鐵包用氧燃槍加熱廢鋼的工藝研究與應用

張敬濤1  張徐清1  趙海飛2  劉飛2

 （沙鋼轉爐煉鋼廠，沙鋼鋼鐵研究院）

摘  要：沙鋼50t轉爐煉鋼車間通過設計在鐵水包中加3t廢鋼并用氧燃槍進行預熱，通過15min的煤氣加熱將廢鋼加熱至800℃以上，滿足出鐵、煉鋼要求，實現轉爐廢鋼比大幅度提升6%；在此基礎上進一步優化，制定最佳預熱工藝，預熱時間縮短至3min，降低煤氣能源消耗25m3/t、氧氣能源消耗60m3/t，平均預熱溫度500℃以上，對轉爐煉鋼的成本控制起到了顯著的作用。

關鍵詞：鐵包，氧燃槍，加熱廢鋼，廢鋼比

The research and application of scrap heating technology in ladle with oxygen burner

ZHANG xuqing1, HUANG zhuping1, ZHAOhaifei1, LIU fei2, ZOU changdong2

(1. Steelmaking Plant, Shasteel, Zhangjiagang, 215625, China;

2. Institute of Research of Iron and Steel, Shasteel, Zhangjiagang, 215625, China)

Abstract: scrap preheating in hot metal ladle by oxygen burner is designed in 50t converter steelmaking plant of Shasteel. About 3t scrap is heated to more than 800℃ in 15 minutes, which meets requirements of iron tapping and steelmaking ,and increases scrap ratio by 6%. Through further optimization, Optimum preheating technology is designed. Scrap is heated to more than 500℃ in 3 minutes, converter gas consumption is reduced by 25 m3/t and oxygen consumption is reduced by 60 m3/t. The technology has significant function on steelmaking cost control.

Key words: hot metal ladle, oxygen burner, heating scrap, scrap ratio

1前言

廢鋼是鋼鐵工業的綠色資源，提高廢鋼使用量是鋼鐵工業降低能耗、減少廢棄物排放的重要途徑。據悉，到2020年我國廢鋼鐵回收利用量將達到1.5億噸（不含自產廢鋼），廢鋼資源豐富、成本低廉的優勢逐漸突顯；為此，廢鋼加熱技術的研究和應用是目前轉爐煉鋼提升廢鋼比、降本增效的突破口。沙鋼有三座 50 t 轉爐，由于投產較早、爐容比小、廠房空間小、設備配置落后，通過雙料斗加料、加煤吹煉，過程控制難度大、成本高。沙鋼依據現有設備情況，通過設備整合利用、能源測算、實踐優化相結合，聯合開發了鐵包用氧燃槍加熱廢鋼系統設施，實踐優化后完全滿足該廠出鐵、轉爐冶煉工藝目標要求，實現了廢鋼比的穩步提升，達到了穩定產品質量、降本增效的目的。本文主要闡述鐵包加熱廢鋼系統的整體架構、設計及應用改進情況。

2 生產設備參數

2.1 生產設備結構

鐵包廢鋼烘烤設備結構主要包括：除塵系統、氧燃槍及升降系統、水冷裝置，稱重軌道運行裝置、PLC電器控制柜、能源介質裝置。

2.2 設備設計參數：

容    器：45t鐵水包（兌鐵后的紅包）；

介質管道：煤氣最高流量、壓力達到3000Nm3/h ，壓力：8000pa；氧氣最高流量、壓力達到900Nm3/h ，壓力：0.35Mpa；

氧燃槍：燃燒槍雙套管同時噴吹轉爐煤氣和氧氣對鐵包中廢鋼實施加熱；噴嘴加熱位置距廢鋼表面1.0m以上，噴射火焰長度1.5~1.8m。

廢鋼類型：單包2~4t；混雜可熱物少的鋼筋壓塊；

3廢鋼預熱計算模型

鐵包廢鋼預熱通過氧燃槍噴吹轉爐煤氣和氧氣，燃燒產生熱量加熱廢鋼。假設轉爐煤氣充分燃燒，則氧燃槍消耗煤氣所提供的熱量可根據公式1計算得出，

Q=V×q

式中Q表示煤氣燃燒釋放的熱量，V表示煤氣消耗體積，q表示煤氣熱值。

以氧燃槍噴吹15min預熱3t廢鋼計算廢鋼預熱后的溫度。過程消耗轉爐煤氣約375Nm3，轉爐煤氣熱值按7500kJ/Nm3，熱效率按50%，廢鋼固態比熱0.699 kJ/kg/K，廢鋼初始溫度按25℃，帶入計算可得，預熱后廢鋼溫度為696℃。

