鋼鐵冶金過程中的粉塵噴吹(阿飄翻譯)

1、鋼鐵冶金過程中的粉塵噴吹摘要 文章研究了煉鋼廠粉塵的產(chǎn)生，對歐洲的法規(guī)情況進(jìn)行了簡要回顧，并介紹了不同冶金爐料固體噴吹的現(xiàn)有技術(shù)。同時(shí)介紹了RWTH大學(xué)鋼鐵冶金系處理也進(jìn)過程中不同粉塵的研究工作。研究了豎爐、鼓風(fēng)爐的粉塵噴吹并選取一定鋼熔體進(jìn)行特殊處理。最后，闡述了先前相關(guān)方面的研究及最后的工作，并就結(jié)果進(jìn)行了討論。關(guān)鍵詞：粉塵排放 固體噴吹 循環(huán) 高爐 化鐵爐 鋼鐵熔體1 介紹鋼鐵工業(yè)的節(jié)能技術(shù)是許多國家是穩(wěn)定發(fā)展的基礎(chǔ)，許多的生態(tài)會(huì)議指出環(huán)境問題的解決不僅是有效進(jìn)化儀器和系統(tǒng)的應(yīng)用，更是應(yīng)該開發(fā)一些新技術(shù)，這些新技術(shù)可以降低原材料和能源的消耗，還能降低不同排放物的數(shù)量。對于顯著影響環(huán)境的鋼

2、鐵企業(yè)，巨大數(shù)量的氣體和固體物質(zhì)形成物是由高爐、電爐、氧氣煉鋼車間、軋鋼工藝等生成的粉塵和泥渣造成的。冶金渣和粉塵里含有一定的鋅、鋰、鈦，但是這類渣和粉塵的再利用受到限制，因?yàn)檫@些元素的積聚會(huì)鋼材的質(zhì)量。煉鋼工藝中形成的含鐵粉塵可以滿足一定等級(jí)工藝的要求。煉鋼車間有效的循環(huán)回收工藝科通過適當(dāng)?shù)姆蛛x鉛鋅與鐵的方法來概括說明。而廢棄物進(jìn)一步的再利用的解決方法，比如對于含鐵，含碳粉塵而言，就是將其噴吹道不同的也進(jìn)料中。在煉鐵和煉鋼廠，將固態(tài)物噴吹入高爐、轉(zhuǎn)爐、電弧爐、鋼包精煉爐、真空爐等中，可進(jìn)行焙燒，化學(xué)反應(yīng)，熔煉、造渣、精煉及合金化等任務(wù)。2 鋼鐵過程中粉塵來源調(diào)查冶煉廢渣按來源可分為內(nèi)部和外部

3、材料。內(nèi)部的殘留物收集在隔塵網(wǎng)及污泥處理中。常見的粉塵，廢渣，及其他殘余物，它們的起源在生產(chǎn)流程中如圖1。表1顯示了德國北萊茵威斯特伐利亞鋼鐵企業(yè)的污泥和粉塵的來源。外部殘留物主要含碳，主要來自內(nèi)部油或油脂的殘留物。3.歐洲在冶金方面的法律法規(guī)自1960年以來，鋼鐵企業(yè)的效益與環(huán)境和自然相關(guān)，在許多國家很注重。最近，在歐洲各國內(nèi)對環(huán)境的污染法已經(jīng)嚴(yán)格執(zhí)行。德國新法規(guī)（根據(jù)流通條例草案）的主要目標(biāo)涉及工業(yè)廢料過程是先回收，再利用，直到廢料完全利用。該法適應(yīng)德國的法律也適應(yīng)歐洲的法律，使在未來的每一個(gè)新生產(chǎn)線產(chǎn)生的廢物要完全回收。歐洲共同體的理事會(huì)在1999年4月22日指令1999/30/EC的政

