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日本高级钢冶炼环保技术

发布时间:08-25  

日本是世界先进的钢铁生产国家,其在炼钢方面存在的矛盾问题是,一方面采用大型设备进行大批量生产来提高生产效率,另一方面为满足产品高级化、多品种化需求,不得不降低生产效率和增加能源消耗。以京都议定书为代表的CO2减排、减少能耗、节省资源等全球性的环保要求不断高涨,在这种情况下,钢铁业需要研究根本性对策以实现低环境负荷生产。日本住友金属和歌山钢厂在高级钢冶炼环保技术方面开发出良好工艺,现介绍如下。



1?炉渣、粉尘的循环利用技术



1.1?炉渣循环利用



在传统转炉精炼法中,由于脱磷能力小,所以要投入大量的脱磷剂,因此产生大量的炉渣,排出的炉渣废弃物增加了环境负荷。虽然炉渣可以在土建工程和路基建设中得到循环利用。但是由于炉渣的市场需求量不断变化,所以对炉渣发生量的控制就成为一个急需解决的问题。对流精炼法由于利用顶底吹转炉分别进行脱碳和脱磷精炼,所以可以实现脱磷处理条件的最佳化,并且脱碳处理使用完的精炼剂可以在脱磷处理中进行再利用,所以渣量大幅度减少。对流精炼法由于精炼剂再利用和脱磷处理条件最佳化,使炉渣的发生量从97kg/t钢下降到52kg/t钢,渣量约减少了一半。



1.2?粉尘循环利用



在钢铁厂的产品制造过程中会产生镀锌废钢,为在厂内将这些被锌污染的废钢处理掉,就将这些废钢作为转炉的钢铁料使用。因此,转炉吹炼中产生的粉尘含Zn。由于转炉产生的粉尘量很大,分离回收Zn的成本很高,所以不得不采用填埋方法处理含Zn粉尘,但这种方法增加了环境负荷。



由于脱磷反应比脱碳反应的温度低,供氧速度小,所以烟尘中Zn损失小。因此,在进行脱磷处理时投入含Zn废钢,就可以生成少量高浓度含Zn粉尘。这样,就比较容易从回收粉尘中分离出Zn。对流精炼法利用粉尘集尘装置回收少量高浓度含Zn粉尘,再利用回转窑将粗锌和铁粉进行分离,将粗锌销售给锌精炼厂做原料,铁粉用作厂内高炉的炼铁原料。经过这样的处理,在脱碳时就可以不使用含Zn废钢,产生的全部粉尘都被高炉作为炼铁原料再利用。?因此,本开发工艺将过去作为废弃物处理的粉尘进行资源化循环利用。过去的传统工艺生产1吨钢要填埋11kg的含Zn粉尘,现在粉尘废弃量变为零。?



2?快速脱碳吹炼技术



2.1?高速供氧技术



转炉脱碳处理对转炉的生产能力有很大影响。因此,有必要提高脱碳处理所需氧气的供氧速度。以前,转炉冶炼前的铁水预处理能力小,需要在转炉上进行脱磷,由于考虑到熔渣飞溅等问题,提高供氧速度有很大困难。



对流精炼法采用专用转炉进行脱磷处理,脱碳炉不进行脱磷处理,因此脱碳炉精炼剂用量达到最小化程度,供氧速度就可以提高。但是又出现了一个新问题,由于脱碳炉精炼剂用量少,吹入转炉内的高速氧气射流冲击到铁水表面产生大量铁粒飞溅,即发生严重的喷溅现象。为解决这个问题开发出可以抑制喷溅现象的新型氧枪。传统氧枪枪头有排列成与枪头圆周成同心圆的4-6个直径相同、倾角相同的喷嘴,这种氧枪吹入的氧气射流会发生相互干扰,导致大量铁水颗粒飞溅。基于对传统氧枪问题的分析,新开发的氧枪枪头是由不同直径、不同倾角呈插花式排列的喷嘴构成的。这种喷嘴的配置避免了氧气射流的互相干扰,最大限度地降低了铁水的喷溅量。



随着铁水液面上射流重叠率的减少,喷溅量以指数关系下降。此外,还对新型氧枪高、低倾角喷嘴的直径比与喷溅量的关系进行了研究,实验是在水力模型装置和2t实验转炉中进行的。高倾角喷嘴直径和低倾角喷嘴直径,并将D2/D1=1时的喷溅量作为基准值,对喷溅量进行了指数化处理。



