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    科學技術論文

    電爐煉鋼鋼鐵原料的現狀分析與展望

    時間:2021年08月25日 所屬分類:科學技術論文 點擊次數:

    摘要:電爐煉鋼作為短流程的核心工藝,其具有鐵元素循環利用率高、能源消耗低及環境效益良好的特點,推動電爐煉鋼健康發展符合我國實現碳達峰、碳中和目標對鋼鐵綠色發展的要求。其入爐的鋼鐵原料種類較轉爐多、且結構靈活,并且對電爐冶煉的工藝過程控制有

      摘要:電爐煉鋼作為短流程的核心工藝,其具有鐵元素循環利用率高、能源消耗低及環境效益良好的特點,推動電爐煉鋼健康發展符合我國實現碳達峰、碳中和目標對鋼鐵綠色發展的要求。其入爐的鋼鐵原料種類較轉爐多、且結構靈活,并且對電爐冶煉的工藝過程控制有直接的影響。為創造充分挖掘和發揮電爐煉鋼優勢的良好起始條件,針對目前電爐煉鋼的主要入爐鋼鐵原料的情況和特點,從其生產儲備、工藝過程操作、能源消耗、環境保護等方面入手,分析了廢鋼、鐵水和直接還原鐵作為主要原料的使用現狀及優缺點,并著重對比分析了直接還原球團特點和技術指標,為探究和優化合理的電爐煉鋼入爐鋼鐵原料結構提供了理論依據。從資源消耗,環境保護等方面考慮,廢鋼和直接還原球團將成為今后短流程煉鋼的主要原料。結合鋼鐵循環利用技術和產業專業化的逐漸成熟,以及更加綠色環保的氫冶金技術的發展,廢鋼綜合回收利用技術,高品位潔凈球團生產技術,氫氣豎爐直接還原技術將會是未來電爐入爐鋼鐵原料生產技術的發展方向,配套新型高效智能電弧爐冶煉技術將會是未來短流程的發展方向。

      關鍵詞:電爐煉鋼;廢鋼;鐵水;直接還原鐵;潔凈球團;氫冶金

    鋼鐵論文

      電爐煉鋼作為煉鋼工藝的主要工藝之一,較轉爐煉鋼有著不可替代的優勢。其設備簡單、工藝布置緊湊、流程短,占地面積小、投資少、建設周期短;廢鋼利用率高,資源消耗小,三廢排放少,對環境友好。近些年,大型新型電爐,如超高功率、高阻抗、連續加料,廢鋼預熱等裝備水平和技術的發展,使得電爐的優勢更加突出,冶煉的鋼種與轉爐的差距越來越小,并且在某些鋼種的冶煉上比轉爐更具優勢[1,2]。

      鋼鐵論文范例: 鋼鐵行業成本預算系統開發應用實踐

      尤其是電爐發展與爐外精煉和連鑄連軋技術的配套完善和統籌銜接,自動化電爐煉鋼技術已經形成,并向更先進的智能化方向發展。從全流程來看,電爐煉鋼比轉爐煉鋼對一次性能源的消耗更小,環境效益更好,更符合綠色循環經濟發展的理念,發展綠色鋼鐵的道路。較轉爐工藝入爐鋼鐵原料為鐵水、廢鋼、少量生鐵塊和球團,電爐煉鋼的主要入爐鋼鐵原料種類多,包括廢鋼、生鐵、直接還原鐵、鐵水、碳化鐵、脫碳粒鐵和復合金屬料[1],電爐鋼鐵原料對電爐冶煉的操作有重要的影響,其成本占總成本的80%以上,對冶煉成本控制起主導作用[3],其中主要入爐原料為廢鋼、直接還原鐵和鐵水。發達國家廢鋼資源豐富,基本可采用全廢鋼冶煉,如美國;天然氣豐富的國家多采用直接還原鐵,如中東地區國家;而中國采用了大量的鐵水。

      1廢鋼使用現狀分析

      廢鋼是鋼鐵材料的回收再生資源,是電爐煉鋼生產不可缺少的原料。煉鋼過程加入廢鋼有利于減少噸鋼鋼鐵料的消耗,增加產能。廢鋼質量的好壞和成本高低直接影響了企業的生產效率和技術經濟效益。

