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从国内外氧气转炉炼钢科技创新的发展趋势来看,以下几个方面值得重点关注。3.1、节能环保技术的发展钢铁生产的技术进步必须与环境协调发展。重点研发各种工艺条件下优化“负能炼钢”的工艺与装备技术,必须采用各种综合节能技术,实现“负能炼钢”。虽然转炉炼钢是当代钢铁生产中耗能最少,且是唯一可以实现总能耗为“负值”的工序,但进一步降低工序能耗和物耗,更加高效地实现能源转换和回收,更加有效地利用二次能源,开发低温余热回收利用新途径等许多问题还要进行深入研究和优化。主要思路有:1)流程优化应成为炼钢厂进一步节能的重点流程优化主要体现在紧凑、高效、自控三个方面。流程功能的解析、优化重组,实现转炉炼钢生产的紧凑化,即工序时间的最小化、衔接最优化,这是最有效的节能措施;高效化是转炉炼钢节能的重要措施;自动化是转炉炼钢节能的重要保证2)优化节能技术提高炼钢能源转换效率烟气能量的高效转换及回收利用;连铸坯热送热装是衔接炼钢、轧钢两大工序的重要节能措施;炉渣余热回收和利用;冷却水余热回收利用技术是转炉炼钢厂进一步提高能源转换与利用效率的难题。3)进一步挖掘炼钢工序的节能潜力加大全过程保温措施是转炉钢厂节能的重要基础;以稳定的工艺操作,实现全厂低温制度的运行,有效地节能降耗;在全钢铁企业能源高效转换利用和构建能量流网络以及优化的总体思路下,研究转炉炼钢厂进一步节能降耗的新措施。
钢铁行业的生产有三个流程,即高炉转炉流程、电炉流程、特种熔炼。高炉、转炉流程称为长流程,生产的钢称为转炉钢,它是以铁矿(590, -14.50, -2.40%)石和焦炭(1872, -37.50, -1.96%)为主要原料冶炼成铁水,再由转炉冶炼成钢;电炉流程称为短流程,生产的钢称为电炉钢,它以废钢为主要原料冶炼成钢。1工艺技术的比较分析转炉流程和电炉流程是钢铁冶金行业两个主要流程,其在炼钢方面的主要差别在于:1) 所用主要钢铁料不同。转炉炼钢主要以铁水为主要原料,还有一般15%左右的废钢,近一年多时间,由于废钢价格低,吨钢利润较高为转炉炼钢用高比例的废钢消耗提供了条件,废钢消耗比例大幅提高,有的甚至高达40%,但存在转炉内热量不足的问题,解决转炉内热量问题是提高废钢比的关键;电炉炼钢主要以废钢为主要原料,还有铁水(生铁)、直接还原铁,脱碳粒铁、碳化铁及复合金属料等废钢替代品。2) 主要能源不同。转炉炼钢主要是铁水的物理热和化学热;电弧炉炼主要是电弧的物理热,废钢预热的物理热、加铁水带来的部分物理热和化学热。3) 主要操作目标不同。转炉炼钢是在给定的时间内完成脱碳、脱磷及温度控制的冶金操作,实现成份(碳、磷)及温度的命中;电炉炼钢是在全废钢的条件下,在给定的时间内完成废钢的升温、熔化和过热等,加铁水等废钢替代品的情况下,也有部分脱碳的要求。另外电弧炉炼钢可分别控制成分和温度。4) 工艺技术进步的方向不同。转炉炼钢主要是通过包括提高供氧强度的高效吹炼技术、碳及温度中率的全自动化吹炼技术、不倒炉出钢的快速出钢技术、采用炉外处理和铁水预处理减轻转炉冶金负荷等措施,实现转炉生产高效化;通过接近平衡的冶炼工艺、高效脱磷工艺、出钢挡渣技术,实现产品的洁净化,通过少渣冶炼与炉渣返回、使用合金元素熔融还原(Cr、Mn)矿、干法除尘用水减量化,煤气余热回收等技术,实现低成本及负能炼钢。