衡测定计算和分析,从设备、操作工艺、原材料和生产组织管理等方面提出节能的途径和方向。
2.1 降低铁钢比,提高废钢比
本次测试铁钢比0.957,废钢比11.01%、钢铁料消耗1075.33kg/t钢、吹损率7.01%。铁钢比的大小,决定着冶金企业能耗的高低。在炼钢生产中,铁钢比每增加或减少10kg铁/t钢,其可比能耗将升高或者下降7.0～8.5kgce/t钢。目前我国吨钢能耗比国外高的主要原因就是铁钢比高。1989年我国的铁钢比为0.953,而世界上大部分国家铁钢比是0.7左右。
根据理论计算,在通常的原料条件和工艺操作情况下,氧气转炉炼钢的铁钢比可下降到0.75～0.80。若改进工艺、完善操作、采用新技术如:进行脱硫、脱磷的铁水预处理,再进行炉后钢水精炼以及炉内的CO的二次燃烧、废钢预热和向炉内增加热源等措施,炼钢的铁钢比就可以下降。降低铁钢比,提高废钢比的条件是:需要增加炉膛热量,减少热损失,以便有更多的剩余热量用于熔化废钢。废钢的能值仅为0.2MJ/kg,而铁水为23.8MJ/kg,所以提高废钢比是转炉节能的重要途径。提高废钢比可以通过以下方法来达到:
(1)二次燃烧氧枪:这种氧枪的下部与一般氧枪一样,不同之处是在距端头1000～2000mm处有数个小吹氧孔,此孔为副喷孔,它和垂线夹角是30～45°,与主喷孔采用两套供氧系统,以分别调节氧气的压力与流量。主喷孔的氧主要用于钢的冶炼。副喷孔的氧用于燃烧炉气中的CO,以增加炉膛的热量,同时能促进化渣。二次燃烧氧枪废钢比可提高4%～5%。
(2)加入固体含碳材料:转炉加固体含 碳材料是简单最有效地降低铁水消耗提高废钢比措施。常用的含碳材料有无烟煤、碎焦粒、贫煤等。最有效的方法是把煤和废钢一起压块,这样每加1kg煤,可多加4.7～5.0kg废钢,废钢比可提高6%～7%。加入固体含碳材料使铁水用量减少,煤气回收量增加,都可降低能耗。
(3)炉外预热废钢:炉外预热废钢的方法是在铁水罐中进行,铁水罐可以自动开启或关闭,在铁水罐盖上安装氧—燃烧嘴加热,通过调整燃料和氧气的比例,达到控制还原气氛的目的,当废钢达到一定温度后兑入铁水,再装入转炉。采用这种措施可使转炉多吃废钢20～30kg/t钢。
(4)提高废钢比最有前途的措施是使用氧燃喷枪、氧气—煤粉、氧气—天然气、氧气—煤气和氧气—焦炭的吹炼方法,这些办法能保证30%～100%的废钢正常吹炼。
2.2 提高原材料技术指标,降低辅助材料消耗
降低辅助材料的消耗,即降低载能体的非能源物质的消耗,也就是要降低炼钢生产的间接能耗。为了降低辅助原材料的消耗,必须提高其质量,即纯度要高,杂质含量要少,特别是有害元素含量要低,包钢所用原材料达不到设计标准。节约原材料,能够提高金属收得率,减少渣量,起到节能效果。
(1)主要造渣材料达不到设计标准:经化验活性石灰CaO含量62.25%,标准大于90%,相差27.75%;SiO2含量3.4%,标准小于0.5%;活性度172.5mL,标准大于350mL。轻烧白云石SiO2为7.22%,标准小于2.0%。包钢所用活性石灰为等外品,实测石灰耗量57.36kg/t钢,占铁水用量5.99%,一般石灰占铁水量6%～10%,吨钢石灰耗量趋于下限。活性石灰、轻烧白云石中SiO2每升高1%,将消耗2%～3%的CaO,因此造渣材料中SiO2含量增加,将使石灰消耗量增加,从而渣量增大,能耗升高,金属收得率下降。由于氧气转炉冶炼时间短,石灰必须很快溶解成渣,所以要求石灰具有较高的活性度。石灰在炉渣中与其它物质的反应耗量大于310mL才为活性石灰,从抽样化验结果看,有时达不到要求。采用优质石灰,可以缩短冶炼时间,提高炉龄,降低消耗,提高钢质量和节约能源。
(2)造渣溶剂达不到设计标准:萤石中CaF2含量29.75%,标准大于85%,远远达不到主成分要求。炼钢加入萤石作用是帮助石灰快速溶解,改善炉渣流动性,提高炉渣反应能力。经计算,在保证炉渣性能和正常吹炼前提下,每吨钢少用1kg萤石,可降低钢铁料消耗0.5kg,降低了能耗1.3kgce，降低成本0.3元。因此应选用CaF2含量大于85%优质萤石。
