钢铁冶金过程中的粉尘喷吹全解

1、钢铁冶金过程中的粉尘喷吹摘要 文章研究了炼钢厂粉尘的产生， 对欧洲的法规情况进行了简要回顾， 并介 绍了不同冶金炉料固体喷吹的现有技术。同时介绍了 RWTH大学钢铁冶金系处理 也进过程中不同粉尘的研究工作。 研究了竖炉、 鼓风炉的粉尘喷吹并选取一定钢 熔体进行特殊处理。 最后，阐述了先前相关方面的研究及最后的工作， 并就结果 进行了讨论。关键词 ：粉尘排放 固体喷吹 循环 高炉 化铁炉 钢铁熔体1 介绍钢铁工业的节能技术是许多国家是稳定发展的基础，许多的生态会议指出环 境问题的解决不仅是有效进化仪器和系统的应用， 更是应该开发一些新技术， 这 些新技术可以降低原材料和能源的消耗，还能降低不同排

2、放物的数量。对于显著影响环境的钢铁企业，巨大数量的气体和固体物质形成物是由高 炉、电炉、氧气炼钢车间、轧钢工艺等生成的粉尘和泥渣造成的。冶金渣和粉尘里含有一定的锌、 锂、钛，但是这类渣和粉尘的再利用受到限 制，因为这些元素的积聚会钢材的质量。炼钢工艺中形成的含铁粉尘可以满足一定等级工艺的要求。 炼钢车间有效的循环回收工艺科通过适当的分离铅锌与铁的方法来概括说 明。而废弃物进一步的再利用的解决方法，比如对于含铁，含碳粉尘而言，就是 将其喷吹道不同的也进料中。在炼铁和炼钢厂，将固态物喷吹入高炉、转炉、电弧炉、钢包精炼炉、真空 炉等中，可进行焙烧，化学反应，熔炼、造渣、精炼及合金化等任务。2 钢铁过

3、程中粉尘来源调查冶炼废渣按来源可分为内部和外部材料。 内部的残留物收集在隔尘网及污泥处理 中。常见的粉尘，废渣，及其他残余物，它们的起源在生产流程中如图1。表 1显示了德国北莱茵威斯特伐利亚钢铁企业的污泥和粉尘的来源。 外部残留物主要 含碳，主要来自内部油或油脂的残留物。3. 欧洲在冶金方面的法律法规自 1960 年以来，钢铁企业的效益与环境和自然相关，在许多国家很注重。 最近，在欧洲各国内对环境的污染法已经严格执行。 德国新法规 （根据流通条例 草案）的主要目标涉及工业废料过程是先回收，再利用，直到废料完全利用。该 法适应德国的法律也适应欧洲的法律， 使在未来的每一个新生产线产生的废物要 完

4、全回收。欧洲共同体的理事会在 1999年 4月 22日指令 1999/30/EC的政策和行动计 划基础上，该条约第二条原则所载的 130R中，确立了环境和可持续发展的密切 联系，特别是对空气污染物的修订法例。图 1 内部粉尘和污泥的来源表 1 德国北莱茵威斯特伐利亚钢铁企业的污泥和粉尘的来源表 2 颗粒物质的极限值这项指令的目的是减少细颗粒浓度增加中等颗粒物质。 本指令的目标是：- 制造限值的颗粒物质，防止或减少对人类健康和环境的有害影响，- 评估环境空气中微粒浓度问题，- 在周围的空气获得足够的适度颗粒浓度。表 2 显示了颗粒物质的极限值。4 . 粉尘喷吹的当前技术最近，在钢铁行业， 粉尘喷

5、吹已得到广泛应用。 该试剂注入竖炉技术从上个世 纪一开始就在开发风口方面改进。 今天，除了利用降低高炉注入焦炭燃料的消耗， 还研究了注入不结块的高性能矿， 及改造的各种内部和外部的灰尘循环， 喷吹代 替燃料有煤，石油，天然气，塑料残留物。在欧洲和全世界煤粉喷吹的技术（ PCI）现在被广泛 应用，这也为炼铁高炉作为削减成本和改善高炉运作的重要手段。 为了提高煤炭 的利用率，高温条件下氧气的充分利用以及提高高炉喷煤率有必要改进冶炼技 术，还有焦炭的运输必须有便利的交通。 但是，高炉生产产品必须要考虑技术措 施、成本费用、 煤炭的消耗等相关因素。 这些问题涉及到关于高炉的性能和不确 定性的需要，如提

