铁包用氧燃枪加热废钢的工艺研究与应用

铁包用氧燃枪加热废钢的工艺研究与应用

张敬涛1  张徐清1  赵海飞2  刘飞2

 （沙钢转炉炼钢厂，沙钢钢铁研究院）

摘  要：沙钢50t转炉炼钢车间通过设计在铁水包中加3t废钢并用氧燃枪进行预热，通过15min的煤气加热将废钢加热至800℃以上，满足出铁、炼钢要求，实现转炉废钢比大幅度提升6%；在此基础上进一步优化，制定最佳预热工艺，预热时间缩短至3min，降低煤气能源消耗25m3/t、氧气能源消耗60m3/t，平均预热温度500℃以上，对转炉炼钢的成本控制起到了显著的作用。

关键词：铁包，氧燃枪，加热废钢，废钢比

The research and application of scrap heating technology in ladle with oxygen burner

ZHANG xuqing1, HUANG zhuping1, ZHAOhaifei1, LIU fei2, ZOU changdong2

(1. Steelmaking Plant, Shasteel, Zhangjiagang, 215625, China;

2. Institute of Research of Iron and Steel, Shasteel, Zhangjiagang, 215625, China)

Abstract: scrap preheating in hot metal ladle by oxygen burner is designed in 50t converter steelmaking plant of Shasteel. About 3t scrap is heated to more than 800℃ in 15 minutes, which meets requirements of iron tapping and steelmaking ,and increases scrap ratio by 6%. Through further optimization, Optimum preheating technology is designed. Scrap is heated to more than 500℃ in 3 minutes, converter gas consumption is reduced by 25 m3/t and oxygen consumption is reduced by 60 m3/t. The technology has significant function on steelmaking cost control.

Key words: hot metal ladle, oxygen burner, heating scrap, scrap ratio

1前言

废钢是钢铁工业的绿色资源，提高废钢使用量是钢铁工业降低能耗、减少废弃物排放的重要途径。据悉，到2020年我国废钢铁回收利用量将达到1.5亿吨（不含自产废钢），废钢资源丰富、成本低廉的优势逐渐突显；为此，废钢加热技术的研究和应用是目前转炉炼钢提升废钢比、降本增效的突破口。沙钢有三座 50 t 转炉，由于投产较早、炉容比小、厂房空间小、设备配置落后，通过双料斗加料、加煤吹炼，过程控制难度大、成本高。沙钢依据现有设备情况，通过设备整合利用、能源测算、实践优化相结合，联合开发了铁包用氧燃枪加热废钢系统设施，实践优化后完全满足该厂出铁、转炉冶炼工艺目标要求，实现了废钢比的稳步提升，达到了稳定产品质量、降本增效的目的。本文主要阐述铁包加热废钢系统的整体架构、设计及应用改进情况。

2 生产设备参数

2.1 生产设备结构

铁包废钢烘烤设备结构主要包括：除尘系统、氧燃枪及升降系统、水冷装置，称重轨道运行装置、PLC电器控制柜、能源介质装置。

2.2 设备设计参数：

容    器：45t铁水包（兑铁后的红包）；

介质管道：煤气最高流量、压力达到3000Nm3/h ，压力：8000pa；氧气最高流量、压力达到900Nm3/h ，压力：0.35Mpa；

氧燃枪：燃烧枪双套管同时喷吹转炉煤气和氧气对铁包中废钢实施加热；喷嘴加热位置距废钢表面1.0m以上，喷射火焰长度1.5~1.8m。

废钢类型：单包2~4t；混杂可热物少的钢筋压块；

3废钢预热计算模型

铁包废钢预热通过氧燃枪喷吹转炉煤气和氧气，燃烧产生热量加热废钢。假设转炉煤气充分燃烧，则氧燃枪消耗煤气所提供的热量可根据公式1计算得出，

Q=V×q

式中Q表示煤气燃烧释放的热量，V表示煤气消耗体积，q表示煤气热值。

以氧燃枪喷吹15min预热3t废钢计算废钢预热后的温度。过程消耗转炉煤气约375Nm3，转炉煤气热值按7500kJ/Nm3，热效率按50%，废钢固态比热0.699 kJ/kg/K，废钢初始温度按25℃，带入计算可得，预热后废钢温度为696℃。

4 生产工艺优化

4.1生产实践条件

由于铁包作为重型容器，频繁的吊运、转运需要较多的时间，故讨论设计在于铁水装卸同一跨的延伸预留区域，方便减少投资、吊运提升节奏等。该套加热装置于2017年12月底投入试验，其运行工艺流程如下图1 所示：

4.2 废钢预热工艺优化

烘烤工艺优化主要对烘烤时间、煤气和氧气流量进行调节。初次试验预热时间设置为15分钟，煤气/氧气消耗比例约为1.08，终点废钢平均温度为833℃。经过跟踪发现，对生产节奏影响较大，铁水包调运速度无法满足高炉出铁和转炉冶炼要求，加废钢预热铁包比例难以大幅提高，废钢加热量也难以提高，对整体提升废钢比比例影响大。另外，部分铁包在接铁水过程出现铁水沸腾现象，观察发现预热废钢的中心区域，氧燃枪火焰直接接触的废钢部分熔化，甚至氧化可能是造成铁水沸腾的主要原因。

根据第一次跟踪试验的结果，为提高废钢预热比例，将原预热工艺的预热时间缩短为3分钟。而针对部分废钢氧化导致接铁水出现沸腾问题，将煤气/氧气消耗比例降低为2.5，并严控进场废钢锈蚀程度。工艺调整后，可实现全铁包预热上下衔接，废钢预热比例提高明显（见：表1），预热后废钢平均温度约518℃，未出现铁水沸腾现象，铁包中废钢熔化良好。两次预热工艺跟踪结果如图2所示，工艺优化后铁水进入车间表面废钢融残留情况如图3所示。

