【儀表網 研發快訊】發達國家鋼渣的綜合利用率已達90%以上，而國內不足30%。對于鋼鐵工業鋼渣的利用消納，國家出臺了一系列法規文件，鼓勵開發綜合利用先進工藝技術。電弧爐煉鋼過程中鋼渣的排放量為100~150kg/t鋼，鋼渣磁選鐵后剩余的鋼渣稱為電弧爐廢鋼渣，即尾渣，這部分渣目前還尚未應用于鋼鐵企業，一般低價賣出。如何利用這部分渣是亟待解決的問題。
 

　　造泡沫渣是電弧爐冶煉的重要操作。泡沫渣的形成需要內部和外部兩個條件。內部條件是爐渣自身要具備良好的發泡能力，發泡性能與爐渣的粘度有關；外部條件是要有足夠量的氣體進入渣層。爐渣粘度增加，分離氣泡的液膜更穩定，氣泡將會以較慢的速度從爐渣中排出，增加泡沫渣中氣泡的壽命和泡沫厚度。影響爐渣粘度的最重要因素是爐渣中懸浮第二相顆粒，即鎂方鐵石和硅酸二鈣，它們不僅是形成泡沫渣的必要條件，也有助于降低耐火材料消耗。
 

　　全廢鋼電弧爐煉鋼尾渣作為預熔渣，熔化速度快，如圖1所示，渣堿度(2.0以上)和FeO含量(15%以上)均較高，渣中的(P2O5)含量小于1%，尾渣含有鎂方鐵石和硅酸二鈣，礦物相與冶煉過程中泡沫渣的礦相幾乎相同，如圖2所示。加入爐內后，爐渣中(FeO)含量迅速提高，且渣中含有大量的鎂方鐵石和硅酸二鈣第二相粒子，可以快速形成發泡性良好的渣，有利于提高電能利用率、降低石灰等新渣料和耐火材料消耗，還可還原渣中部分(FeO)，提高金屬收得率，因此，電弧爐煉鋼尾渣回收利用技術的開發與應用，對企業降低生產成本、發展循環經濟、減少間接碳排放均大有裨益。
 

圖1 電爐尾渣固相線溫度 圖2 電爐尾渣礦相組成
 

　　二、解決問題的思路與技術方案
 

　　全廢鋼電弧爐冶煉過程中，爐渣成分和熔池溫度不斷發生變化，導致了爐渣相圖中氧化鈣飽和線和氧化鎂飽和線的不斷移動，如圖3所示。如不及時調整渣成分，會影響泡沫渣質量。特別是冶煉過程溫度升高，增加了爐渣相圖中的液相區面積，降低爐渣粘度，并加劇爐襯耐火材料的侵蝕。
 

圖3 堿度和溫度對渣液相區面積的影響
 

　　基于爐渣良好發泡性能和保護耐火材料的目的，冶煉過程需要協同控制熔池溫度和爐渣成分，保證冶煉全過程爐渣具有良好的發泡性能。在保證爐渣本身發泡性能良好的基礎上，持續足量的氣體供給也是保證泡沫渣質量的必要條件。因此，提出基于尾渣利用的電弧爐泡沫渣控制技術方案，如圖4所示。
 

　　首先確定發泡性能良好的泡沫渣堿度。爐渣堿度過高，渣中固相顆粒過飽和，造成渣料消耗量增加；爐渣堿度過低，(MgO)飽和溶解度升高，加劇耐火材料侵蝕。針對冶煉磷含量要求不高的鋼種，綜合考慮爐渣發泡性能和爐襯材料侵蝕，分別從堿度對渣中固相顆粒分數、渣粘度及(MgO)飽和溶解度的影響等方面研究，最終確定了基于鋼渣尾渣利用的泡沫渣堿度不低于1.8，同時，優化渣料的選擇與配比，特別是冶煉前期加入一定量的尾渣，快速形成泡沫渣。
 

　　基于爐渣成分預報模型，根據熔池溫度的變化，適時加入尾渣和新渣料(包括加入量和加入時機)，實時調控渣堿度、(MgO)及(FeO)含量，穩定發泡性能良好的爐渣粘度所需的第二相顆粒，保證爐渣的發泡性能。
 

圖4 技術路線圖
 

　　在此基礎上，根據電弧爐聲音監測系統的聲音監測數據，進一步控制加渣料操作，并適時調整噴碳/供氧，為泡沫渣提供充足的氣體，保證合適的泡沫厚度。
 

　　四、主要創新性成果
 

　　1、首次提出采用高堿度、高(FeO)的電爐尾渣應用于電爐造泡沫渣，對于脫磷要求不高的鋼種冶煉，明確了冶煉過程控制泡沫渣堿度不低于1.8、爐渣成分接近爐渣相圖中氧化鈣和氧化鎂飽和線。
 

　　圖5不同成分泡沫渣的電耗情況統計

 

　　2、開發了基于尾渣利用的電爐渣成分預報模型，協同控制渣成分和熔池溫度，形成發泡性能良好的爐渣，實現了泡沫渣指數提高0.64s-1.02s。
 

　　3、建立了電弧爐聲音監測系統，實現適時控制渣料加入和噴碳/供氧的自動調控，持續足量供給保證泡沫渣質量所需的氣體，并利用尾渣的預熔特性，提高電弧的穩定性以及電能效率，電耗降低大于10kWh/t鋼。
 

　　技術成功應用以來，共發表SCI論文2篇，授權發明專利1項。
 

　　圖6泡沫渣高度變化示意圖

 

　　四、應用情況與效果
 

　　基于鋼渣尾渣利用的電弧爐泡沫渣控制技術，提高了冶煉效率，同時大幅降低了能源消耗和環境污染。技術應用以來，Consteel全廢鋼連續加料電弧爐冶煉噸鋼電耗同比降低10kWh/t以上、降低石灰消耗7.0kg/t鋼和白云石消耗1.2kg/t鋼以上、金屬收得率提高0.6%、廢渣排放量減少12.4%，減少了二氧化碳的間接排放量。同比降低廢鋼渣處理成本近150萬元/年，渣料使用成本降低300萬元/年以上，企業獲利超過2400萬元/年，經濟與環境效益十分顯著。