（有色金属冶金专业论文）不锈钢电弧炉粉尘处理的基础理论及工艺研究.pdf

# _ - _ _ _ _ _ _ - 主堕三些查兰竖主堂垡丝兰一 摘要 电弧炉粉尘为炼钢过程产出的有害废物，在系统分析和掌握不锈钢电弧炉粉尘物理 和化学特性基础上提出了粉尘的处理方案。不宜回收的粉尘可固化处理以保护环境，适 宜回收的粉尘采用直接还原法处理，并在实验研究和理论分析基础上确定了整个处理过 程的工艺。 电弧炉粉尘与普通粘土以i ：1 混合，在回转窑中加热至1 1 5 0 。c 煅烧1 5 分钟，固化 产物稳定可通过环保标准浸出试验。 釉粒t 序是直接还原工艺的第一步，球团强度对整个有价金属回收过程十分重要， 采用白云石作为粘结剂制粒虽适应于电弧炉冶炼的造渣但强度太低，采用p o l y b i n d e r g 3 0 0 作为粘结剂制粒虽不含硫且能获得高强度球团但价格昂贵，因此选择木质磺酸钙 采用圆盘制粒机制粒卮在低，于1 7 0 。c 下干燥，经计算热力学研究和模拟电弧炉冶炼实验 证实可控制钢中含硫。f 为保证处理过程的经济性，还原过程首先是依靠球团中配入的碳作还原剂进行，分 别进行了等温和非等温动力学研究以探讨还原过程的机理。f 等温还原过程分为两个阶段 ，初期还原过程由化学反应控制，动力学方程为1 一( 1 一ni 3 = ( 0 4 c n + 1 0 ) e - 2 1 6 9 0 r t t ，后期还原过程由c o 和c 0 ：扩散通过还原产物层所控制，为一典型的收缩核模型，动 力学方程为1 一( 2 3 ) f 一( 1 一f ) 2 3 = 89 9 e 。7 “”t ，选择球团含碳量1 5 一2 0 为 宜。非等温还原研究显示电弧炉粉尘球团的还原分三步完成，第一步由化学反应控制， 动力学方程为l 一( 1 一f ) ”3 = 2 9 2 3 e “”t ，第二步由c o 和c o z 在还原产物中的扩散控 制，动力学方程为1 2 f 3 一( 1 0 2 “= 1 2 7 7 3 e 1 ”6 ”7 r t t ，第三步取决于含碳量和温度条件 ，动力学方程为l n ( 1 - f ) = 一9 1 7 8 e 1 ”2 ”7 r t t 。铬氧化物的还原较困难并要求较高的温度 和较多的还原剂碳且只能在还原过程的第三步进行。仅仅依靠碳很难将粉尘中的铬完全 还原，部分铬将以氧化物的形式存在于渣中，采用金属还原剂可将其从炉渣中还原进入 钢液，计算热力学研究分析了铬在不同条件下于钢与渣中的分配关系。工艺过程研究证 实了以上两步还原是可行的，镍和铁可近1 0 0 地回收，铬的回收虽较困难但也能达8 0 以上，并分别分析了金属还原剂与球团的量比、炉渣的碱度、球团与初始熔铁的量比、 石灰与球团的量比等对金属还原率的影响，确定了金属还原剂的加入时期为加入球团后 2 7 至3 0 分钟，通过实验检测证寒了直接还原过程不会影响钢锭质量，且探讨了改变r 艺条件控制钢锭中p 、s 的增加。厂 为解决锌在直接还原过程中的循环积累，提出了收尘系统的改造方案，并针对收尘 系统中含锌较高的物料进行了等离子炉c o 还原及动力学研究，确定了z n o 还原过程为 化学反应所控制，恒温下c 0 还原z n o 的反应活化能为2 5 1 5 5k j m o l 。还原反应速度 和还原率与c 0 浓度、反应产物锌蒸汽和c o ：无关，主要取决于还原温度、给料速度和 给料与c o 比，并为进一步的等离子炉设计提出了修改意见。 总之，经研究创立了不锈钢电弧炉粉尘自还原短流程，采用复合还原剂确保过程的 经济性，从收尘系统中分离并还原回收锌，完成整个处理流程的工艺研究。 关键词： 1 _ _ _ _ _ - _ - 。 堕三些奎兰竖主堂堡堡奎 s t u d y o nt h eb a s i ct h e o r ya n dt e c h n o l o g y o fs t a i n l e s ss t e e le a r d u s tt r e a t m e n t a b s t r a e t t h ee l e c t r i ca r cf u r n a c e ( e a f ) d u s ti sah a z a r d o u sw a s t ef r o ms t e e l m a k i n gp r o c e s s t h e m e t h o d sf o rt h ed u s tt r e a t m e n tw e r ed e l i v e r e d b a s e do nt h es t u d yo nt h ep h y s i c a l a n d c h e m i c a ld r o p e r r yo ft h ed u s tf r o me a rs t a i n l e s s s t e e l p r o d u c t i o n i tw a sd e t e r m i n e d t o v i t r i f vt h ed u s tt h a tc o n t a i n sf e wv a l u a b l em e t a l sa n d t od i