宝钢1号高炉炉前脱硅系统的设计与生产(1)

第 34 卷　第 5 期 1 9 9 9 年 5 月 钢　　铁 IRON AND ST EEL Vol. 34, No . 5 May 1 9 9 9 宝钢 1号高炉炉前脱硅系统的 与生产 周龙义 (北京钢铁设计研究总院) 摘　要　简述了在高炉出铁场设铁水脱硅设施的好处和国内外炉前脱硅工艺的特点与发展情况。介绍了首 次采用喷吹法脱硅技术的宝钢 1 号高炉炉前脱硅系统的设计及投产情况。 关键词　高炉　铁水脱硅　设计　生产� DESIGN AND OPERATION OF CAST HOUSE DESILICONIZATION SYSTEM OF NO. 1 BLAST FURNACE AT BAOSTEEL ZHOU Longy i ( Beijing Central Eng ineer ing & Research Incorporat ion of Iron & Steel Indust ry) ABSTRACT　In this paper, the advantages, development and characteristics of cast house de- sil iconization facilify of blast furnace in China and abr oad are discussed briefly . The design and operation of top inject ion desiliconizat ion system o f No . 1 blast furnace at Baosteel, the f irst of this kind o f facil it ies used in Chinese M ainland, is descr ibed. KEY WORDS　blast furnace, ho t metal desil iconization, design, oper at ion 1　概述 随着技术进步和我国市场经济的逐步形成,各 行业对钢材性能的要求越来越高, 钢铁行业的市场 竞争也日益激烈, 企业要想生存与发展,就必须调整 产品结构,提高产品质量,降低生产成本。在铁水进 转炉之前对其进行预处理(脱磷、硫和硅)是提高钢 材质量、降低炼钢成本和生产高附加值产品(高级 钢)、改善企业的经济效益的必要手段。 1. 1　铁水预脱硅的目的 铁水预脱硅的目的,一是提高产量,铁水预处理 后进转炉可大大缩短吹炼时间, 提高转炉效率, 而且 吹炼终点也更容易控制;二是减少炼钢工序熔剂消 耗量, 实现少渣或无渣炼钢, 降低成本;三是为生产 低磷高级钢提供必要条件, 生产低磷钢时, 欲深脱磷 必须先脱硅。有资料表明,入转炉的铁水硅含量下降 0. 1 %, 炼钢所需石灰石单耗一般可减少 3～5 kg, 氧气单耗可减少 0. 8 m 3,钢的收得率增加0. 015 %。 1. 2　高炉炉前铁水脱硅的合理性 目前铁水预脱硅的方法主要有两种。第一种是 在炼钢厂的铁水预处理车间对铁水进行脱硅(脱硫 和磷)处理,这种方法应用较多。多是通过插入铁水 罐(或鱼雷罐车)的喷枪把粉剂喷入铁水中,粉剂与 铁水发生化学反应。上述处理过程是以一罐铁水为 单元分批进行的,且全部反应均在铁水罐内进行。这 种铁水预处理工艺一方面延长了铁水在高炉—转炉 间的停留时间, 加大了铁水温降;另一方面铁水罐内 衬耐材所受的侵蚀也有所加剧。由于铁水罐(尤其是 鱼雷罐车)及修罐设备造价较高,修补(砌)罐内衬所 需时间也较长, 工作条件差,在铁水预处理车间对铁 水进行脱硅处理效率低、成本高。 第二种方法是在高炉出铁场进行炉前铁水脱 硅。