      1.1廢鋼分類

      廢鋼按照來源大致可分為廠內自循環廢鋼和外購的廢鋼。廠內自循環廢鋼主要有鑄余、坯頭、軋鋼廢料以及渣鋼,該部分廢鋼可在產生的源頭進行標識和分類,受控條件好,質量穩定。外購廢鋼多為他廠工廠廢鋼、社會廢鋼、折舊廢鋼、二次加工廢鋼等,成分、尺寸、形狀差異大,質量不穩定,管理和控制難度大。對于該部分廢鋼的管理,應設經過專業培訓的專人進行監督、檢驗和管理,形成標準化廢鋼回收、加工、分類、配送一體化的產業[5~7],近幾年在國家政策支持下,廢鋼的回收加工產業發展迅速。

      1.2廢鋼管理

      按照企業生產管理的需要,采用分類細化的管理模式,人工智能+人工分揀。在初步分類的同時,還應盡量根據廢鋼的用途,初步判斷廢鋼中所含貴重合金元素,以便合理地最大化地利用廢鋼中的合金元素,節約合金成本。比如,安鋼采取的“廢鋼基地采購模式+數據量化驗收新思路”方式,將廢鋼分為工廠廢鋼、拆船料、社會廢鋼、破碎料、打包塊、小料、帶渣廢鋼7大品種,每個品種再根據尺寸、厚度、直徑的不同細分等級[8]。

      此外,比如,山東鋼鐵萊蕪分公司對入爐的廢鋼做出了明確的技術要求,分類回收、加工、存放、成份清晰;保證鋼鐵料的純度、塊度、密度、清潔度;消除鋼鐵料的合金元素、有色金屬、易燃易爆物品、非金屬夾雜、異品種等有害物[9]。此外,中國由于廢鋼資源的緊張,遠不能滿足國內企業的需求,不得不通過進口廢鋼填補空白。但是,由于各國的限制措施,進口廢鋼多是汽車廢鋼、輕廢鋼、打包料,機械廢鋼、重廢鋼比例很低,很難滿足電爐生產優質鋼、純凈鋼的需要[10]。

      1.3廢鋼熔煉之優勢

      與用鐵礦石相比,用廢鋼生產1t鋼大約可節約鐵礦石1.65t,能源消耗降低350kg,標準煤CO2排放減少近2/3,廢氣排放量減少80%、廢水排放量減少76%和廢渣排放量減少97%,可見,廢鋼的綜合利用對中國鋼鐵企業的轉型升級和綠色發展具有十分重要的意義[4,11]。采用全廢鋼熔煉時,入爐鋼鐵原料中配入的磷含量達到最低水平,對于脫磷能力較弱的電弧爐,大大緩解了其脫磷壓力。同時對鋼水中硫含量的控制也有一定的優勢,后續精煉工序脫硫壓力也可大幅減小[12]。此外,廢鋼中含有豐富的合金元素,可以更好地進行二次回收利用,尤其是貴重的鈮、鉬等合金元素。

      1.4廢鋼熔煉之不足

      高廢鋼比或全廢鋼配料模式下,熔池中碳含量很低,冶煉前期難以短時間形成泡沫渣,不能埋弧操作,致使電弧外露,熱量損失大,還會影響耐材使用壽命。在無泡沫渣的情況下,供電和大量吹氧,導致大量鐵元素氧化和蒸發,鐵損增加[13]。在配料的計算時,需要配入一定比例的含碳原料,常用的有生鐵塊、石墨壓塊等。并且要在冶煉過程中,結合供氧曲線和爐內反應,強化噴吹碳粉的操作,增加了工藝過程控制的變量。

      同時,由于廢鋼的多次回收循環利用,一些冶煉過程中難以去除或者無法去除的殘留元素會不斷地富集,比如,鉛(Pb)、錫(Sn)、砷(As)、銻(Sb)和鉍(Bi)等會對鋼材的性能產生嚴重的危害。不合理或不夠精細的廢鋼分類管理,極易造成一些特殊的高質量鋼的殘留元素的超標。因此,對于電爐煉鋼,廢鋼的管理和入爐配料就尤為重要。

      2鐵水使用現狀分析

      電爐熱裝鐵水煉鋼工藝是中國冶金工作者對現代電爐煉鋼技術發展的貢獻[14],是電爐冶煉的一項全新的技術。該技術是由于我國廢鋼資源不足,而采取的一種替代性的工藝技術。

