使用棕榈壳木炭的电弧炉炼钢方法

摘要

一种电弧炉炼钢方法包括如下步骤：将木炭与废铁混合地装入电弧炉中，该木炭通过椰子壳或油棕壳的碳化获得并具有12％以上的残留挥发物，并且熔解该废铁以生产钢水。从喷枪吹入电弧炉中的含碳材料优选具有小于12％的残留挥发物。

说明书

技术领域

本发明涉及一种将废铁熔解以生产钢水的电弧炉炼钢方法。更具体地，本发明涉及一种使用辅助燃料或渗碳剂来生产钢水的电弧炉炼钢方法。

背景技术

在用于炼钢的电弧炉中，将作为原料的废铁熔解并精炼以生产用作建筑材料等的钢铁产品。用于电弧炉的主要能源是电热(电弧热)。为了加速熔解和精炼并且为了节省昂贵的电能，也采用诸如氧气(用于铁的氧化性熔解)、气体燃料或者液体燃料和焦粉的辅助热源。在用于炼钢的现代电弧炉中，电热与辅助燃料之间的能量输入比已达到50∶50。在辅助热源中，具有高固碳含量的固体燃料，诸如焦炭、作为焦炭替代物的无烟煤、以及油焦是最重要的。这些固体燃料不仅用作热源，而且还用作还原剂，因而在自身精炼过程中起十分重要的作用。目前，每吨铁使用20到30kg的焦炭。

然而，使用诸如焦炭和无烟煤的大量含碳材料，源自化石燃料的大量二氧化碳气体，即温室气体被排放到大气中。例如，假定年产量为1000000吨的标准规模的炼钢厂，每吨钢水使用具有85％的碳质量含量的焦粉25kg，仅这个炼钢厂每年排放77916吨的二氧化碳。

如上所述，在电弧炉炼钢过程中，使用含碳材料，诸如作为化石燃料的焦炭和无烟煤，由此大量作为全球变暖气体(温室气体)的二氧化碳气体被排放到大气中。如果使用诸如木炭的生物质炭来代替由化石燃料组成的含碳材料，则温室气体排放物在理论上降至零。注意由生物质燃料产生的二氧化碳气体被称为“碳中和”，其不包含在温室气体(全球变暖气体)的范畴内。

发明内容

本发明的目的是提供一种电弧炉炼钢方法，其中，在通过在电弧炉中熔解和精炼诸如废铁的冷铁源来生产钢水的过程中，将物理属性与焦炭相似的生物质炭用作焦炭的替代物，从而能够减少大量温室气体的生成。

为了实现该目的，本发明提供一种电弧炉炼钢方法，该方法包括如下步骤：

将木炭与废铁混合装入电弧炉中，所述木炭通过椰子壳或油棕壳的碳化获得并具有12％或更多的残留挥发物；以及

熔解该废铁以生产钢水。

该装入步骤壳可以包括：

将木炭和源自化石燃料的含碳材料一起与废铁混合地装入电弧炉中，该木炭通过椰子壳或油棕壳的碳化获得并具有12％或更多的残留挥发物。

优选根据本发明的电弧炉炼钢方法进一步包括如下步骤：将通过椰子壳或油棕壳的碳化获得并具有小于12％的残留挥发物的木炭从喷枪吹入电弧炉中。

附图说明

图1是显示碳化温度/时间与棕榈壳木炭的产率之间的关系的曲线图。

图2是显示产率与残留挥发物之间的关系的曲线图。

图3是显示执行本发明的电弧炉以及显示废料熔解的初始阶段的示意图。

图4是显示执行本发明的电弧炉以及显示在废料熔化之后即刻的状态的示意图。

图5是显示执行本发明的电弧炉以及显示在完成升温之后用于钢水的精炼期的示意图。

具体实施方式

在电弧炉炼钢过程中，使用含碳的固体燃料，并且源自化石燃料的大量二氧化碳被排放到大气。所排放的二氧化碳降构成温室气体。如果使用生物质炭代替焦炭，则温室气体排放物在理论上降至零。然而，在很多情形中，与焦炭相比，生物质炭的固碳含量低，并且生物质炭由于其非常低的容积密度而容易分散，这些都是问题。因此，在电弧炉炼钢过程中，不将生物质炭用作固体燃料。

在马来西亚和印度尼西亚，椰子或油棕工业是主要工业之一。所生成的大量棕榈壳经受碳化而产生木炭。在下文中，将通过椰子壳或油棕壳的碳化而获得的木炭称为“棕榈壳木炭”。椰子壳木炭具有比焦炭的容积密度稍低的容积密度并且具有高固碳含量，因此使用棕榈壳木炭作为诸如焦炭的化石燃料的替代物是非常可能的。表1显示了油棕壳木炭与焦炭之间的物理属性的比较。