4、策和行動(dòng)計(jì)劃基礎(chǔ)上，該條約第二條原則所載的130R中，確立了環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的密切聯(lián)系，特別是對空氣污染物的修訂法例。圖1內(nèi)部粉塵和污泥的來源表1德國北萊茵威斯特伐利亞鋼鐵企業(yè)的污泥和粉塵的來源表2 顆粒物質(zhì)的極限值這項(xiàng)指令的目的是減少細(xì)顆粒濃度增加中等顆粒物質(zhì)。 本指令的目標(biāo)是：- 制造限值的顆粒物質(zhì)，防止或減少對人類健康和環(huán)境的有害影響，- 評估環(huán)境空氣中微粒濃度問題，- 在周圍的空氣獲得足夠的適度顆粒濃度。表2顯示了顆粒物質(zhì)的極限值。4 .粉塵噴吹的當(dāng)前技術(shù)最近，在鋼鐵行業(yè)，粉塵噴吹已得到廣泛應(yīng)用。該試劑注入豎爐技術(shù)從上個(gè)世紀(jì)一開始就在開發(fā)風(fēng)口方面改進(jìn)。今天，除了利用降低高爐注入焦炭燃料

5、的消耗，還研究了注入不結(jié)塊的高性能礦，及改造的各種內(nèi)部和外部的灰塵循環(huán)，噴吹代替燃料有煤，石油，天然氣，塑料殘留物。在歐洲和全世界煤粉噴吹的技術(shù)（PCI）現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用，這也為煉鐵高爐作為削減成本和改善高爐運(yùn)作的重要手段。為了提高煤炭的利用率，高溫條件下氧氣的充分利用以及提高高爐噴煤率有必要改進(jìn)冶煉技術(shù)，還有焦炭的運(yùn)輸必須有便利的交通。但是，高爐生產(chǎn)產(chǎn)品必須要考慮技術(shù)措施、成本費(fèi)用、煤炭的消耗等相關(guān)因素。這些問題涉及到關(guān)于高爐的性能和不確定性的需要，如提供額外的選煤，設(shè)備和額外的氧氣量等，見圖. 2圖. 2噴煤噴槍Fig. 3. 拉瓦爾噴管及型芯噴管中的固態(tài)相干噴管自1970年以來固體浸沒注入

6、融化，風(fēng)口使用輸送天然氣熔劑，精煉和合金化等技術(shù)措施被廣泛的用于冶煉。主要優(yōu)點(diǎn)是噴粉、風(fēng)口使用輸送天然氣熔劑比原來的率較高，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)粒子之間的充分反應(yīng)和融化。在LD - AC法石灰磨細(xì)和氧氣同時(shí)注入高磷鐵通過一頂槍。此外，在石灰和氧氣注入的過程同時(shí)通過底部融化。在粉末注射一包的過程中，對脫硫效率在很大程度上取決于對頂渣的條件。一些不同的脫硫采用粉末注射技術(shù)和吹瓶在RH真空處理鋼液循環(huán)已經(jīng)確定。為了提高電爐效率并降低運(yùn)營成本氧燃料燃燒器已成功應(yīng)用，注射對技術(shù)是基于氧氣的長矛和碳注射器。許多爐使用獨(dú)立碳，氧槍和一個(gè)單獨(dú)的氧氣燃料燃燒器。它已經(jīng)有人指出，中央在這樣一個(gè)氧氣射流燃燒器是不會(huì)腐爛的那

7、樣迅速地把飛機(jī)作為一個(gè)用盡自由的空氣。這種飛機(jī)被稱為“集束”和維護(hù)它在比傳統(tǒng)的超音速射流較遠(yuǎn)的原速度剖面，見圖. 3。射流的相干技術(shù)在轉(zhuǎn)爐利用進(jìn)行了研究。 一個(gè)連貫的噴射可用于固體注入，尤其是石灰，在鏈接或中斷狀態(tài)。與相干飛機(jī)有可能沒有獲得注資的材料與熔體接觸。該保護(hù)作用火焰裹尸布，猶如長矛是更接近浴再氧化和熔體幾乎避免。注射材料并不需要團(tuán)聚，它可以采用細(xì)粒到融化沒有高過氣的損失。5.氣粉噴射形成理論和固體在熔體中的溶解在許多冶金工藝，主要用于風(fēng)口煤氣供應(yīng)裝置的打擊，如氧氣的活性氣體，空氣或氮?dú)夂?或氬等惰性氣體。可靠和準(zhǔn)確的估計(jì)和預(yù)測在一個(gè)風(fēng)口的氣流相對屬性參數(shù)非常重要的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