      2.1熱裝鐵水之優勢

      熱裝鐵水可以帶入大量的物理熱和化學熱,縮短熔池形成時間,提前大功率供電的時機,顯著降低冶煉電耗,縮短冶煉時間,提高生產效率,降低成生產成本。鐵水的碳含量較高,脫碳沸騰有利于泡沫渣的形成,可以盡早實現埋弧,降低電離導致的鋼水中的氮含量,同時沸騰攪拌熔池有利于去除夾雜物和有害氣體。此外,低含量有害殘留元素的鐵水,可以很好地中和廢鋼中富集的殘留元素,具有冶煉高潔凈度鋼種的條件。

      2.2熱裝鐵水之不足

      鐵水熱裝工藝,也有其明顯的缺點。因鐵水含碳量高,高比例的熱裝鐵水,會增加電爐的脫碳負荷,延長冶煉時間。同時,鐵水中的磷含量也高,增加了脫磷的任務。電爐冶煉脫磷的熱力學和動力學條件都不如轉爐好,并且冶煉過程中熔池的溫度主要受化學熱的控制,會導致脫磷反應不易控制,冶煉低磷鋼(成品W(P)≤0.01%)難度大[15]。由于現代新型電爐的功能較傳統電爐的功能單一,取消了冶煉的還原期,將還原脫硫的功能轉移到了LF進行,因此,大比例熱裝鐵水,也會增加電爐的脫硫負荷。該工藝從熱量帶入的角度,熱裝比例越高電耗降低越多,但實際生產中并非如此,而是呈現出先低后高的規律性變化,熱裝比例與電耗存在一個最佳值。隨著熱裝比例的提高,供電時間縮短,冶煉所需電能降低。

      但與此同時,鐵水帶入的碳含量增加,吹氧脫碳時間相應延長。當吹氧脫碳時間超過有效供電時間時,吹氧脫碳時間將決定冶煉周期,此時熱裝比例即為冶煉周期拐點。繼續提高熱裝比例,冶煉周期延長,供電時間延長,熱量的耗散增加,電耗上升。受廢鋼資源等因素的影響,部分企業的鐵水熱裝比例高達70%~89%,從而出現了“電轉爐”的操作,例如,韶鋼、鄂鋼[16]。但從煉鋼全流程角度來看,綜合成本和其他方面的影響因素,必然存在一個合理的熱裝比例范圍值。眾多研究人員認為鐵水熱裝比例在30%~60%區間內,可提高生產效率,實現經濟效益最大化[17]。熱裝鐵水的比例受原料條件、爐型和容量、配套裝備、生產節奏等多種因素的影響[18]。

      各種輸入條件相互之間合理地匹配,才能保證冶煉過程中爐內鋼水碳含量控制在合理范圍內[19],實現過程控制操作平穩,各生產單位應結合自身的條件確定最優熱裝比例。比如,三寶鋼鐵根據生產經驗,70和90t電爐利用鐵水溫度約為1250℃,碳質量分數為3.5%~4.0%,硅質量分數為0.35%~0.5%,熱裝比例為30%~35%,冶煉電耗最低(約為130kW·h),周期最短(縮短冶煉時間約10min)[20]。

      3直接還原鐵使用現狀分析

      鐵的直接還原是指不經過在高爐或其他熔化過程的熔化階段,在固相中直接從氧化物(主要以塊礦或球團的形式)還原生成鐵的冶金過程,該生產工藝得到的主要含鐵產品具有蜂窩狀結構和微小的孔隙,因此,通常被稱為海綿鐵或直接還原鐵或金屬化鐵[21]。

      3.1海綿鐵、熱壓塊和冷壓塊

      直接還原鐵的種類包括海綿鐵(DRI)、熱壓塊(HBI)和冷壓塊。高金屬化率的直接還原鐵具有更好的冶金性能,比如,AntaraSteelMills公司的MIDREX生產的熱壓塊年平均金屬化率高達93.49%,卡塔爾鋼鐵公司生產的冷態直接還原鐵年平均金屬化率高達94.70%,TenarisSiderca生產的直接還原鐵年平均金屬化率高達95.40%[22]。

      直接還原鐵作為廢鋼不足的替代品,其在生產工藝中直接配加的比例一般為20%~70%,根據電爐裝備和生產工藝情況而異,但在某些國家和地區也采用全直接還原鐵冶煉工藝。目前,全球范圍內主要的電爐煉鋼流程,廢鋼和直接還原鐵的配加比例一般為50%~70%和50%~30%[23]。在生產海綿鐵的原料中,與塊礦相比,球團主要是由鐵精粉和其他含鐵物料造球、焙燒而成,球團原料廣,可充分利用通過選礦去除雜質和有害元素的低品位礦、尾礦,同時還可綜合利用其他含鐵物料。

