环保的高炉—转炉炼钢技术

高炉、转炉钢铁制造商正面临矿石/废钢价格大起大落，天然气价格创新低，设施老化以及越来越严格的环保规定等问题。因此，为应对此类问题，需要应用灵活的工艺技术以充分利用原材料和能源优势，同时避免潜在的技术缺陷。本文描述了Tenova公司不同原材料和能源结构下，具有高能源效率、生产力、产量和降低排放的高度灵活的高炉—转炉炼钢技术。 1.提高铁矿石灵活性的技术 由于原材料成本上升，许多钢铁制造商正在考虑使用价格较低的铁矿石，这类铁矿石磷含量相对较高。Tenova的iBOF®工艺技术1、2、4模块对钢铁制造商在处理低质、高含磷铁矿石的灵活操作方面起着至关重要的作用。 (1)在使用高含[P]熔融金属时，iBOF®模块1终点控制—避免过少”和“过多”喷吹对有效控制[P]含量至关重要。在合适[C]含量和温度下没有调节喷吹则会导致高的[P]含量，进而影响熔渣质量。过早调节喷吹不仅会导致C的复吹，还会导致P的复吹。因此，避免过吹也是非常重要的，否则回流会导致[P]含量升高。 为了更好地了解调节操作在熔融金属不同[P]含量情况下对[P]含量控制的影响，Tenova开发了一款全面、能充分预测转炉工艺的控制模型。为了避免统计模型通常遇到的一些问题，iBOF®模型基于热力学和动力学原理，利用实时热量和质量平衡原理而建立的。因此，iBOF®模型不仅可以用于转炉终点的实时监测与控制，还可以模拟和研究铁水和转炉实践变化产生的影响。 当采用常用的铁水[P]含量0.04%时，普遍将碳终点窗口调节至[P]含量小于0.015%。在这种情况下，则很少出现[P]的复吹情况。 然而，当铁水[P]增至0.1%时，控制参数范围大大缩小。在这种情况下，如果终点控制不好将会导致[P]复吹频率升高。 通过过吹来避免高P复吹也不可行；iBOF®终点模型渣化学预测结果表明,随着渣重量增加，过吹使FeO质量迅速增加，进而有效稀释CaO含量。如果过吹，相应的渣(FeO)量急剧增加，CaO含量降低以及相关出钢温度升高将导致出钢[P]含量升高，这是由于[P]的回流所致。 (2)当使用高[P]熔融金属情况下iBOF®模块2杂质控制—优化渣化学控制和有效的终点控制是控制合适的[P]含量的关键。维持富含溶解CaO的渣的V比约为3，且MgO含量不高于所需量，以尽可能减少耐火材料磨损将会提高磷分配比。 在使用磷含量越来越高的熔融金属时，随着渣量的增加，实时杂质检测和减排变得越来越重要。 Tenova的iBOF®模块2杂质检测系统利用一种氧枪振动法及其专有软件为转炉操作者提供喷溅事件预警功能，此技术可以提前20～40秒进行杂质预警。此预警功能使此系统能够动态控制氧枪位置和氧气流量，使转炉运行能够以“主动的”而不是“被动的”方式减轻杂质产生的影响。 (3)当使用高[P]熔融金属条件下iBOF®模块4自动出钢控制—如果在富含大量P2O5的转炉炉渣中添加合金，在钢包中会出现大量的磷回流至熔融金属中。 Tenova的iBOF®模块4自动出钢控制旨在提供全自动出钢控制，保持转炉炉渣低回流和高安全性。系统通过一组摄像头控制转炉倾斜序列，目的是为了维持出钢口最大的钢水深度，并减少钢渣回流至钢包。同时，此系统根据倾斜位置来控制钢包车的移动。多个摄像头和简洁的人机界面使得转炉操作者可以安全地进行出钢操作，而不需要靠近转炉。 2.提高废钢/熔融金属比灵活性的技术 提高废钢/熔融金属比灵活性的技术为高炉—转炉钢铁企业提供了一个有价值的工具，通过调整原料配比改变原料成本，将运营成本降到最低，并利用市场机会通过增加废钢比提高钢铁产量。 (1)iBOF®模块3二次燃烧优化的转炉—氧气转炉炼钢过程自身产生足够的热量来支持碳和其他元素的氧化。对于在正常喷吹条件下的顶吹转炉运行，从转炉排出的废气85%～90%是未燃烧的一氧化碳，与炉内二次燃烧生成的二氧化碳保持平衡。通过这种传统的顶吹方式，生成的充足的热量可用于含75%熔融铁水和25%固体废料的炉料。 转炉内用以提高废钢熔化的二次燃烧能效的主要决定因素是废气和液固相之间热量的转化。Farrand以KOBM转炉为对象，计算出“HTE”实际上平均约为44%。这些传热计算是基于废气分析和出钢温度，其显示转炉内二次燃烧每增加1%，钢液温度实际平均升高4.9℃。 iBOF®模块3优化二次燃烧旨在通过对EFSOP®废气实时分析来对氧枪高度进行动态控制，并对用以脱碳的一次O2和用以二次燃烧的二次O2流量进行独立、动态控制。