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一、研究的背景与问题
发达国家钢渣的综合利用率已达90%以上,而国内不足30%。对于钢铁工业钢渣的利用消纳,国家出台了一系列法规文件,鼓励开发综合利用先进工艺技术。电弧炉炼钢过程中钢渣的排放量为100~150kg/t钢,钢渣磁选铁后剩余的钢渣称为电弧炉废钢渣,即尾渣,这部分渣目前还尚未应用于钢铁企业,一般低价卖出。如何利用这部分渣是亟待解决的问题。
造泡沫渣是电弧炉冶炼的重要操作。泡沫渣的形成需要内部和外部两个条件。内部条件是炉渣自身要具备良好的发泡能力,发泡性能与炉渣的粘度有关;外部条件是要有足够量的气体进入渣层。炉渣粘度增加,分离气泡的液膜更稳定,气泡将会以较慢的速度从炉渣中排出,增加泡沫渣中气泡的寿命和泡沫厚度。影响炉渣粘度的最重要因素是炉渣中悬浮第二相颗粒,即镁方铁石和硅酸二钙,它们不仅是形成泡沫渣的必要条件,也有助于降低耐火材料消耗。
全废钢电弧炉炼钢尾渣作为预熔渣,熔化速度快,如图1所示,渣碱度(2.0以上)和FeO含量(15%以上)均较高,渣中的(P2O5)含量小于1%,尾渣含有镁方铁石和硅酸二钙,矿物相与冶炼过程中泡沫渣的矿相几乎相同,如图2所示。加入炉内后,炉渣中(FeO)含量迅速提高,且渣中含有大量的镁方铁石和硅酸二钙第二相粒子,可以快速形成发泡性良好的渣,有利于提高电能利用率、降低石灰等新渣料和耐火材料消耗,还可还原渣中部分(FeO),提高金属收得率,因此,电弧炉炼钢尾渣回收利用技术的开发与应用,对企业降低生产成本、发展循环经济、减少间接碳排放均大有裨益。
图1 电炉尾渣固相线温度
图2 电炉尾渣矿相组成
二、解决问题的思路与技术方案
全废钢电弧炉冶炼过程中,炉渣成分和熔池温度不断发生变化,导致了炉渣相图中氧化钙饱和线和氧化镁饱和线的不断移动,如图3所示。如不及时调整渣成分,会影响泡沫渣质量。特别是冶炼过程温度升高,增加了炉渣相图中的液相区面积,降低炉渣粘度,并加剧炉衬耐火材料的侵蚀。
图3 碱度和温度对渣液相区面积的影响
基于炉渣良好发泡性能和保护耐火材料的目的,冶炼过程需要协同控制熔池温度和炉渣成分,保证冶炼全过程炉渣具有良好的发泡性能。在保证炉渣本身发泡性能良好的基础上,持续足量的气体供给也是保证泡沫渣质量的必要条件。因此,提出基于尾渣利用的电弧炉泡沫渣控制技术方案,如图4所示。
首先确定发泡性能良好的泡沫渣碱度。炉渣碱度过高,渣中固相颗粒过饱和,造成渣料消耗量增加;炉渣碱度过低,(MgO)饱和溶解度升高,加剧耐火材料侵蚀。针对冶炼磷含量要求不高的钢种,综合考虑炉渣发泡性能和炉衬材料侵蚀,分别从碱度对渣中固相颗粒分数、渣粘度及(MgO)饱和溶解度的影响等方面研究,最终确定了基于钢渣尾渣利用的泡沫渣碱度不低于1.8,同时,优化渣料的选择与配比,特别是冶炼前期加入一定量的尾渣,快速形成泡沫渣。
基于炉渣成分预报模型,根据熔池温度的变化,适时加入尾渣和新渣料(包括加入量和加入时机),实时调控渣碱度、(MgO)及(FeO)含量,稳定发泡性能良好的炉渣粘度所需的第二相颗粒,保证炉渣的发泡性能。
图4 技术路线图
在此基础上,根据电弧炉声音监测系统的声音监测数据,进一步控制加渣料操作,并适时调整喷碳/供氧,为泡沫渣提供充足的气体,保证合适的泡沫厚度。
三、主要创新性成果
1、首次提出采用高碱度、高(FeO)的电炉尾渣应用于电炉造泡沫渣,对于脱磷要求不高的钢种冶炼,明确了冶炼过程控制泡沫渣碱度不低于1.8、炉渣成分接近炉渣相图中氧化钙和氧化镁饱和线。
图5 不同成分泡沫渣的电耗情况统计
2、开发了基于尾渣利用的电炉渣成分预报模型,协同控制渣成分和熔池温度,形成发泡性能良好的炉渣,实现了泡沫渣指数提高0.64s-1.02s。
3、建立了电弧炉声音监测系统,实现适时控制渣料加入和喷碳/供氧的自动调控,持续足量供给保证泡沫渣质量所需的气体,并利用尾渣的预熔特性,提高电弧的稳定性以及电能效率,电耗降低大于10kWh/t钢。
技术成功应用以来,共发表SCI论文2篇,授权发明专利1项。
图6 泡沫渣高度变化示意图
四、应用情况与效果
基于钢渣尾渣利用的电弧炉泡沫渣控制技术,提高了冶炼效率,同时大幅降低了能源消耗和环境污染。技术应用以来,Consteel全废钢连续加料电弧炉冶炼吨钢电耗同比降低10kWh/t以上、降低石灰消耗7.0kg/t钢和白云石消耗1.2kg/t钢以上、金属收得率提高0.6%、废渣排放量减少12.4%,减少了二氧化碳的间接排放量。同比降低废钢渣处理成本近150万元/年,渣料使用成本降低300万元/年以上,企业获利超过2400万元/年,经济与环境效益十分显著。
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