上述的实验结果在实验转炉上也得到了验证,随后这种新型氧枪很快在转炉生产上得到应用。结果表明,即使在5.0Nm3/min的高速供氧条件下,也未出现铁水颗粒附着在氧枪和炉体引起的操作故障。传统转炉法的脱碳吹炼时间约为20min,和歌山新钢厂脱碳炉的吹炼时间缩短到9min。



2.2?高速吹炼控制技术



由于提高供氧速度缩短了吹炼时间,相应地要求缩短吹炼终点温度和终点碳含量的控制时间。



在传统方法中,用副枪测定吹炼终点温度和终点碳含量,因此要进行取样,然后根据取样测定的温度和[C]进行数学模型计算,根据计算结果停止吹炼。吹炼停止后再次用副枪测定温度和[C],合格后出钢。在出钢的最初阶段要根据吹炼时取样分析的[P]分析值,进行是否继续出钢的判断。为完成这些操作,必须在吹炼结束前约120s,进行吹炼末期的副枪取样测定。吹炼结束前约120s,对于吹炼时间为20min的传统吹炼来说相当于完成了90%的吹炼过程,而对于吹炼时间为9min的高速吹炼来说相当于完成78%的吹炼过程。因此,在高速吹炼情况下,采用传统控制方法必然会大大增加脱碳量模型预测值的误差。



基于这种分析,开发出适用于高速吹炼的改进型控制方法。在改进型控制方法中,由于采用[C]和温度预测的动态模型,提高了预测的准确性,可以省略吹炼结束时[C]和温度的测定。此外,由于铁水脱磷的稳定性,不必通过取样分析判断是否继续出钢,可以使吹炼中副枪的动态测定时间接近吹炼过程的90%,即在吹炼结束前约60s完成。



在传统模型中,吹炼末期过氧化渣中的[O]含量和钢水中的[C]含量,是没有考虑出钢结束之前脱碳量的值,因此,出钢后钢中[C]含量的预测值有波动。在新开发方法的副枪测定时,除了进行传统的碳浓度和温度测定,还可以测定熔渣中的氧浓度,并将熔渣氧浓度输送给动态模型,因此,提高了出钢结束时钢中[C]含量的预测准确性。



2.3?脱碳炉的处理周期时间



由于采用了上述的高速供氧技术和高速吹炼技术,和歌山新炼钢厂脱碳炉的处理周期时间为20min,其中,送入铁水4min、吹炼9min、出钢5min、放渣和补炉2min。



3?多功能二次精炼法



转炉脱碳吹炼后钢水的硫含量虽然已经降到30ppm,但是高纯度钢(高性能油井管)对硫含量的要求是10ppm以下,最好是5ppm以下。为达到这种要求,传统的做法是,转炉出钢后在钢包内进行脱硫处理。处理方法是,将喷枪深入钢水中,利用Ar气从喷枪口将脱硫剂吹入钢水进行脱硫。由于粉状脱硫剂陷入Ar气气泡内,所以不能保证钢水和脱硫剂之间有足够的脱硫反应面积,影响了脱硫速度的提高,因此要投入大量脱硫剂。由于脱硫后要进行脱气处理,所以,必须在脱硫后将大量的脱硫渣排出。这样就增加了脱硫时间,并且钢水温度降低造成能量的损失。此外,由于是在大气压条件下进行搅拌操作,大气中的氮会溶入钢中,这样,也会对钢材性能产生不利影响。为解决传统方法中存在的这些问题,实现高效率生产低氮低硫钢,开发出多功能二次精炼法。这种精炼法是在真空条件下进行,对钢水处理的主工序RH炉附加了脱硫功能,使脱气和脱硫在同一个工序完成,实现工艺流程的紧凑化。???



RH附加脱硫功能采用的不是从钢水内部输入,而是从炉子上面将脱硫剂吹入钢水表面的方法。被吹入的脱硫剂接触到真空条件下的钢水面后在进入钢水内部时,不会陷入Ar气气泡内,从而保证了足够的脱硫反应面积,大大提高了脱硫速度,可以实现很低的终点硫含量。由于脱硫剂用量很少,所以脱硫后不需要进行物理除渣操作,因此温度下降少,热能损失小。



过去曾认为,在真空条件下顶吹粉剂会被真空排气泵吸走,不能发挥有效的作用。但RH附加脱硫法开发的喷粉技术对喷枪的喷嘴形状进行了改造,使粉剂和粉剂载体形成强力射流,可以无损失地将粉剂吹到钢水表面。实验证明,顶吹粉剂的方法可以达到高纯度钢的硫、氮含量要求,从而可以冶炼高级钢,且热能损失也降低到传统方法的1/2。

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