智能耐材方案在冶炼过程中的应用

智能耐材方案在冶炼过程中的应用

0引物利用及节能技术应是实现体积小和低碳小先进的抗弯涂层技术在提高高性能（bf）、电弧炉（aef）、碱性氧转炉（bof）、精养炉（lf）和精炼过程中对传输和灌溉钢包的实用性和使用寿命方面发挥着重要作用。不仅可以通过加固内衬以延长停炉周期,而且还可以通过优化停炉方案来提高产量。如此,可降低耐材单耗成本、拆炉和砌筑人工成本以及减少烘烤和预热所需的能量。为了提高炉子利用率和降低吨钢成本,不断发展耐材内衬技术以适应炼钢新技术,比如水冷系统。对于一座高产节能的炉子,具有相应隔热性能的合适的内衬工作寿命是其主要目标。炼钢是一个能源消耗和CO2排放密集的生产过程,节约能源的同时相当于实现了CO2减排。本文阐述了多种先进的耐材技术有助于用户实现产能最大化的同时,获得能源效率最大化和CO2排放最小化。吨钢主要能耗是由高炉、转炉以及使用辅助燃气烧嘴的电炉中的冶金化学放热反应提供的。在电炉和LF炉中,电能是输入能量的主要来源。根据入炉原料情况以及所应用的氧枪技术不同,电炉电耗大概在300～600kWh/t之间,电极消耗在1～3kg/t之间。现代LF炉吨钢升温电耗为0.35～0.45kWh/K,意味着15～50kWh的电耗对应大约0.01kg/kWh电极消耗。熔化升温所需的电能取决于化学反应释放能,包括铝、硅和碳等的氧化,以及过程能源利用效率。对于短流程电炉工艺和长流程高炉—转炉两种炼钢工艺路径来说,吨钢CO2排放都主要取决于入炉原料。采用现代化的高炉技术,最小CO2排放量接近1.518t/t,在炼钢精炼还原反应中还有0.19～0.22t/t余量的CO2排放。对电炉流程来说,直接CO2排放量从小于0.100t/t(使用优质废钢)到0.36～0.42t/t甚至0.44t/t(使用直接还原铁)。实现CO2减排仍需进一步的创新和改进。使用底吹系统是提高转炉和电炉能量转换效率的有效措施,同时采用先进的出钢技术可缩短出钢时间及减少相应的热损失。此外,使用如本文所述的高效隔热材料,减少钢包周转和处理过程中的能量损失,从而减少对LF炉输入能或化学反应放热的需求。优化耐材内衬,比如使用自硬性中间包喷涂料,可在连铸过程中进一步节能减排。1炉身内制钢的捣打料对炉身热基于RADEX安全炉衬和ANKERHARTH炉膛捣打料的电炉炉底内衬是全球广泛接受的标准炉衬(图1),由烧镁砖永久炉衬、炉膛捣打料、氧化镁和镁碳砖炉衬组成。炉衬与钢水熔池接触,炉衬中Fe2O3和SiO2部分溶解形成密集的ANKERHARTH烧结层。随后在电炉熔化升温过程中,形成耐高温的方镁石-Mg-FeO-硅酸二钙C2S-CaO复合相。此外,没有烧结的ANKERHARTH捣打料层具有良好的抗机械冲击性能以及保温性能。在优质炉衬中会有稳定的10～20cm厚的烧结层。然而,使用劣质的捣打料,可能会有钢水渗透,烧结层会增厚。增厚的烧结层会导致电炉炉内传导到炉壳的热量增加、炉壳温度升高以及热量损失加剧。此外,由于炉衬温度升高,炉衬侵蚀速率也会加快。因此,使用优质炉膛捣打料是实现高效电炉工艺的关键。目前,由于废钢入电炉时对炉膛有明显的机械冲击,为了实现电炉炉底内衬节能,使用优质的阿尔卑斯山氧化镁炉膛捣打料是最具成本效益的。在升温过程中,烧结的ANKERHARTH捣打料层的导热率(2.3～2.5W/mK)几乎翻倍,但仍低于永久层RADEX砖衬的导热率。