r e c t l yr e c y c l et h ed u s tt h a tc o n t a i n s m o r ev a l u a b l em e t a l sf o rt h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n t h ep a r a m e t e r sf o rt h ed u s tt r e a t i n g p r o c e s sw e r ed e t e r m i n e db y t h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d i e s t h ev i t r i f i c a t i o np r o c e d u r ei st om i xt h ee a rd u s tw i t ht h eg e n e r a lc l a yi n 1 ：1 f i r s t ， t h e nh e a tt h em i x t u r et o1 1 5 0 。ci nr o t a r yk i l na n dk e p ti nt h i st e m p e r a t u r ef o ra b o u t 1 5 m i n u t e s t h ev i t r i f i e dm a t e r i a l i ss t a b l ei nt h e r m a lc o n d i t i o na n dc a np a s st h el e a c h i n gt e s ti n u se n v i r o n m e n t a la g e n c ys t a n d a r d p e l l e t i z a t i o ni st h ef i r s ts t e po ft h ed i r e c tr e c y c l i n g t h es t r e n g t hi sv e r yi m p o r t a n tf o r t h er e c y c l i n gp r o c e s s t h ep e l l e t sw i t hd o l o m i t ea st h eb i n d e ra r en o ts t r o n ge n o u g he v e n t h o u g hi t i ss u i t a b l ef o re a f m e t a l l u r g i c a ls l a g p o l y b i n d e rg 3 0 0i s av e r yg o o ds u l f u rf r e e b i n d e rm a d ei nu s h i g hs t r e n g t hp e l l e t sw e r eg o tw i t hp o l y b i n d e rg 3 0 0a st h eb i n d e rh o w e r e i ti s e x p e n s i v e t h el i g n o s u l p h o n a t ew a ss e l e c t e d a st h eb i n d e ra f t e rt r y i n gm o r eo t h e r b i n d e r s ，a l t h o u 【g ht h e r ei ss o m es u l f u ri ni t ，a n dt h ep e l l e t sw e r em a d eb yd i s kp e l l e t i z e r t h e s t r o n gp e l l e t sw e r em a d e a f t e rd r y i n gb e l o w1 7 0 。c a n di tw a sc o n f i r m e dt h a tt h ec o n t e n to f s u l f u ri nt h es t e e lc a nb ec o n t r o l l e db yc a l c u l a t i o nt h e r m o d y n a m i c sr e s e a r c ha n dp i l o t - s c a l e e x p e r i m e n t s i ti sn o ts oe c o n o m i c a lt or e d u c ea l lt h em e t a lo x i d e si ne a fd u s tw i t hm e t a lr e d u c i n g a g e n tt h a ts o m ec a r b o ni si n t r o d u c e di n t ot h ep e l l e t sa st h ep a r to fr e d u c i n ga g e n t i s o t h e r m a l a n dn o n - i s o t h e r m a lk