| 单词 | 钢铁工业用氧技术的进展 |
| 释义 | 【钢铁工业用氧技术的进展】 20世纪以来，钢铁工业与制氧工业密切相关。1913年比利时高炉首次进行了富氧鼓风试验，取得了增产节焦的良好效果。前苏联在1940～1941年试验用富氧鼓风冶炼锰铁和硅铁，成效十分显著。1948年在高炉生产中用富氧，产量提高90%，焦比降低15%。1953年奥地利发明了纯氧顶吹转炉，并由此逐步取代平炉，成为炼钢生产中的主力军。因此钢铁生产过程用氧，推动了制氧工业的发展。20世纪70年代的两次石油危机，既直接地推动了世界性工业能源结构的变化，也间接地促进钢铁工业用氧向全面和纵深方向发展。 铁矿石烧结 前苏联钢铁工业所需的铁矿石绝大部分来自国内，故烧结原料中细精矿配比高，使混合料料层的透气性差，烧结机的台时产量远低于富矿粉的烧结。为了提高烧结机的生产率，顿涅茨黑色冶金科学研究所对氧气在强化烧结过程的作用展开了深入的研究。首先在直径300mm的烧结杯内，用含有80%克里沃罗格磁铁精矿的混合料，以含氧21%～41%的富氧空气进行烧结试验，取得了积极的成效。结果证实，随着空气中氧含量增加，烧结杯的产率不断提高；但是，当空气中含氧超过30%～32%时，产率增长明显减缓。这表明冷风富氧时，空气含氧率大于30%是不宜的。日本神户钢铁公司为了充分利用厂内的放散氧气和提高处于单机作业条件下的烧结机生产能力，进行了铁矿石富氧烧结操作。与前苏联情况不同的是，日本以富矿粉为原料，氧气并不用于烧结点火。来自制氧机的氧气，通过设在点火炉外侧2台4m×12m的可动式敞开型供氧装置，吹到已点火完毕的绕结料表面。该装置具有多个喷头，以保证在台车长度和宽度方向上均匀供氧，其最大富氧量为10000m3／h，压力19．6kPa，采用富氧后，改善了焦粉的燃烧条件，加快了垂直烧结速度，使其充分燃烧，故焦粉单耗下降了0．7kg。富氧提高了烧结机的利用系数和成品率。收到了降低烧结矿电力单耗的效果。此外改善了成品的强度，使TI值升高了0．7%。但是，富氧会带来不良的效应，使RDI和RI值上升等。炼铁 由于受到风口循环区最高燃烧温度的限制，高炉鼓风富氧至7%～8%已达极限；但若风口喷吹燃料，则此界限不复存在，而全氧炼铁技术，可用工业纯氧生产出比高炉生铁更佳的铁水。(1)富氧鼓风加喷吹燃料。新利佩茨克钢铁公司在其2000m3高炉上进行的富氧鼓风结合喷吹天然气工业性试验表明，高炉完全可以接受高富氧率鼓风。目前，独联体高炉只要位于盛产天然气地区，皆实行富氧鼓风加喷吹天然气操作。高炉喷吹煤粉是业已成熟的技术，但在不用富氧鼓风、仅依靠提高风温情况下继续增加喷煤量，则会出现煤粉燃烧不完全和炉内透气性恶化等不良现象。富氧可提高燃烧区氧分压，改善煤粉的燃烧条件，使允许喷煤量达到150kg／t以上。(2)液相铁还原法。莫斯科钢和合金学院通过多年研究，开发了称之谓“液相铁还原法”的炼铁新工艺，其实质是一步法熔融还原炼铁。它的最大特点是炉内无料柱，可以使用不经造块的原燃料入炉，对粉末的粒度也不加限制；尤宜于粉矿的直接冶炼，且可用粉状的动力煤作还原剂和能源。该工艺的实质是通过富氧鼓风在起泡的熔池内，将混有煤粉的熔体中铁氧化物还原成铁水。把一定配比的矿石或其他含铁物料、熔剂和煤粉从顶部装入炉内，煤遇高温的氧化性气体后发生燃烧并进行热分解，放出挥发物，落入熔池。