这种脱硅工艺对高炉操作无影响,脱硅在高炉出 � 联系人:周龙义,高级工程师,北京( 100053)北京钢铁设计研究总院炼铁室 铁的同时连续进行,不另需时间,且只有小部分反应 在铁水罐或鱼雷罐内进行。铁水在高炉—转炉间停 留时间短,铁水温降少,对铁水罐车周转速度和修罐 次数影响较小。 此外还有一些高炉尝试过向高炉内喷吹粉剂 (如经风口喷吹石灰粉或烧结矿粉)或改变高炉操作 等方法生产低硅铁水, 但在实际生产中应用很少。 1. 3　国外高炉炉前铁水脱硅技术的发展情况 80年代初以来,日本、韩国、印度等国家相继采 用高炉炉前铁水脱硅技术, 或对其进行实验研究。这 项技术在国外(主要是日本和韩国等)已有近 20年 操作使用经验, 所用的方法主要有投撒法 ( Sof t Feeding Method)和喷吹法( T op Inject ing Method) 两种。这两种脱硅方法目前都有使用实例。比较而 言,投撒法所用的脱硅剂在粒度和种类方面的可选 范围较宽(如烧结矿粉、碎烧结矿和氧化铁皮等均有 应用) ,其工艺流程及设备都比较简单,但脱硅效率 较低。日本福山的4号高炉、君津 3号高炉和 4号高 炉、韩国光阳的 4号高炉等所用的脱硅系统均属于 投撒法。印度塔塔钢铁公司在其 C号和F 号高炉上 进行了投撒法脱硅试验。 喷吹法脱硅工艺及设备则要复杂些, 所用的脱 硅剂一般为烧结厂除尘灰或高炉出铁场除尘灰。脱 硅剂的粒度较小,是用载流气体(一般为压缩空气) 经喷枪口以一定初速度喷射到铁水中,因此脱硅剂 与铁水混合较好, 反应界面充足。这些都有利于脱硅 反应进行,脱硅效率较投撒法要高。日本的千叶5号 高炉、水岛 2号高炉、3号高炉、4号高炉都采用了喷 吹法炉前铁水脱硅技术。据了解,千叶6号高炉也将 把原投撒法铁水脱硅系统改为喷吹法。 1. 4　国内高炉炉前铁水脱硅技术的发展情况 在国内, 除宝钢 1号高炉外只有宝钢 3 号高炉 和包钢 4号高炉配有炉前脱硅设施, 均为投撒法,所 用脱硅剂都是高炉原料系统筛下的碎烧结矿,后者 脱硅剂用气力输送。目前这两套脱硅设施尚未投入 正常生产。另有一些企业和大学对高炉炉前铁水脱 硅技术进行了研究。有资料介绍台湾中钢公司高炉 采用了炉前铁水脱硅技术。 1. 5　宝钢 1号高炉炉前铁水脱硅系统概况 宝钢 1号高炉炉前脱硅系统是该高炉大修工程 中的一个子项目,原拟采用投撒法。1996年 7 月根 据 3号高炉脱硅系统投产情况, 宝钢决定 1 号高炉 脱硅系统改用喷吹法, 并准备从国外引进技术及关 键设备。1997年 1月宝钢决定由北京钢铁设计研究 总院以技术总承包的形式承担喷吹法炉前脱硅这一 具有开发性质的项目, 即靠国内力量完成该项目。 1998 年 3月 4日北出铁场 3号喷吹系统热负荷一 次试车成功。3月 25日 1号高炉喷吹法脱硅设施全 部建成,随即开始工艺参数试验。 2　宝钢 1号高炉脱硅系统的设计 宝钢 1号高炉于 1997年 5月完成大修投产, 脱 硅系统的施工设计始于 1997年 4月,其既要考虑本 系统的合理性, 又必须兼顾已有厂区总图布置及厂 房结构(主要是土建结构承载能力和厂房吊车高 度) ,同时还要尽量减少施工对高炉生产的影响, 这 使本项目的设计受到许多限制。当时正在建设中的 宝钢第二炼钢厂铁水预处理系统是按来自高炉的铁 水已经过炉前脱硅设计的, 所以在 3号高炉投撒法 炉前脱硅设施尚不能正常生产的情况下, 1号高炉 喷吹法脱硅系统必须与二炼钢工程一起在 1998年 3月建成并投入正常生产, 否则必然会影响到第二 炼钢厂某些钢种的生产。由于宝钢 1号高炉喷吹法 炉前脱硅系统是国内(除台湾外)首次采用,且不引 进技术及关键设备,工艺设计和专用设备设计无同 类工程可供参考,设计工作是在借鉴高炉喷煤技术、 炼钢专业铁水预处理技术及国内外有关技术资料的 基础上完成的。该项目的设计责任重、难度大、时间 紧。 