i n e t i c ss t u d i e sf o rt h e r e d u c i n gp r o c e s sw e r et a k e n t od e t e c tt h e m e c h a n i s mo ft h ep r o c e s sa n dt od e t e r m i n et h ep a r a m e t e r so f p r a c t i c a lp r o d u c t i o n t h e r ea r e t w os t a g e sf o rt h ei s o t h e r m a lr e d u c t i o np r o c e s s t h ef i r s to n e ，w h i c hi si nt h eb e g i n n i n go ft h e r e d u c t i o n p r o c e s s ，i sc h e m i c a l l yc o n t r o l l e d t h e k i n e t i c s e q u a t i o n f o rt h i s s t a g e c a nb e e x p r e s s e da sl 一( 1 一o ”= ( o 4 c n + 1 0 ) e 一2 1 6 9 0 7 8 7 t t h es e c o n do n e ，w h i c hf o l l o w st h ef i r s to n e ， i sc o n t r o l l e db yt h ed i f f u s i o no fc oa n dc 0 2t h r o u g ht h er e d u c t i o np r o d u c t s ，w h i c ha c c o r d s w i t ht h et y p i c a ls h r i n k i n gc o r em o d e l t h ek i n e t i c se q u a t i o nf o rt h i ss t a g ec a nb ee x p r e s s e da s l 一( 2 3 ) f 一( 1 一f ) 2 “= 8 9 9 e 一”3 5 0 7 “7 t 15 一2 0 c a r b o nc o n t e n ti nt h ep e l l e t si ss u i t a b l ef o r t h er e d u c t i o np r o c e s s n o n i s o t h e r m a lk i n e t i c ss t u d i e ss h o wt h e r ea r e t h r e es t a g e sf o rt h e r e d u c t i o np r o c e s s t h ef i r s to n ei s c h e m i c a l l yc o n t r o l l e da n dt h ek i n e t i c se q u a t i o nc a nb e e x p r e s s e da s1 一( 1 一d 1 7 3 = 2 9 2 3 e 。1 0 8 9 0 7 r t t t h es e c o n do n ei sc o n t r o l l e db yt h ed i f f u s i o no f c o a n dc 0 2 t h ek i n e t i c se q u a t i o nf o rt h i ss t a g ec a nb ee x p r e s s e da s1 2 f 3 一( 1 一f ) “3 = 1 2 7 7 3 e 13 0 6 5 0 7 r t t t h et h i r do n ei s d e p e n d e n to nt h et e m p e r a t u r ea n dt h ec a r b o nc o n t e n tj nt h ed e e t s t h ek i n e t i c se q u a t i o nc a nb ee x p r e s s e da sl n ( 1 - f ) = 9 1 7 8 e - 1 3 0 2 0 0 r t t w h i c h i sa b o u tt h e r e d u c t i o no fc h r o m i u mo x i d e s c h r o m i u mo x i d e sa r es od i 街c u l tt ob er e d u c e dt h a ti t i s _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ 。 