此时，煤释放的挥发物、部分煤未充分燃烧生成的CO、熔池在煤与氧化铁直接还原反应产生的CO，这三者遇到上排风口鼓入的氧气在炉膛空间内进一步氧化而生成为CO2和H2O，所产生的热量用以补偿熔池内还原、熔化过程的热量不足。排出的炉气可作为二次能源加以利用。新利佩茨克钢铁公司进行的工业性试验表明，生产的铁水成分为(%)：碳4．0～4．8，硅0．05～0．15，硫0．025～0．060，锰0．01～0．10，磷与高炉铁水相当。在不同的炉气燃烧程度下，吨铁的氧气消耗量为55%时933．3m3；71%时764．5m3；93%时707．9m3。(3)全氧煤炼铁。这是世界上正在开发的最新炼铁工艺项目。它有两种方式，一是仍以传统的高炉为冶炼容器，从炉缸风口鼓入常温氧气，用炉顶煤气做载气喷入大量煤粉以取代一半以上的焦炭，还利用鼓风中加湿作为调节风口循环区火焰温度的手段；为了弥补炉腹煤气量的不足，在炉身下部加设一排辅助风口，喷入脱除CO2和H2O、并经热风炉加热至900C以上的炉顶返回煤气，以强化炉身中炉料的预热、预还原，使矿石在接近100%间接还原状态下进入熔融区。另一是熔融还原法，它摆脱了高炉，可完全不用焦炭，而以普通的动力煤作热源和还原剂。它将高炉功能分割成直接还原竖炉和分离渣铁的气化器两部分。这两种全氧煤炼铁工艺的需氧量，前者约240～250m3／t，后者约400～500m3／t。炼钢 从全球范围来看，氧气转炉逐步完全取代平炉的潮流已不可逆转。即使现存的平炉和还在发展的电炉，吹氧助熔以当今增产节能(电)的最有效措施正广为应用。(1)现有炼钢炉用氧的深化。转炉炼钢的发展趋势是将其仅作为脱碳升温的容器，铁水兑入转炉前预先去除硅、硫、磷等杂质，然后把脱气、合金化等任务放到炉外精炼装置中处理。这样一来，必然强化了供氧过程。通过中心风口以底部吹入占总量10%以上氧气的顶底复合吹炼技术，则是其中方式之一。吨钢氧单耗的增加，促成提高了转炉的产率，降低了铁料和辅料的单耗，改善了产品的质量。对于一些铁水供应不足的转炉，为了多吃废钢，必须增加外部输入的热量，以天然气或煤粉为燃料的氧－燃烧嘴辅助供热技术应运而生。如吨钢喷入30kg无烟煤粉，可使废钢比增加近100kg／t，但此时氧气单耗却由52m3升至77m3。当然，全废钢冶炼将耗氧更多。为了提高现存平炉的生产率和降低能耗，目前最主要的强化冶炼措施就是多枪吹氧。其方式既可顶吹，也可往熔池内深吹。只要炉子能够接受，供氧愈多，效果愈佳。对于全冷装的平炉，用氧效果更佳。中国成都无缝钢管厂的70t碱性平炉，采用氧气强化冶炼工艺后，立即使年增产钢20%～25%，燃料消耗降低12%～13%，还延长了炉龄，取得了良好的经济效益。电弧炉炼钢应用氧－燃烧嘴是继熔池内吹氧助熔操作之后的又一节能(电)技术。通常，在炉壳上装有3～4个可伸缩的烧嘴，所供热量可替代熔化期输入电能的50%以上。(2)最佳节能型炼钢炉技术。这是一种新开发的以氧代电节能型炼钢工艺，该炉(EOF)由熔炼和废钢预热两部分组合而成。其熔炼炉与顶底复吹氧气转炉相似，但主要差别在于：当炉料含碳量不足时，可从溶池底部喷入渗碳剂(煤粉或其他碳素物料)；能以高的废钢比冶炼，甚至用100%废钢作原料；而这点与电炉相仿。此工艺也只吹工业纯氧，吨钢耗氧85～90m3。其生产流程适于年产10～100万吨的中小型钢铁厂，故成为电弧炉的有力竞争者。(3)二次精炼炉用氧的扩展。