      3.2直接還原鐵之優勢

      在冶煉優質鋼方面,采用直接還原鐵與采用鐵水工藝,在碳含量高、形成泡沫渣早、冶煉過程熔池活躍等方面有相同的優勢,且有害元素含量比鐵水更低,不會造成殘余元素的富集。綜合鐵前生產,成本更低,污染物排放水平更低。碳含量可隨生產需求調整,調整范圍為1.0%~3.5%,從而可以滿足不同電弧爐的需要[24]。同時,低硫含量的直接還原鐵與廢鋼冶煉相比,鋼水中硫含量的控制效果更好。

      直接還原鐵的塊度小且均勻,更利于爐料預熱,自動加料,減少供電中斷時間和熱量損失,提高電能利用率[1,14],縮短冶煉時間,提高產量。球團具有品位高,雜質少,粒度小而均勻,且冷態強度和抗壓強度好的特點,利于在氣固還原過程中爐內的透氣性和氣流的均勻分布,同時,在電爐冶煉方面具有低渣料消耗、低渣量、低電耗的優勢。

      且隨著高品位鐵礦石儲量的減少和價格的上漲,球團的優勢逐漸凸顯。電弧爐采用球團入爐,可根據自身生產技術特點,適當靈活調整球團的冶金性能和技術參數。同時,其生產過程資源消耗強度較高爐小,污染物的排放少,更適合綠色鋼鐵之路的發展。通過熱料輸送和熱裝(通常溫度為500~700℃)入爐,噸鋼節約電能60~80kW·h,進一步提高熱能利用率,降低生產成本。其熱料輸送和熱裝的方法不盡相同,例如,印度Assar公司使用的保溫罐法;墨西哥HYL公司的氣體管道輸送法(Hytemp技術);德國Aumund公司的熱輸送機法(Aumund法)等[25]。

      3.3直接還原鐵之不足

      直接還原鐵的缺點是含有一些未還原的鐵的氧化物和脈石,冶煉渣量大,若使用酸性脈石(Al2O3+SiO2)含量特別高的直接還原鐵,渣量會高達300~400kg/t[26],熱量損失多,電耗增加。冶煉過程中,連續加入直接還原鐵時,由于其密度小,加入速度過快有可能導致冷態直接還原鐵局部富集,漂浮在鋼液熔池表面形成堆積現象,也稱為“冰山現象”。造成工藝過程控制和操作的難度增加,同時還會影響電爐耐材使用壽命。

      此外,直接還原鐵成品容易氧化,不利于長期保存和長距離運輸。生產塊狀直接還原鐵和高品位高質量的球團對礦石的品味要求較高,同時要求有豐富的還原性氣體的資源。氣基直接還原工藝采用天然氣作為主要還原氣體,煤基直接還原工藝采用煤制煤氣作為主要還原氣體,而工藝較氣基直接還原復雜,能耗也高于以天然氣為還原劑的氣基直接還原[27]。顯然在現階段技術條件下,中國大規模發展直接還原鐵技術,不具備明顯的優勢。中東國家某鋼鐵企業根據當地原料條件供應情況及本企業生產控制技術水平,確定了5種原料入爐比例。隨著直接還原鐵裝入比例的降低和廢鋼比例的提高,爐內的反應趨于平緩穩定,氧化期劇烈的沸騰現象減少,并且持續時間縮短。

      渣料消耗降低,渣量減少,但直接還原鐵熱送熱裝的比例降低,電耗和熱損失增加。依據該企業的實際情況,結合電爐電氣、機械等設備參數特點,生產實踐驗證,在裝料模式三和模式四下,先集中加入廢鋼,后保持100%直接還原鐵的連續加入冶煉工藝有利于電爐操作。既能調整優化廢鋼的配料,減少頻繁斷電加料,又能較大限度地進行直接還原鐵的熱送熱裝操作,并且還能實現與后道工序的良好匹配。但也有企業,控制入爐原料中的廢鋼比不超過35%,盡可能多采用直接還原鐵。