塑三些查兰竖主堂堡堡奎 i m p o s s i b l et or e d u c ea l lo f t h e mo n l yw i t hc a r b o n p a n so fc h r o m i u mo x i d e sw i l lg e ti n t ot h e s l a gi nt h ee a fs m e l t i n g t h ew a yt or e d u c et h e s ep a r t so fc h r o m i u mo x i d e si s b ym e t a l r e d u c i n ga g e n t t h ec a l c u l a t i o nt h e r m o d y n a m i c s r e s e a r c hw a st a k e nt oa n a l y z et h ec h r o m i u m d i s t r i b u t i o nb e t w e e nt h es t e e la n dt h es l a g t h et w o s t e pr e d u c t i o ni s s u c c e s s f u l i th a sb e e n c o n f i r m e db yt h ei n d u c t i o nf u r n a c ee x p e r i m e n t s t h en i c k e la n di r o nr e c o v e r i e sw e r en e a r l y 10 0 ，c h r o m i u mr e c o v e r yw a sm o r et h a n8 0 e v e nt h o u g hi ti sd i f f i c u l tt ob er e d u c e d t h e e f f e c to ft h er a t i oo fm e t a lr e d u c i n ga g e n tt op e l l e t s ，t h er a t i oo fp e l l e t st ot h es t a r ti r o n ，t h e r a t i oo fl i m et op e l l e t sa n dt h eb a s i c i t yo ft h es l a go nt h em e t a lr e c o v e r i e sw e r ed i s c u s s e d t h et i m ep e r i o df o rt h em e t a lr e d u c i n ga g e n ta d d i n gs h o u l db ef r o m2 7t o3 0m i n u t e sa f t e r p e l l e tb e i n ga d d e d t h er e s u l to f t h ee x p e r i m e n t ss h o w st h a tt h e r ei sn os om u c hi n f l u e n c et o t h es t e e l q u a l i t yb yt h ed i r e c tr e c y c l i n g a n dt h ew a y t oc o n t r o lt h epa n dsi n c r e a s ei nt h e s t e e lw a sd i s c u s s e d s o m es u g g e s t i o n sw e r ep r o p o s e df o rt h ee v o l u t i o no fe a fd u s tc o l l e c t i o ns y s t e mi n o r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fz i n cc i r c u l a t i o na n da c c u m u l a t i o ni nt h ed u s tt r e a t m e n tp r o c e s s t h er e d u c t i o nk i n e t i c ss t u d i e so fz n ow i t hc oa n dp l a s m ar e d u c t i o np r o c e s sf o rt h ed u s to f h i g hz i n cc o n t e n tw e r et a k e n i tw a sf o u n dz n o r e d u c t i o np r o c e s sw a sc h e m i c a l l yc o n t r o l l e d a n dt h ea c t i v a t i o n e n e r g y i s2 5 1 5 5k j m 0 1 t h er a t eo ft h er e d u c t i o n p r o c e s s i sn o t d e p e n d e n to nt h ec o n c e n t r a t i o no fc o ，c 0 2 a n de v a p o r a t e dz ni nt h er e d u c t i o n a t m o s p h e r e i t d e p e n d so nt h et e m p e r a t u r e ，t h er a t i o o f d u s tt oc o a n dt h er a t eo f d u s ta d d i n g a i l i na l l 。