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空分裝置在鋼鐵行業的應用(常規高爐冶煉和熔融還原工藝及用氧計算)

2019-06-14


鋼鐵企業冶煉生產工藝中需大量使用氧氣、氮氣、氬氣等工業氣體。氧氣主要用于高爐、熔融還原煉爐、轉爐、電爐冶煉;氮氣主要用于爐子密封、保護氣、煉鋼精煉、轉爐濺渣護爐、保安氣體、傳熱介質及系統吹掃等;氬氣主要用于煉鋼精煉等。為適應生產要求,保證生產安全穩定運行,大型鋼廠均配置有專供的制氧站和氧氮氬動力管網系統。

大型全流程鋼鐵企業目前配置的常規流程為:焦爐、燒結、高爐煉鋼、轉爐電爐煉鋼、軋鋼工序等。因強調環境保護,簡化工藝流程,國際鋼鐵行業近代開發出鐵前區域短流程工藝-熔融還原煉鐵,在一個冶煉爐中直接將鐵礦原料還原為鐵水。

兩種不同冶煉工藝流程需要的工業氣體有較大差別,常規冶煉高爐需要氧氣量占鋼廠總需氧量28%,煉鋼需要的氧氣量占鋼廠總需用量的40%;而熔融還原(COREX)工藝煉鐵生產需要氧氣量占鋼廠總需用量的78%,煉鋼需用的氧氣量占鋼廠總需用氧氣量的13%。

上述兩種流程尤其熔融還原煉鐵工藝在我國已經開始推廣。

鋼廠用氣要求:

高爐冶煉的供氧主要作用是冶煉中保證一定的爐內高溫,而不是直接參與冶煉反應。氧氣混入高爐鼓風中,參混為富氧空氣進入高爐。以前工藝提出的鼓風富氧效率一般在3%以下,隨著高爐工藝的改進,為了節約焦炭,采用大噴煤工藝后,以及為滿足高爐生產提升產量,要求鼓風富氧率提高到5∽6%,用氧單耗達60Nm3/T鐵。

因高爐用氧參混的是富氧空氣,所以氧氣純度可為低純度。

熔融還原煉鋼工藝氧氣需要參與冶煉反應,其用氧量與煉鋼產量直接成等比關系,熔融還原爐用氧單耗為528Nm3/t鐵,是高爐流程用氧量的10倍。熔融還原爐要求維持生產的最小供氧量為正常生產用量的42%。

熔融還原爐要求的氧氣純度大于95%以上,氧氣壓力為0.8∽1.0 MPa,壓力波動范圍要求控制在0.8MPa±5%,氧氣必須確保有一定時間連續量的供應,例如對于COREX-3000爐,需考慮液氧貯備550t。

煉鋼工藝與高爐、熔融還原爐冶煉方式不同,轉爐煉鋼用氧為間斷使用,吹氧時負荷大,并且氧氣參與冶煉反應,其需要氧量與煉鋼產量有直接的等比關系,用氧單耗約為60Nm3/t鋼,要求的氧氣壓力大于1.4MPa,氧氣純度≥99.5%。

為了提高轉爐使用年限,目前鋼廠普遍采用氮氣濺渣護爐工藝技術,氮氣為間斷使用,使用時負荷大,要求的氮氣壓力大于1.4MPa。

煉鋼精煉需要氬氣,隨著產鋼品種提升,精煉要求更高,用氬量逐步增加。

冷軋機組用氮量要求單耗達50∽67Nm3/t,隨著鋼廠軋鋼區域冷軋機組的增建,鋼廠的用氮量提升很快。

電爐煉鋼主要利用電弧熱,在電弧作用區,溫度高達4000℃。冶煉過程一般分為熔化期、氧化期和還原期,在爐內不僅能造成氧化氣氛,還能造成還原氣氛,因此脫磷、脫硫的效率很高。中頻電弧爐是一種將工頻50HZ交流電轉變為中頻(300HZ以上至1000HZ)的電源裝置,把三相工頻交流電,整流后變成直流電,再把直流電變為可調節的中頻電流,供給由電容和感應線圈里流過的中頻交變電流,在感應圈中產生高密度的磁力線,并切割感應圈里盛放的金屬材料,在金屬材料中產生很大的渦流。氧單耗達42∽45 Nm3/t。