      4其他鋼鐵原料

      電爐入爐的鋼鐵原料除廢鋼、鐵水和直接還原鐵之外,還有包括一些少量的其它入爐鋼鐵原料,比如,生鐵塊、脫碳粒鐵、碳化鐵、復合金屬料等[1,10,14]。其多作為優化入爐原料結構配比和冶煉過程控制的調節劑。生鐵多來源于高爐,通常情況下,當高爐供應鐵水量大于煉鋼消耗鐵時,會將富余的鐵水通過鑄鐵機澆注成生鐵塊。相對于廢鋼而言,生鐵塊除物理熱外,與鐵水的特點相同。

      但對于電爐煉鋼,生鐵塊只是全廢鋼冶煉提高爐料配碳量時,或者廢鋼不足時作為廢鋼的補充。其配入量通常為10%~25%,最高不應超過35%,一般不作為主要的電爐煉鋼的鋼鐵料。脫碳粒鐵又稱脫碳;F,是用高壓水直接淬化高爐鐵水,生成粒度為3~10mm的生鐵粒,其成分與鐵水和生鐵塊特點相同,但是由于其粒度小,表面增加了少量的FeO,加入電爐后有利于泡沫渣的形成。

      電爐煉鋼配加生鐵塊,雖能提高生產,降低消耗,但由于其主要來源于高爐,其存在明顯的溫度反復和能量耗散損失,而且從全流程來看,在節能和環保方面都體現不出電爐工藝的優勢,脫碳粒鐵亦是如此。碳化鐵是以礦石或者精粉,通過與工業氣體反應而生成。由于其含碳量較高,可以替代炭粉噴吹入爐,不僅能起到炭粉噴入的造泡沫渣、增加熱量的作用,還減少了噴吹炭粉帶入的硫等雜質,同時降低鋼中氮含量。

      復合金屬料以鐵水配加燒結礦、球團礦冷卻復合形成。其雖然在電爐冶煉中能起到一些積極的作用,但提高了生產成本,也浪費了一些金屬元素,致使缺點也很明顯。上述含鐵原料經試驗、生產證明可以作為電弧爐煉鋼的原料,但由于與其他入爐原料相比優勢不明顯,加之生產工序、生產成本、生產實踐和經驗影響,在現實生產中應用很少。

      5總結與展望

      廢鋼的短缺,鐵水的環境不經濟性,直接還原鐵的低速發展,入爐鋼鐵原料是制約我國電爐發展的主要因素。隨著我國基礎建設的完善,工業化水平的發展,我國的鋼鐵材料將逐步實現循環利用。按照鋼鐵8~30年的平均循環周期,目前我國廢鋼的循環率正在上升期。未來幾年,廢鋼的價格將會逐漸降低并趨于合理的水平,廢鋼占煉鋼入爐原料的比例將會提高,廢鋼的分類管理和綜合回收利用技術也會成為鋼鐵行業的熱點,同時也會催生廢鋼回收和分類管理的專業化工序或企業。按照當前人類對鐵礦石資源的開發和利用的強度,高品位的富礦越來越少,低品位礦、尾礦和其他含鐵原料將成為主要的鋼鐵原料,為保證潔凈鋼生產的需求,其綜合利用將成為新的研究課題。具有良好冶金性能的球團將成為電爐煉鋼主要的潔凈原料。

      頁巖氣開發技術逐漸成熟,可燃冰利用技術突破和氫冶金技術的發展,氣基豎爐直接還原工藝將更具優勢,并助力潔凈冶煉的綠色鋼鐵走向新的高度。高品位潔凈球團生產技術與氫氣豎爐直接還原技術的結合,將會是電爐煉鋼潔凈原料重要方向;趪姨歼_峰、碳中和政策,對綠色高效鋼鐵企業的發展理念和要求。廢鋼綜合回收利用技術,高品位潔凈球團生產技術,氫氣豎爐直接還原技術將會是未來電爐入爐鋼鐵原料生產技術的發展方向,配套新型高效智能電弧爐冶煉技術將會是未來短流程的發展方向。

      參考文獻:

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      [2]朱榮,吳學濤,魏光升.電弧爐煉鋼綠色及智能化技術進展[J].鋼鐵,2019,54(8):9.(ZHURong,WUXue-tao,WEIGuang-sheng,etal.Developmentofgreenandintelligenttechnologiesinelectricarcfurnancesteelmankingprocess[J].IronandSteel,2019,54(8):9.)

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      作者:吳耀光1,肖步慶2,朱立光3,王雁4,5

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