宝钢 1号高炉及脱硅系统的基本参数: 高炉容积　4063 m 3; 铁口数　4个; 最大日产铁量　10 000 t ; 每次平均出铁量　700 t ; 每次出铁时间　约 120 min; 铁水温度　约1 500 ℃; 出铁速度　6～10 t / m in; 脱硅能力　可对铁水连续进行脱硅处理, 年作 业率为 50 % ; 脱硅剂　烧结机及高炉出铁场除尘灰; 脱硅指标　在脱硅剂成分及铁水温度符合要求 时, 铁水硅含量由 0. 42 %脱至 0. 2 % ( 24 h平均值) ; 消泡剂　主要成分为铝渣; 脱硅剂喷吹介质　脱湿压缩空气。 宝钢 1号高炉喷吹法脱硅系统采用将脱硅剂喷 入摆动流嘴内铁水中的工艺。该系统包括南北两个 喷粉站和四组位于炉前的喷枪设备, 两者间有输粉 管道相联。南喷粉站对应南出铁场的 1号及 4号摆 ·6· 1999 年第 5 期 动流嘴;北喷粉站对应北出铁场的 2号及 3 号摆动 流嘴。每个喷粉站从上至下由贮粉仓(附设有仓顶除 尘器)、卸料溜槽、喷吹罐和料流调节阀等设备组成。 每个摆动流嘴上方设一组喷枪设备,均由摆动流嘴 除尘罩、喷枪传动设备和喷枪头组成。 宝钢 1 号高炉喷吹法脱硅工艺流程参见图 1。 图 1所示为北喷粉站及 2号、3号摆动流嘴部分,南 喷粉站及1号、4号摆动流嘴部分与此相同。贮粉仓 的装粉及卸粉过程: 脱硅剂由吸引压送罐车运到喷 粉站附近,吸引压送罐车自备气泵与喷粉站所附补 气气源共同将脱硅剂压送到贮粉仓中。贮粉仓中的 脱硅剂经由卸料溜槽装入下面喷吹罐中。贮粉仓内 设有料位检测仪器, 喷粉站的操作箱上和中控室的 CRT 上均可显示贮粉仓内料位。 脱硅操作以铁水装满一个鱼雷罐( TPC)为单元 进行。对某罐铁水进行脱硅操作的工艺过程: 1)将对 应的喷吹罐加足料并均压好, 该喷吹罐进入待喷吹 状态,设在炉前的脱硅操作箱上待喷信号灯亮; 2)开 动喷枪传动设备, 使喷枪头处于合适位置; 3)按动脱 硅操作箱上“开始喷吹”按钮, 压缩空气把喷吹罐中 脱硅剂经喷枪头喷入摆动流嘴内的铁水中,脱硅剂 的投放速度可在脱硅作业开始前设定或在脱硅作业 过程中通过改变料流调节阀开度和罐压等参数加以 控制。喷枪头的位置也在脱硅作业过程中随时调整。 一罐( TPC)铁水脱硅操作完毕, 喷吹罐放散、加料、 均压,准备进行下一次脱硅作业。用电子秤检测喷吹 罐内脱硅剂量。 喷吹罐装料和排压时产生的含尘气体用管道引 至贮粉仓内,与贮粉仓装料及放料过程中产生的含 尘气体一样,均由贮粉仓仓顶除尘器处理。处理后空 气外排到大气中,粉料则返回到贮粉仓内。 全部输粉管线采用复合钢管,输粉管线上的阀 门采用耐磨球阀。除料流调节阀为电动外,其余阀门 均为气动。 3　1号高炉脱硅系统工艺参数试验及生产实践 1 9 98年3月4日北出铁场3号喷吹系统进行 热负荷试车,第一罐铁水的脱硅结果为铁水硅含量 由 0. 35 %下降到 0. 17 %。 图 1　宝钢 1 号高炉喷吹法脱硅工艺流程图 F ig . 1　P rocess flow sheet of T IM desiliconization sy stem 1—吸引压送罐车; 2—贮粉仓; 3—卸料溜管; 4—喷吹罐; 5—料流调节阀; 6—喷枪设备; 7—摆动流嘴 ·7·钢　铁 3. 1　工艺参数试验 宝钢 1号高炉喷吹法脱硅系统是国内(除台湾 以外)第一套,在生产操作方面没有经验, 操作参数 需要从头摸索、总结。因此系统全部建成后随即按计 划开始工艺参数试验。通过试验,测定了不同状态下 吸引压送罐车卸料参数、喷吹罐的装料参数和喷吹 过程参数。初步摸索出可使系统稳定工作且脱硅效 率较高的主要过程参数: 喷吹量、输送气量、喷吹罐 罐压、料流调节阀开度和喷枪头位置等,并初步总结 出如何根据出铁速度、鱼雷罐中铁水量控制喷吹速 度。