中国的经济规模庞大，钢铁产量、水泥产量、煤炭产量都是世界第一，发电量世界第二，并且大部分是燃煤的火电厂。这些重化工、原材料、能源工业不少企业还是粗放型生产，生产工艺及设备相对落后，资源、能源耗费大，污染严重，产生的粉尘、烟尘数量巨大。因此，中国的袋式除尘器潜在市场非常巨大。目前，不少大中型企业都加大了技术改造力度。例如上海宝钢投资300亿元上三期后工程，上钢一厂投资100亿元进行技改，准备上100吨电炉，两台150吨转炉，尾部都采用大型袋式除尘器。我国100多家采用60～70kA自焙阳极电解铝厂都在进行技术改造，到2005年我国铝产量将达到600万吨，比1999年的284万吨增加了316万吨。铝电解工业中袋式除尘技术应用的需求更为广泛。我国在七十年代中后期大力开展消烟除尘工作，当时上的除尘设备已经老化，或者技术已落后，需要普遍的更新换代。
水泥工业关闭立窑小水泥厂后，产量将减少2亿吨，需要上一部分大、中型生产流水线来填补这2亿吨的减产。这样更便于集中治理产生的粉尘和烟尘，将大量采用袋式除尘器。
垃圾焚烧炉在我国方兴未艾，从2000年6月1日开始国家颁布的垃圾焚烧标准中明确规定：“垃圾焚烧炉的除尘装置必须采用袋式除尘器，以减少焚烧过程中有害物质的产生和排放”。我国有600多座城市，再加上近郊的城镇，今后袋式除尘器在垃圾焚烧炉除尘方面的市场潜力巨大。
我国的火电厂大型燃煤锅炉除尘，是高效除尘设备的巨大市场。由于种种原因，我国的袋式除尘器在这个市场还未打开局面，而国外发达国家火电厂除尘、脱硫，袋式除尘器占有相当的份额，特别是澳大利亚火电厂除尘，绝大多数都采用袋式除尘器，运行稳定，效果良好。目前我国对烟气中的SO2加强控制，粉尘比电阻上升，使得电除尘器的应用变得困难和不经济，袋式除尘器成为合理的选择。
在此基础上，预测将来我国袋式除尘行业总产值会超过20亿元大关，保持一种向上发展、欣欣向荣的良好势头。
引言
随着现代科学技术的发展和工农业对钢材质量要求的提高,钢厂普遍采用了炉外精炼工艺流程,它已成为现代炼钢工艺中不可缺少的重要环节。由于这种技术可以提高炼钢设备的生产能力,改善钢材质量,降低能耗,减少耐材、能源和铁合金消耗,因此,炉外精炼技术已成为当今世界钢铁冶金发展的方向。对于炉外精炼技术存在的问题及发展方向有必要进行探讨。
1 国内外炉外精炼技术的发展历程和现状
随着炼钢技术的不断进步,炉外精炼在现代钢铁生产中已经占有重要地位,传统的生产流程(高炉→炼钢炉(电炉或转炉)→铸锭),已逐步被新的流程(高炉→铁水预处理→炼钢炉→炉外精炼→连铸)所代替。已成为国内外大型钢铁企业生产的主要工艺流程,尤其在特殊钢领域,精炼和连铸技术发展得日趋成熟。精炼工序在整个流程中起到至关重要的作用,一方面通过这道工序可以提高钢的纯净度、去除有害夹杂、进行微合金化和夹杂物变性处理;另一方面,精炼又是一个缓冲环节,有利于连铸生产均衡地进行。
日本在20世纪70年代为了降低炼钢成本,提高钢的纯净度和质量,率先将炉外精炼技术应用于特殊钢生产中,随后西欧的钢铁企业也加入到推广和使用这项技术的行列中。据资料报道,日本早在1985年精炼率达到65.9%,1989年上升到73.4%,特殊钢的精炼率达到94%,新建电炉短流程钢厂100%采用炉外精炼技术。80年代连铸技术发展迅速,原有的炼钢炉难以满足连铸的技术要求,更加促进了炉外精炼技术的发展,到1990年为止世界各主要工业国家拥有1000多台(套)炉外精炼设备。