6、供额外的选煤，设备和额外的氧气量等，见图 . 2图. 2 喷煤喷枪Fig. 3. 拉瓦尔喷管及型芯喷管中的固态相干喷管自 1970 年以来固体浸没注入融化，风口使用输送天然气熔剂，精炼和合金 化等技术措施被广泛的用于冶炼。 主要优点是喷粉、 风口使用输送天然气熔剂比 原来的率较高，同时可以实现粒子之间的充分反应和融化。在 LD - AC法石灰磨细和氧气同时注入高磷铁通过一顶枪。此外，在石灰和 氧气注入的过程同时通过底部融化。在粉末注射一包的过程中，对脱硫效率在很大程度上取决于对顶渣的条件。 一些不同的脱硫采用粉末注射技术和吹瓶在 RH真空处理钢液循环已经确定。为了提高电炉效率并降低运营成本氧燃

7、料燃烧器已成功应用， 注射对技术是 基于氧气的长矛和碳注射器。 许多炉使用独立碳， 氧枪和一个单独的氧气燃料燃 烧器。它已经有人指出， 中央在这样一个氧气射流燃烧器是不会腐烂的那样迅速 地把飞机作为一个用尽自由的空气。 这种飞机被称为“集束”和维护它在比传统 的超音速射流较远的原速度剖面，见图 . 3 。射流的相干技术在转炉利用进行了研究。 一个连贯的喷射可用于固体注 入，尤其是石灰， 在链接或中断状态。 与相干飞机有可能没有获得注资的材料与 熔体接触。该保护作用火焰裹尸布， 犹如长矛是更接近浴再氧化和熔体几乎避免。 注射材料并不需要团聚，它可以采用细粒到融化没有高过气的损失。5. 气粉喷射形

8、成理论和固体在熔体中的溶解 在许多冶金工艺，主要用于风口煤气供应装置的打击，如氧气的活性气体， 空气或氮气和 / 或氩等惰性气体。可靠和准确的估计和预测在一个风口的气流相 对属性参数非常重要的设计和优化的风口吹技术。有三种基本稳定流动制度时， 可压缩气体排放从一个通道到一个地区有一个 给定的压力，在拉瓦尔喷管如下：1 改编喉，使通过出口压力和环境压力相同，2 非调整下，扩大喉，使通过出口压力高于常压，3 非适应过度膨胀射流，使通过压力大于环境压力。压力均衡，实现了多层面的外部 扩张或压缩波， 和由此产生的不连续性 密 度。压力不均衡时可能会导致能源 损失，减少的势头，产生动荡 在喷射流出口，

9、其中的相干长度缩短。气体的流动，以 Vg 的速度进入管道，当粒子在管道中达到一个平衡速度， 同时粒子最大加速到 Vp。因为粒子与管道内壁的摩擦使粒子的移动速度达到了 Vp。在气流和摩擦力对粒子的同时影响到达了一个平衡。Vp Vg 1 1+f .(1)g是气体密度， f 是摩擦力。摩擦力是由物体的无量纲 kp=Ppdp/PpD和 dp>100微米决定f=0.04 kp>161f=1.78kp 为了粒子在管内移动，雷诺数最大的价值就是使粒子达到一个恒定速度。Re=Vgdp/Vg (2)Vg=n/p是气体动力学黏度 当固体物质进入钢铁的熔炼过程时，进行分解、蒸发和化学等反应。同 时固体进

10、入熔炼的加热和周期转变过程的大体总和等于：Te=Ths+Td+Thl+Tev+Thg (3)Ths是粒子加热期间的量， Td是分解期间的， Thl 是加热至熔体滴落期间的，Tev是蒸发或反应期间的， Thg是加热气泡期间的。对于常用的脱硫式( 3)具体化如下：例如镁、钠、钙和碳酸钠 Te=Ths+Td+Thl+Tev+Thg例如氧化钙和碳化钙 Te=Ths通过伊萨耶夫对铝的研究表明完全的转变过程从固体到液体状态铝粒子的 半径0.1 到0.3 毫米依次等于 到。Coudure 和Irons 表示在碳化钙粒子从 0.1 到 1000微米和脱硫之间的反应在 经过20到40秒的反应过程后高温金属释放能

11、量。Ochotskij 指出任何在直径 100微米的固体粒子加热至液态所需的温度时间 都在0-3秒范围内6.IEHK-RWTH在固体喷吹方面的研究在亚堔工业大学实验室有一套设备被利用去研究煤块被转化成细小煤粉被 喷入的实验，如图 4。这设备是煤粉喷入高炉的一种模拟。这设备既有低压区也有高压区。它富集了煤尘样本同时通过高压气体的阀门打开后煤尘开始旋转。 这些气体在低压区通过热风炉加热到 1100摄氏度。当煤尘在低压区和高温的氧气 混合后被吸入高炉同时被加热到 1700摄氏度。这产生的气体被收集到一个气体收 集器里和分析，同时剩余的气体在过滤器中被收集。图表 4 喷吹设备 同时在模拟高炉对不同煤矿