t h es e l f - r e d u c t i o np r o c e s sf o rt h et r e a t m e n to ft h ed u s tf r o ms t a i n l e s ss t e e l e a fs t e e l m a k i n gw a ss e t u p t w ot y p e s o fr e d u c i n g a g e n t sw e r eu s e dt oi n s u r a n c et h e e c o n o m i c a lp r o d u c t i o n t h ed u s tw i t hh i g hz i n cc o n t e n tw a ss e p a r a t e do u tf r o mt h ed u s t c o l l e c t i o n s y s t e ma n dr e c y c l e da f t e rr e d u c e d t h er e s e a r c hf o rw h o l ep r o c e s so ft h ed u s t t r e a t m e n tw a s c o m p l e t e d k e y w o r d s ：e a fd u s t ，r e d u c t i o no f m e t a lo x i d e s ，r e c y c l i n g ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ! 妻三些查兰堕主兰垡堡壅 一 一 前言 国外电弧炉炼钢发展很快，在本世纪将取代转炉炼钢。但目前仍存在三大世界性难 题，其中之一为电弧炉炼钢粉尘的处理。电弧炉粉尘中含有大量的重金属元素，采用传 统的填埋弃置处理易被雨水或地下水浸对环境造成污染，因此已被美国环保局列为有害 废物并越来越受到西方国家的重视。碳钢粉尘的处理方法已有许多报道，主要集中于粉 尘中铅锌的回收，而不锈钢和特种钢粉尘的处理报道很少，它们除含铅锌外还含有大量 的镍铬，这使有价金属的综合处理回收复杂化。 加拿大中小型钢厂很多，集中分布于东部著名的”s t e e lh i g h w a y “两旁且采用电弧 炉炼钢，并因粉尘污染问题被国家环保局限期整顿。炼钢粉尘的处理和其中有价金属的 回收被列入国家自然科学与工程基金项目，1 9 9 8 年于m c g i l l 大学立项开始研究。本人 攻博以来选择钢铁生产中有色金属废料的回收综合利用为研究方向，在国内完成大量文 献资料的查阅并通过i n t e r n e t 与m c g i l l 大学联系，1 9 9 8 8 至1 9 9 9 8 以访问学者直接参 加该项目的研究工作，负责处理方案的设计和研究方案的制定，并与研究组中其他研究 工作者共同完成实验研究。 初到加拿大时，许多钢厂因粉尘污染问题被政府下令停产。为保证工厂的正常运行 ，在通过实验研究掌握粉尘的物理和化学特性基础上首先完成了粉尘的固化工艺研究， 找到了一种经济实用的固化方法，固化产物达到环保标准要求，可填埋弃置或作为玻璃 生产辅助原料，研究成果投入应用后使工厂能继续维持原有的生产。 固化处理虽能满足环保要求，但大量有价金属损失在固化产物中，并且固化过程的 运行增加工厂生产成本。因此，对综合回收粉尘中的有价金属进行了系统的研究，在比 较不同处理方案后，经实验探索提出了不锈钢粉尘的蛊接还原回收。为确保工业应用的 顺利进行，完成了直接回收过程的球团制粒、动力学、计算热力学、传热和工艺过程的 深入研究，将粉尘中有价金属镍、铬、铁等回收于冶炼过程的钢液中，这样不仅有效地 利用了金属资源同时也保护了环境。研究中发现粉尘中锌在直接还原回收过程中于收尘 系统不断积累，进一步提出了解决方案为锌在系统中找到出口，并完成锌的还原回收实 验研究。现研究成果正在加拿大a t l a ss t a i n l e s ss t e e l 工厂进行试生产。 我国电弧炉炼钢起步较晚，从9 0 年代初开始从国外引进，目前不具备大型直流电 弧炉炼钢的开发和设计能力，许多设备和材料仍需从国外进口。另一方面，在电弧炉粉 尘的环保立法上也不如国外完善。我国于1 9 9 9 年底已完成“平改转”工程，但转炉炼 钢与电弧炉炼钢相比在技术、经济和产品质量上有很大差距，尤其是不锈钢和特种钢上 十分突出，这也是我国钢铁行业目前困难重重、虽为钢铁生产“大国”却每年需从国外 进口大量优质钢材的原因。在电弧炉炼钢取代转炉炼钢这一世界钢铁行业发展推动下， 随“三峡”发电的启动我国的电弧炉炼钢将在近几年飞速发展。本研究利用国外先进的 实验条件，完成了整个电弧炉不锈钢粉尘处理的基础理论和工艺过程研究，可为我国目 前和未来的电弧炉炼钢粉尘的处理提供依据。 