8、的風(fēng)口吹技術(shù)。有三種基本穩(wěn)定流動(dòng)制度時(shí)，可壓縮氣體排放從一個(gè)通道到一個(gè)地區(qū)有一個(gè)給定的壓力，在拉瓦爾噴管如下：1 改編喉，使通過出口壓力和環(huán)境壓力相同，2 非調(diào)整下，擴(kuò)大喉，使通過出口壓力高于常壓，3 非適應(yīng)過度膨脹射流，使通過壓力大于環(huán)境壓力。壓力均衡，實(shí)現(xiàn)了多層面的外部 擴(kuò)張或壓縮波，和由此產(chǎn)生的不連續(xù)性 密度。壓力不均衡時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致能源 損失，減少的勢頭，產(chǎn)生動(dòng)蕩 在噴射流出口，其中的相干長度縮短。氣體的流動(dòng)，以Vg的速度進(jìn)入管道，當(dāng)粒子在管道中達(dá)到一個(gè)平衡速度，同時(shí)粒子最大加速到Vp。因?yàn)榱Ｗ优c管道內(nèi)壁的摩擦使粒子的移動(dòng)速度達(dá)到了Vp。在氣流和摩擦力對粒子的同時(shí)影響到達(dá)了一個(gè)平衡。 V

9、pVg11+f .(1)g是氣體密度，f是摩擦力。摩擦力是由物體的無量綱kp=Ppdp/PpD和dp>100微米決定 f=7.76.10 f=0.04 kp>161 f=1.78kp為了粒子在管內(nèi)移動(dòng)，雷諾數(shù)最大的價(jià)值就是使粒子達(dá)到一個(gè)恒定速度。 Re=Vgdp/Vg (2)Vg=n/p是氣體動(dòng)力學(xué)黏度 當(dāng)固體物質(zhì)進(jìn)入鋼鐵的熔煉過程時(shí)，進(jìn)行分解、蒸發(fā)和化學(xué)等反應(yīng)。同時(shí)固體進(jìn)入熔煉的加熱和周期轉(zhuǎn)變過程的大體總和等于： Te=Ths+Td+Thl+Tev+Thg(3)Ths是粒子加熱期間的量，Td是分解期間的，Thl是加熱至熔體滴落期間的，Tev是蒸發(fā)或反應(yīng)期間的，Thg是加熱氣泡期間

10、的。對于常用的脫硫式（3）具體化如下：例如鎂、鈉、鈣和碳酸鈉 Te=Ths+Td+Thl+Tev+Thg例如氧化鈣和碳化鈣 Te=Ths通過伊薩耶夫?qū)︿X的研究表明完全的轉(zhuǎn)變過程從固體到液體狀態(tài)鋁粒子的半徑0.1到0.3毫米依次等于7.2.10-3到13.8.10-3。Coudure 和Irons表示在碳化鈣粒子從0.1到1000微米和脫硫之間的反應(yīng)在經(jīng)過20到40秒的反應(yīng)過程后高溫金屬釋放能量。Ochotskij指出任何在直徑100微米的固體粒子加熱至液態(tài)所需的溫度時(shí)間都在0-3秒范圍內(nèi)6.IEHK-RWTH在固體噴吹方面的研究在亞堔工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室有一套設(shè)備被利用去研究煤塊被轉(zhuǎn)化成細(xì)小煤粉被噴