而渗钢的捣打料导热率则是原来的3～5倍,同时由于炉衬侵蚀,炉衬厚度减少,炉壳温度从260℃急剧陡增到400℃甚至更高,热损也随之增加。通过标准电炉炉膛内衬增加的热通量值见表1。对于炉膛直径6.4m、出钢到出钢时间60min的120t电炉来说,热计算结果表明:由于劣质捣打料异常烧结,所造成的热量损失在180～250kW/t或1.5～2kWh/t。在正常生产周期中,电炉炉膛内衬一般处于稳态条件,炉底钢壳热量损失与出钢到出钢周期呈正相关。这些热损只能通过下一炉的电能进行弥补,每吨钢的相应成本会上升0.1C。此外,对电炉炉膛内衬的计算表明:炉衬热梯度小,则热损相对较少。但是,为降低炉衬耐材侵蚀速率而配置的水冷系统又大大提高了热损。2水冷铜棒的热损带鳍水冷铜板是附加冷却装置,用于平抑燃气烧嘴或超音速氧枪造成电炉炉衬耐材产生的过热点。一般来说,水冷铜板单个或少量(少于3个)安装在永久层耐材的渣线部位或渣线以上。然而,近来有人提出使用多个铜板(16～20个),安装在整圈渣线部位进行试验,目的是通过固定此处的渗渣和渗钢,形成堆积层,降低耐材熔损。另外,将这些水冷铜板扩展到工作炉衬整个渣线部位的工厂试验也在讨论中。由于铜板冷却会产生较高的温度梯度,相应地产生较高的应力分布,有可能会加速耐材侵蚀。然而,除了铜板对炉壳内衬的冷却外,从水系统到水冷板的过程热损也增加了,进一步提高了电炉冶炼能耗需求。热通量密度(q)和温度梯度(gradT)关系见方程(1):q=−λgradT=−λΔTΔX(1)q=-λgradΤ=-λΔΤΔX(1)式中,λ是热导系数;X是距离。在稳态传热条件下,分别在任意位置对有无水冷板进行了数值模拟。明显可见:有水冷铜板的情况下,冷却等温线呈压扁状,向热源面靠拢,表明温度梯度增大,更多的热通量流向水冷板(图2)。典型的电炉炉壁热通量密度见表2。炉衬耐材中安装水冷系统,热损增加。安装3个冷却铜板,吨钢热损大约是几个kWh。根据安装的铜板数量、电炉直径以及炼钢工艺参数的不同,热损在5.1～9.3kWh/t之间。考虑到安装在炉衬里的水冷系统会消耗额外能源成本,大约0.3～0.5C/t,计算成本以年为单位来看,还是使用优质耐材砖内衬的方案比较经济。3火炬气排放的影响由于电弧辐射、利用氧燃烧嘴以及富含CO废气的二次燃烧等,造成电炉炉顶区域过热。这些年来为解决这一问题,大多数电炉厂都利用水冷炉壁和水冷炉盖技术。冶炼过程中10%～15%的电能(大约是30～100MVA),辐射到炉壁。因而,除废气排放系统以外,水冷系统是重要的吸热设备。吨钢热损大概在80～140kWh范围,占总能耗量的10%～20%。其中约30%～50%的热损是由于炉顶水冷系统造成的。三角区的水冷耐材炉顶,耐材消耗通常为0.15kg/t;完全砌砖炉顶,消耗为1～2kg/t。水冷炉顶造成的热损范围为24～70kWh/t,相当于3.5～10kg/t的CO2直接排放量,那么估算的电炉内CO2排放系数为0.148kg/kWh。若考虑间接二氧化碳排放量,相应的电耗和氧耗还会增加,CO2排放系数值会更高。然而,使用优质耐材炉顶的话,相应的CO2排放量会显著下降(如氧化铝砖和碱性耐火砖吨耐材消耗通常分别为0.17～0.28t、1.65～2.18t),使用氧化铝的全砖炉顶,CO2排放量最大为1kg/t,使用碱性砖炉顶,CO2排放量为3.3～4.4kg/t。因此,采用优质耐材替代水冷炉顶,对于CO2减排有着重要的影响。4应用底吹透气性技术奥镁公司的底吹系统可以在生产的任何阶段,按照要求的流速将惰性气体吹入熔池,可起到强化搅拌和增加钢渣接触界面的作用,传质效率更高(图3)。