美国转炉化工行业技术的现状和发展

美国转炉化工行业技术的现状和发展

美国是一个重要的钢铁国家，其钢产量一直是世界上的第一位。近年来,美国在转炉炼钢和电炉炼钢技术等方面均取得了显著进步。作者于1998年在美国通过一些钢厂的参观和资料的收集,对美国的炼钢技术有了一定的认识,通过本文对美国炼钢技术的现状作一简介。1转炉精炼1.1压力设计美国年产钢9千多万t,其中转炉钢约占60%。目前美国有13个钢铁公司共包括21个转炉炼钢厂,这些炼钢厂的转炉容量和设备配置情况如表1、2所示。1.2铁水处理美国几乎所有转炉钢厂都进行铁水脱硫,脱硫方法通常是采用CaC2+Mg或CaO+Mg混合喷吹。表3是LTV公司的铁水脱硫情况。1.3氧底吹炼试验美国多数转炉钢厂采用氧气顶吹冶炼,原先不少钢厂曾采用复吹冶炼,但由于溅渣护炉大大延长了炉龄,底吹搅拌元件寿命不能与其同步,一些转炉钢厂放弃了复吹(如内陆、美钢联、格尔夫、伯利恒等公司)。目前美国有3个钢厂(美钢联的Fairfield和Gary厂及Geneva钢公司)坚持纯氧底吹冶炼(Q-BOP),但未采用溅渣护炉。美国目前有12个转炉钢厂采用溅渣护炉,炉龄一般为10000炉以上,内陆公司第4钢厂的一座转炉炉龄1999年初已达33000炉仍在吹炼。美国转炉钢厂的铁水硅含量一般较高(>0.6%),因而渣量较大,且废钢加入量较多(25%)。采用溅渣护炉的钢厂通常用轻烧白云石和石灰作造渣材料,各厂根据出钢温度不同,终渣MgO控制在9%～13%(出钢温度较高的钢厂,终渣MgO较高)。由于多数钢厂的转炉吹炼终点碳含量较低(≤0.05%),因而终渣TFe含量较高(>20%),但不少钢厂有LF,转炉出钢温度不高(有9个钢厂≤1660℃,其中2个钢厂仅为1615℃,另有2个钢厂为1668℃,1个钢厂为1677℃)。所以美国的钢厂在较高氧化铁终渣的条件下溅渣护炉,也取得了很好的效果。1.4吹炼终点火焰的测定内陆公司用副枪进行终点控制,一次倒炉率达91%;美钢联未安装副枪,而采用投入式热电偶在吹炼接近终点时从烟罩上方投入炉内进行不倒炉测温,同时利用炉气温度监测和观察炉口火焰的方法估计终点碳含量,一次倒炉率也可达85%。最近,伯利恒公司开发了一种测定吹炼终点火焰亮度的光学探测仪,已成功地用于冶炼低碳钢时终点碳(C≤0.06%)的控制,有92%的低碳钢炉次出钢碳含量的误差小于0.01%。此外,美国能源部(DOE)和钢铁协会还联合资助开发了放置在氧枪内用于在线测定熔池温度和枪位的光学探头,以及平行于炉口上部用于测定炉气成分和温度的激光探头,目前已取得了阶段性成果。1.5气动挡渣器的改进伯利恒钢铁公司设计了一种气动机械手,可在转炉出钢结束前较准确地将浮标挡渣锥放入出钢口,挡渣成功率可达90%;美钢联也采用类似的方法挡渣。内陆公司使用挡渣球;而LTV公司则采用气动挡渣器,取得了较好的效果。尽管美国各转炉钢厂分别采用不同的挡渣方法,但出钢时仍有一部分转炉渣流入钢包。钢包中的氧化渣对下一步LF精炼脱硫脱氧、钢中铝的收得率和铝含量控制以及对钢的洁净度等均有不利的影响。对于质量要求高的钢种,有的钢厂用扒渣机扒除钢包内的氧化渣,扒渣往往造成钢水温度损失(2.5℃/min)和钢水收得率降低(0.2%)以及时间的耽误(10min)。因此许多钢厂使用含有还原剂的炉渣调整剂来减少钢包渣中的氧化铁含量和调整渣成分。1.6次燃烧试验利用氧枪副孔进行转炉二次燃烧虽然不是一种新技术,但近年来引起了不少美国转炉钢厂的重视。在采用溅渣护炉的氧气顶吹转炉钢厂中,二次燃烧的主要目的是防止吹炼过程粘枪和减少炉口结渣,目前具有二次燃烧功能的台阶式单流道或双流道氧枪分别被不同钢厂采用。