其目的是通过提高转炉内二次燃烧来提高废钢熔化和实时生产率。此系统利用实时废气分析、其它废气传感器数据和转炉工艺模型来确定自喷吹开始到结束转炉内实际的二次燃烧比率。 iBOF®二次燃烧模块是将转炉二次燃烧从传统的提前确定喷吹氧枪高度和氧气流量工艺改成动态控制工艺，即在实时监测实际废气的基础上动态调节氧枪和氧气流量以优化喷吹工艺。这样一个动态控制系统的目的是最大化废钢熔化能力，同时通过避免不必要的氧气过吹来降低运营成本。 （2）CONSTEEL®工艺技术：废钢和熔融金属最终操作的灵活性—通常，CONSTEEL®工艺技术被认为是一种高度灵活、低能耗、高产量和生产力的连续电炉炼钢系统，能够处理多种配比不同的固体物料，包括不同的废钢、直接还原铁、热压块铁和生铁配比—由于每年钢产量达4000万吨，CONSTEEL®工艺技术已成为一项非常成功的、创新的电炉技术。 通过近期的调整，CONSTEEL®工艺目前可以用于多种固体废料与液态铁水配比，从而使CONSTEEL®工艺非常适合采用高炉—转炉的炼钢厂，有助于其灵活、大范围的调节废钢与熔融铁水比例。 CONSTEEL®工艺所采用的铁水热装为高炉—转炉钢铁生产商提供生产力和成本优化的机会。它可以提高生产能力，尤其是铁水可用性受限的生产厂。此外，CONSTEEL®工艺所采用的铁水热装使生产厂可以改变废钢与熔融铁水比例较目前氧气转炉炼钢的比例范围更广，从而使这些生产厂能够充分利用废钢供应及其价格优势。 铁水热装应用到传统电弧炉是有困难的，这主要是受限于铁水热装可能会引发碳快速沸腾等相关安全问题和操作控制问题，因为当大量高碳熔融金属倒入电弧炉熔池中，可能会导致碳的快速沸腾。 相比之下，CONSTEEL®工艺通过匹配适当的废钢连续热装与熔融金属连续或半连续热装的比率而在很大程度上解决了这些控制问题，熔融金属连续或半连续热装通过耐火流槽控制。实践表明，如果碳控制在0.15%～0.25%范围，通过适当的固体料与铁水热装比可以维持安全操作和良好的泡沫渣。 对于传统的顶装电弧炉，装入的铁水与废钢的最佳比应该在30/70左右。相比之下，采用连续热装CONSTEEL®工艺不断取得生产效益，铁水与废钢比高达50/50。实践还证明CONSTEEL®工艺可用于铁水占比高达80%的配比条件下，从而可在氧气转炉检修时取代氧气转炉而投入使用。 因此，高度灵活的CONSTEEL®工艺非常适合那些正在寻求通过提高铁水可用性来提高生产能力和更好地进行原料成本动态管理的高炉—转炉炼钢厂。 高炉、转炉钢铁制造商正面临矿石/废钢价格大起大落，天然气价格创新低，设施老化以及越来越严格的环保规定等问题。因此，为应对此类问题，需要应用灵活的工艺技术以充分利用原材料和能源优势，同时避免潜在的技术缺陷。本文描述了Tenova公司不同原材料和能源结构下，具有高能源效率、生产力、产量和降低排放的高度灵活的高炉—转炉炼钢技术。 3.提高能源、生产能力和环保灵活性的技术 (1)设施和排放压力面临一体化改造：许多老钢铁厂目前受到焦炉和高炉制约—如最近在北美新建的“绿地”高炉于20世纪80年代委托给加拿大钢铁公司的LakeErie厂。如果不新增设备设施，现有焦炉和高炉设施则面临生产力低、运营成本高、保养和维修成本过高和减排控制等问题。面对大量的资本支出，许多钢厂已决定关闭高炉和焦炉，从而限制铁水的使用和工厂的生产能力。此外，这种一体化炼钢生产面临越来越大的减少温室气体排放的压力,这需要对传统的焦炭—铁矿石高炉工艺进行重新思考。 (2)低风险策略以解决一体化设施存在的问题：考虑到这些新突破的技术措施的不确定性和时间期限问题，这些一体化炼钢厂需要一种风险较低、能够解决焦炉/高炉设施老化、产能受限和排放等问题的技术措施。 造成一体化炼钢工艺温室气体排放量更高的主要因素是使用碳还原铁矿石。因此，提高一体化炼钢工艺下废钢和直接还原铁的使用比例，可以大大降低吨钢的特定温室气体的排放，钢铁企业面临的挑战是在一体化炼钢工艺下如何有效地提高金属化铁的使用。采用CONSTEEL®工艺还可以在废钢/铁水比50/50的条件下进行高效操作。 然而，考虑到超过70%的温室气体排放来自于高炉，对减少一体化炼钢工序中温室气体排放的切实可用的措施就是改变这种传统的用焦炭还原铁矿石的方法。1998年，奥斯丁等人对高炉装入碎废钢的过程动力学进行了研究。