加快了脱碳、脱硫,炉内热量及化学成分更加均匀,冶炼时间缩短,同时氧气和碳粉的利用率提高。奥镁公司在全球安装了无数的底吹系统,并根据客户的具体需求对每套耐材和系统组件进行微调和优化。底吹系统应用于钢、铜以及铝制造行业。通常,在电炉上使用的是定向底吹透气系统(DPP),在转炉上使用的是多孔透气砖系统(MHP)。在电炉安装DPP底吹系统,可提高原料转换效率。65t电炉安装DPP后,可降低煤粉加入量以及降低电极消耗,与工艺过程相关的直接碳排放降低0.62kg/t(表3)。若加上降低的烧嘴燃气消耗,直接CO2排放可降低3.7kg/t。间接CO2减排根据降低的电耗计算(如每降1度电CO2减排0.363kg)为3.1kg/t。在现有的1座165t电炉安装DPP底吹透气系统进行优化试验,模拟计算结果显示节约能耗5.2kWh/t。从经济角度来看,底吹透气系统使烧嘴燃气和氧气消耗降低,可显著节约成本。此外,节约成本更重要的是来自电耗降低(0.28～0.61C/t)和石墨电极消耗降低(电极单价6000C)∶1.5C/t。5圆形出钢口节能技术最近,许多电炉和转炉引入了经计算流体动力学(CFD)系统优化的出钢口。与传统出钢口设计相比,在给定出钢口直径的情况下,新的锥形通道可减少出钢流的紊乱,降低出钢口熔损速率,提高出钢流速率(图4)。因而,在工作寿命期限内,出钢时间缩短,出钢速率和出钢时间保持更加稳定。出钢时间缩短,电炉和转炉的出钢到出钢时间也随之缩短,能源效率更高。安装锥形出钢系统,降低了出钢口熔损速率并提高了出钢速率,放钢时间随即缩短(图5)。对当前的1座120t电炉进行试验,圆柱形出钢口改为锥形出钢口,前50炉钢可节省大约40～50min(相当于1炉钢时间)。熔损速率降低,避免了出钢口修补(如出钢口管道修补),由此节省了两次出钢口修补时间,相当于为电炉增加了40～60min的作业时间。因此,每个出钢口大约在冶炼140炉钢的工作周期内,节省了大约相当于冶炼2炉钢的时间。因此,提升了电炉产量,降低了能量损失。电炉热量损失主要是由出钢到出钢时间决定的。最大的热损不是出钢过程,而是出现在熔池过热之后。根据配置的设备技术不同(如超高功率和氧枪),电炉吨钢热损大约在1～4kWh/min,这些热损相当于钢水温度下降4～17℃。电炉冷却和烟气系统导致的热损从原料入炉时的2kWh/(t·min)提高到出钢前的4kWh/(t·min)。据报道,初期熔化阶段电耗为0.4kWh/(t·min),出钢前提高到1.7kWh/(t·min),而快速出钢可将过热钢水散发的热损降到最低。因此,使用锥形出钢口有着重要的节能潜力。降低1min出钢时间相当于节能1～4kWh/t和CO2减排0.15～0.59kg/t,假设美国电炉工艺过程平均CO2排放系数为0.148kg/kWh,那么相应的电能成本可节约0.07～0.28C/t。6有隔热层设计的钢包壁热质问题从钢水精炼过程中的能源效率、工作安全和物流等方面来看,运输和浇铸用的钢包内衬发挥着重要的作用。通过选择适当的耐火材料、等级划分、正确安装、精心预热以及采取有效的维护方法,延长耐材工作寿命,显著节约能源。奥镁公司可提供一系列基于耐材的解决方案,包括优质内衬、优化内衬维护和底吹系统,可实现缩短生产时间和节约能源(图6)。钢包内衬的传热特性受钢包内衬设计影响较小。