11、入的實(shí)驗(yàn)，如圖4。這設(shè)備是煤粉噴入高爐的一種模擬。 這設(shè)備既有低壓區(qū)也有高壓區(qū)。它富集了煤塵樣本同時(shí)通過高壓氣體的閥門打開后煤塵開始旋轉(zhuǎn)。這些氣體在低壓區(qū)通過熱風(fēng)爐加熱到1100攝氏度。當(dāng)煤塵在低壓區(qū)和高溫的氧氣混合后被吸入高爐同時(shí)被加熱到1700攝氏度。這產(chǎn)生的氣體被收集到一個(gè)氣體收集器里和分析，同時(shí)剩余的氣體在過濾器中被收集。 圖表 4噴吹設(shè)備 同時(shí)在模擬高爐對不同煤礦的燃燒過程的影響，例如多孔的、細(xì)小的煤礦、不穩(wěn)定的物質(zhì)、碳和灰塵和噴吹速率都會(huì)被測試。進(jìn)一步的研究分析催化劑對煤的轉(zhuǎn)化的影響，富氧熱風(fēng).噴吹煤粉的預(yù)熱和不同的蘭斯幾何。將實(shí)驗(yàn)的成果用于高爐的真正實(shí)踐中。在鼓風(fēng)爐的一系列實(shí)驗(yàn)的

12、對比中可得到更多的信息，例如關(guān)于路徑，它的深度可以由激光技術(shù)測得并且它的深度對于噴吹煤粉來說變得越來越短。對于噴吹煤粉和其它噴吹物質(zhì)的混合的研究已經(jīng)開始。噴吹煤粉和鐵礦粉或者含鐵化合物的混合原因各不相同，例如大量粉礦穩(wěn)定性的增加歸咎于大型的塊礦的減少。對于增加鐵礦粉噴吹的研究是為了代替小球團(tuán)和熔渣同時(shí)減少了凝聚和熱金屬和熱能的消耗。噴吹操作的穩(wěn)定性適合與不同的生產(chǎn)過程。研究發(fā)現(xiàn)利用煤和不穩(wěn)定的鐵礦物質(zhì)在小容器里混合得到高的還原性。結(jié)果表明還原性由燃燒火點(diǎn)和煤的轉(zhuǎn)化過程決定。為了分析粒子大小對還原性的影響進(jìn)行了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，它是發(fā)現(xiàn)赤鐵礦鐵礦石的完全還原對于金屬的鐵在 10-20 ms 的短時(shí)間

13、里面是可能的。因此較進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)與鼓風(fēng)爐灰塵，煉鋼殘留物和旋轉(zhuǎn)的細(xì)小物質(zhì)一起運(yùn)行。關(guān)于鐵碳化合物作為噴吹物質(zhì)進(jìn)入高爐之內(nèi)似乎變得可能。圖 5 表示煙道塵和煤的混合物噴入。 煙道因素和不同材料知識(shí)的進(jìn)一步研究，例如石油焦，軋屑，高爐渣，活性炭和煤和催化劑的混合物。圖6反映了煤的不同混合物的影響和對煤的消耗。 除了噴吹物質(zhì)通過管道進(jìn)入高爐的研究外，同時(shí)研究了豎爐噴吹的技術(shù)。豎爐的原理基本上是利用沖天爐和進(jìn)行精煉和從煉鋼過程產(chǎn)生的殘留物質(zhì)中進(jìn)行二次提煉。這些粉塵集聚進(jìn)行自我還原或者和高爐頂部的煤氣進(jìn)行還原?，F(xiàn)在研究的問題是那些不能聚集的殘留鐵。豎爐中的殘留物哦二次利用減少了垃圾填充場和鐵的丟失。研究