表1

从表1中明显的是，与焦炭相比，棕榈壳木炭具有高热值、低含灰量和低含硫量，并因而是好燃料。然而，目前，棕榈壳木炭的应用基本限于用作活性碳的原料，并且它的生产规模小。而且，随着近来化石燃料价格的急剧升高，棕榈壳日益作为比煤更昂贵的燃料交易。由此，电炉钢制造商并不处在持续使用棕榈壳的情形中。在印度尼西亚和马来西亚，焦炭或可替代化石燃料的价格是180到200美元/吨，棕榈壳的价格是40美元/吨，而棕榈壳木炭的价格是250到270美元/吨。因此，电炉钢制造商不持续地使用棕榈壳木炭。

在目前在电弧炉炼钢过程中广泛使用的焦炭、无烟煤、油焦等中，固碳含量是85％以上，而挥发物是8％以下。为了将棕榈壳木炭的固碳含量增加到85％以上并将棕榈壳木炭的挥发物降低到8％以下，在棕榈壳木炭的生产期间必须增加碳化温度并增加碳化时间，而产率降低。该产率是通过用所产生的棕榈壳木炭的重量除以所需的棕榈壳的重量而获得的值。在目前作为用于活性碳的原料生产的棕榈壳木炭的情形中，产率为大约22％到25％。如上所述，棕榈壳木炭的当前价格是250到270美元/吨，这主要取决于棕榈壳的价格。表2显示了生产和装运1吨棕榈壳木炭的价格结构的示例。

表2

  项目  价格(美元) 备注  棕榈壳原料成本  160 在25％的产率下是40美元×4  人力成本  30  设备折旧  7  公用设施  10  包装/运输  16  FOB费用  22 在马来西亚出口装运  花费/利润  15  总计  260

从上表中明显的是，如果通过将挥发物降低到目前作为商业产品配销的棕榈壳木炭的水平来降低产率，则原料成本的百分比增加到61.5％，并失去与化石燃料的经济竞争性。如上所述，化石燃料的价格目前是180到200美元/吨。

在本发明中，允许将棕榈壳木炭中的挥发物保持在可在用于炼钢的电炉中使用的水平，并且通过提高产率，可替代棕榈壳木炭的经济效率增加。例如，在35％的产率下，原料成本是114美元，而棕榈壳木炭的价格是214美元/吨。在45％的产率下，原料成本是89美元，而棕榈壳木炭的价格是189美元/吨。因而，能确保与化石燃料的竞争性。

为了提高产率，在棕榈壳木炭的生产过程中，降低碳化温度并减少碳化时间。图1显示了碳化温度/时间与棕榈木炭的产率之间的关系。图2显示了产率与残留挥发物之间的关系。

在本发明中，在棕榈壳木炭的生产过程中，产率得以提高，并且生产出具有高残留挥发物(12％以上)的棕榈壳木炭。当在电炉中使用此棕榈壳木炭时，将与废料混合的棕榈壳木炭的粗颗粒在熔解前装入熔炉中。当废料熔解时挥发物燃烧并用作热源，而剩余的固碳含量用作渗碳剂。要与废料混合的含碳材料可全部由棕榈壳木炭组成，或者可部分地由棕榈壳木炭以及部分地由具有低挥发物和高固碳含量的传统使用的材料组成。已报道如果将具有高挥发物的含碳材料吹入钢水或熔渣中，则炉渣发泡或炉渣中氧化铁的还原可能受到不利地影响(Denki-Seiko[Electric Furnace Steel]，Vol.56，No.1(1985年1月)，“Reduction of FeO in molten slag by solid carbon”)。由此，如在传统情形中那样，理想的是使用具有低挥发物和高固碳含量的材料作为要吹入熔炉中的含碳材料。

现在将对在将废铁熔解并精炼以生产钢水的电弧炉炼钢方法中使用棕榈壳木炭作为焦炭替代物的具体过程进行描述。图3到图5是显示当冷铁源在电弧炉中熔解时执行本发明的状态的示意图。图3显示冷铁源的熔解的初始阶段，图4显示在冷铁源的熔化之后即刻的状态，而图5显示在电弧炉炼钢过程的末期阶段完成升温之后用于钢水的精炼期。

参照图3到图5，由金属构成的水冷熔炉侧壁3布置在包括外钢壳和耐火炉衬的炉体2的外围中的上侧上，而熔炉侧壁3的上开口覆盖有由金属制成的能打开的且水冷的炉顶4。三个石墨电极5设置为穿过炉顶4并上下移动到炉体2中。石墨电极5的每一个连接到三相交流电源(未示出)，并且在电极5之间以及电极5与装入熔炉中的材料，诸如冷铁源9和钢水10之间产生电弧12。

用于吹入氧气的喷枪6和用于吹入含碳材料的喷枪7设置为穿过熔炉侧壁3并上下移动到炉体2中。将氧气从用于吹入氧气的喷枪6吹入炉体2中，而在空气、氮气等用作运载气体的情况下，将含碳材料从用于吹入含碳材料的喷枪7吹入炉体2中。管道8设置在炉顶4上，而熔炉中生成的高温废气通过管道8使用除尘器(未示出)排空。出钢口(未示出)也设置在炉体2中。

