金屬冶煉加熱爐節(jié)能降耗方法研究

侯紅杰

（中鋼石家莊工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 石家莊 050020）

金屬冶煉加熱爐是將金屬原料加熱到金屬軋制鍛造溫度的生產(chǎn)設(shè)備，又稱金屬冶煉工業(yè)爐，其已經(jīng)成為金屬冶煉工藝的核心設(shè)備之一，由于其具有操作簡單、維修方便、加熱效率快等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到化工、冶金、熱處理等諸多行業(yè)領(lǐng)域中。在冶金行業(yè)中，加熱爐分為連續(xù)加熱爐和室式加熱爐，從生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量角度來看，連續(xù)加熱爐更優(yōu)于室式加熱爐。金屬冶煉加熱爐加熱效率可以達(dá)到95%以上，100%負(fù)載持續(xù)率，可以連續(xù)48 小時(shí)處于加熱狀態(tài)，在加熱過程中沒有明火，操作安全。雖然金屬冶煉加熱爐具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際生產(chǎn)中其能量消耗也是比較大的，其中包括電能、熱能，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表示，金屬冶煉加熱爐能耗占冶煉整個(gè)過程能耗的50%以上，是金屬冶煉企業(yè)生產(chǎn)成本的主要源頭之一。因此節(jié)能降耗方法成為了控制金屬冶煉加熱爐能源浪費(fèi)的必要手段，同時(shí)也是降低金屬冶煉企業(yè)生產(chǎn)成本的關(guān)鍵。目前金屬冶煉加熱爐節(jié)能降耗所使用的方法，只是單方面從控制電極角度出發(fā)，利用電極控制系統(tǒng)降低加熱爐電極消耗，傳統(tǒng)方法雖然在一定程度上起到了節(jié)能降耗的作用，當(dāng)時(shí)節(jié)能降耗效果不夠明顯，加熱爐電耗量仍舊比較大，為此提出金屬冶煉加熱爐節(jié)能降耗方法研究。

1 金屬冶煉加熱爐節(jié)能降耗方法

1.1 優(yōu)化金屬冶煉加熱爐料結(jié)構(gòu)

金屬冶煉加熱爐爐料結(jié)構(gòu)是加熱爐長期穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證，其不僅可以影響金屬冶煉質(zhì)量，而且還會(huì)影響到金屬冶煉加熱爐運(yùn)行過程中電能消耗。通常情況下，金屬冶煉加熱爐爐料結(jié)構(gòu)為75%自由碳、20%剩余碳、5%自由氧，該加熱爐爐料結(jié)構(gòu)的冶煉性能比較單一，在實(shí)際加熱冶煉過程中爐料的軟化開始溫度和熔化開始溫度都比較低，軟化和熔化溫度區(qū)間比較寬，最大壓差也比較大，不利于金屬冶煉加熱爐進(jìn)一步強(qiáng)化冶煉和降低能耗[1]。因此此次從金屬冶煉加熱爐爐料結(jié)構(gòu)入手，通過對(duì)各個(gè)爐料成分分析，探索出新的加熱爐爐料結(jié)構(gòu)，從而改善金屬冶煉加熱爐加熱性能，促進(jìn)節(jié)能降耗。

金屬冶煉加熱爐運(yùn)行過程共分為五個(gè)階段，包括四次熔清，一次出料，其主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)爐料的冶煉，而碳作為金屬冶煉加熱爐爐料中的主要金屬元素，對(duì)于金屬冶煉加熱爐爐料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，首先要了解碳含量在加熱過程中的平均值和波動(dòng)情況，具體如下表所示。

表1 碳含量的平均值和波動(dòng)情況

結(jié)合上表，以碳氧平衡原理對(duì)金屬冶煉加熱爐爐料結(jié)構(gòu)中的自由碳含量進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

公式（1）中，C 表示為自由碳在金屬冶煉加熱爐爐料結(jié)構(gòu)含量；%DRI 表示為與自由碳發(fā)生反應(yīng)的自由氧量；%O表示為冶煉中金屬原料量；k 表示為自由碳波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差（參照表1）；n 表示為自由碳波動(dòng)變異系數(shù)值（參照表1）[2]。利用上表計(jì)算出金屬冶煉加熱爐爐料結(jié)構(gòu)中的自由碳含量，公式（1）中自由氧量為爐料結(jié)構(gòu)中的自由氧含量，其計(jì)算公式如下：

公式（2）中，%pig 表示為金屬原料中碳的百分含量；為出料量。利用上述公式計(jì)算出金屬冶煉加熱爐爐料結(jié)構(gòu)中的自由碳和自由氧含量，單位為%，剩余碳的含量計(jì)算公式為：

公式（3）中，K 為剩余碳的含量。利用上述公式計(jì)算出金屬冶煉加熱爐爐料結(jié)構(gòu)，根據(jù)金屬加熱爐容量以及實(shí)際生產(chǎn)情況，確定了爐料結(jié)構(gòu)為80%自由碳、10%剩余碳、10%自由氧，以此完成金屬冶煉加熱爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1.2 控制金屬冶煉加熱爐冶煉焦比參數(shù)

