前言竖炉式废钢预热系统由于其高效率 ,最近引起了钢生产厂家的关注。新日铁根据以下概念开发出发了新型的竖炉式废钢预热系统 ,即 UL—BA方式 (最大批量系统 )。1 )总能量最小化 (园形剖面电炉与 UL—BA预热装置相结合 )(1 )采用向园形电炉批量装料达到废钢熔化的高效率 ;(2 )通过利用高温排出气体达到废钢预热的高效率。2 )竖炉内废钢保存装置的高度可靠性新日铁安装了一台试验设备并进行了各项试验以验证竖炉式预热系统的各项特性。另外 ,他们还确定了自己的预热模拟方法 ,这种方法可应用于按试验结果实际运行的电路。试验及模拟的结果叙述如下 :(1 )在与实际电炉排出气体相类似的气体条件下验证了下面所述的高预热效率 :经过预热的废钢平均温度为 40 0～ 60 0℃ ;预热效率达到约50 %。通过使用这种模拟方法 ,得出的结论是 :如果将 UL— BA预热方式应用到实际运行的 1 0 0 t电炉上 ,可节能 70～ 80 k Wh/t钢水。(2 )在温度高于 60 0℃时 ,废钢开始发生氧化 ,并且从 80 0℃开始快速氧化。把这个结果应用到模拟上 ,可以认定当把 UL— BA预热方式引进到实际运行的电炉上时 ,废钢氧化量将会非常小。(3)作用于 UL— BA预热装置中废钢保存装置的热负荷极其小。甚至在废钢熔化和 /或部分熔融时也能将废钢顺利卸入电炉。1 概述自 80年代以来 ,已经新开发出了几种废钢预热系统并将其投入实际应用以满足对节能的要求。在这些系统中 ,竖炉式废钢预热系统正受到人们的关注 ,因为使用这种系统可从较高温度排出气体中获得高能量回收。新日铁以新概念为宗旨已经开发出了自己的竖炉式废钢预热系统 ,即 UL— BA预热装置。1 997年 ,他们还建造了一台 1 /4比例大的试验设备并进行了各项试验以验证各项废钢预热特性。而且 ,他们还根据这些试验的结果 ,确定了自己的预热模拟方法。2 UL—BA预热方式已经在实际运行的电炉上投入使用并一直使用到今天的竖炉式废钢预热系统有 :(德国 )福克斯系统、(日本 )大同系统以及 IHI系统。这三种系统其概念各不相同。这三种系统设计概念的共同之处是 :竖炉安装在电炉的正上方 ,电炉内产生的高温排出气体不是通过连通管输送进竖炉的 ,而是直接进入装填在竖炉内的废钢层以达到对废钢进行高温、高效预热的效果。这些系统能够把电炉排出气体输送进竖炉而使气体几乎没有温降 ,因此 ,可以认为就高温预热来说 ,这些系统是预热废钢的理想方法。然而 ,也要指出 ,这些系统存在以下一些课题需要解决 :1 )由于电炉剖面不对称或呈椭园形 ,使炉内热负荷不平衡并增大热损失 ;2 )由于高温预热而导致废钢发生氧化 (这会降低炼钢收得率并增大为进行还原而需要的能量 ) ;3)废钢保存装置抗热负荷的可靠性 ;4)由于二次燃烧的空间小 ,增大了一氧化碳(CO)气体发生爆炸的可能性。必须特别注意熔化能效率及废钢氧化问题 ,因为一旦高温预热降低废钢熔化能效率及炼钢生产收得率 ,那么 ,作为整个电炉炼钢工艺来说 ,竖炉式废钢预热系统的良好特性就不能得到充分利用。开发 UL—BA预热方式的目的在于解决其它预热系统存在的上述课题并确立废钢预热的最佳工艺。1 )使整个电炉炼钢过程中需用的总能量达到最低值。(1 )通过将废钢批量装入园形剖面的电炉 ,达到废钢熔化的高效率。(2 )利用电炉排出的高温气体 ,达到废钢预热的高效率并使废钢氧化量最少。2 )保证竖炉内废钢保存装置的高度可靠性。图 1所示为配备有 UL— BA预热装置的电炉的示意图。将 UL—BA方式预热装置设置在电炉旁边 ,从电炉排放出的排出气体经由连通管及分室抽进竖炉 ,在这里 ,排出气体中的一氧化碳 (CO)被二次燃烧。图 1 UL— BA方式预热装置示意图由于气体集管安装在竖炉下面 ,所以排出气体均匀流进竖炉并能够对废钢进行有效预热。用提升 /转动装置将经过预热的废钢运送到电炉上面 ,然后打开竖炉的废钢保存门将废钢批量装入电炉。园形剖面的电炉能够从炉子中心开始最均匀、最有效地将废钢熔化。由于 UL— BA预热装置内的废钢保存装置采用钢板制作 ,所以它有足够的强度来抵挡废钢下落的冲击力。而且作用于废钢保存门的热负荷极小 ,这是因为保存仅仅承受从其上边来的热负荷 ,因此不必采用特殊装置作为耐热措施。另外 ,在将这种预热系统应用于实际运行的电炉之前 ,已经在专门制作的试验设备上进行了验证试验 ,以验证下面所述的基本特性及功能。根据得出的试验结果 ,还确定了能够以更大比例应用的预热模拟方法。(1 )废钢的预热特性 ;(2 )废钢的氧化特性 ;(3)废钢的熔化及熔融行为 ;(4)废钢保存门的受热与机械可靠性。3 验证试验3.1 废钢预热试验设备及试验方法废钢预热试验用的试验设备叙述如下 :竖炉内经 1 .2 5m,高 3m,在竖炉的内壁上装有管式水冷壁。