实践证明，钢水二次精炼是一条改善质量和提高生产率的经济有效途径，目前流行的各种二次精炼装置中的RH、CAS、KIP等应用尤广。为了在真空条件下强化脱碳(冶炼各种超低碳钢)和提高钢水温度，常加入OB(吹氧)操作而成为RH-OB或CAS-OB装置。如新日铁名古屋厂250t转炉配备的RH-OB装置，就设有2个供氧能力1500m3／h的喷嘴。该厂生产的IF钢，72%经过RH-OB处理。又如意大利塔兰托厂的CAS-OB装置，每次可处理150～300t钢水，其供氧能力为2500～4000m3／h。此外，某些RH装置上还利用专设氧枪以快速熔化槽内冷钢。如新日铁名古屋厂的实践表明，供氧200～300m3，可熔化槽内粘附冷钢2t以上。与人工切割相比，清理时间缩短了1／2～1／3，劳动强度大为减轻。轧钢 无论是以气体、液体还是以固体为燃料的轧钢加(均)热炉，其最大单项热损失是烟气带走的显热。用氧气代替空气，特别是工业纯氧助燃时，由于燃烧产物中氮含量的极度削减，烟气体积可降至空气助燃时的1／8，甚至更少，故而废气带走热量锐降。因此，从节能出发，加(均)热炉实现富氧燃烧势在必行。但利用普通烧嘴是不能富氧助燃的。这是因为随着空气中氧浓度的增加，火焰温度大幅度上升，会使烧嘴及其附近炉衬迅速毁坏，且钢的氧化损失增多。其次，富氧后排放废气中NOx浓度大大超出环保允许标准。再者，燃烧产物量骤减及火焰动量不足，造成炉内温度场梯度过陡，不利于钢坯的良好加热，为克服上述缺点，美国和日本各自开发了工业纯氧燃烧系统。(1)林德“A”型烧嘴及其应用。该烧嘴由美国联合碳化物公司林德分公司研制，关键之点在于氧气与燃料结合之前先吸入炉气。燃料气体以较低的速度从烧嘴轴线处供入，助燃氧气量的90%～95%从环绕中轴的小孔喷出。形成围绕燃料流的高速流股屏幕；其余5%～10%数量的氧气则从包围燃料管的环状孔中喷出。设计时，保持氧气嘴出孔与燃料出口之间有足够的距离m，使氧气流股能够预先吸入足量炉气并混合，然后再与燃料发生反应。这样可使火焰温度较之燃料与氧气直接作用时燃烧温度大为降低。即在燃烧点处，对空气烧嘴来说，稀释剂是氮气，而对“A”型烧嘴来说，稀释剂是炉气。所以，两者皆在低浓度氧下工作。林德“A”型烧嘴自20世纪80年代投入使用以来，已取得了增产、节支、降耗和改善环境等良好经济效益。(2)低氮仿真空气助燃。这是日本住友金属公司正在开发中的一种富氧燃烧技术，其原理是往燃烧废气中加入工业纯氧，制成具有高CO2分压和高H，O分压的含氧量与普通空气相当的仿真空气。以此空气助燃，既可控制废气中NOx的产生，又因燃烧产物中高辐射能力气体含量的增加，促进了炉内传热过程。其结果既提高了加(均)热质量，也节约了燃料消耗。事实证明，用氧可强化各个工序的作业，可大幅度增加钢、铁材的生产率；用氧可以节能，如氧气转炉配上煤气回收装置就能实现负能炼钢；用氧可改变能源结构，如高炉富氧喷煤能以煤代部分焦炭，而全氧煤炼铁则能完全不用焦炭；电弧炉吹氧可以节电，而EOF炉则能完全以氧代电。此外，冶炼和轧制过程用氧还能获得改善产品质量，提高金属收得率、强化废弃物的直接回收利用和改善环境保护等多方面的经济效益和社会效益。冶金工业用氧正方兴未艾，新的工艺技术必将不断涌现。(上海宝山钢铁总厂金国范撰) |
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