电炉炼钢主要是通过强化供能(包括强化供电和辅助能源),采用“环境友好型” 废钢预热系统预热废钢和加铁水工艺,增加物理热和化学热;采用不开炉盖及出钢时仍能通电的连续冶炼技术,有效地减少非通电时间;50%左右或更高的大留钢量平熔池冶炼技术,减少冶炼过程电弧辐射对耐火材料的损害;降低电极消耗。以上技术的应用,缩短冶炼周期,实现高效化生产,降低吨钢能耗。5) 冶金质量方面的差异。钢中的残余元素(Cu、Ni、Mo、As、Sb、Bi、Sn)不同,电弧炉炼钢由于废钢多次循环使用,造成钢中残余元素含量高;钢中氮含量不同,电弧炉炼钢由于电弧区空气电离增氮及原料中氮含量高,造成钢中氮含量高。
2)转炉炼钢原料质量有待提高。我国转炉炼钢用石灰的含硫量比较高,许多钢厂达0.06%甚至更高,这不仅影响转炉钢的性能,而且冶炼过程中产生的二氧化硫对环境也会造成严重污染。3)我国转炉炼钢自动化控制水平,特别是动态控制水平需要进一步提升。目前,欧洲大部分钢铁企业转炉炼钢生产都实现了快速出钢,即大部分炉次终点不倒炉、不取样而直接出钢。国内企业的控制水平与先进指标还有一定差距。4)我国转炉炼钢技术发展不平衡。无论是自动炼钢水平、同样炉龄复吹条件下的碳氧积水平、煤气蒸汽回收量、对精炼工艺掌握的深度还是供氧强度与冶炼周期等主要技术经济指标,先进与落后的钢厂差距较大。5)我国转炉炼钢终点钢水氧含量普遍偏高,这大大增加了高品质钢冶炼的难度。高效率低成本的转炉脱[Si]和[P]工艺还未能全面推广。我国先进企业全新流程在原料消耗与生产效率上与国外先进企业还有一定差距。今后,我国钢铁企业还要进一步增强环保意识,进一步做好炼钢节水、节能和生态环境保护等工作。
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我国“负能炼钢”技术的迅速发展得益于以下三方面: 一是炼钢工艺结构的优化。随着国内新建100吨以上大、中型转炉的增多,配备了煤气、蒸汽回收与余热发电等设施,为“负能炼钢”打下设备基础;二是“负能炼钢”工艺不断完善,多数钢厂已掌握“负能炼钢”的基本工艺;三是2005年,国家统计局将电力折算系数调整为电热当量值(即1kWh=0.1229kg)替换原来沿用的电煤耗等价值(即1kWh=0.404kg)。炼钢能耗统计值降低,利于实现“负能炼钢”。重点企业转炉煤气吨钢回收量由2010年的平均81m3/t提高到2014年的106m3/t。近几年,我国转炉蒸汽回收量有很大提高,但蒸汽回收量和压力差别较大;先进的回收量已达到100kg/t以上、压力可达2.5-4MPa,用于钢水真空处理、发电或并入蒸汽管网。 1.5、转炉使用寿命进一步提高 炉龄是转炉炼钢的重要技术指标,提高炉龄在降低生产成本的同时,也提高了转炉生产效率。溅渣护炉的基本原理是利用高速氮气将成分调整后的剩余炉渣喷溅在炉衬表面,形成溅渣层。溅渣层抑制了炉衬表层的氧化,减轻了高温炉渣对砖表面的冲刷侵蚀。采用溅渣护炉工艺后,当炉衬残砖厚度侵蚀至500mm左右时,炉壁冷却与炉内钢渣对炉衬的导热基本实现了动态平衡。此时,炉衬与溅渣层的结合层很难被进一步熔损。在溅渣条件下炉衬基本为“零熔损”,即随炉龄增加,炉衬厚度基本保持不变。国内钢厂据此研发出了长寿转炉生产工艺,进而使转炉炉龄达到30000炉以上,炉役期和产钢量同步增长,耐火材料消耗和吨钢成本也相应降低。