12、的燃烧过程的影响，例如多孔的、细小的煤矿、 不稳定的物质、 碳和灰尘和喷吹速率都会被测试。 进一步的研究分析催化剂对煤 的转化的影响，富氧热风 . 喷吹煤粉的预热和不同的兰斯几何。 将实验的成果用于高炉的真正实践中。在鼓风炉的一系列实验的对比中可 得到更多的信息， 例如关于路径， 它的深度可以由激光技术测得并且它的深度对 于喷吹煤粉来说变得越来越短。对于喷吹煤粉和其它喷吹物质的混合的研究已经开始。喷吹煤粉和铁矿粉 或者含铁化合物的混合原因各不相同， 例如大量粉矿稳定性的增加归咎于大型的 块矿的减少。对于增加铁矿粉喷吹的研究是为了代替小球团和熔渣同时减少了凝 聚和热金属和热能的消耗。喷吹操作的稳

13、定性适合与不同的生产过程。研究发现利用煤和不稳定的铁 矿物质在小容器里混合得到高的还原性。 结果表明还原性由燃烧火点和煤的转化 过程决定。为了分析粒子大小对还原性的影响进行了进一步的实验， 它是发现赤铁矿铁矿石 的完全还原对于金属的铁在 10-20 ms 的短时间里面是可能的。 因此较进一步的 实验与鼓风炉灰尘， 炼钢残留物和旋转的细小物质一起运行。 关于铁碳化合物作 为喷吹物质进入高炉之内似乎变得可能。图 5 表示烟道尘和煤的混合物喷入。烟道因素和不同材料知识的进一步研究，例如石油焦，轧屑，高炉渣，活 性炭和煤和催化剂的混合物。图 6反映了煤的不同混合物的影响和对煤的消耗。除了喷吹物质通过管

14、道进入高炉的研究外， 同时研究了竖炉喷吹的技术。竖炉的原理基本上是利用冲天炉和进行精炼和从炼钢过程产生的残留物质中进 行二次提炼。 这些粉尘集聚进行自我还原或者和高炉顶部的煤气进行还原。 现在 研究的问题是那些不能聚集的残留铁。 竖炉中的残留物哦二次利用减少了垃圾填 充场和铁的丢失。 研究的进行， 首先着手于顶吹操作的应用。 从碱性转炉得到的 含金属和铁氧化物的粉剂进行检测再喷入喷吹设备。同时，炉子的生产伴随着 TKS，通过 TSK技术可以回收大部分在内部浪费的物质。除了高炉喷吹的研究被利用于回收炉内的粉尘外。 同时对不同的管道环境 进行了研究和讨论。 所以各种粉尘的回收利用和更高的回收率成了

15、可能。 例如塑 料。被发现在尾气中没有二氧化物。为了增加不完全燃烧物质的喷吹效率进行了新的研究。 在冲天炉里进行了 各组实验，同时在 IEHK中建立了喷吹煤床的模拟器。如图 7.在该设备中粉剂通过空气炉或者氧气炉喷吹入炉。该研究的目的是为了 了解煤和粉剂混合经加热的气体喷入炉内。 检测粉剂的内部成分， 硅，锰和铁的 粉尘化合物，碳化硅粉尘，煤尘，铁屑和它们的混合物。同时发现它们的残留物 具有高的密度快的熔炼性和适应性。 大量排出的气体被检测到具有煤尘和细小的 化合物。另外，据研究冲天炉利用增加的炉子可以提高百分之 40的利用率。图5不同百分比的含煤混合物中煤的转化率图6粉煤的转化率（ HVC;

16、LVC） ,SLF,UBC,WP图7带有测量位置的焦床模拟机置6.2 对钢熔体的喷吹为了提高转炉的生产效率喷吹固体物质进入熔炼的研究利用连贯的喷 吹技术在 IEHK中被操作。首先利用模拟的连贯的喷枪做水模拟实验。 在不同的容器和不同煤气压 的条件下测量金属熔体混合的时间。 由观察可知在每个密闭的压力下金属熔体的 混合时间十分短暂。 同时金属熔体的时间随密闭的压力增加而增加。 在所有的实 验中动力流量是相同的。 在能量消耗的炉内旋转混合中就导致了金属熔体的短暂 混合。同样的喷吹设备和流动物质也将用于热实验研究。 在IEHK中该实验将利 用催化炉，如图 8。在低的气流速度下首先进行安全测试，再逐渐

