铸钢件生产企业如何削减能耗


与 熔炼其他合金相比,铸钢的熔炼温度高于其他合金,因此能量损失明显高于其他合金。在熔炼过程中,铸钢厂由于热损失而产生的能源成本明显高于那些熔化其他合金的铸造厂。如今,铸钢厂通常使用感应电炉(IF)和电弧炉(EAF)来炼钢。 密苏里科技大学的Siddhartha Biswas, Kent Peaslee 和Simon Lekakh进行了一项关于美国铸钢企业能源使用的基准调查。他们通过一系列的生产性试验,包括化学能和浇包作业的改进,研究了改进能源使用的可能性。 背景 炉子容量、电源、设备使用年限、生产率、熔化工艺和实际操作都对能耗有重大影响。这项调查涉及19家北美铸钢企业,包括过去的数据和熔炼设备类型,耐火材料的应用(图1),能量使用和浇包的作业情况。 (请参阅表1,表2和3)。 用市场上能购得的统计软件作多元回归分析,研究人员可以评估熔炼炉(类型、容量、已使用年限和变压器功率)和运行参数,如出炉温度,出炉间隔时间和炉子生产率等对炼钢耗能的影响。 没有能耗监控,铸钢设施的有效能源管理是困难的。遗憾地是,在这方面炼钢行业的装备是不够的。仅有38%的电弧炉及15%的感应电炉配备有监控耗电量的仪表。超过三分之一的受访企业没有设备监测其炼钢时的能耗。 多元回归分析方法确定实际操作中的变数和设备类型如何影响炼钢的能耗(千瓦时/吨)。分析说明了以下各独立变数都对炼钢的能耗有影响(按影响强到弱排列): • 提高“出炉温度”使能耗增加(影响强)。 • 增长“出炉时间”间隔使能耗增加(影响强)。 • 电弧炉比感应电炉能耗低(影响较强)。 • 较新的设备能耗较低(影响强)。 • 增加“炉子容量”使能耗下降(影响弱)。 除了统计收集的数据,操作者被要求报告哪些是他们认为的熔炼过程中最影响能量损失的主要因素。三个最经常提到的是:耐火材料(75%),工序安排(70%)和铸件的工艺出品率(25%)。 过程 密苏里科技大学的团队走访了五个铸造企业,观察了炼钢的熔炼并计算了热平衡。图2展示了电弧炉热平衡的例子。 补充的化学能是一种减少电能消耗、提高电弧炉炼钢的效率和生产力的途径。许多技术可以引进补充的化学能到工艺中。预热废钢炉料和使用氧-燃料可以提高固体废钢炉料的熔化效率。炉内生成的CO再燃烧生成CO2,由氧化反应向钢液放热,都可提高能量的效率。 显露在空气中的电弧加热钢液时,由于电能效率显著下降,所以提高能量效率的机会最大。电弧能量的大部分都被电弧和熔池表面反射到炉墙和炉盖,能量损失在加热(并且经常是熔化加热)耐火材料,而不是加热钢。除了使用化学能以外,通过使用更节能的长弧(较高的电压和较低的电流)与泡沫渣,覆盖电弧以减少热损失,是一种有潜力提高电弧效率的方式。 在工厂试验中,4吨电弧炉通过在炉门装设吹氧-燃料的燃烧器,引入了天然气氧气燃烧的化学能。在熔炼期间,天然气有效地燃烧为固体炉料的熔化提供了能量。能耗从未配置燃烧器时的480-500千瓦时/吨下降到配置燃烧器时的400-420千瓦时/吨。由于缩短了废钢熔化时间,钢液中的氧化反应直接产生化学能,用喷枪对固体炉料和钢液吹入氧,减少电能消耗。在炉内配置喷嘴,能降低10%的电能消耗并可缩短13%的熔化时间。 废钢预热系统、氧-燃料燃烧器和CO的补充燃烧装置,都需要额外的投资。通过比较,加入碳化硅之类的材料,在吹氧期间产生放热反应,不需要任何资本投入(图3)。 因为氧化反应的热量是在钢液内产生的,所以来自发热反应的传热效率应该是接近100%。比在熔池上再燃烧CO所预期的热效率典型的40%高的多。研究中发现,在固体炉料中添加SiC,增加了氧沸腾过程中产生的热量。对于20吨酸性电弧炉,研究了在固体炉料中加入足够的、质量比在0.4% – 0.6%的SiC时的能量和操作效率变化:加入SiC后,电能损耗降低7.1%,同时生产率提高近5%。 有效的钢包设计、应用及预热作业,对于铸钢件的生产是非常重要的。对于表面积与体积之比大的小浇包,钢液出炉温度通常高于液相线温度121℃-260℃,以补偿出炉和保温阶段的热损失。 尽管钢液与浇包包衬接触时间相对较短,但因炉衬里存在巨大的热梯度,大量热能通过耐火材料的表面散失。关于钢液注入浇包过程中的热损失,最初的报导来自铸钢设施的调查,以及在7个工厂进行生产性测量所得。 密苏里科技大学分析了铸钢浇包常用的几种陶瓷材料的热性能对热量损失的影响。由这项工作,开发了一种新型的浇包包衬,这种材料以多孔性陶瓷为基础,有潜力显著降低热量损失并节省大部分浇包预热能量。 分析通过调查和试验收集到的数据,确定了对于浇包中能量损失最为重要的因素,浇包容量是最重要的因素之一。容量较大的浇包,出炉温度明显比较低。用计算机流体动态模型来研究浇包大小的影响及验证生产性测量的结果。 铸钢厂的钢液的典型出炉温度为1621℃-1760℃。这个温度接近于铝、钙、硅、镁元素的氧化物的复合物(陶瓷包衬里常用的)的软化温度。此外,在这个温度,炉衬材料和钢液以及炉渣存在较高的化学反应概率。一般而言,浇包即使多次使用也不会完全浸透,因此是在非稳定热传导状态下使用。即使包衬在出炉前经过预热,在出炉后的5-30分钟内,来自钢液的热能的大部分还是聚集在炉包内。 铸造浇包操作需要特制的陶瓷包衬材料。介绍了一种特殊设计的低密度多孔性的氧化铝浇注料,其热传导性非常低、可以提高浇包内的能源效率(表4)。 结果和结论 主要节能措施有:改进炼钢工艺,减少液态金属在炉内停留的时间;熔炼过程中补充化学能;改进浇包作业,由计算机流体动态模型以及生产和实验室试验,确定这些变化节省电能的效果。这些数据可用于开发一种数字表格类型的模型,让铸造者来计算能耗和熔炼温度损失。■

这篇文章是基于《提高铸钢企业的熔炼能效》这篇研究论文撰写的,该论文发表在2012年的AFS铸造大会。