(3)铁合金和增碳剂达不到设计标准:铁合金和增碳剂能值都很高,价格也很昂贵,所以要特别注意节约。铁合金、增碳剂是炼钢生产必不可少的辅助原材料。实测分析:硅铁含硅71.56%,标准大于72%;锰铁含锰64.4%,标准大于65%,锰铁含磷0.412%,标准不大于0.4%;硅铝铁含铝36.13%,标准大于45%;焦炭灰份22.65%,标准不大于14%,焦炭固定碳75.84%,标准大于80%;主要成分达不到要求。降低铁合金的途径是:提高收得率,采用低能值的铁合金代替高能值铁合金,如用45号、65号代替75号硅铁等。
2.3 改进氧气转炉操作
2.3.1 改进生产组织管理,缩短冶炼时间
(1)缩短待钢时间:氧气转炉炼钢是由多操作工序组成的,每个工序中的操作时间都是固定的。因此各工序操作必须妥善安排,能交叉作业的尽可能交叉作业,以求得原料到产品消耗的时间最短,提高炼钢生产率。实测第一炉冶炼时间为35.67min,第二炉冶炼时间48.57min,第二炉比第一炉多用12.50min。第二炉冶炼时间长是由于等罐8min,第二炉比设计冶炼周期多6.57min。等罐8min造成热损失17.79MJ/t钢。在转炉生产中,加快生产节奏,缩短不必要的等待时间,可以改善转炉的经济指标。
(2)加强调度管理,减少空炉时间：转炉工序操作必须均衡和紧密衔接。测试中发现,炉子出完钢之后,有时不能及时兑铁水装料。如3482号在装料时就等铁水达6.21min,由于空炉待料造成炉膛温度由1528℃降到1283.5℃,降低244.5℃,大量热量白白散失。随着热量散失,炉衬表面温度下降,炉衬内部积存的热量就向表面传递。同时炉体表面散热及冷却水吸热增加。通过计算空炉待料散失热量损失为13.77MJ/t钢,可见空炉时散失热量是很大的。由于等罐及待料损失热量相当于1762.04kg钢水出炉带走的热量,能多吃废钢20.8kg/t钢。
(3)采用副枪动态控制,用副枪测温、定碳、取样及时校正吹炼,迅速达到终点。采用副枪每炉可缩短4min,并可提高炉龄。此外适当减少补吹次数,3356号吹氧二次,3482号吹氧三次。力争“一气吹成”合格的计划钢种。准确控制吹炼终点,提高冶炼命中率,也能起到一定节能效果。
2.3.2 提高铁水入炉温度
铁水带入物理热量为1313.96MJ/t钢,在热收入中占58.24%,采取措施提高铁水入炉温度,有利于提高废钢比,降低铁水消耗。本次测定铁水温度1282.5℃,此值较低。若铁水温度提高50℃,可多吃废钢20kg/t钢。采用高炉铁水罐时温降50～100℃/h。为了减少高炉铁水罐运输过程中降温,采用铁水罐加盖或加保温剂是有效的。另一措施增加混铁炉供热量、富氧燃烧、加强炉体保温也是提高铁水温度的切实可行措施。
2.3.3 炉渣再利用和扒掉铁水渣
(1)转炉炉渣量为120.68kg/t钢,一般是80～150kg/t钢。渣量每减少1%,钢铁料消耗降低5kg/t钢。钢渣带出的物理热量247.88MJ/t钢,炉渣占热支出11.31%。降低炉渣物理热量,首先要选用优质造渣材料及溶剂的质量,以上已阐述;其次钢渣重复利用即留渣操作。将一部分上一炉钢渣留在炉内,参与下一炉造渣。转炉炉渣碱度高、ΣFeO也高、熔点低,有大量物理热。转炉留渣操作可以显著加速下一炉初期渣形成,提高脱磷、脱硫能力,节省造渣活性石灰、轻烧白云石、萤石用量,提高炉子热效率。兑铁水时为了防止产生喷溅,可先在炉内加入一定量石灰,确保兑铁安全。留渣操作可使钢铁料下降3kg/t钢。
