转炉焦炭热补偿工艺实践研究

转炉焦炭热补偿工艺实践研究

李乾文 ,张志辉

新疆天山钢铁巴州有限公司  新疆维吾尔族自治区841300

摘要：随着钢铁行业的快速发展，转炉大型化成为冶金发展的必然趋势。同时，在国家“双碳”目标及转炉开发利用的背景下，对焦炭在转炉中的性能提出更高要求。本文主要对转炉焦炭热补偿工艺实践教学研究，详情如下。

关键词：转炉焦炭；热补偿；工艺

引言

在现今“碳达峰、碳中和”的目标背景下，我国能源体系的主要任务为促进能源低碳转型、建立更加环保高效的能源体系。当热电联产机组采用“以电定热”的运行策略时，满足电负荷的需求为首要目标，输出的热能有时无法满足用户的热负荷需求。利用能源系统部分可回收热能，改善传统供暖手段热电负荷不匹配问题的研究较少。为降低成本，企业采用在转炉炼钢过程中增加废钢量以减少铁水量，即采用低铁耗炼钢模式生产。

1焦炭热补偿机理

转炉炼钢热量来源包括铁水的物理热和化学热，在转炉冶炼中，铁水的温度一般在1300℃左右，除铁水所带来的物理热外，铁水中含有一定量的C、Mn、Si、P、S、V等元素，这些元素在吹炼过程中与氧发生化学反应产生的热量也是转炉炼钢的重要热量来源。在合理铁耗生产条件下，铁水的物理热和化学热能够保证较好的转炉终点，既能满足转炉出钢温度要求，又能够保留一定的终点碳含量，避免钢水过氧化；但在低铁耗生产条件下，铁水用量减少的同时，废钢用量增加，转炉物理热和化学热同时降低，其必然导致转炉热量失衡。因此，向转炉炉内加入经济的热补偿材料成为解决转炉热量失衡的有效手段。从转炉炼钢一系列化学反应来看，碳氧反应是转炉炼钢过程中极其重要的反应，碳氧反应形成的泡沫渣可以加大渣钢反应界面，加速反应进行，碳氧反应放出的热量约占转炉热收入项的25%，是转炉炼钢热量的主要来源之一。在焦炭固定碳质量分数取85%的条件下，进一步计算1kg焦炭氧化放出的热量为11172kJ；考虑到焦炭一般有超过10%的灰分，由此计算1kg焦炭中的灰分在转炉条件下升温吸热约200kJ；同时，焦炭中含有一定量的水分会升温吸热，但其水分比例主要取决于焦炭的类别，如使用水分极低的干熄焦，则可以忽略其升温吸热；此外，焦炭中的挥发分也会参与反应放出热量，但其比例较低，可忽略其放出的热量。综合上述情况，可计算1kg焦炭的热效应为10972kJ。

2转炉焦炭热补偿工艺实践研究

2.1转炉应用于活性炭生产

炭化工艺是活性炭生产流程中第一个高温加工过程，生产的炭化料品质很大程度影响下一步的活化生产，包括孔隙发育、产品强度等。炭化转炉可以分为外热式和内热式２种。内热式转炉由于结构较为简单，加工难度较低，因此发展和应用比较早。内热式炭化转炉由组合传动设备，主要由加料仓、炉尾、回转筒体、炉头及传动装置所组成，其中转炉主体为单料筒。内热式转炉的工作原理是热烟气作为介质与待炭化物料在一定的温度范围内连续直接接触，相互逆向流动。物料由低温区向高温区移动，逆向而来的加热介质不断将热量供给物料，物料温度逐步提高，从而完成脱水、脱气、干燥、热分解、热缩聚等过程，最后从高温区的出料口排出；加热介质由高温区向低温区移动，由于不断将热量供给物料，自身温度逐步降低，并携带炭化过程中物料产生的大量挥发物，最后由炉尾烟气出口排出。国内炭化装备水平的提升，极大促进了活性炭产量、品质的提高，有助于提升国内活性炭产品在国际市场的竞争力。