兰二童奎整堡垄丝查旦窒塑茎查堡塑一 第一章文献综述及本研究的基本设想 1 1 电弧炉炼钢最新进展 电弧炉炼钢发展很快，平均每年新增生产能力4 6 ，估计在2 0 1 0 年将超过炼钢 生产能力的5 0 。尤其在国外，新增钢生产能力都以电弧炉炼钢并朝大规模方向发展”1 ， 过去以年产0 3 0 5 ( 百万吨年台) 电弧炉为主，近期新建的电弧炉生产能力达1 0 1 5 ( 百万吨年台) ，随着连铸连扎技术的迅速发展，几年后将超过2 百万吨年台。电弧 炉的迅速发展是由于直流( d c ) 电弧炉的出现，但非连续出炉操作仍为其生产障碍，因 此当今电弧炉朝直流连续作业发展，美国c o n s t e e 连续电弧炉炼钢的出现将钢铁工 业推入一崭新的时代。它正如我国原冶金工业部总工程师周传典在科技导报正视钢铁工 业第三次革命的来临一文中所指出的那样：“就象第一次革命时期平炉取代空气转炉流 程，第二次革命时期项吹转炉、连续铸钢取代平炉开胚机流程那样，在今后的时期 内，- 电弧炉短流程也妊将逐步取代转炉长流程，这次变化应被称为钢铁工业的 第三次革命”而我国的电弧炉炼钢起步较晚，到目前为止完全没有电弧炉炼钢系统的 开发和设计能力，我们自己研制的直流电弧炉比国外过时的交流( a c ) 电弧炉技术经济 指标还差，且一些重要的元器件仍需从国外进口。自1 9 9 2 年以来，宝钢、上钢三厂、 上钢五厂、兰州钢厂、苏州苏兴特殊钢厂、珠江钢铁公司、长城特钢公司、大冶钢厂陆 续从瑞士、德国、法国等国引进电弧炉炼钢。但重复引进的都只是电弧炉炼钢设备，而 不是整套技术，因此不具备设计和制造能力，无法推广。最令人遗憾的是目前我国没有 象a b b 、曼内斯曼等那样集机械和电气设计、开发和制造于一身的跨国集团公司，不能 进行高性能大功率炉用变压器及其配套离低压供电元器件的设计和制造，甚至电弧炉的 大直径石墨电极、耐火材料及关键的机电零配件都依赖国外进口h 。 电弧炉炼钢已有十分悠久的历史。1 8 9 9 年法国人p a u lh e r o u l t 发明和申请了电弧 炉专利，开始在欧洲用于炼铝，转而将他研制的电弧炉用于冶炼铁和铁合金，后来逐步 冶炼铬铁、硅铁、钨铁和各种钢，并于1 9 0 6 年4 月1 5 日在美国h o l c o m b 钢铁公司正式 投产开始了电弧炉炼钢的历程。但长期以来受到大容量整流装置制造技术的限制，直流 电弧炉没得到发展，只得采用三相交流电弧炉炼钢。而交流电弧炉炼钢存在以下难以克 服的缺点：由于交流电弧每秒过零点1 0 0 或1 2 0 次，在零点附近电弧熄灭然后再在下半 周期重新点弧，使交流电弧稳定性差；交流电弧炉功率因数低，无功功率波动频繁，引 起电网电压闪变；三相电弧弧长的变化在时间上不致，造成三相负荷不对称，对电网 的干扰和冲击大，同时在炉内造成热负荷不均匀而形成“热点”，使耐火材料侵蚀严重； 为解决闪变效应和弥补谐波对电网的影响，必须采用价格昂贵的无功功率补偿器“】。以 上缺点限制了交流电弧炉的发展，西方国家普遍认为交流电弧炉炼钢技术已达到极限状 态。随着大功率晶闸管变流技术应用于大生产，特别是美国人w e s c h a w a b e 提倡超高 功率作业以来，大型超高功率电弧炉技术以美国为中心在世界范围内得到广泛普及，于 1 9 7 7 年a e s a 公司首先在世界上建造了第一台直流试验电弧炉。 电弧炉适应于多种类型的冶金原料，尤其在冶炼回收废钢和金属料上具有明显的优 势 6 。废料的回收主要来自钢厂内部冶金过程金属回收料、加工厂边角余料和废弃金属 件等三方面。仅废弃金属件在将来能提供可靠的来源，但含有较多的杂物要求高效低成 一i 第一章文献综述及本研究的基本设想 本的净化处理。冶金原料的短缺迫使一些厂家寻找和购买替代品，如生铁和直接还原铁 等被许多厂家所采用。9 0 年前电弧炉炼钢技术的重大进步有：7 0 年代初的二次钢包 冶金；7 0 年代中期的高功率长电弧作业；7 0 年代末的计算机控制、泡沫渣工艺、水冷 炉顶和燃料烧咀；8 0 年代初的钢包炉低温出钢、偏心炉底无渣出钢；8 0 年代中期和末 期的废钢预热、大功率供电、氧和碳枪操作装置、熔池吹气搅拌。过去的几年中电弧炉 技术的改进主要在以下几方面：提高生产能力缩短操作周期；降低电能消耗；降低电极 和耐火材料消耗；提高自动化水平。随着9 0 年代初d c 电弧炉和连续铸造的工业应用， 整个操作过程从熔化到半成品发生了大的改变。现有电弧炉分为单壳炉、双壳炉、连续 熔炼炉。每种炉型具有不同的结构特性和操作方式，电能的消耗也各不相同( 见图卜1 ) 。 电能效率由单壳炉的7 0 7 5 增加到连续熔炼炉的9 0 以上。a c 型主要为单壳电弧炉， d c 型由单壳炉逐渐改造为双壳炉和连续炉。 电 能 消 耗 双壳炉连续炉 电 能 消 耗 1 i 1 单壳电弧炉 单壳电弧炉采用加料斗从项部加料，其操作过程为：第一次加料一熔化一第二二 次加料一熔化和精炼一出炉一补炉。为比较分析a c 炉和d c 炉，考虑了电极材料和 耐火材料的消耗，供电稳定性和熔池搅拌作用。虽然以下的讨论就单壳炉，但它们同样 适应于双壳炉，而连续炉和原料的预热另外讨论。