我国早在20世纪50年代末,60年代中期就在炼钢生产中采用高碱度合成渣在出钢过程中脱硫冶炼轴承钢、钢包静态脱气等初步精炼技术,但没有精炼的装备。60年代中期至70年代有些特钢企业(大冶、武钢等)引进一批真空精炼设备。80年代我国自行研制开发的精炼设备逐渐投入使用(如LF炉、喷粉、搅拌设备),黑龙江省冶金研究所等单位联合研制开发了喂线机、包芯线机和合金芯线,完善了炉外精炼技术的辅助技术。现在这项技术已经非常成熟,以炉外精炼技术为核心的“三位一体”短流程工艺广泛应用于国内各钢铁企业,取得了很好的效果。初炼(电炉或转炉)→精炼→连铸,成了现代化典型的工艺短流程。
2 炉外精炼技术的特点与功能
炉外精炼是指在钢包中进行冶炼的过程,是将真空处理、吹氩搅拌、加热控温、喂线喷粉、微合金化等技术以不同形式组合起来,出钢前尽量除去氧化渣,在钢包内重新造还原渣,保持包内还原性气氛。炉外精炼的目的是降低钢中的C、P、S、O、H、N、等元素在钢中的含量,以免产生偏析、白点、大颗粒夹杂物,降低钢的抗拉强度、韧性、疲劳强度、抗裂性等性能。这些工作只有在精炼炉上进行,其特点与功能如下:
1)可以改变冶金反应条件。炼钢中脱氧、脱碳、脱气的反应产物为气体,精炼可以在真空条件下进行,有利于反应的正向进行,通常工作压力≥50Pa,适于对钢液脱气。
2)可以加快熔池的传质速度。液相传质速度决定冶金反应速度的快慢,精炼过程采用多种搅拌形式(气体搅拌、电磁搅拌、机械搅拌)使系统内的熔体产生流动,加速熔体内传热、传质的过程,达到混合均匀的目的。
3)可以增大渣钢反应的面积。各种精炼设备均有搅拌装置,搅拌过程中可以使钢渣乳化,合金、钢渣随气泡上浮过程中发生熔化、熔解、聚合反应,通常1吨钢液的渣钢反应面积为0.8～1.3mm2,当渣量为原来的6%时,钢渣乳化后形成半径为0.3mm的渣滴,反应界面会增大1000倍。微合金化、变性处理就是利用这个原理提高精炼效果。
4)可以在电炉(转炉)和连铸之间起到缓冲作用,精炼炉具有灵活性,使作业时间、温度控制较为协调,与连铸形成更加通畅的生产流程。
3 炉外精炼技术在生产中的应用目前得到公认并被广泛应用的炉外精炼方法有:LF法、RH法、VOD法。
3.1 LF法(钢包精炼炉法)
它是1971年由日本大同钢公司发明的,用电弧加热,包底吹氩搅拌。
3.1.1 工艺优点
1)电弧加热热效率高,升温幅度大,控温准确度可达±5℃;
2)具备搅拌和合金化的功能,吹氩搅拌易于实现窄范围合金成份控制,提高产品的稳定性;
3)设备投资少,精炼成本低,适合生产超低硫钢、超低氧钢。
3.1.2 LF法的生产工艺要点
1)加热与控温LF采用电弧加热,热效率高,钢水平均升温1℃耗电0.5～0.8kW·h,LF升温速度决定于供电比功率(kVA/t),而供电的比功率又决定于钢包耐火材料的熔损指数。因采用埋弧泡沫渣技术,可减少电弧的热辐射损失,提高热效率10%～15%,终点温度的精确度≤±5℃。
2)采用白渣精炼工艺。下渣量控制在≤5kg/t,一般采用Al2O3-CaO-SiO2系炉渣,包渣碱度R≥3,以避免炉渣再氧化。吹氩搅拌时避免钢液裸露。
3)合金微调与窄成份范围控制。据试验报道,使用合金芯线技术可提高金属回收率,齿轮钢中钛的回收率平均达到87.9%,硼的回收率达64.3%,钢包喂碳线回收率高达90%,ZG30CrMnMoRE喂稀土线稀土回收率达到68%,高的回收率可实现窄成份控制。
3.1.3 LF法在生产实践中的应用
2000年6月,鞍钢第一炼钢厂新建的连铸车间正式投产,精炼设备由两座LF钢包精炼炉,年处理钢水200万t;一座VD钢水真空处理装置,年处理钢水80万t组成。LF炉最大升温速度为4℃,LF炉平均处理周期≤28min;处理效果:平均[H]≤0.0002%;最低[H]≤0.0001%。
