鐵鋼界面鐵水溫降碳析出利用研究

陳立軍,曲迎霞,孫國(guó)偉

(1.寶山鋼鐵股份有限公司,上海 201999; 2.東北大學(xué),遼寧 沈陽(yáng) 110819)

鐵鋼界面鐵水運(yùn)輸過(guò)程倒裝環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生大量高溫?zé)焿m,檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該煙塵主要成分鐵、碳含量通常超過(guò)70%。國(guó)外有研究認(rèn)為,部分碳與鐵結(jié)合形成具有磁性的Fe3C[1],以及鐵水與空氣中的氧氣反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生鐵氧化物塵粒。從冶金熱力學(xué)數(shù)據(jù)出發(fā),鐵水溫度降低100 K,碳的飽和溶解度平均減少0.2%[2-3],會(huì)析出碳;按此估算,鐵鋼界面溫降100 K,每噸鐵水將析出碳約2 kg,年產(chǎn)1 500萬(wàn)t鐵水的鋼廠將有3萬(wàn)t碳析出,不加利用則有可能成為無(wú)組織排放。在鐵鋼界面運(yùn)輸過(guò)程減少碳析出和利用方面的研究不多,更未有大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用;潘俐等[4]采用鐵礦粉對(duì)鐵水進(jìn)行脫碳,取得了一定的效果,加入2%的巴西礦粉或滇灘礦,平均可脫碳0.18%,脫硅0.23%。

本文利用高溫試驗(yàn)方法和理論分析定量研究鐵水溫降碳析出規(guī)律。嘗試?yán)玫吞紡U鋼對(duì)鐵水中的碳含量進(jìn)行稀釋,以及利用除塵灰(LT除塵灰、電爐灰和轉(zhuǎn)爐二次灰)中的鐵氧化物與鐵水中C反應(yīng)將C降低到適宜的欠飽和水平,避免運(yùn)輸過(guò)程中出現(xiàn)碳析出現(xiàn)象。低碳廢鋼對(duì)鐵水碳含量稀釋將鐵水碳降低到適宜欠飽和水平,已大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。

1 試驗(yàn)設(shè)備及原料

試驗(yàn)室研究采用高溫管式爐作為加熱裝置,如圖1所示。爐體通過(guò)6支二硅化鉬發(fā)熱體進(jìn)行加熱,最高工作溫度可達(dá)1 700 ℃。爐內(nèi)為剛玉爐管,內(nèi)徑為100 mm,長(zhǎng)度為1 m。爐內(nèi)的恒溫區(qū)采用雙鉑銠熱電偶進(jìn)行測(cè)溫,所采集的溫度信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)線傳輸至計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控溫模塊,從而對(duì)爐溫進(jìn)行控制。鐵樣置于爐內(nèi)恒溫區(qū)的剛玉坩堝中,爐底設(shè)有惰性氣體入口,爐頂設(shè)有氣體出口。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備示意圖

試驗(yàn)采用的鐵塊來(lái)自寶鋼4號(hào)高爐。在高爐出鐵鐵水溝取樣,澆注在統(tǒng)一尺寸石墨坩堝中,快速冷卻成型后取出備用。鐵水成分如表1所示,廢鋼成分如表2所示,含鐵氧化物成分如表3所示。

表1 鐵水成分

表2 廢鋼成分

表3 含鐵氧化物化學(xué)成分

2 試驗(yàn)方案及方法

試驗(yàn)方案如表4所示,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)操作數(shù)據(jù),將試驗(yàn)考察的溫度范圍定為1 300～1 510 ℃,每個(gè)檢測(cè)溫度下保溫120 min,每間隔20 min取樣一次。每次試驗(yàn)采用的鐵水樣品約為500～600 g。因鐵樣在冷卻過(guò)程中已有析碳損失,為了保證鐵水中碳達(dá)到飽和狀態(tài),試驗(yàn)開始前在鐵水中加石墨片。

表4 碳飽和溶解度試驗(yàn)方案

為了探究鋼鐵廠含鐵氧化物在鐵水溫降中碳的利用,采用圖1所示的試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行高溫試驗(yàn)分析。每組試驗(yàn)稱取500～600 g鐵樣,保護(hù)氣體為氮?dú)?考察的溫度范圍為1 330～1 450 ℃。選取轉(zhuǎn)爐LT除塵灰、電爐灰和轉(zhuǎn)爐二次灰3種含氧化鐵固廢作為氧化劑,除塵灰加入量為鐵水量的2%～5%。3種除塵灰均采用液壓壓塊機(jī)制成直徑約為1 cm、高為1.5 cm的圓柱形塊料。由于不同溫度反應(yīng)速率不同,總反應(yīng)時(shí)間設(shè)在60～180 min內(nèi)。