首先，将废料9以及通过椰子壳木炭或油棕壳木炭的碳化获得并具有12％以上的残留挥发物的木炭20从自起重机等悬吊下来的送料斗(未示出)装入电弧炉1中，电弧炉的炉顶4是打开的，(这个时期被称为“原料装填期”)。接下来，将炉顶4关闭并将电极5插入熔炉中，在电极5的每一个与废料9之间产生电弧12，而废料9被所产生的电弧热熔解以产生钢水10(这个时期被称为“废料熔解期”)。与废料一起装入熔炉中的木炭中的残留挥发物在熔解期间燃烧并用作热源，而剩余固碳用作渗碳剂。当生产钢水10时，通常将诸如生石灰或萤石的助熔剂装入熔炉中以在钢水10上形成熔渣11，从而防止钢水10被氧化，并保持钢水10的温度。当装入熔炉中的所有废料9熔化时，通过电弧热将所产生的钢水10加热到预定温度(这个时期被称为“升温期”)。在温度升高到预定水平之后，钢水10经受成分调节(这个时期被称为“精炼期”)。然后，将钢水10通过出钢口排放到钢水承载容器，并且在出钢之后，根据需要，将熔渣11排入渣罐等中(这个时期被称为“出钢/排渣期”)。也就是说，一个循环由原料装填期、冷铁源熔解期、升温期、精炼期和出钢/排渣期组成。因此，从废料9生产出钢水10。

在本发明中，在废料熔解期、升温期和精炼期的每一个中，作为焦炭替代物的棕榈壳木炭能用作辅助燃料或渗碳剂。

在废料熔解期中，在电极5的每一个与废料9之间产生电弧12，而废料9被所产生的电弧热熔解以产生钢水10。木炭20中的残留挥发物在熔解期间燃烧并用作热源，而剩余固碳用作热源和渗碳剂。如图3中所示，为了顺利地熔化废料9，将氧气从用于吹入氧气的喷枪6吹入并将具有低挥发物和高固碳含量的含碳材料从用于吹入含碳材料的喷枪7朝着沉积在熔炉中的废料9吹入。废料9被所吹入的氧气部分地氧化并通过氧化热加热和熔解。

在升温期中，由于沉积的废料9完全熔化，所以高温电弧12暴露，这可能导致大的热损失并损坏炉体2的侧壁耐火材料。因此，在本发明中，当在冷铁源熔解期中产生钢水10时，将诸如生石灰或萤石的助熔剂装入熔炉中以形成熔渣11，从而防止钢水10被氧化，并保持钢水10的温度。在升温期中，如图4中所示，用于吹入氧气的喷枪6和用于吹入含碳材料的喷枪7的每一个的末端浸入熔渣11中，氧气被从用于吹入氧气的喷枪6吹入而含碳材料被从用于吹入含碳材料的喷枪7吹入熔渣11中。已吹入并悬浮在熔渣11中的含碳材料与已吹入的氧气反应而产生燃烧热，该燃烧热用作辅助热源，从而节省电力消耗。同时，由于作为反应产物的CO气体使熔渣11起泡，所以电弧12被起泡的熔渣11覆盖，从而提高了电弧12的热传递效率。熔渣11起泡的现象被称为“炉渣的发泡”。

在精炼期中，如图5中所示，将含碳材料从用于吹入含碳材料的喷枪7吹入熔渣11中。由此，熔渣中的氧化铁被还原而形成铁，该铁被添加到钢水10。此外，由于熔渣11通过在熔渣中的氧化铁的还原反应中生成的CO气体起泡，所以电弧12被起泡的熔渣11覆盖，因而如在升温期中那样提高了电弧12的热传递效率。另外，当将含碳材料用作用于成分调节的渗碳剂时，将用于吹入含碳材料的喷枪7的末端浸入钢水10中，并将含碳材料吹入钢水中。

示例

在印度尼西亚的电炉炼钢厂对具有高挥发物的棕榈壳木炭的使用进行了测试。表3显示了在该测试中使用的棕榈壳木炭的物理属性。由于棕榈壳木炭的挥发物在48.1％下很高，基于安全考虑，在混合到废料中的总含碳材料的50％的量中使用棕榈壳木炭，而对于剩下的50％使用无烟煤(挥发物2％)。因而，将混合到废料中的含碳材料的挥发物计算到25％。表4显示了测试结果的概要。

表3

表4

表4中的木炭A对应于表1中的棕榈壳木炭，而表4中的B对应于表3中具有高挥发物的棕榈壳木炭。在加热No.7和8中使用木炭B与无烟煤混合。冶炼时间(1次加热所需的时间：分钟)和电力消耗速率显示了比在使用焦炭的情形中更好的值，电炉性能的评估以所述的冶炼时间和电力消耗速率为基础。这是因为高挥发物用作有效的热源。在出钢期间钢水中的碳含量(％)不会不利地影响渗碳效果。