全装DRI电弧炉产量提高试验研究

2019-12-20 16:57:05 作者:huangj 来源: 浏览次数:0 网友评论 0

全装DRI电弧炉产量提高试验研究

本文研究了全装DRI电弧炉在接近生产结束时,严格控制喷枪能够避免炉渣过氧化,而且也研究了在炉次生产早期推迟开始喷吹所带来的益处。在渣量基本固定的情况下,这两种方法都能从根本上降低炉渣水平;另外,也介绍了利用两炉次之间的时间间隙(如更换渣罐)和较大留钢量操作,对系统残渣中FeO进一步还原的好处;总之,通过回收小颗粒DRI、优化喷吹工艺、出钢后对残渣中FeO进一步还原等措施的联合使用,对提高电弧炉产量具有巨大潜力。

为了避免DRI球团在电弧炉中出现破裂,开始研究和探讨DRI球团在还原期间球团强度与使球团具有良好还原能力所需要的孔隙率之间的平衡问题。球团孔隙率由上游工序矿石品位的选择以及球团的生产工艺所决定。这些现象非常复杂,因此,决定对其进行优化。不过不打算牺牲金属化率在抗压强度和孔隙率之间做任何妥协。取而代之的是采用回收工艺,虽然会增加一些成本,比如压块成本,不过产量大幅提高,能够弥补成本增加的不足。

影响电弧炉产量的主要因素是渣量过大,这是与出钢时金属中热力学碳水平引起的FeO含量有关。热力学观点认为,产量低是系统中氧气与碳不平衡所造成的结果。这是因为电弧炉不像转炉那样混合充分。因为炉渣与金属没有充分混合,相对于金属来说,炉渣可能被过度氧化,不过出钢金属保持了目标氧含量。考虑到上述现象,研究重点应该放在喷吹工艺上,因为其中任何一个因素都有可能产生过量的FeO。

1熔炼期间的产量损失

 

电弧炉中的碳与氧平衡非常重要。在给定渣碱度和温度时,从FeO-O-C的热动力学平衡计算可以看出,含有FeO的炉渣,在系统完全平衡情况下,FeO含量由目标氧含量决定。如炉渣中CaO/ SiO2取值1.5,1600℃,目标氧含量1300ppm,则渣中FeO含量约为20%。在一炉钢生产开始时,留钢残渣中的FeO含量约为26%。与平衡值约差6%,结果在预冶炼阶段需要加入焦炭。给定合理的最大留钢量,假如为50000kg/炉,其中40%为炉渣,则在下一炉冶炼开始炉中,大约有5200kgFeO。因为FeO平衡值约为20%,每一炉生产开始的FeO与平衡值约差6%,则最大的产量差别为0.4%。

每个炉次中随着DRI和保护渣的加入,炉渣体积增加。如果DRI中酸性脉石(Al2O3 + SiO2)含量特别高,渣量会高达300-400kg/t,或者是66000-88000kg/炉。在每个炉次生产结束时,渣中FeO含量能达到35%,这说明与FeO平衡值的差值更大约为15%。取炉渣量为350kg/t,与平衡状态相比,产量差值最大可达4%。

从每一炉次生产开始到结束,存在的产出潜在差值,说明每个炉次冶炼期间产出都会有巨大损失。这不仅是由于渣中FeO含量增加,也是因为每炉次冶炼期间,产生了大量的炉渣。显然,预冶炼阶段产量有很大的提高空间,但在冶炼期间的第一个位置就防止渣中的FeO含量增加,投资回报率会更高。在炉渣体积特别高的情况下,这一效果更加明显。

2电弧炉冶炼期间FeO超高水平及其动力学原理

以前曾研究过电弧炉全装DRI时产生过量FeO的重要机制,即脱碳期间熔池中碳传质速率的作用。不仅包括传质系数,还包括碳在熔池中熔解的驱动力与平衡水平的关系。与喷吹速率相比,碳传质基本上是受限制的,吹入的氧在氧化铁中找到位置被其所代替。在接近生产终点时,这一现象尤其重要。炉中碳达到最低点时,碳传质的驱动力也处于最低点。这样很容易产生过吹,通过这个机制产生过高的FeO含量。

但是这个相同机制也可以在每炉次生产早期发生,也可能是由于较低的熔解速率和较低温度下的碳传递。在每炉次生产早期,熔池温度是最低的,这也许使锁在DRI中的碳进入熔池受到限制,导致碳扩散的驱动力较低。在生产早期,如果DRI反应不活泼、混合不充分,则传质系数也比较小。这说明完整动力学图非常复杂,界面面积、反应速度系数以及其他的驱动力的影响也可以考虑进来,但此处没有一个机制是混合控制。

如果在生产早期控制脱碳速度,那么如果喷吹开始过早,速度又非常高,结果就会产生过量的FeO。因此研究认为,这是在此阶段优化喷吹有利于生产的基本原理,也能够解释本研究所得到的结果。在大量工业试验的基础上,喷吹推迟8-10min,在此期间喷吹器作为烧嘴使用。