鑒于廢鋼基本不與鐵水發(fā)生化學(xué)反應(yīng),且廢鋼加入魚雷罐車(TPC)與鐵水混合后,鐵水溫度會(huì)有所降低,研究低碳廢鋼稀釋鐵水碳含量,減少鐵水碳析出量,采用物料平衡和熱平衡法進(jìn)行計(jì)算,其質(zhì)量守恒和熱量守恒方程如式(1)～(3):

W廢鋼·ω(i)廢鋼+W鐵水·ω[i]鐵水=

(W廢鋼+W鐵水)·ω[i]混

(1)

Q收入=Q鐵水+Q廢鋼

(2)

Q輸出=Q混后鐵水+Q廢鋼熔化熱+Q損失

(3)

式中:ω[i]和ω(i)分別為鐵水和廢鋼中i物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù);i為鐵水和廢鋼中的Fe、C、Si、Mn、P、S;W為質(zhì)量,t;Q為熱量,kJ。

由公式(1)可計(jì)算得到加低碳廢鋼后的鐵水成分。令式(2)=式(3),即可計(jì)算鐵水運(yùn)輸終點(diǎn)溫度?；谟?jì)算得到的混合后鐵水碳含量和終點(diǎn)溫度下鐵水的碳飽和溶解度,可計(jì)算得到鐵水的析碳量。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 鐵鋼界面鐵水溫降對(duì)鐵水碳析出的影響

鐵水在鐵鋼界面運(yùn)輸過(guò)程中溫度下降,導(dǎo)致鐵水中碳溶解度降低并逐漸析出。由于鐵水中Si、Mn、P、S等多種元素都會(huì)對(duì)碳飽和溶解度產(chǎn)生一定的影響,因此,有必要針對(duì)現(xiàn)有鐵水成分進(jìn)行碳飽和溶解度試驗(yàn),獲得鐵鋼界面溫度對(duì)鐵水碳析出的影響規(guī)律。為了探究鐵水成分對(duì)碳飽和溶解度的影響,本試驗(yàn)取了2個(gè)不同成分的鐵樣進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 碳飽和溶解度隨鐵水溫度的變化

從圖2中可以看出,隨著溫度的升高,鐵水中碳飽和溶解度不斷升高,而且碳飽和溶解度與溫度呈良好的線性關(guān)系。采用最小二乘法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,獲得的斜率分別為2.54×10-3和3.00×10-3,即鐵樣2碳飽和溶解度隨溫度增大的速率較大。鐵樣1中硅和錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.395%和0.115%,鐵樣2中硅和錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.481%和0.138%。試驗(yàn)數(shù)據(jù)用三元線性擬合法得到溫度、鐵水中Si含量和Mn含量對(duì)鐵水中碳飽和溶解度的影響,如式(4)所示。將計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比,誤差小于2%。由式(4)計(jì)算得到鐵水溫度降低100 K,碳的飽和溶解度平均變化0.265%,即1t鐵水析出碳約2.65 kg。

在羅蘭·巴特看來(lái)，敘事是一種人類社會(huì)的普遍現(xiàn)象，“對(duì)人類來(lái)說(shuō)，似乎任何材料都適宜于進(jìn)行敘事；敘事承載物可以是口頭或書面的有聲語(yǔ)言、是固定的或活動(dòng)的畫面、是手勢(shì)以及所有這些材料的有機(jī)混合；敘事遍布于神話、傳說(shuō)、寓言、民間故事、小說(shuō)、史詩(shī)、歷史、悲劇、正劇、喜劇、啞劇、繪畫……彩繪玻璃窗、電影、連環(huán)畫、社會(huì)雜聞、會(huì)話。而且，以這些幾乎無(wú)窮無(wú)盡的形式出現(xiàn)的敘事，存在于一切時(shí)代，一切地方，一切社會(huì)。有了人類歷史本身，就有了敘事”[注][法]羅蘭·巴特：《敘事作品結(jié)構(gòu)分析導(dǎo)論》，張寅德編選：《敘述學(xué)研究》，中國(guó)社會(huì)科學(xué)出版社，1989年，第2頁(yè)。。

ω[C]飽%=2.65×10-3T-0.35×

ω[Si]%+0.081×ω[Mn]%+1.29

(4)