2.2外热式炭化炉生产工艺

物料经进料口进入进料仓内，由进料仓的螺旋给料板送入炭化炉炉体的料道，靠炉体的坡度和转动，物料由进料口向出料口方向移动。物料首先经过温度为200℃的预干燥阶段，再经过200～350℃的软化阶段，进入350～500℃的炭化阶段。在这个过程中，炭化炉加热物料使物料产生挥发分逸出，炭化料和挥发分在料道同方向向出料端移动。炭化料经出料仓流出，挥发分通过挥发分管道被引入到焚烧室中。在焚烧炉内经充分配风，对挥发分气体进行过氧燃烧，挥发分在焚烧室内充分燃烧后放出大量的热，产生的高温废气一部分由管道经配风调整温度后送入炭化炉内壳层维持外热式转炉热平衡，转炉壳体内的混合烟气和料管中的物料间接换热，经过换热后的低温废气经过排气管道进入尾气处理装置；另一部分经由余热锅炉或其它换热设备降温后汇入到尾气处理装置中。依靠炭化热解气燃烧生成的高温烟气作为热源，除了炭化炉自用，还能副产蒸汽。烟气对物料加热，挥发分和物料在料道内同向流动，挥发分沥青组分不易凝结，炭化料不会结块。

2.3热应力破坏的优化

焦炭自进入转炉开始便历经升温过程，高温热应力是焦炭劣化因素之一，为此人们进行相关研究来分析热劣化机理。用DIL－402PC高温热膨胀仪在氮气气氛下，测定30～1300℃温度范围内不同种类焦炭的热膨胀性能，以阐释焦炭在转炉中受热应力的根本原因。当焦炭被上升煤气加热时，其表面与中心由于粒径不同而产生不同温差，温差使焦块内部产生热应力。对针状焦热膨胀系数进行研究，发现焦炭固定碳、灰分的膨胀系数存在差异，膨胀系数差异导致膨胀应力产生，并且在升温过程中焦炭固定碳发生石墨化，从而引起结构应力产生，然而膨胀应力、结构应力是转炉内产生热应力的原因。焦炭石墨化有随温度升高而增大趋势。在惰性气氛条件下，对不同温度区间内表面进行与未进行石墨化处理的焦炭做了热处理对比实验。表面进行石墨化处理后的焦炭失重率小于未进行石墨化处理的焦炭。用计算机断层扫描技术对焦炭进行断层扫描，发现在高温作用下高熔点杂质会在焦炭内部形成低粘性颗粒带导致焦炭整体结构强度下降。焦炭所受的热劣化机理可以从以下两方面解释。宏观层面分析，焦炭受高温作用时，颗粒内部产生热应力，当热应力超过其抗拉强度时，就会破坏焦炭结构；微观角度分析，焦炭受高温作用时，其内部各种显微结构间膨胀收缩程度不同，从而引起微观龟裂现象。虽然经受高温后焦炭石墨化程度提高，反应性降低。但高温也会促进焦炭内部矿物质与焦炭基质发生反应，使其气孔率增加，强度下降，整体结构疏松。而高温对焦炭强度影响远远大于其对石墨化程度影响，因此受高温热应力作用后的焦炭粒度、强度均降低。为提高转炉冶炼生产效率，降低冶炼成本，探索适合不同级别转炉冶炼的焦炭质量。对焦炭在转炉内下降过程中所受到的热应力、机械磨损、碱金属的侵蚀、溶损反应进行了深入分析，研究了不同劣化因素对焦炭宏观性能、孔隙和微晶结构的影响。然而，目前研究领域内对焦炭强度的评价方法还停留在宏观强度，对微观结构影响研究相对较少；且研究方法大多为传统宏观动力学分析方法，缺乏从分子层面对焦炭行为进行劣化机理研究。因此，需利用宏观与微观相结合的研究方法，完整模拟转炉内焦炭的实际劣化过程，提出适用于现代化转炉炼铁的各类焦炭的质量评价指标，为高效稳定转炉冶炼提供参考。

结语

低铁耗生产是我国钢铁行业的一大趋势，通过实验数据证明加焦炭氧化产生热量来补偿转炉热平衡是可行的。热补偿后提高了终点碳、锰含量，降低钢水氧含量，而且焦炭具有成本低的优势，对节能减排及发挥转炉综合经济效益有重要意义。

参考文献

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