在纯氧底吹转炉(Q-BOP)中,用顶枪进行二次燃烧可增加废钢加入量(3%～4%),并可防止炉口结渣。1.7降低钢水脱硫脱氧副产物及工艺模拟的控制目前美国有14个转炉钢厂设有LF,转炉出钢温度大幅度降低(例如LTV公司的IndianaHarbor厂降低了44℃),同时对于钢水脱硫脱氧精炼、夹杂物的去除和形态控制、钢水成分和温度的准确控制以及生产节奏的调整都起了重要的作用。RH真空处理主要用于冶炼超低碳钢(如IF钢)。2电弧炉的精炼2.1电弧炉容量和冶炼指标美国电弧炉钢产量占总产钢量的40%左右。目前美国有87个电弧炉钢公司,共包括225座电弧炉,其电弧炉容量和冶炼指标如表4、5、6所示。可看出,有39座电弧炉的出钢—出钢时间小于60min,有34座电弧炉的冶炼电耗小于400kW·h/t。这些先进的电弧炉大部分是90年代以来新建的100t以上的大型电弧炉,主要由Fuchs、MANGHH、Mannesman等公司制造。2.2聚流氧枪cohenntjet目前,美国的电弧炉钢厂均大量用氧,大大提高了生产率并降低了电耗。电弧炉炉门自耗氧枪、水冷氧枪和炉墙氧枪分别被不同钢厂采用。例如,Nucor-Hickman钢厂由炉门插入水冷枪吹氧;而Nucor-Yamato钢厂则使用两支枪吹氧,其中一支自耗枪由炉门插入吹氧,另一支水冷枪通过炉壁插入炉内强化吹氧脱碳(同时采用氧燃喷嘴和泡沫渣操作),该厂110t电弧炉的出钢—出钢时间仅为44min,电耗350kW·h/t。最近,美国的Praxair公司发明了一种聚流氧枪(CoherentJet),于1998年获得美国专利。此种氧枪具有三层结构,外两层喷射氧和天然气产生高温气圈包围内层的氧气射流,可以延长超音速氧气流股的核心段长度,使氧气流股在一个较长的距离内保持高的速度和强的冲击力,以便在冶炼时加强氧气射流对金属熔池的渗透力。聚流氧枪安装在电弧炉侧墙上(可替代炉门氧枪),具有氧燃加热废钢、二次燃烧和吹氧脱碳等多种功能,美国SMI电弧炉钢公司75t电弧炉采用了聚流氧枪技术,取得了缩短冶炼时间18min和生产率提高25%及电耗降低15kW·h/t的效果。目前聚流氧枪已应用于美国、墨西哥、阿根廷等国的十几座电弧炉。2.3氧燃加热研磨法氧燃加热在美国电弧炉钢厂被普遍采用,氧燃喷嘴被安装在炉墙四周,用氧—天然气燃烧来熔化废钢,在超高功率的电弧炉中可节电30kW·h/t,在普通功率的电弧炉中可节电55～90kW·h/t。使用氧燃加热一般可提高生产率5%～20%。美国有的钢厂采用二次燃烧技术,将二次燃烧枪装在炉墙上或由炉门插入渣中,在泡沫渣中进行二次燃烧时的传热效率可达70%以上,每吹1m3氧气可节电4.5kW·h。2.4碳钢熔毕过程美国许多电弧炉钢厂采用泡沫渣操作,例如Nucor-Yamato钢厂用氧枪机械手从炉门插入两支自耗枪分别喷碳和吹氧,在第二批废钢熔毕后造泡沫渣时,泡沫渣可充满炉膛,其高度达炉门之上(操作时泡沫渣不断从炉门涌出)。美国的多数电弧炉具有炉底出钢的功能,由于新建大型电弧炉的冶炼时间大大缩短,出钢时间相对较长(约5min),Nucor-Berkeley钢厂为了加快出钢速度,将出钢口直径由原来的170mm增加到190mm。2.5出钢—废钢预热利用电弧炉炉气预热废钢可有效地回收热能、降低电耗和缩短电弧炉冶炼时间。美国自1989年以来,兴建了15座100～160t具有废钢预热功能的Fuchs电弧炉(包括单竖炉、双竖炉、指式竖炉、双壳炉和连续熔炼电弧炉)。