式中:ω[C]飽為碳的飽和溶解度,%;ω[Si]、ω[Mn]分別為鐵水中硅和錳的含量,%;T為鐵水溫度,K。

3.2 含鐵氧化物與鐵水溫降碳的利用

圖3為L(zhǎng)T除塵灰、電爐灰和轉(zhuǎn)爐二次灰3種含鐵氧化物對(duì)鐵水溫降碳析出的利用效果。圖4為加入3種碳利用劑后,鐵水中Si、Mn含量的變化。反應(yīng)溫度為1 450 ℃,加入量均為鐵水量的3%。由圖3、4分析可知,3種含碳鐵氧化物的最終降C量分別為0.31%、0.23%和0.05%;降Si量分別為0.21%、0.23%和0.16%。Mn含量變化不大,反應(yīng)前后基本保持不變。LT除塵灰的降C效果最佳,主要是因?yàn)長(zhǎng)T除塵灰中鐵氧化物含量最高,且灰中的C含量最低。因此,LT除塵灰是較為理想的降碳劑。

圖3 三種含碳鐵氧化物的降碳效果

圖4 加入不同含鐵氧化物鐵水中硅和錳含量變化

3.3 鐵鋼界面加廢鋼對(duì)鐵水碳析出的影響

為了分析鐵鋼界面加廢鋼對(duì)鐵水碳析出的影響,計(jì)算設(shè)定TPC鐵水裝載量280 t,空罐內(nèi)襯溫度900 ℃,受鐵結(jié)束TPC鐵水溫度1 460 ℃,廢鋼加入TPC后運(yùn)至煉鐵廠溫度達(dá)900 ℃,由輻射、對(duì)流和導(dǎo)熱產(chǎn)生的熱損失為鐵水總熱量的7%。通過(guò)計(jì)算可得到鐵水與廢鋼混合后的溫度和成分,以及運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生7%熱損失后的最終溫度或稱運(yùn)輸終點(diǎn)溫度。不同溫度下鐵水的碳飽和溶解度由公式(4)計(jì)算?；谟?jì)算得到的混合后鐵水碳含量和終點(diǎn)溫度下鐵水的碳飽和溶解度,可計(jì)算得到鐵水的析碳量。

在TPC內(nèi)將鐵水與不同量的廢鋼混合后,鐵水溫度和成分的變化見表5。由于TPC的容量一定,因此保持鐵水與廢鋼的總質(zhì)量為280 t,未加廢鋼時(shí)是鐵水初始成分和溫度。從表5可以看出,隨著廢鋼(含碳量0.06%)加入量的增多,鐵水中C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷降低。加入5 t廢鋼,鐵水中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了0.09%;加入10 t廢鋼,鐵水中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了0.17%;加入15 t廢鋼,鐵水碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了0.26%。因廢鋼加入量遠(yuǎn)小于TPC中的鐵水質(zhì)量,鐵水中其余成分基本不變。未加廢鋼的碳析出量為0.79 t,加入5、10、15 t廢鋼的碳析出量分別減少了0.12、0.21、0.32 t。

表5 廢鋼加入量對(duì)鐵水析碳的影響

廢鋼替代鐵水可明顯降低長(zhǎng)流程企業(yè)的噸鋼綜合能耗,每噸廢鋼替代鐵水可降低0.45 t標(biāo)煤。轉(zhuǎn)爐加廢鋼受物理空間、鐵水溫度(不低于1 340 ℃)等限制,導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐內(nèi)直接加廢鋼量難以進(jìn)一步提升。TPC加廢鋼現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與快速推廣,可對(duì)鐵水中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)起到稀釋作用,減少碳析出,充分利用TPC罐襯熱量,使以往鐵鋼界面噸鐵4.42 kg標(biāo)煤(根據(jù)T/CISA 087—2021計(jì)算所得)的損失能源得到高效利用。

4 結(jié)論

(1)得出式(4)寶山基地鐵水碳飽和溶解度與溫度、成分關(guān)系,計(jì)算誤差小于2%。即鐵水溫度降低100 K,碳的飽和溶解度平均變化0.265%,即1 t鐵水析出碳約2.65 kg。

(3)TPC加入5、10、15 t廢鋼(含碳0.06%)的碳析出量分別減少了0.12、0.21、0.32 t;TPC加廢鋼已在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與快速推廣,既可降低碳析出提高鋼產(chǎn)量,也使原來(lái)?yè)p失的噸鐵4.42 kg標(biāo)煤能源得以高效利用。