气体集管内径 1 .7m,高 1 .1 m,气体集管内壁用 1 0 0 mm厚的浇注块作衬里。另外 ,在气体集管底部还配备有用于保存废钢的水冷门。整个竖炉支撑在缓冲弹簧上以减缓废钢下落时的冲击力。在竖炉旁边安装的燃烧室内的焦炉煤气燃烧时产生的预热气体 ,通过转换安装在管道内的调节风门 ,可从上进气口或下进气口进入竖炉。试验条件及预热气体成分如表 1所列。预热气体的最高温度设定为 1 2 0 0℃ ,最大流速设定为3.5m/ s,由此得出的竖炉内的平均表面速度几乎相当于一台实际运行的炉子内的气体速度。采用下面列出 的四种类型的废钢以便能观察预热是如何受废钢的体积密度、形状以及附着的可燃物等因素的影响的。表1 预热试验条件废钢体 积约 2 .7m3体积密度 0 .6～ 1.1t/ m3气体种 类加热空气燃 料焦炉煤气温 度最高 12 0 0℃流 量最大 48N m3/ min在竖炉内的方向向上流 /向下流气体成分 ( 1 2 0 0℃ ,4 8Nm3/ min)H2 O(% ) O2 (% ) CO(% ) CO2 (% ) N2 (% )11.47.7 0 5 .975 .0重废钢 (H2 ) ;重废钢 (HS1 ) ;切屑与重废钢的混合料 (重废钢 H2 :85% ,切屑 :1 5% ) ;重废钢与切碎废钢的混合料 (重废钢 H2 :1 0 % ,切碎废钢 :90 % )。采用在每部分测出的温度及流量值 ,根据下面的公式计算出传送给废钢的热量以及竖炉内的废钢预热效率。可用公式表示 :传送给废钢的热量 :d Qscdt =d Qgas- indt - d Qgas- outdt - ((d Qwdt+d QRdt+d Qrdt) (1 )废钢预热效率 :ηsc=Qsc/ Qgas- in× 1 0 0 (2 )式中 ,Qgas是气体的显热 ,Qw是对冷却水的热损失 ,QR是到耐火材料的热损失 ,Qr是扩散进空气的热量。采用软钢的温度与热含量之间的关系 ,根据传送给废钢的热量计算出废钢的平均温度。3.2 废钢的预热特性及预热效率图 2所示是利用从上进气口进来的预热气体对 H2重废钢进行预热时废钢温度的变化情况。条件是 :预热气体的温度为 1 2 0 0℃ ,气体流量为48Nm3/ min,在预热 2 0分钟之后 ,上层废钢 (距废钢保存门的高度 (hsc)是 2 .1 m)的温度超过80 0℃ ,并且废钢平均温度也达到约 60 0℃。此时的热平衡表明 :热量的最大部分是传送给废钢的热量 (占 44% ) ,其次分别是水冷壁的吸收热量(占 37% )以及排出气体的显热 (占 1 8% )。而废钢保存门吸取的热量则非常少 ,只有 1 %左右。从竖炉扩散进空气中的热量可忽略不计。图 2 废钢温度变化情况 ( H2重废钢 )在改变废钢类型、气体条件以及竖炉内的气体流动方向的情况下 ,其预热效率示于图 3。图 3 废钢预热时间与预热效率之间的关系图 3表明 :预热效率随时间推移而下降。预热效率的下降按切屑与重废钢的混合料、H2重废钢、HS1重废钢的顺序逐渐变小。这是由于 :1 )使用切屑与重废钢的混合料时 ,附着在其上面的可燃物引起预热阶段的早期燃烧 ;2 )使用 HS1重废钢时 ,大块废钢的传热面积相对小 ,而被预热废钢的体积却相当大。如上所述 ,尽管条件各有不同 ,但在预热 2 0分钟之后 ,每种条件下的预热效率都可达到将近45%甚至 50 %的程度。3.3 废钢熔化及熔融行为图 4示出废钢熔化及熔融的情况。图 4 废钢熔化及熔融情况在该试验中 ,从上进气口将预热气体(1 2 0 0℃ ,48Nm3/ min)送入。重废钢甚至预热 90分钟 ,既不熔化也不熔融。在重废钢与切屑混合料的情况下 ,当预热 50分钟时 ,只有切屑料部分熔化。在重废钢、切屑与切碎废钢混合料的情况下 ,预热 50分钟之后 ,开始部分熔化 ,预热 90分钟之后 ,碎废钢出现熔融。当直接送入高温预热气体时 ,仅在上层废钢出现熔化及熔融。而且 ,进一步观察到 ,由于水冷壁的冷却作用 ,即使在上层 ,靠近竖炉炉壁的废钢也不熔化。在所有试验中还观察到 :没有出现凝固、与竖炉炉壁以及 /或废钢保存门搭桥等现象 ,因而 ,废钢在预热之后能顺利地从竖炉卸进电炉。3.4 废钢氧化特性在该试验中 ,将预热气体中的氧浓度设定到几乎等于从实际运行的电炉中排放出来的气体中的氧浓度。将试样预热到规定温度并保温 30分钟。然后 ,立刻将试样水冷并测量试样在预热之前与预热之后的重量差别。经预热之后 ,试样重量的增加认为是由废钢氧化引起的 ,并根据此重量之差计算出废钢被氧化的量。一般来说
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