研究结果表明，以最佳模式装入废钢可以大大降低燃料比并提高生产力。而废钢加入到炉料中将大大提高高炉产量，并且降低焦比，但是有人担心大幅提高废钢使用量会导致金属残留，尤其是在高炉—转炉生产高质量品质钢中。由于担心金属残留，他们认为在炉料中可以使用直接还原铁或热压铁块来代替废钢。 通过金属化热压铁块和直接还原铁的高炉试验在生产力和焦比方面取得了收益。小规模、商业化高炉实验表明，以一吨铁水为基准，不管炉料中含的是废钢还是热压铁块/直接还原铁，一吨金属化铁添加到炉料中将节省310千克焦炭，同时铁水产量也会显著提高。例如，炉料中30%铁料是金属化铁的情况下HM生产已经被证明，产量平均提高25%左右。 因此，高炉炉料用热压铁块和直接还原铁代替铁矿石将大大提高铁水生产能力，并显著降低焦炭消耗。这种策略可以显著降低对焦炭的需求，从而缩减焦炉的运行。此外，更高的铁水产量一方面可以促进更高钢铁产量来满足市场需求，或是缩减规模较小的低产高炉运行，降低运行和维护成本。如下面所述的，高炉炉料使用热压铁块和直接还原铁也会显著降低一体化炼钢工序温室气体排放，从而使其符合未来的减排目标。 (3)TenovaHYLENERGIRON工艺技术：ENERGIRON工艺目前处在直接还原行业的最前沿，并在不断改进。ENERGIRON工艺技术目前可用于无外部气体转化设备的竖炉的铁矿石还原工艺，二氧化碳捕获率达90%。这种工艺能够生产非常稳定的高碳直接还原铁产品。 ENERGIRON技术的特点是其灵活的工艺配置，能够满足甚至超过目前全球严格的环保要求。其工艺废气和废水排放不仅少，而且容易控制。 传统上，生产直接还原铁使用天然气作为其燃料，而页岩气最近的快速发展及其价格和供应的优势使得直接还原铁日益成为具有竞争力的原材料。例如，纽柯公司改变了其原来的计划而在美国路易斯安那州新建了一个ENERGIRON直接还原铁生产厂，此厂高碳直接还原铁年产能是250万吨。与采用高炉生产相比，纽柯的直接还原铁生产厂将受益于炼铁、炼钢生产中可以使用低价、清洁的天然气，减少温室气体排放及能源消耗。 (4)高炉—直接还原铁生产策略风险较低：Knop等人阐明，TenovaHYLENERGIRON工艺可以改造成使用高炉煤气和焦炉煤气来代替天然气。如下所述，将HYL直接还原铁生产应用到传统的高炉生产会对铁水产量、焦炭消耗和温室气体排放产生极大的促进作用。 Knop提出了两种将HYL直接还原铁生产应用到传统的高炉—转炉生产的策略。在这两种情况下，利用TenovaHYL工艺，使用回收的高炉高炉煤气和焦炉煤气作为主要燃料，直接还原铁的产率约为0.35吨直接还原铁/吨铁水。 第一种情况—保持铁水产量不变；直接还原铁装入量在0.35吨/吨HM使高炉燃料比降低18.5%，无二氧化碳去除设备情况下温室气体排放减少20%（采用ENERGIRON技术，直接还原铁生产中去除二氧化碳的情况下，温室气体排放减少28%）。此策略非常适合那种焦炭短缺或者需要进行焦炉检修/更换但又不想改变铁水产量的钢铁厂。 第二种情况—最大化铁水产量；直接还原铁装入量在0.35吨/吨HM同样会使铁水产量提高24%，高炉燃料比降低19%，无二氧化碳去除设备情况下温室气体排放减少14%（直接还原铁生产中去除二氧化碳的情况下，温室气体排放减少23%）。此策略非常适合那种目前被高炉产能制约但又不想通过大量资金投入新建高炉或焦炉而提高铁水产量的钢铁厂。 (ⅴ)低风险计划实现未来的温室气体减排目标：如上所述，高炉炉料使用直接还原铁能够极大的解决焦炉和铁水产能受限问题，以及显著降低生产过程中温室气体排放问题。图11表明，当使用直接还原铁作为高炉炉料，并采用Tenova的iBOF®技术改善终点控制、优化转炉中的二次燃烧，一体化炼钢所产生的温室气体排放显著减少。无二氧化碳去除设备情况下，整个工序中的温室气体减排量可达到21%～27%（380～500kg二氧化碳/tls）；采用TenovaHYLENERGIRON工艺，直接还原铁生产中去除二氧化碳的情况下，温室气体减排量可达到30%～35%。 4.结论 本文讲述了Tenova商业化的、高度灵活的新技术，为高炉—转炉钢铁生产商提供灵活的生产操作。 此外，在不改变焦炉和高炉设计产能的条件下，高炉炉料使用直接还原铁能够极大、迅速解决焦炉和铁水产能受限问题。同时，此方法风险较小，有利于实现未来温室气体排放目标。