我国现有家重轨生产厂(攀钢、包钢、鞍钢和武钢)生产典型的工艺路线如下:LD→LF→VD→WF→CC,钢包吊到LF处理线的钢包车上后,由人工接通钢包底吹氩的快速接头,根据要求的钢水成分及温度确定物料的投入量(含喂丝)重轨钢含碳量较高,因而增碳显得很重要,转炉出钢时钢水含碳量控制为0.2%～0.3%(wt),炉后增碳至0.60%～0.65%(wt),在LF炉处理时再增0.10%～0.15%(wt)个碳至标准成份的中上限,经VD处理后即可达到钢种成分要求。
3.2 RH法(真空循环脱气法)这种方法是1958年西德发明的,其基本原理是利用气泡将钢水不断的提升到真空室内进行脱气、脱碳,然后回流到钢包中。
3.2.1 RH法的优点
1)反应速度快。真空脱气周期短,一般10分钟可以完成脱气操作,5分种能完成合金化及温度均匀化,可与转炉配合使用。
2)反应效率高。钢水直接在真空室内反应,钢中可达到[H]≤1.0×10-6,[N]≤25×10-6,[C]≤10×10-6,的超纯净钢。
3)可进行吹氧脱碳和二次燃烧热补偿,减少精炼过程的温降。
3.2.2 RH法工艺参数
1)RH循环量。循环量是指单位时间内通过上升管或下降管的钢水量,单位是t/min。有关资料给出的计算公式为: Q=0.002×Du1.5·G0.33,式中:Q———循环流量,t/min;Du———上升管直径,cm;G———上升管内氩气流量,L/min。
2)循环因数。他是指在RH处理过程中通过真空室的钢水与处理量之比,其公式为:μ=w·t/v式中:μ———循环因数,次;w———循环量,t/min;t———循环时间,min;v———钢包容量,t。
3)供氧强度与含碳量的关系。向RH内吹氧可以提高脱碳速度,即RH-OB法。当[C]/[O]>0.66时钢包内氧的传质速度决定脱碳速度,其计算公式为:
QO2=27.3×Q·[C]式中:QO2———氧气强度,Nm3/min;Q———钢水循环量,t/min;[C]———含碳量,Nm3/t。
3.2.3 RH法在生产实践中的应用
日本的山阳钢厂将LF与RH配合生产轴承钢形成EF-LF-RH-CC轴承钢生产线,钢中总氧量达到5.8×10-6。LF-RH法首先利用LF炉将钢水升温,利用LF搅拌和渣精炼功能进行还原精炼,是钢水脱硫和预脱氧,然后将钢水送入RH中进行脱氢和二次脱氧。经过这样处理大大的提高了钢水的清洁度,同时钢水的温度达到连铸需要的温度。
宝钢炉外精炼设备有RH-OB、钢包喷粉装置、CAS精炼装置,RH-OB的冶炼效果较理想,脱氢率为50%～70%,脱氮率为20%～40%,一般情况下,经RH-OB处理后[H]≤2.5×10-6,[C]≤30×10-6,去除钢中非金属夹杂物一般能达到70%,钢中总氧量≤25×10-6,而且在RH中合金处理可以提高合金的收得率和控制的精确度,[C]、[Si]、[Mn]的控制精度能达到±0.01%,铝的精确度可达到1.5×10-3,取得了较好的炉外精炼效果。
3.3 VOD法(真空罐内钢包吹氧除气法)
3.3.1 VOD的特点VOD法是1965年西德首先开发应用的,它是将钢包放入真空罐内从顶部的氧枪向钢包内吹氧脱碳,同时从钢包底部向上吹氩搅拌。此方法适合生产超低碳不锈钢,达到保铬去碳的目的,可与转炉配合使用。他的优点是实现了低碳不锈钢冶炼的必要的热力学和动力学的条件-高温、真空、搅拌。
3.3.2 VOD法在生产实践中的应用
20世纪90年代初,上海大隆铸锻厂从德国莱宝(leybold)公司进口1台15tVODC的关键设备和技术软件。采用电炉初炼钢水经VODC炉外精炼的工艺方法,精炼了超低碳不锈钢、中低合金钢和碳钢,取得了很好的冶金效果,钢中非金属夹杂物减少,氢含量小于3×10-6氧含量小于6.5×10-6,不锈钢中铬回收率达98%～99%,精炼后的钢具有十分优越的性能。VODC精炼工艺成熟,控制容易,适应中小型钢厂和铸钢厂的多钢种、小吨位精炼生产需要,对发展铸钢行业的精炼生产会起到很大积极作用,具有广阔的发展前景10。