例如,北极星Kingman钢厂1996年新建的100tFuchs指式竖炉,出钢—出钢时间50min,电耗300kW·h/t;而北极星BHP钢厂1996年新建的160tFuchs双竖炉能够进行100%的废钢预热,出钢—出钢时间仅为40min,电耗300kW·h/t。Nucor、Ipsco、Tuscaloosa、Dynamics等公司1996年以来分别兴建了MAN和Mannesmann及Fuchs双壳电弧炉,出钢—出钢时间一般为55min,电耗300～400kW·h/t,其中Nucor-Berkeley钢厂的两座150tMAN双壳直流电弧炉的出钢—出钢时间仅为44min。此外,Ameristeel公司的Fuchs连续熔炼电弧炉,电耗为355kW·h/t;NewJersey钢厂的交流连续熔炼电弧炉,电耗为390kW·h/t;而Nucor-Darlington钢厂1993年建造的110t直流连续熔炼电弧炉(MAN),电耗仅为330kW·h/t。2.6其他电弧炉生产的废钢由于美国废钢资源充足且价格低,大部分电弧炉钢厂使用废钢配少量生铁作为电弧炉炉料,仅有少数钢厂使用DRI。美国GSI公司70年代在乔治城电弧炉钢厂建造了Midrex竖炉生产DRI,因此该钢厂一直在电弧炉中使用45%的DRI。由Birmingham电弧炉公司与GSI合资兴建的另一座年产120万tDRI的Midrex竖炉已于1998年投产,因而它的电弧炉钢厂目前使用60%～70%的DRI替代废钢。Tuscaloosa电弧炉钢厂也使用30%～45%的DRI,该厂的DRI是由英国钢铁公司拆运到美国的二手Midrex竖炉生产的。此外,Dynamic公司1997年底开始兴建一座转底炉(直接还原)—埋弧电弧炉(重熔DRI)的工厂,计划年产45万t铁水用于电弧炉炼钢(25%铁水热装)。2.7还原电弧炉除尘器美国每年产生约65万t电炉粉尘,预计到下世纪初增加到83万t。由于电弧炉粉尘含有Zn、Pb、Cd等元素,美国环保局将其定为K061有害固体废弃物。80年代以来,美国研究了多种电弧炉粉尘处理方法,但由于处理成本较高,尚未在工业上应用。目前,美国87%的电弧炉粉尘仍然由传统的Waelz回转窑处理,在窑内Zn、Pb、Cd可挥发除去用作炼锌原料。通过控制窑内的还原程度,可将粉尘分别处理成为两类产品,一类是可用作混凝土骨料或水泥原料的氧化物残渣,另一类是含TFe51%～58%的直接还原铁压块。后者可作为电弧炉金属料,在电弧炉中加入2.3%的还原铁压块时,对电弧炉冶炼时间和电耗及钢水成分均无影响,如加入过多将会增加熔毕钢水的硫含量。HRD公司在美国不同地区建了4个电弧炉粉尘处理厂,其中3个厂的主要设备是回转窑,1个厂用火焰反应炉还原处理电弧炉粉尘,因而不少钢厂将电弧炉粉尘运送到HRD进行处理。此外,美国还有11%的电弧炉粉尘用无害固化方法(在粉尘中加入反应剂)处理后填埋。位于美国皮兹堡附近Ellwood城的Inmetco公司用转底炉(直接还原)—埋弧电弧炉(重熔DRI)的方法处理不锈钢冶炼粉尘,可年产7万t含镍铬的合金铁块,再返回用于不锈钢冶炼。最近,美国金属回收公司发展了一种MRT法处理电弧炉粉尘,并在Ameristeel钢厂兴建了一座粉尘处理厂。MRT方法首先用转底炉直接还原法处理电弧炉粉尘(配入铁鳞和碳),然后将炉内还原过程中产生的锌铅等挥发物进一步用氯化铵溶液处理,并计划将转底炉生产的含铁80%的DRI用于电炉炼钢。3美国电弧炉钢板、炉(1)目前,美国转炉炼钢技术的特点是普遍采用铁水脱硫、溅渣护炉、钢包炉精炼,并开发新的终点控制方法等,在出钢和钢包渣的控制及二次燃烧技术的应用等方