冶煉焦比是高爐冶煉過后才能中的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，通過對(duì)冶煉焦比參數(shù)進(jìn)行合理控制可以有效降低金屬冶煉加熱爐能源消耗[3]。根據(jù)金屬冶煉加熱爐中碳的平衡特征，根據(jù)物料平衡以及熱量平衡算法，對(duì)冶煉焦比進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式如下所示：

公式（4）中，δ 表示為冶煉焦比；dc表示為每完成對(duì)一噸金屬材料冶煉直接還原消耗量；bc表示為燃燒前儲(chǔ)存碳量；jc表示為噴吹過程中燃料消耗碳量；kc表示為焦炭固定碳量；a'表示為生成甲烷比例。除此之外，影響冶煉焦比參數(shù)的因素還包括原始燃料的質(zhì)量、熱爐相關(guān)操作參數(shù)、冶煉條件以及噴煤量等。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬冶煉加熱爐冶煉焦比參數(shù)的控制，應(yīng)當(dāng)在保證熱爐平穩(wěn)運(yùn)行的條件下，對(duì)原始燃料的品質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格管控，選用各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求的精料。嚴(yán)格根據(jù)冶煉過程中的客觀條件，依靠現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)行降焦處理，結(jié)合熱爐裝料制度以及調(diào)劑制度，在標(biāo)準(zhǔn)化管理下完成操作，并將管理與技術(shù)相融合，達(dá)到降低冶煉焦比的目的。同時(shí)，控制冶煉焦比參數(shù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，與冶煉高爐的各項(xiàng)參數(shù)之間存在著相互影響，選取的原料條件越高，則冶煉焦比更容易得到有效降低；冶煉高度用風(fēng)溫度越高，則冶煉焦比更容易得到有效降低。通常情況下，煤氣當(dāng)中含有的二氧化碳每增加1%，冶煉焦比則會(huì)下降14.5kg/t.Fe。以此，通過降低金屬冶煉加熱爐冶煉焦比參數(shù)，實(shí)現(xiàn)金屬冶煉降耗。

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)以某金屬冶煉加熱爐為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該金屬冶煉加熱爐型號(hào)為GKDS-230K，定額容量為150T，爐內(nèi)直徑為6500mm，熔池深度為1350mm，變壓器定額容量為100MVA，一次電壓和二次電壓分別為65kV、450V，二次額定電流為80kA，電極直徑為550mm，電極級(jí)心圓為1250mm，電極形成為5500mm。該加熱爐目前平均電耗為365.25kWh/t，在生產(chǎn)過程中最低電耗為324.45kWh/t，最大電耗可以達(dá)到386.42kWh/t。

除此之外，電極消耗近兩年來在1.45kg/t～1.85kg/t 之間，該金屬加熱爐電能消耗占生產(chǎn)總能耗53.4%，利用此次設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法對(duì)該金屬冶煉加熱爐節(jié)能降耗。實(shí)驗(yàn)中加熱爐爐料配比為80%自由碳、10%剩余碳、10%自由氧，冶煉時(shí)間為16 小時(shí)，金屬原料為5t，記錄兩種方法加熱爐電耗量，將其作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)兩種節(jié)能降耗方法對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示。

表2 兩種方法金屬冶煉加熱爐電耗量對(duì)比（kWh/t）

從上表可以得出以下結(jié)論：此次設(shè)計(jì)節(jié)能降耗方法金屬冶煉加熱爐電耗量平均為259.45kWh/t，最大電耗僅為286.24kWh/t，最低電耗量可以達(dá)到246.82；而傳統(tǒng)方法金屬冶煉加熱爐電耗量雖然有所降低，但平均電耗量為356.45kWh/t，與設(shè)計(jì)方法相比較高，而且最大電耗量可以達(dá)到375.45kWh/t，與設(shè)計(jì)方法相比金屬冶煉加熱爐電耗量較高，因此證明了此次設(shè)計(jì)金屬冶煉加熱爐節(jié)能降耗方法具有良好的實(shí)用性，可以有效降低金屬冶煉加熱爐電耗量。

3 結(jié)語

本文結(jié)合目前金屬冶煉加熱爐節(jié)能降耗方法存在的弊端，在傳統(tǒng)方法基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和完善，設(shè)計(jì)了一種新的金屬冶煉加熱爐節(jié)能降耗方法，該方法從爐料結(jié)構(gòu)、冶煉焦比參數(shù)等角度出發(fā)，控制金屬冶煉加熱爐電能消耗量，實(shí)現(xiàn)金屬冶煉加熱爐加熱過程的高效節(jié)能節(jié)電，對(duì)促進(jìn)金屬冶煉行業(yè)可持續(xù)發(fā)展，降低金屬冶煉加熱爐加熱工序的生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效率和競爭力具有重要現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)還為分析金屬冶煉加熱爐的節(jié)能降耗技術(shù)，制定節(jié)能降耗策略和措施提供借鑒。