针对试验过程中出现的问题,参与试验各方团结 协作充分发挥各自优势,解决了管道堵塞、某些阀门 寿命较短、喷吹罐罐压及喷吹速度有时波动较大等 问题,对喷吹罐罐压和输送气量控制方式、流化阀流 化气量、某些阀门延时量等进行了调整。工艺参数试 验于 1998年 8月 14日结束。 由于 1号高炉出铁场除尘灰氧含量较低,目前 脱硅系统所用的脱硅剂均为烧结机的除尘灰。 工艺参数试验及后来的生产情况表明: 该系统 工艺流程通畅,主要设备性能满足工艺要求,系统设 计和生产操作基本合理。在脱硅剂成分和铁水温度 符合要求的情况下,脱硅效率基本在 50 %以上。脱 硅时鱼雷罐内泡沫渣量比预想的要少,与不脱硅时 相比,鱼雷罐( TPC)铁水装载量下降不多。如 7月份 共对 98罐铁水进行了脱硅处理,平均脱硅效率约为 67 % ,平均铁水装载量为 296 t /罐。 图 2 为脱硅剂喷吹量与脱硅效率的关系,从图 中可以看出, 随着脱硅剂喷入量的增多,脱硅效率提 高。操作时应尽量采用较大喷吹量,同时控制好单位 时间喷吹量与铁水流量及鱼雷罐中铁水量的关系。 但脱硅剂用量也不能过多, 从试验及生产情况看,一 般应少于 30 ～35 kg / t ,否则会出现脱硅剂利用率 下降,泡沫渣量增大,对耐材侵蚀加剧等现象。 图 2　脱硅剂喷吹量与脱硅效率关系 Fig . 2　Agent comsumption vs desiliconization efficiency 图 3为铁水初始硅含量与脱硅效率的关系, 表 明铁水初始硅含量越高, 脱硅效率越高。因为铁水初 始硅含量高,脱硅反应容易进行, 反应速度快, 与理 论分析一致。 图 3　铁水初始硅含量与脱硅效率的关系 Fig. 3　Relation betw een initial( Si) content and desilio conization efficiency 表 1为部分日平均铁水脱硅效率(由于受外界 条件限制,除 24 h考核验收外一般每天对 3～10罐 铁水进行脱硅处理)。 表 1　1998 年日平均铁水脱硅效率 T able 1　Daily mean desiliconization efficiency in 1998 测试时间 月-日 铁水硅含量/ % 脱硅前 脱硅后 脱硅效率/ % 铁水量/ t 05-09 0. 24 0. 14 41. 67 767 05-10 0. 27 0. 14 47. 56 819 05-11 0. 23 0. 15 35. 71 947 05-13 0. 33 0. 15 53. 33 1752 05-14 0. 33 0. 18 45. 13 1554 05-15 0. 39 0. 11 71. 57 1377 05-16 0. 29 0. 14 50. 00 1466 05-17 0. 32 0. 11 65. 63 300 05-18 0. 28 0. 13 51. 45 1263 05-21 0. 33 0. 18 46. 15 598 05-23 0. 36 0. 11 69. 44 252 05-25 0. 30 0. 14 53. 33 262 05-29 0. 38 0. 22 41. 05 1481 05-31 0. 29 0. 19 35. 04 1222 06-02 0. 31 0. 23 26. 88 727 06-03 0. 35 0. 18 48. 77 2069 06-04 0. 42 0. 27 36. 00 860 06-06 0. 33 0. 11 66. 00 857 06-07 0. 34 0. 15 57. 30 2350 06-08 0. 32 0. 16 51. 16 1126 06-09 0. 31 0. 16 49. 