4 生產工藝優化

4.1生產實踐條件

由于鐵包作為重型容器，頻繁的吊運、轉運需要較多的時間，故討論設計在于鐵水裝卸同一跨的延伸預留區域，方便減少投資、吊運提升節奏等。該套加熱裝置于2017年12月底投入試驗，其運行工藝流程如下圖1 所示：

4.2 廢鋼預熱工藝優化

烘烤工藝優化主要對烘烤時間、煤氣和氧氣流量進行調節。初次試驗預熱時間設置為15分鐘，煤氣/氧氣消耗比例約為1.08，終點廢鋼平均溫度為833℃。經過跟蹤發現，對生產節奏影響較大，鐵水包調運速度無法滿足高爐出鐵和轉爐冶煉要求，加廢鋼預熱鐵包比例難以大幅提高，廢鋼加熱量也難以提高，對整體提升廢鋼比比例影響大。另外，部分鐵包在接鐵水過程出現鐵水沸騰現象，觀察發現預熱廢鋼的中心區域，氧燃槍火焰直接接觸的廢鋼部分熔化，甚至氧化可能是造成鐵水沸騰的主要原因。

根據第一次跟蹤試驗的結果，為提高廢鋼預熱比例，將原預熱工藝的預熱時間縮短為3分鐘。而針對部分廢鋼氧化導致接鐵水出現沸騰問題，將煤氣/氧氣消耗比例降低為2.5，并嚴控進場廢鋼銹蝕程度。工藝調整后，可實現全鐵包預熱上下銜接，廢鋼預熱比例提高明顯（見：表1），預熱后廢鋼平均溫度約518℃，未出現鐵水沸騰現象，鐵包中廢鋼熔化良好。兩次預熱工藝跟蹤結果如圖2所示，工藝優化后鐵水進入車間表面廢鋼融殘留情況如圖3所示。

表1：廢鋼加熱使用前后工藝指標對比

通過兩次鐵包廢鋼預熱工藝優化試驗，得到廢鋼預熱最合理的工藝參數如下：

（1）廢鋼類型：鋼筋壓塊，表面銹蝕較少；

（2）加入量：2t~4t；

（3）預熱方式：同時噴吹轉爐煤氣和氧氣的燃燒槍；

（4）預熱時間：3分鐘/包；

（5）氣體消耗：轉爐煤氣70Nm3/包，氧氣20Nm3/包。

4.3 溫度及成分變化

廢鋼預熱工藝穩定后，對廢鋼烘烤過程升溫進行進一步分析發現：轉爐煤氣熱值約7500kJ/Nm3，單次烘烤3min，消耗轉爐煤氣約70Nm3，理論產生熱量525000kJ。通過計算不同廢鋼裝入量條件下，該熱量可使廢鋼溫度升高數據如表2所示。而采用便攜式紅外測溫儀測量預熱后廢鋼實際溫度數據發現，廢鋼烘烤后溫度為400~700℃，平均約518℃（如圖4所示），與計算結果相比較高。分析主要原因為兌完鐵后鐵包自身余熱對廢鋼的加熱作用。

表2 不同廢鋼量烘烤升溫計算結果

在鐵包廢鋼預熱結束后，鐵包運至高爐接鐵水，運輸過程廢鋼溫度變化統計結果如表3所示。鐵水車轉運鐵包過程中，鐵包內預熱廢鋼的熱量主要以對流和輻射形式散失；鐵水車轉運鐵包過程中，鐵包內預熱廢鋼的溫降損失速率經統計約為4~5℃/min。

鐵水包接鐵水后，廢鋼全部融化進入鐵水并改變原鐵水溫度和成分。根據生產跟蹤數據，計算廢鋼混合鐵水，熔化后的成分和溫度如表4所示。計算結果表明，高爐鐵水熔化廢鋼2~3.5t預熱廢鋼后，鐵水溫降達到60~101℃。鐵水中C含量降低約0.2~0.35%，其他成分變化較小。