现今的钢包内衬设计主要有冶金工艺本身的约束和成本确定:•白云石-碳质钢包衬;•镁碳(MgO-C)质钢包衬;•铝镁碳质(Al2O3-MgO-C)钢包衬;•整体浇注式钢包衬;•镁铬(MgO-Cr)质钢包衬(主要用于不锈钢生产)。MgO-C,MgO-Cr,AMC的内衬砖热导率范围较窄,对热传导特性影响最大的是使用隔热板或隔热砖。有无隔热层设计的钢包壁热通量范围比较见表4,热梯度分布如图7所示。在有隔热层的包衬中,MgO-C质衬砖平均温度随之升高(图7),这样有可能造成钢水渗透深度增加和MgO-C砖侵蚀加剧。随着空的保温钢包冷却,靠热源侧的热梯度升高,包衬抗热冲击性可能会降低。有隔热层包衬的钢包热量损失少,因而钢水在运输和处理过程中温降小。从处理到浇铸结束,整个过程的钢水温度变化,是能量平衡和工艺控制的重要部分。例如,在67t浇注成型的氧化铝质内衬钢包(如ANKOCAST)中,有1cmSUPETHERM隔热层(图8),出钢时计算的钢水温降为3.07℃/min。如果把这1cm的隔热层用工作衬材料代替,钢包壁热通量将从8.3kW/m2提高到10.8kW/m2,出钢时钢水温降速度将增加到3.61℃/min。假如钢包处理时间为45min,那么温降速度相差0.54℃/min的热损相当于5.6kWh/t。因此,这1cm的SUPETHERM隔热层对应可节约能源成本0.4C/t。此外,优质隔热材料需避免砖膨胀造成隔热层挤压和失效。如果增加钢水容积,不管有无隔热层的钢包,热损都会降低。例如,从表4可以看出,对于120t钢包,每小时有MgO-C隔热层比没有MgO-C隔热层热通量密度降低6.2kW/m2,相当于每小时处理时间节电1.1kWh/t。然而,如果钢包能源补偿不是靠LF炉物理升温而是靠Al氧化升温,那么即使通过优化钢包衬节能很小,但也是很重要的。在优质钢种生产中,要尽量减少生成Al2O3。图9给出的是有、无化学热,原设计包衬和新设计含隔热层包衬的300t钢包随时间变化钢水的温降情况。图中可见,使用的带隔热层钢包节能效果显著,化学升温用的Al从250kg/炉降低到60kg/炉。除了通过钢包包衬引起的能量损失外,其他重要的能量损失是由钢包顶部钢水表面的对流和辐射引起的散热造成的。图10是24t浇注用钢包的钢水温度随着顶渣表面温度下降而降低。随着渣厚增加,通过渣层和渣面温度的传热降低,因而后期的钢水温降随之减少。其他的重要节能和二氧化碳减排潜力在于优化的钢包预热站和控制钢包运转周期,以避免钢包空等造成过度预热。然而,比使用厚渣层更具成本效益的是使用有内衬的钢包盖(图11),以减少钢水顶部表面的热损。7能降低钢水温度,提高钢包质量出钢后装满钢水的钢包在运输中以及在浇铸过程中,通常都是使用顶渣以减少能量损失,很少使用稻壳灰覆盖和隔热的钢包盖。使用钢包盖可减少最高90%的连续能量损失(图12)。在精炼和运输过程中,减少了钢水能量损失,因此可降低电炉或转炉出钢温度。另外,通过有效的钢包修补和预热方法,再结合先进的烧嘴技术和优化钢包运转也可以实现节能。在钢包处理周期中,总节能量相当于最大30℃的钢水温度差异所节约的能量(如67t钢包,钢包周转+处理+等待时间为53min,节能7kWh/t)。假定转炉平均单位二氧化碳排放系数为0.072kg/kWh,电炉为0.148kg/kWh(图13),那么在转炉或电炉中,降低出钢温度带来的CO2减排量估计为0.5～1.0kg/t。8能源的最大化通常,中间包工作衬是使用易于喷补泥浆喷涂料的ANKERTUN设备。这些泥浆喷补料需要大量的水和非常耗能的烘烤方法。然而,应用