3在预熔炼阶段残留FeO的还原优化

开发了可通过两个炉次的间隙时间和较大的留钢量操作来提高收得率的生产工艺。这个间隙时间是必须倒空渣罐所产生的,因为DRI中脉石含量高,导致渣量过多。估计上一炉留钢中的40%是含FeO的残渣。因为在两个炉次之间时熔池液面最低,由于出渣量少,铁损失就少,渣中含有FeO,也是因为不够标准尺寸的DRI铁粉浮在渣中所致。

在预熔炼阶段用DRI粉压制的1000kg焦炭压块,以及DRI球团作为添加剂加入炉中,在装炉前对DRI粉进行筛分。向留钢中加入的添加剂如图1所示。

 

 

通过大量试验研究了不同参数的作用,这些参数包括加入的碳量及其特性,加入DRI的量及其含碳量以及在这个阶段的有效驻留时间,以及来自上一炉的FeO含量。焦炭和无烟煤作为含碳材料使用。研究发现在此阶段,较高的固定碳量能够加快并促进FeO的还原。

与焦炭一起加入的DRI及其驻留时间是最重要的工艺变量,DRI必须与焦炭一起加入,最初是为了将比重较轻的片状焦炭带入到留钢中,很快DRI发生反应起到搅拌作用。焦炭加入量对FeO还原的作用总体温合,但对在此阶段的驻留时间有较大影响。

添加剂加入量的多少与上一炉留钢中FeO含量有关,但是由于渣中FeO含量过高,需要加入大量焦炭和DRI,熔池温度下降过多,一般会使此阶段的还原动力学受抑制。焦炭加入量为1000kg时效果最好。开炉时渣中FeO含量约为32%。在预熔炼阶段FeO降至约为26%,对于50000kg/炉(其中40%为炉渣)的留钢量来说,这一下降说明有0.64%的产量空间节省出来。

在此阶段加入焦炭添加剂的第二个好处是FeO被还原后炉渣泡沫化。如果一直延长到生产开始,任何泡沫都能在开始起弧就可以保护炉衬。研究发现,焦炭最优化尺寸为2mm小块。由于留钢炉渣中SiO2含量很高(即直到生产开始都没有加入保护渣),还原速度受到影响,因为硅具有表面活性。不过,这一现象有利于延长还原反应,虽然反应速度较低,但是造泡沫渣效果仍然很好。

铁矿石中脉石含量较高(>6.5%),若使金属收得率保持在可接受范围内,所面临的一个很重要的不利条件是酸性混合物(SiO2 + Al2O3 > 5.0%)过高。硅是炼钢炉渣中表面活性氧化物,这一性能的物理意义是指此氧化物浓度从渣中向渣-气界面转移。当渣的酸性提高,硅对气-渣界面吸收程度加强,表现为使渣中FeO还原的界面面积更少。

4试验结果

 

 

图2和图3为最终取得的渣中FeO含量的改善结果和开炉时目标氧含量。最初目标是将FeO含量降至33%,实际获得结果见图2,FeO平均值为30.6%,改善净差值为2.4%。

 

熔化后钢中氧含量下降改善也取得相同的效果,初始目标是氧含量低于900ppm以下,实际获得氧含量平均值是862ppm以下(见图3),这说明氧含量净改善值是38ppm。

另外,上述期间内在电弧炉内也使用了更高质量的DRI,即金属化率和含碳量都较高的DRI。

5结论

1)在全装DRI的电弧炉中,严格控制氧枪能够防止铁收得率损失,在每炉次生产早期就开始控制非常重要。另外,在两炉钢生产之间留钢残渣中FeO的还原对提高产量作用很大。

2)研究发现喷吹开始时间推迟8-10min能够提高产量,这是由于生产早期增碳不足所致。这种情况下,氧枪吹出来的氧在氧化铁中找到位置,因而不再进行脱碳。

3)熔炼开始时,强制加入焦炭添加剂,能够降低FeO含量水平,并向熔池中提供重要的碳元素,最终产生腐蚀性更小的炉渣。

4)在每一炉次生产结束,即在开炉前,必须严格控制氧枪喷吹,避免炉渣过氧化,这与碳对氧的传质有关,因为在此阶段,扩散驱动力比较低,碳含量也较低,因此在生产结束时要增碳。

5)所使用的DRI中C含量(2.4%-2.8%)的控制和金属化(94%)程度对降低电弧炉渣中FeO含量水平也很重要。

在熔炼期间,除了避免铁的过氧化之外,两炉钢生产的间隙时间和相对大的留钢量操作,能够进一步平衡加入焦炭和DRI的残渣中FeO的还原。这种方法不仅有利于铁的总收得率提高,而且也有利于产生泡沫渣并一直持续到早期的起弧阶段。因此,在每炉钢生产早期,即起到保护炉衬的作用。此阶段FeO还原优化的重要工艺参数是增加焦炭和DRI的驻留时间。

 

 

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