平爐煉鋼工藝用的原材料為:①鋼鐵料如生鐵或鐵水、廢鋼;②氧化劑如鐵礦石、工業純氧、人造富礦;③造渣劑如石灰(或石灰石)、螢石、鐵礬石等;④脫氧劑和合金添加劑。

氧氣作用為提供氧化性氣氛,平爐熔煉室內燃燒氣體(爐氣)中含有O2、CO2、H2O等,在高溫下,強氧化性氣體向熔池供氧量每小時可達金屬重量的0.2~0.4%,對熔池起氧化作用,使爐渣始終有較高的氧化性。

提示:單靠爐氣供氧,速度慢,加鐵礦石或吹氧可加速反應過程。

鋼廠用氧特點:氧氣放散和用氧調峰。

怎樣滿足鋼廠用氧需求?一般采取以下方式滿足:

*  采用變負荷,自動化程度高的先進控制,以減少氧氣放散,可以多套組合

*  應用傳統方式采用多組調峰球罐,以加大緩沖力度,使得某一時間段內用氧總量穩定,可以減少氧氣放散量,同時減小裝置規模

*  在用氧低谷時,采用抽取液氧方式將多余氧氣抽出;用氧高峰時,采用汽化方式彌補氧氣量;當液氧外抽量受冷量不足限制時,采用外液化方式將放散氧氣液化,采用汽化方式將液氧汽化

*  采用多家鋼廠聯合并網供氣,根據用氣時間點的不同,使得總供氧規模穩定

空分裝置的配套工藝

在制定制氧站的工藝方案時需要對機組能力、產品純度、輸送壓力、升壓工藝、系統保安、總體布置、噪聲治理做專題認證。

大型鋼廠用氧量大,例如年產1000萬噸鋼廠的高爐工藝流程用氧量要達到15萬Nm3/h,年產300萬噸鋼廠的熔融還原爐工藝流程用氧量要達到24萬Nm3/h,目前配套成熟特大型空分裝置為6∽10萬等級,在選擇裝置規模時應當從總設備投資、運行能耗、備件維護、占地面積等方面考慮。

鋼廠煉鋼用氧計算

例如單臺爐子,周期是70min,用氣時間50min。用氣時用氣量為8000Nm3/h,則需要空分裝置(連續)產氣為總氣量8000×(50/60)÷(70/60)=5715Nm3/h.則空分裝置可以選擇5800Nm3/h。

一般噸鋼用氧量為42-45Nm3/h(每噸),需要兩者核算,并且以此為準。

當前我國鋼鐵企業的產能已躍居世界前列,但特種鋼材尤其一些關乎國計民生的重要領域用鋼仍然依賴進口,所以以寶武鋼廠為首的國內鋼鐵企業任重而道遠,對于高精尖領域的突破尤為緊迫。

近年來鋼鐵行業對空分產品的需求越來越多樣化,許多用戶不僅需要氧氣,而且需要高純度的氮氣和氬氣,甚至其它稀有氣體。目前武鋼、首鋼等幾大鋼廠均已有多套全提取空分裝置在運行,空分裝置副產稀有氣體不僅可以滿足國民生產需求,而且可以較大的經濟效益。

隨著鋼廠的大型化發展,與其配套空分裝置也向大型化邁進,空分行業在經歷了數十年的大發展后,國內空分企業也在積極趕超世界領先企業,國產供貨商以杭氧股份等空分制造廠為代表,已研發出8-12萬等級的超大型空分設備,稀有氣體裝置國內也已成功研發,電子特氣國內起步較晚,但也在加大研發力度,相信隨著科學技術的進步,我國氣體分離行業將會走出國門、走向世界。



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