表4鐵包加廢鋼后鐵水成分及溫度理論計算

鐵水包運至車間，鐵水將再一次產生溫降。根據跟蹤統計結果，鐵水重量31.45~41.1t，預熱廢鋼重量1.5~3.1t，預熱溫度476℃，出鐵溫度1430~1495℃，將符合以上條件包次代入鐵水溫降模型計算鐵水到煉鋼車間溫度，鐵包從煉鋼車間運出至鐵水包運回車間過程，通過傳導、對流、輻射等方式鐵水散熱速度按0.6℃/min，結果如圖5所示。結果表明到煉鋼車間鐵水溫度模型計算值與實際值較吻合。鐵水實際溫度為1320~1400℃。

跟蹤不加廢鋼（16爐）、加預熱廢鋼（14爐）兩種工藝條件下，鐵水到煉鋼車間溫降情況，如圖7所示。結果表明，不加廢鋼、加預熱廢鋼兩種工藝條件下，鐵水到煉鋼車間平均溫度分別為1377℃、1355℃，溫降為92℃、117℃。與理論計算值相比，鐵水溫降均較大，分析原因為受鐵包運轉周期時間較長影響導致。

跟蹤加冷廢鋼和預熱廢鋼兩種工藝條件下鐵水的溫降變化情況，如圖7所示。根據鐵包運轉周期鐵水散熱速度0.6℃/min，排除鐵包運轉周期影響，加冷廢鋼和加預熱廢鋼兩種工藝條件下，鐵水到煉鋼車間平均溫降為84℃和72℃。鐵包廢鋼預熱工藝可減少鐵水溫降約12℃，對高廢鋼比條件下提高入爐鐵水溫度具有積極作用。

4.4 轉爐吹煉工藝優化

鐵包廢鋼預熱工藝技術應用后，煉鋼車間廢鋼比得到進一步提高，但與不加預熱廢鋼相比，新工藝條件下鐵水進煉鋼車間的溫度降低，并對轉爐終點鋼水溫度存在一定影響。根據統計，與原工藝相比，采用鐵包加廢鋼預熱（預熱3min）工藝后，轉爐終點溫度≥1660℃比例降低約8.6%，同時低于1620℃的爐次增加了8.4%（如圖8所示）。烘烤時間越短，轉爐出鋼鋼水溫度合格率越低。

由此可見，再采用廢鋼預熱工藝后，高廢鋼比導致轉爐冶煉熱量不足，難以達到冶煉工藝中的出鋼溫度目標。為提高轉爐吹煉重點鋼水溫度達標率，轉爐煉鋼三車間在吹煉過程中入發熱材料焦丁，增加鋼水熱源，提高出鋼鋼水溫度。

5經濟效益分析

5.1實踐效益測算

綜合生產實際跟蹤及理論值數據進行成本測算，在不包含設備投入費用的前提下，每預熱一包廢鋼，對應替換的等量鐵水，當爐噸鋼降本8.38元；

5.2 綜合盈虧比例測算

當鐵水與廢鋼單價比低于1.1:1時，單爐預熱3t廢鋼會產生虧損；否則，差價比越大，盈利越大。

6 結論

（1）制定鐵包廢鋼預熱工藝，鐵包廢鋼預熱時間3分鐘，轉爐煤氣70Nm3/包，氧氣20Nm3/包，廢鋼預熱后溫度可達到400~700℃，平均約518℃。

（2）經計算高爐鐵水熔化廢鋼2~3.5t預熱廢鋼后，鐵水溫降達到60~101℃，鐵水實際到轉爐車間溫度為1320~1400℃。鐵水中C含量降低約0.2~0.35%，其他成分變化較小。

（3）鐵包廢鋼預熱工藝可減少鐵水溫降約12℃，對高廢鋼比條件下提高入爐鐵水溫度具有積極作用。

（4）制定焦丁加入制度，解決轉爐熱源不足問題，減小長時間拉碳升溫，可降低鋼水過氧化，防止爐渣泡沫化。

參考文獻

[1] 林瑞泰.熱傳導理論與方法.天津.天津大學出版社

[2] 陳家祥.煉鋼常用圖表數據手冊.北京.冶金工業出版社