59 2224 (下转第 29 页) ·8· 1999 年第 5 期 图 5　正弦振动和非正弦振动时铸坯的表面情况 Fig. 5　Slab sur face quality w it h sinuous and non-sinuous oscillation 证在正常拉坯阶段负滑动时间及负滑动率相对稳 定,而在连铸起步阶段具有很好的脱模作用。 实验结果证实, 采用非正弦振动可降低初始凝 固坯壳在正滑动期间所受的摩擦阻力 40 % ,这对高 速连铸有突出的意义, 而且可大大减轻振痕深度,提 高铸坯的表面质量。 非正弦振动另一个突出优点是可大幅度降低振 动频率,提高振动台的使用寿命和稳定性,这将在实 践中得到证实。 参　考　文　献 1　Choi J. Optimization o f Mo ld Oscillat ion Pa ttern fo r the Improvem ent o f Sur face Quality and Lubr ication in Slab Continuous Casting . Steelmaking Confer ence P roceeding s, 1991. 561～568. 2　Nadif M . Hydraulic Oscillation on t he Slab Continuous Casting of Solla c Flor ange: F ir st Industr ial Results. L a Revue de M etallurg ic-CIT , 1994, ( July-August) : 1071～1079. 3　杨文改,干　勇, 陈栋梁,等 . 板坯连铸过程结晶器润滑行为的理论研究 . 钢铁 , 1997, 32(增刊) : 694～698. 4　杨文改 .结晶器初生坯壳形成机理及非正弦振动技术的研究(博士学位论文) . 北京:钢铁研究总院, 1997. 5　盛义平,任廷志, 张兴中 . 结晶器非正弦振动 . 钢铁, 1996, 31( 7) : 27～31. (上接第 8 页) 　　需要指出的是, 尽管宝钢 1号高炉喷吹法脱硅 系统工艺参数试验和投产比较顺利,基本达到预期 目标,但由于该系统生产时间较短, 得到的数据有 限,已获得的经验是初步的,对炉前铁水脱硅技术的 认识亦比较有限。最佳操作参数及把初始硅含量不 同的铁水中硅脱到0. 2 %以下所需的最佳脱硅剂用 量等均有待今后随着数据和经验的积累进行总结。 3. 2　系统存在的问题 ( 1) 受厂区总图布置限制,喷粉站距干渣坑较 近,一些设备已出现程度不同的锈蚀现象。 ( 2) 受摆动流嘴处土建结构和出铁场吊车高度 限制,加上设计时对喷枪操作灵活性要求偏高, 喷枪 传动设备外形比较庞大。 ( 3) 摆动流嘴通铁量比不脱硅时下降较多, 与 脱硅操作相适应的摆动流嘴结构(主要是耐材结构) 有待进一步摸索。 根据 1号高炉喷吹法脱硅系统的生产情况。宝 钢已决定 3号高炉再建一套喷吹法脱硅系统。预计 1999年 3月建成。 4　结论 根据 5个月的试验及生产实践。对比国内投撒 法脱硅系统的试生产情况,可得出如下结论。 ( 1) 宝钢 1号高炉喷吹法脱硅系统设计和生产 操作合理,基本达到预期目的,主要设备性能满足工 艺要求,脱硅效率明显高于投撒法。 ( 2) 通过工艺参数试验初步摸索到可使系统稳 定工作且脱硅效率较高的喷吹过程参数和操作方 法。 ( 3) 最佳的喷吹过程参数、喷枪口与铁水间距 离及喷枪头的形状与脱硅效率之间的关系、在不同 初始硅含量时脱硅到0. 2 %以下的最佳脱硅剂用量 等有待进一步总结、摸索。 ( 4) 今后进行喷吹法脱硅系统设计时应在喷枪 传动设备小型化、提高摆动流嘴通铁量使之与脱硅 操作相适应等方面改进。 ·29·钢　铁