14、的進(jìn)行，首先著手于頂吹操作的應(yīng)用。從堿性轉(zhuǎn)爐得到的含金屬和鐵氧化物的粉劑進(jìn)行檢測再噴入噴吹設(shè)備。同時(shí)，爐子的生產(chǎn)伴隨著TKS，通過TSK技術(shù)可以回收大部分在內(nèi)部浪費(fèi)的物質(zhì)。 除了高爐噴吹的研究被利用于回收爐內(nèi)的粉塵外。同時(shí)對不同的管道環(huán)境進(jìn)行了研究和討論。所以各種粉塵的回收利用和更高的回收率成了可能。例如塑料。被發(fā)現(xiàn)在尾氣中沒有二氧化物。 為了增加不完全燃燒物質(zhì)的噴吹效率進(jìn)行了新的研究。在沖天爐里進(jìn)行了各組實(shí)驗(yàn)，同時(shí)在IEHK中建立了噴吹煤床的模擬器。如圖7. 在該設(shè)備中粉劑通過空氣爐或者氧氣爐噴吹入爐。該研究的目的是為了了解煤和粉劑混合經(jīng)加熱的氣體噴入爐內(nèi)。檢測粉劑的內(nèi)部成分，硅，錳和鐵的粉

15、塵化合物，碳化硅粉塵，煤塵，鐵屑和它們的混合物。同時(shí)發(fā)現(xiàn)它們的殘留物具有高的密度快的熔煉性和適應(yīng)性。大量排出的氣體被檢測到具有煤塵和細(xì)小的化合物。另外，據(jù)研究沖天爐利用增加的爐子可以提高百分之40的利用率。 圖5不同百分比的含煤混合物中煤的轉(zhuǎn)化率 圖6粉煤的轉(zhuǎn)化率（HVC;LVC）,SLF,UBC,WP 圖7帶有測量位置的焦床模擬機(jī)置6.2對鋼熔體的噴吹 為了提高轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)效率噴吹固體物質(zhì)進(jìn)入熔煉的研究利用連貫的噴吹技術(shù)在IEHK中被操作。 首先利用模擬的連貫的噴槍做水模擬實(shí)驗(yàn)。在不同的容器和不同煤氣壓的條件下測量金屬熔體混合的時(shí)間。由觀察可知在每個(gè)密閉的壓力下金屬熔體的混合時(shí)間十分短暫。同時(shí)

16、金屬熔體的時(shí)間隨密閉的壓力增加而增加。在所有的實(shí)驗(yàn)中動(dòng)力流量是相同的。在能量消耗的爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)混合中就導(dǎo)致了金屬熔體的短暫混合。 同樣的噴吹設(shè)備和流動(dòng)物質(zhì)也將用于熱實(shí)驗(yàn)研究。在IEHK中該實(shí)驗(yàn)將利用催化爐，如圖8。在低的氣流速度下首先進(jìn)行安全測試，再逐漸的增加氣流速度。 圖8 IEHK的連貫噴吹設(shè)備和感應(yīng)爐 實(shí)驗(yàn)步驟： 噴吹細(xì)小的錳粉和硅化鐵混合物進(jìn)行鋼的合金化。 噴吹粗顆粒的試劑。 噴吹脫硫渣（50%CaO,40%AL2O3,和10%SiO2）。 硅碳的噴吹物，為增加容器中的硅和碳含量。 噴吹鐵礦粉和過濾的氧化亞鐵粉塵混合物。實(shí)驗(yàn)表明利用一般噴吹技術(shù)就可完成的固體噴吹都沒穩(wěn)定的狀態(tài)。同時(shí)噴吹大量

17、物質(zhì)和噴吹效率存在矛盾。在短時(shí)間內(nèi)噴吹大量的物質(zhì)有利于爐內(nèi)混合，但這些物質(zhì)沒有充足的質(zhì)量到達(dá)金屬熔體內(nèi)，不連貫的噴吹狀態(tài)噴吹固體物質(zhì)可以使更多的物質(zhì)進(jìn)入金屬熔體，但是提供混合的氣體質(zhì)量就沒連貫狀態(tài)下的氣體質(zhì)量那么多。增加氣體流動(dòng)速率以創(chuàng)造一個(gè)不連貫的噴吹狀態(tài)可能會(huì)解決問題。增加的能量可以到達(dá)流動(dòng)的金屬熔體表面，同時(shí)，有利的影響了爐內(nèi)金屬熔體的混合。總的來說，利用連貫的噴吹技術(shù)噴吹固體避免了噴吹設(shè)備內(nèi)壁和帶有少量氣體的鋼液接觸，同時(shí)進(jìn)一步避免了對內(nèi)壁的侵蝕。更多的還需要預(yù)先考慮到每種噴吹的試劑是或符合環(huán)保的要求。實(shí)驗(yàn)利用了殘留的鎳產(chǎn)品所以在EFA的煉鋼技術(shù)中稱著“殘油”，在IEHK中這些殘油將利