抚顺特殊钢有限公司有30tVOD炉,采用EAF+VOD技术精炼不锈钢,可使[H]≤2.58×10-6,T[O]≤41.9×10-6,铬回收率达到99.5%,脱硫率64.2%,精炼高碳铬轴承钢T[O]≤12.13×10-6 。
4 发展炉外精炼技术需解决的问题及发展方向炉外精炼技术已经应用40年,对提高钢的纯净度、精确控制成分含量及细化组织结构等方面都起了重要作用,使冶炼成本大幅降低,同时提高了钢的品质和性能。但在发展的过程中也出现了一些问题,有待于解决,使这项技术更加完美。
1)实现炉外精炼工艺的智能化控制,根据来料钢水的各种技术参数,利用信息技术,制定最佳的精炼工艺方案,并通过计算机控制各精炼工序。精炼工位配备快速分析设备,实现数据网络化,减少热停等待时间。
2)炉外处理设备将实现“多功能化”。在水钢精炼设备中将渣洗精炼、真空冶金、搅拌工艺以及加热控温功能全部组合起来,实现精炼,以满足超纯净钢生产的社会需求。
3)开发高纯度、高密度、高强度的优质碱性耐火材料,以适应不同精炼炉的需要,注重产品质量的稳定性。耐火材料的使用条件应尽可能与炉渣相适应,最大限度地降低侵蚀速度。要根据精炼设备的实际情况形成不同层次的配套材料,研究开发保温和修补技术,提高炉衬的使用寿命。
4)减少精炼过程的污染排放,精炼过程会产生大量废气,其中含SO2、Pb、金属氧化物、悬浮颗粒等,在真空脱气冷却水中含有固态悬浮物、Pb、Zn等,这些污染物须经企业内部的相关处理,把污染程度降低到符合排放标准后再排放,加强环境保护意识。
5 结束语
炉外精炼技术是一项提高产品质量,降低生产成本的先进技术,是现代化炼钢工艺不可缺少的重要环节,具有化学成分及温度的精确控制、夹杂物排除、顶渣还原脱S、Ca处理、夹杂物形态控制、去除H、O、C、S等杂质、真空脱气等冶金功能。只有强化每项功能的作用,才能发挥炉外精炼的优势,生产出高品质纯净钢种。
在转炉吹炼过程中，转炉中产生约1450℃的高温废气，主要成分是CO、O2、CO2、N2和SO2，CO含量可高达80%以上。含有大量的粉尘，含尘浓度可达150-200g/Nm3，吨钢可产生10～30kg粉尘。所以转炉烟气具有高温、有毒、易燃易爆、含尘量高等特点。同时转炉烟气又具有很高的利用价值，具有潜热、显热等大量能量，烟气中的粉尘也含有50%以上的全铁，可以循环利用。转炉炼钢是间歇式生产，所以转炉烟气的生产也是间断的，使得烟气处理控制系统变得更加复杂。炼钢转炉烟气除尘分为湿法和干法两大类。是OG湿法除尘工艺和L—T干法除尘工艺。 该流程是：转炉烟气经罩裙、Ⅰ至Ⅳ段汽化冷却烟道冷却之后，由1600℃降至800℃左右，然后进一文、二文进一步降温并除尘，再经诱引离心风机到三通切换阀，煤气合格的进入回收系统，达不到煤气回收要求的烟气进入放散塔点火排放。OG系统根据文氏管的原理知道文氏管是靠喉口处高速气流使喷入的水二次雾化，以增大水滴的表面积，捕捉更多的粉尘，这种原理使文氏管阻损很大。因而系统存在着阻力大、用水量大、净化效果不理想的问题，造成水、电浪费的现象比较严重。并且系统经常采用的折板式水雾分离器、丝网脱水器等脱水设备效果不理想、易堵塞，造成风机故障率高；粉尘排放率超标。“OG”流程的优点是安全可靠，系统比较简单，但存在诸多问题。主要有：1、一文、二文需要的除尘水量很大。2、蒸汽和湿粉尘粘结到引风机叶片，造成转子不平衡，引起风机震动损坏，故障率高，影响系统正常稳定运行。3、系统易结垢，导致除尘能力下降，集尘效果和净化效果变差，炉口烟尘外溢、放散塔冒黄烟。4、系统阻力大，耗电高。5、污泥处理工序复杂且容易造成二次污染。6、受文氏管效率影响，烟尘排放浓度偏高(为100mg/Nm3)。 