炉后燃烧的技术革新，首先为单壳炉 开发，现在也被应用于双壳炉和连续熔炼。但如气封等仍限于a c 单壳炉。 石墨电极消耗现代的d c 炉消耗1 i 5k g t 电极，a c 炉消耗2 3k g t 电极， 但新一代的小于2k g t 。a c 炉与d c 炉电极消耗上的差别在逐步缩小，这是由于约1 0 0 0 v 的二次电压在a c 炉的引入，但必需装置一系列的反应器以提高电弧的稳定性。 目前大功率的d c 炉( 8 0 1 0 0m w ) 安装直径为7 0 0 7 5 0 m m 的电极，电流负载能力高 达1 2 0 k a 。对于直径超过6 0 0 m m 的a c 炉大功率电极，成本高于同类d c 炉电极的2 0 。 即使对直径小于6 0 0 m m 的电极，d c 炉型仍具有一定的优势。 耐火材井消耗底部电极的d c 电弧炉虽然给建筑和维护带来一些困难，但电极材 料的消耗远低于a c 电弧炉。为避免d c 炉壁耐火材料的不均损耗，尤其对长电弧型和采 用发泡渣时，必须防止电弧偏离。基于偏心石墨电极、外部电缆的优化、电流分布控制 和水冷环的优化设计，开发了系列的电弧偏离控制系统，同时也降低了电流波动，大大 延长了耐火材料的使用寿命。 电流波动和闪变 电弧炉的电流波动和闪变导致供电网络不稳。与a c 炉相比，d c 炉因使用电容器、整流器和感应器，电流波动可降低5 0 6 0 。但在a c 炉中，可采用增 加二次电压和低电流的长电弧来克服波动。减少波动不仅可稳定供电网络，而且可降低 电极消耗。可是，这必须增加系统的反应能力，克服传感器反应能力的不足以稳定电弧。 饱和电抗器系统的应用，可控制和限制熔化过程的电流波动，同时也降低了闪变和电极 断裂。 2 第一章文献综述及本研究的基本设想 熔池搅拌熔池搅拌对温度的均匀分布影响较大。当连续加料时，良好的熔池搅拌 可防止“冰块”的产生。d c 炉在电流通过熔池时提供自然的电磁搅拌作用，而a c 炉要 求从底部鼓入氩气或氮气以搅拌熔池，搅拌也可从通过浸入式喷嘴输入氧和碳获得 8 1 。 后王燃烧后置燃烧可降低能耗和提高电弧炉生产力，它是发泡渣技术实践的直 接产物并首先应用于a c 单壳炉，现在逐步引入双壳炉。发泡渣的主要产物是一氧化碳， 在熔池上吹氧使c o 和h 2 燃烧得到热能。通常在1 6 0 0 0 c 下燃烧1 立方米c o 可产生5 8k w h 能量，实践中可节能3 - 4k w h m 3 。 气封系统减少空气进入电弧炉可降低能耗，如氮气的加热和抽空系统将消耗电 能，以及减少氧化而提高出炉产量，并可减少n o 。和烟尘在废气中的含量。为实现气封， 需要在炉门附近、炉墙与炉体顶部和电极孔采用特殊的密封措施。 探作蛄果传统的以及具有后置燃烧的d c 和a c 单壳电弧炉操作结果列于表1 1 、 表卜2 和表卜3 。由表可见，d c 炉平均电极消耗为l 1 5 k g t ，a c 炉为】8 3 k g t ，因 此d c 炉电极消耗小于a c 炉；两种炉型电能消耗基本相当，这是因后置燃烧的应用使电 能消耗稍有降低，生产周期大大缩短，一般小于6 0 分钟，但氧耗增加。一般大于3 0m 。t 。 这也正是现代电弧炉炼钢的发展趋势，预计几年后将超过5 0 m 3 t 。大部分电弧炉的年 生产能力现在低于1 百万吨，但随着大型化的发展趋势，在不久的将来将超过这一能力。 表卜ld c 屯弧炉技术经济指标 名称 差 s m -e 。e -。m s ：；：；i ： 供电力 功率 最高二次电压 混合比：块料 其它 m v a m * v 9 58 4 7 2 7 2 06 0 0 j o o 1 0 01 6 0 8 0 0 1 0 02 0 8 0 9 0 n o r t h s t a r s t e e l 8 0 8 8 7 9 0 ( d r i ) 8 5 1 4 5 a i c a n 砖 0 在此范围内安排实验并利用计算机处理实验数据连线作图，获图3 2 描述软化温度与成 份的关系。进一步以不同比例混合粉尘与粘结剂，采用电炉加热测定其软化温度，实验 安排和结果见表3 3 。由表可见，含量为4 0 和5 0 的电弧炉粉尘混合物的软化温度较 低且基本相同：l a p r a i r i e 粘土作粘结剂的混合物比a l c a n 废砖块作粘结剂的混合物具有 较低的软化温度；新尘混合物比旧尘混合物具有较低的软化温度。通过以上实验研究分 析，为获较低的软化温度实现经济固化，电弧炉粉尘与粘结剂混合物成份选定如下 9 3 , 9 4 】： 2 7 塑三兰皇墨生鉴塑塑尘竺堕些丝里 一一 新尘5 0 + l a p r a i r i e 粘土5 0 ，软化温度1 1 6 0 。c 。 新尘5 0 + l a p r a i r i e 粘土2 5 + a l c a n 砖2 5 ，软化温度1 2 3 0 。c 。 旧尘5 0 + l a p r a i r i e 粘土5 0 ，软化温度1 1 5 0 0 c a 旧尘5 0 + l a p r a i r i e 粘土2 5 + a l c a n 砖2 5 ，软化温度1 2 5 0 。c 。 