18、用50千克容量的催生爐移出，該設(shè)備底部具有氣孔以供氣體的溢出，內(nèi)部氣氛和噴吹的含芯的金屬絲。原料有工藝純鐵或者低合金鋼，Cuba中的殘油，渣（CaO/AL2O3）和鈣鋁合金，無煙煤或者金屬鋁作為還原劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，從殘油中回收得到的鐵、鎳和鉻在煉鋼中到達(dá)了90%，如圖9。圖9殘留鎳產(chǎn)品和不同物質(zhì)的混合實(shí)驗(yàn)?zāi)壳暗娜蝿?wù)是在IEHK中進(jìn)行鋼的直接合金，在煉鋼過程中噴入錳礦。此研究的目的是為了解錳礦和各種還原試劑如碳、鋁或者硅在試驗(yàn)中的還原性，同時(shí)在煉鋼中得到更高的錳的利用率。分析噴吹后在還原氧化錳的設(shè)備和模擬工藝上做進(jìn)一步的改進(jìn)。 7.結(jié)論隨著鋼鐵工藝新技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于噴吹各種物質(zhì)進(jìn)入高爐、豎爐、

19、沖天爐和煉鋼已經(jīng)在亞堔大學(xué)的IEHK進(jìn)行。為了對冶金廢渣的二次利用和高爐工藝的改進(jìn)，各種粉塵例如煤粉、混合的煤、鐵礦粉或者含鐵化合物的粉塵、高爐粉塵、轉(zhuǎn)爐殘留物和軋制鐵皮、石油焦、高爐渣、活性碳和與煤混合的催化劑，這些都被作為噴吹粉塵利用于實(shí)驗(yàn)，從而模擬噴吹物進(jìn)入高爐的過程。結(jié)果證明這些物質(zhì)噴吹進(jìn)入高爐是可行的。同時(shí)，對空氣氧氣燃燒皿在高爐噴吹鑄造粉塵、塑料、含硅、錳和鐵氧化物粉塵、碳硅粉塵、焦炭粉塵和化鐵爐鐵屑在的二次利用進(jìn)行了研究。該實(shí)驗(yàn)反應(yīng)出，通過增大爐容可明顯改善冶煉工藝，同時(shí)使用之前從未利用的的粉塵的可能性。利用連續(xù)的噴吹工藝研究了向熔體進(jìn)行固體噴吹，以此提高氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)效率。

20、以下是被用到的物質(zhì)：細(xì)顆粒的錳和硅化鐵混合物、粗顆粒二次增碳劑、脫硫渣、碳硅化、鐵礦和含氧化亞鐵的過濾粉塵。通過噴吹實(shí)驗(yàn)表明了利用連貫的噴吹技術(shù)避免了噴吹設(shè)備內(nèi)壁和帶有少量氣體的鋼液接觸，同時(shí)進(jìn)一步避免了對內(nèi)壁的侵蝕。通過電弧爐利用鎳生產(chǎn)過程中被稱為“尾礦”殘留物的實(shí)驗(yàn)，而喂入含芯金屬絲，可使90%的鐵、鎳、鉻回收利用到煉鋼生產(chǎn)中。 參考文獻(xiàn)1) Yu. S. Karabasov at all: Steel on a Boundary of Centuries, MISiS,Moscow, (2001), 619.2) T. Hansmann: Proc. of VDI Wissensforu

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