近年来发展起来的干法除尘工艺，工艺流程是：烟气进入汽化冷却烟道间接冷却之后，再用蒸发冷却器直接进行冷却—向通过蒸发冷却器内的烟气喷入雾化水。喷入的水量，要准确地随炼钢生产过程中产生热气流的热焓而定，将烟气冷却到150℃一200℃后，经由煤气管道引入静电除尘器进行精除尘。然后通过引风设备—轴流式鼓风机进入煤气切换站，合格的煤气经进一步冷却之后进入回收系统，不合格的煤气经放散塔点火放散。LT流程的优点是，不需废水处理设备和污泥脱水设备等，因此干法除尘具有水耗低、无污水处理系统、电耗低、风机运行稳定、粉尘排放浓度低(为10mg/Nm3)等诸多优点。存在一些问题主要是：1、干法除尘造价高、自动控制连锁多，要求自动化程度高。2、采用的机械设备多，结构复杂，故障率高，维修时间长。3、由于蒸发冷却使煤气中含有较高的水分，易形成结露，影响极间距离和运行电压，还影响输灰系统设备运行寿命，为此对蒸发冷却塔水量、水压控制有严格要求。4、蒸发冷却器壁上结垢问题还没有很好的解决。5、泄爆频繁，影响电除尘器内部件的寿命和除尘效果。6、除尘后煤气温度高，还必须采用专门的冷系统进行冷却后才能进煤气柜。 1)抑爆技术DDH法主要工艺技术 针对L-T法在生产过程中，由于电除尘产生的电火花，而不可避免引起爆炸，进而影响生产节奏这一缺陷，DDH法采用了密闭袋式除尘器，完全物理过滤，消除了电场火花的隐患。同时，由于取消了LT法喷雾灭火，在换热器前后设有多重火花熄灭及防抑爆技术，以消除明火颗粒的带人，并使O2降至最少，低于起爆点。2)显热回收技术L-T法将汽化冷却烟道带来的900 C以上高温烟气，以喷雾急冷却方式将烟气降至250度以下，既去除了二恶因，又达到了降温的目的，但其显热没有利用被浪费。DDH法则将9000一1000度的烟气通过量身定制的专用的煤气换热器急冷至200度以下，同样可基本去除二恶因，并可回收大致70一90 kg/ t钢的蒸汽，效益显著。其核心设备采用负压式抗交变热应力管束式换热器，该换热器具备应对热交变和补偿密封的设计，可以适应转炉长期、频繁(30min一个周期)、急剧(1000-->1000度)的烟气变化带来的热应力疲劳，弥补了同类管束式换热器在此领域的技术空白3)袋式无泄偏密封安全技术由于采用负压除尘系统，除各种机械式密封外，在活动部位均设有氮封装置，确保煤气中。2含量<2%.核心设备采用负压零泄漏煤气袋式除尘器是在传统正压煤气袋式除尘器基础上的改进产品，除尘器采用圆柱通路结构设计，通过在进出口、卸灰、喷吹、检修孔等全方位的机械密封和氮封工艺措施，可确保除尘器实现零泄漏。由于滤料为物理过滤，其排放浓度基本不受人口粉尘浓度波动影响，排放相当稳定，解决了OG和LT排放都不稳定的弊病。4)阻力平稳技术由于采用袋式除尘，必须将阻力波动控制在极小范围内波动，使系统风量对炉口差压影响减至可接受范围。本工艺配备由一套连锁阀门和调速电控系统，可适时动态调节炉口微差压，确保煤气回收品质和数量。5)系统控制技术DDS法较之L-T法的电控系统要简单易控许多，因为L-T法的喷雾冷却控制必须严格操作，水量微弱偏差将导致温度的变化、阻力的变化、火花强度的变化、腐蚀的变化、风量的变化等一系列的联锁反应和多组设备动作，控制复杂。而DDS法因换热器出口温度比较稳定，且温度波动并不影响袋滤器的工作。6)全干降温技术在系统采取了更为节水的除尘工艺，是一套真正意义上的干法煤气回收系统，其含湿量相比0G的(1600- 1700) X 4. 18KJ /m3和LT (1900--2000)18KJ/m3，分别减少了约25%和5%，可进一步提高回收煤气的单位体积热值。尘主体设备分别单独控制，温度控制简化为单一设备联锁，互不干扰，从而实现简易操作。