(2)兑铁前扒掉铁水渣:铁水渣为8.07kg/t钢,铁水渣带入物理热11.8MJ/t钢,若能进一步减少铁水渣量,对转炉冶炼很有意义。因为高炉渣的碱度低,1997年碱度平均为1.02,本次测试为0.36,而转炉渣碱度为3.0左右,实测为1.82～3.23。低碱度高炉渣进入转炉,要多加活性石灰,增大渣量,影响转炉操作指标,据资料报道,降低1%高炉渣,可降低钢铁料0.5%,少加石灰15kg/吨钢,节能4kgce/t钢。
2.4 氧气转炉炉气的回收利用
2.4.1 煤气显热和潜热
氧气转炉炼钢节能的主要措施之一是转炉煤气显热和潜热的回收利用。转炉煤气平均温度1355.6℃,炉气带走热量220.66MJ/t钢,占热支出9.78%,一般占热支出8%～10%。转炉应用汽化冷却器回收蒸汽,1997年平均回收8.90kgce/t钢。转炉煤气的生成主要是铁水中碳的氧化。此次取样化验分析,煤气平均成分为:CO:59.96%,CO2:14.31%,O2:1.4%,N224.33%。CO最高可达75.4%。按平均成分计算,热值7576.54KJ/m3,其发热量相当于3:7的焦高炉混合煤气,吨钢转炉煤气量105.36m3,潜热很大。
2.4.2 煤气用户
转炉煤气可以用于热电锅炉和大于2t/h的采暖锅炉掺烧。转炉煤气和焦炉煤气适当混合,可用于初轧均热炉、无缝环形炉、线材、棒材、带钢、轨梁加热炉;其它热工炉窑如:耐材隧道窑、机总锻造炉、干燥窑也可使用。
2.4.3 回收煤气后的工序能耗及效益
1997年转炉工序能耗平均27.60kgce/t钢,已达到原冶金部节能规定一等工序水平。按照每吨钢回收煤气70m3计算,可降低工序能耗18.10kgce/t钢,则转炉工序可达9.5kgce/t钢左右,就能达到转炉特等工序。若转炉煤气回收设备运行良好,工人具有较高的操作技术,煤气全部回收,则可降低工序能耗27.56kgce/t钢,那么包钢转炉也能实现“零能、负能”炼钢。转炉煤气全部回收后,5座转炉生产290万t钢,年回收7975×104tce,年可节约价值1869.87万元。包钢和未回收转炉煤气的18个冶金企业应增添回收设施,采用新技术装备,力争尽快建成投产。
2.5 采用新技术、新工艺
2.5.1 顶底复合吹炼技术
顶部吹氧加底部喷口吹入氧气或惰性气体,促进炉内钢水和钢渣之间平衡,减少喷溅,提高金属收得率,改善钢水成分和温度的均匀性,热效率可提高7%左右。
2.5.2 转炉少渣冶炼工艺。
随着钢厂铁水预处理投入之后,可采用少渣冶炼工艺。此工艺炉渣需要量很少,一般为常规渣量30kg/t钢左右,包钢炉渣量120.68kg/t钢。由于渣量少造成铁损失减少,铁的收得率可明显提高,造渣材料的用量可大幅度降低。
3 结 论 (1)转炉热测定、热衡算是考察转炉能量构成、分布、流向和利用水平的极其重要而行之有效的科学手段,是降低能源消耗的重要基础工作。通过热平衡工作可以进一步提高能源利用率,达到实现节能目的。
(2)在钢铁企业资金不足情况下,要重点抓好转炉精料方针和工艺操作。造渣材料、铁合金、增碳剂要求纯度高、杂质少,特别有害元素含量低。改进生产组织管理,减少待料、等罐时间,减少补吹,力争“一气吹成”合格钢种及提高铁水温度、扒掉铁水渣等措施。
(3)在资金允许情况下,要优先投入转炉煤气回收系统,同时考虑顶底复合吹炼、少渣冶炼等新技术。降低铁钢比,提高废钢比实质是增加炉膛热量、减少热损、多吃废钢。
(4)提出措施实施后,可降低工序能耗为27.6kgce/t钢以上,每年回收能源7975×104tce,年可节约价值约两千万元。
联系人；马彦珍，高级工程师，包头市(011010)包头钢铁集团公司能源管理处
作者单位：包头钢铁集团公司
参考文献
1 童晓钟.10种窑热平衡测定与计算方法.北京:冶金工业部,1983：4～15
2 韩至成.炼钢学.北京:冶金工业出版社,1979：2131～139
3 Anon.冶金企业煤气的生产与利用.北京:冶金工业部,1987：8～158 |
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