表1：废钢加热使用前后工艺指标对比

通过两次铁包废钢预热工艺优化试验，得到废钢预热最合理的工艺参数如下：

（1）废钢类型：钢筋压块，表面锈蚀较少；

（2）加入量：2t~4t；

（3）预热方式：同时喷吹转炉煤气和氧气的燃烧枪；

（4）预热时间：3分钟/包；

（5）气体消耗：转炉煤气70Nm3/包，氧气20Nm3/包。

4.3 温度及成分变化

废钢预热工艺稳定后，对废钢烘烤过程升温进行进一步分析发现：转炉煤气热值约7500kJ/Nm3，单次烘烤3min，消耗转炉煤气约70Nm3，理论产生热量525000kJ。通过计算不同废钢装入量条件下，该热量可使废钢温度升高数据如表2所示。而采用便携式红外测温仪测量预热后废钢实际温度数据发现，废钢烘烤后温度为400~700℃，平均约518℃（如图4所示），与计算结果相比较高。分析主要原因为兑完铁后铁包自身余热对废钢的加热作用。

表2 不同废钢量烘烤升温计算结果

在铁包废钢预热结束后，铁包运至高炉接铁水，运输过程废钢温度变化统计结果如表3所示。铁水车转运铁包过程中，铁包内预热废钢的热量主要以对流和辐射形式散失；铁水车转运铁包过程中，铁包内预热废钢的温降损失速率经统计约为4~5℃/min。

铁水包接铁水后，废钢全部融化进入铁水并改变原铁水温度和成分。根据生产跟踪数据，计算废钢混合铁水，熔化后的成分和温度如表4所示。计算结果表明，高炉铁水熔化废钢2~3.5t预热废钢后，铁水温降达到60~101℃。铁水中C含量降低约0.2~0.35%，其他成分变化较小。

表4铁包加废钢后铁水成分及温度理论计算

铁水包运至车间，铁水将再一次产生温降。根据跟踪统计结果，铁水重量31.45~41.1t，预热废钢重量1.5~3.1t，预热温度476℃，出铁温度1430~1495℃，将符合以上条件包次代入铁水温降模型计算铁水到炼钢车间温度，铁包从炼钢车间运出至铁水包运回车间过程，通过传导、对流、辐射等方式铁水散热速度按0.6℃/min，结果如图5所示。结果表明到炼钢车间铁水温度模型计算值与实际值较吻合。铁水实际温度为1320~1400℃。

跟踪不加废钢（16炉）、加预热废钢（14炉）两种工艺条件下，铁水到炼钢车间温降情况，如图7所示。结果表明，不加废钢、加预热废钢两种工艺条件下，铁水到炼钢车间平均温度分别为1377℃、1355℃，温降为92℃、117℃。与理论计算值相比，铁水温降均较大，分析原因为受铁包运转周期时间较长影响导致。

跟踪加冷废钢和预热废钢两种工艺条件下铁水的温降变化情况，如图7所示。根据铁包运转周期铁水散热速度0.6℃/min，排除铁包运转周期影响，加冷废钢和加预热废钢两种工艺条件下，铁水到炼钢车间平均温降为84℃和72℃。铁包废钢预热工艺可减少铁水温降约12℃，对高废钢比条件下提高入炉铁水温度具有积极作用。

4.4 转炉吹炼工艺优化

铁包废钢预热工艺技术应用后，炼钢车间废钢比得到进一步提高，但与不加预热废钢相比，新工艺条件下铁水进炼钢车间的温度降低，并对转炉终点钢水温度存在一定影响。根据统计，与原工艺相比，采用铁包加废钢预热（预热3min）工艺后，转炉终点温度≥1660℃比例降低约8.6%，同时低于1620℃的炉次增加了8.4%（如图8所示）。烘烤时间越短，转炉出钢钢水温度合格率越低。

由此可见，再采用废钢预热工艺后，高废钢比导致转炉冶炼热量不足，难以达到冶炼工艺中的出钢温度目标。为提高转炉吹炼重点钢水温度达标率，转炉炼钢三车间在吹炼过程中入发热材料焦丁，增加钢水热源，提高出钢钢水温度。

5经济效益分析

5.1实践效益测算

综合生产实际跟踪及理论值数据进行成本测算，在不包含设备投入费用的前提下，每预热一包废钢，对应替换的等量铁水，当炉吨钢降本8.38元；

5.2 综合盈亏比例测算

当铁水与废钢单价比低于1.1:1时，单炉预热3t废钢会产生亏损；否则，差价比越大，盈利越大。

6 结论

（1）制定铁包废钢预热工艺，铁包废钢预热时间3分钟，转炉煤气70Nm3/包，氧气20Nm3/包，废钢预热后温度可达到400~700℃，平均约518℃。

（2）经计算高炉铁水熔化废钢2~3.5t预热废钢后，铁水温降达到60~101℃，铁水实际到转炉车间温度为1320~1400℃。铁水中C含量降低约0.2~0.35%，其他成分变化较小。

（3）铁包废钢预热工艺可减少铁水温降约12℃，对高废钢比条件下提高入炉铁水温度具有积极作用。

（4）制定焦丁加入制度，解决转炉热源不足问题，减小长时间拉碳升温，可降低钢水过氧化，防止炉渣泡沫化。

参考文献

[1] 林瑞泰.热传导理论与方法.天津.天津大学出版社

[2] 陈家祥.炼钢常用图表数据手册.北京.冶金工业出版社