但从生产实际的方便性考虑，仅选择一种粘结剂，并以5 0 的粉尘与5 0 的粘结 剂混合，即按编号为2 - p 、2 - s 、6 - p 和6 一s 方式混合。 3 2 2 电弧炉粉尘的固化 一实验室实验 电弧炉粉尘与固化粘结剂的混合在混料器( e i r i c hm i x e rr v - 0 2 ) 中进行，加入1 公斤的粉尘( 新尘或旧尘) 和1 公斤的粘结剂( l a p r a i r i e 粘土或a l c a n 砖) ，搅拌1 2 分钟 并加入2 3 0 毫升( 1i 5w ) 水，混合后物料由粉末状形成直径为l 1 0 毫米的小粘块， 在1 0 0 0 c 下烘干2 4 小时，然后在电炉中加热进行固化。固化产物的吸水性可从侧面反 映其密度，2 - p 为4 1 9 ，2 - s 为6 1 3 ，6 - p 为4 0 7 ，6 - s 为2 9 1 ，因此6 - s 固化 产物的密度最大。 2 - p 实验蛄果小角度x 射线衍射分析结果显示，固化产物主要由( f e ，c r ) ，0 。、 ( f e ，c r ) 2 0 3 、f e 2 0 3 和少量的c a a l 2 s i 2 0 8 、s i 0 2 组成( 见图3 - 3 ) ，这说明粉尘中( f e ，c 0 3 0 4 在固化过程中被氧化。从外观上看，固化产物为烧结状网纹结构，但电镜扫描结果( 见 图3 - 4 ) 显示加热过程中有粘土的熔化和气体的蒸发，图中深黑色小块由气体从熔融相 蒸发所致，留下不规则形状的粘土颗粒和椭圆型空隙，同时也显示出高度玻化效果将电 弧炉粉尘中重金属固化。 图3 - 3 固化产物x 射线衍射分析 2 - s 实验蛄果小角度x 射线衍射分析结果与2 - p 实验相似( 见图3 - 3 ) ，但扫描 电镜分析( 见图3 - 5 ) 显示电弧炉粉尘基本保持原有的形态，在加热过程中的熔融没有 2 8 - 第三章电弧炉炼钢粉尘的固化处理 2 - p 实验强烈，图中浅色圆形的颗粒为电弧炉粉尘，并以( f e ，c r ) s 0 4 、( f e ，c r ) 2 0 s 和f e 2 0 3 的物相存在。虽然s i o ：和其它粘结剂成份仍然保持原有的形态，但在加热过程中熔融 并分散在固化产物中产生玻化作用，重金属主要分布于( f e ，c r ) 3 0 t l l ( f e ，c r ) 2 0 3 相中，a l 、 m g 和t i 等分布于s i o ，相中。 6 一p 实验蛄果小角度x 射线衍射分析结果显示，固化产物主要由f e ( c r ，al ) ：0 。、 ( f e ，c r ) 2 0 3 、f e 2 0 3 、c a a l 2 s i 2 0 8 和a 1 6 s i 2 0 l3 组成( 见图3 3 ) ，电弧炉粉尘中的( f e ，c r ) 3 0 4 在加热过程中与a l c a n 砖中的a l 。s i 2 0 。，作用形成f e ( c r ，a 1 ) 2 0 4 。图3 - 6 显示固化产物中 存在许多气体蒸发导致的空隙，金属元素被包裹固化，与2 - p 和2 一s 的结果相同。 6 心实玲蛄果小角度x 射线衍射分析和扫描电镜分析结果与6 - p 相似，但很难观 察到加热过程中气体的蒸发和熔化( 见图3 7 ) 。 图3 66 - p 固化产物电镜扫描结果 图3 - 7 6 - s 固化产物电镜扫描结果 二扩大实玲 为使研究成果能顺利应用于工业实践，在实验室研究基础上选择2 一s 和2 一p 采用 回转窑进行了扩大实验，以确定工业应用的工艺参数和掌握生产中可能出现的问题，并 根据美国环保局( e p a ) 浸出检测标准对固化产物进行分析以考察固化效果。 2 9 第三章电弧炉炼钢粉型韵固化处理 电加热田转窑扩大实验实验用电热回转窑长2 米，固化物料加入内径为2 0 厘米 的合金钢圆形窑筒中，窑筒由马达驱动旋转，转速为1 5 r p m ，窑简置于电炉中以间接 方式加热，窑内温度由k 型热电偶检测，给料速度为2 5 - 1 1 5k g m i n ，物料在窑中停 留4 5 分钟。实验中发现，由于水份的蒸发导致物料在螺旋给料器入口粘结而影响给料， 这一问题通过鼓入2 5 3 5 升分钟空气得以解决。实验中所遇到的另一问题是加热温度 不能达到设计值( 1 1 5 0 。c ) ，通过各种手段仅达1 0 5 0 。c ，但在4 8 小时的连续运行中获得 了第一手固化生产经验并对固化产物进行了浸实验分析，实验中收集了回转窑尾气采用 f t i r 进行了分析，分析结果仅显示h ：o 和c o ：的存在，其它元素在气体储存时凝聚。 燃气加热田转窑扩大实验由于电热回转窑扩大实验未能达到理想的固化温度，采 用燃气回转窑重复以上实验，燃气回转窑长1 5 英尺，窑筒内衬铬镁耐火砖，内径为4 5 厘米，转速为2 8 r p m ，给料速度为5 0 英磅小时，物料在窑内停留时间约1 5 分钟，因 实验时发现，固化加热至1 1 6 6 。c 时物料粘结在窑壁上结圈。因此控制加热温度在 l 】4 0 11 5 0 0 c 。 3 2 3 固化产物浸出试验 对以上固化产物分别进行浸出实验以检测固化效果，实验按照美国环保局( e p a ) 毒 性鉴定浸出