17、的增加气流速 度。图8 IEHK的连贯喷吹设备和感应炉实验步骤： 喷吹细小的锰粉和硅化铁混合物进行钢的合金化。 喷吹粗颗粒的试剂。 喷吹脱硫渣( 50%CaO,40%AL2O和3,10%SiO2)。 硅碳的喷吹物，为增加容器中的硅和碳含量。 喷吹铁矿粉和过滤的氧化亚铁粉尘混合物。实验表明利用一般喷吹技术就可完成的固体喷吹都没稳定的状态。同时 喷吹大量物质和喷吹效率存在矛盾。在短时间内喷吹大量的物质有利于炉内 混合，但这些物质没有充足的质量到达金属熔体内，不连贯的喷吹状态喷吹 固体物质可以使更多的物质进入金属熔体，但是提供混合的气体质量就没连 贯状态下的气体质量那么多。增加气体流动速率以创造一个

18、不连贯的喷吹状态可能会解决问题。增加的能量可以到达流动的金属熔体表面，同时，有利 的影响了炉内金属熔体的混合。总的来说，利用连贯的喷吹技术喷吹固体避免了喷吹设备内壁和带有少 量气体的钢液接触，同时进一步避免了对内壁的侵蚀。更多的还需要预先考 虑到每种喷吹的试剂是或符合环保的要求。实验利用了残留的镍产品所以在 EFA的炼钢技术中称着“残油” ，在 IEHK 中这些残油将利用 50千克容量的催生炉移出，该设备底部具有气孔以供气体 的溢出，内部气氛和喷吹的含芯的金属丝。原料有工艺纯铁或者低合金钢， Cuba中的残油，渣（CaO/AL2O）3和钙铝合金，无烟煤或者金属铝作为还原剂。 实验结果表明， 从

19、残油中回收得到的铁、 镍和铬在炼钢中到达了 90%，如图 9。图9残留镍产品和不同物质的混合实验目前的任务是在 IEHK中进行钢的直接合金， 在炼钢过程中喷入锰矿。 此研究的目 的是为了解锰矿和各种还原试剂如碳、铝或者硅在试验中的还原性， 同时在炼 钢中得到更高的锰的利用率。 分析喷吹后在还原氧化锰的设备和模拟工艺上做 进一步的改进。7. 结论 随着钢铁工艺新技术的发展，关于喷吹各种物质进入高炉、竖炉、冲天 炉和炼钢已经在亚堔大学的 IEHK进行。为了对冶金废渣的二次利用和高炉工 艺的改进，各种粉尘例如煤粉、混合的煤、铁矿粉或者含铁化合物的粉尘、 高炉粉尘、转炉残留物和轧制铁皮、石油焦、高炉渣

20、、活性碳和与煤混合的 催化剂，这些都被作为喷吹粉尘利用于实验，从而模拟喷吹物进入高炉的过 程。结果证明这些物质喷吹进入高炉是可行的。同时，对空气氧气燃烧皿在高炉喷吹铸造粉尘、塑料、含硅、锰和铁氧 化物粉尘、碳硅粉尘、焦炭粉尘和化铁炉铁屑在的二次利用进行了研究。该 实验反应出，通过增大炉容可明显改善冶炼工艺，同时使用之前从未利用的 的粉尘的可能性。利用连续的喷吹工艺研究了向熔体进行固体喷吹，以此提高氧气顶吹转 炉的生产效率。以下是被用到的物质：细颗粒的锰和硅化铁混合物、粗颗粒 二次增碳剂、脱硫渣、碳硅化、铁矿和含氧化亚铁的过滤粉尘。通过喷吹实 验表明了利用连贯的喷吹技术避免了喷吹设备内壁和带有少

21、量气体的钢液接 触，同时进一步避免了对内壁的侵蚀。通过电弧炉利用镍生产过程中被称为“尾矿”残留物的实验，而喂入含 芯金属丝，可使 90%的铁、镍、铬回收利用到炼钢生产中。参考文献1) Yu. S. Karabasov at all: Steel on a Boundary of Centuries, MISiS, Moscow, (2001), 619.2) T. Hansmann: Proc. of VDI Wissensforum Seminar 431902, VDI, Aachen, (2004), 8.3) J. M?ller, K. Kesseler and G. Still: P

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