无烟煤在钢液中的溶解特性研究

王 健，时进吉，张蕊红，李 欣

(1.晋能控股山西科学技术研究院(晋城)技术研究院有限责任公司，山西 晋城 048000；2.晋能控股煤业集团晋城煤炭事业部销售分部，山西 晋城 048000；3.北京科技大学，北京 100081)

近年来，国家对环保日趋重视，短流程炼钢也逐渐成为未来发展的方向；但是短流程炼钢尤其是全废钢冶炼存在钢液碳含量不足的问题，从而导致电耗和生产周期居高不下。对此，人们开始使用煤氧喷吹助熔工艺向电炉内喷吹碳粉，以期提高生产效率并降低电耗。赵碧勋[1]等人使用煤氧喷吹工艺向30 t电炉中喷吹碳粉，喷吹量为吨钢9.33 kg，与没有喷吹碳粉相比，降低电耗72.8 kW/h，缩短冶炼时间23 min/炉。

在电炉冶炼过程中，部分企业为了进一步的降低生产成本，会减少总的喷碳量，并在冶炼初期加入煤块替代部分煤粉[2-4]。而块煤尤其是无烟块煤在钢液中的溶解特性鲜有研究，本文通过向钢液中加入晋城无烟块煤，对其在钢液中的溶解特性进行了初步研究，并以此结果验证了物料平衡计算模型的准确性。

1 无烟煤溶解试验

1.1 实验过程

实验所用炉型为管式炉，将实验用钢样放入刚玉坩埚中，为防止加热过程中干锅破裂造成管式炉的损坏，再嵌套一个尺寸稍大的刚玉干锅；缓慢升温至1 600 ℃，期间用Ar气进行保护，防止钢液被氧化；升至目标温度后，分别向钢液中放入10、20 g晋城无烟煤，同时向炉内通入5%的O2+95%Ar，保持炉内弱氧化性气氛，模拟电炉内的氧化气氛且便于煤炭燃烧完全。实验所用钢样成分如表1所示，具体升温速率曲线如图1所示。

图1 管式炉升温曲线

表1 实验用钢样成分 %

1.2 实验结果

取出反应完全后的钢样，用线切割将其切割成四部分，将钢样的检测面进行打磨至光滑，再分别检测四份钢样的化学成分，每个钢样上选取三个部位进行检测，取平均值作为最终结果；结果显示，除钢样顶端式样外，其他三个式样的化学成分均无明显区别，表明无烟煤中的碳元素仅在顶端式样中扩散，称量顶端式样的质量分别为73.34、73.58 g。

利用直读光谱仪测试实验钢的化学成分，其结果如表2所示，鉴于无烟煤对实验钢的其他三部分无影响，因此只统计实验钢顶端部分的成分。

表2 成庄无烟煤钢样的元素含量 %

为了更直观地看出各试样成分的变化，利用Origin进行绘图，其结果如图2和图3所示。图2和图3分别是成庄无烟煤不同加入量时，试样的C、S、P和Fe元素含量，试样0为原始钢样，结合表2可以看出，原始钢样中的C含量为0.015 10%，S含量为0.002 03%；试样2是加入10 g成庄无烟煤的钢样，试样2是加入20 g成庄无烟煤后的钢样，从图2中可以看出，当向钢中加入10 g成庄无烟煤后，钢中的碳含量约为0.039 64%，与原钢样相比增量较小，钢中的P、S分别为0.006 45和0.002 34，含量几乎没有增加；而当成庄无烟煤的加入量达到20 g时，钢中的碳明显增加，约为0.082 43%，且S含量约为0.004 89%明显增加，而磷含量增加量仅为0.000 6%。这主要是由于管式炉内为弱氧化气氛，无烟煤中的碳原子在高温下极易和氧原子进行反应生成CO和CO2[5]；而碳原子主要是以扩散的方式进入钢液中，其扩散速度取决于无烟煤和钢液的接触面积以及钢液中的碳含量，因此当加入少量无烟煤时，其中大部分无烟煤会与炉中的氧气进行反应，而进入钢液中含量相对较少，所以钢中的碳和硫含量增加很少；而当无烟煤的加入量增加后，会增大无烟煤与钢液的接触面积，从而使得进入钢中的碳原子增加，钢中的碳含量就明显升高，成庄无烟煤中的全硫含量检测结果为0.39%，因此随着加入的无烟煤量的增加，钢中的S含量也会相应的增加。从图3中可以看出随着成庄无烟煤入炉量的增加，钢中的Fe含量从99.93%降低到了99.8%，这主要是由于钢中碳含量的增加，导致其Fe元素占比下降。

图2 两组成庄无烟煤试样中C/S/P元素含量

图3 两组成庄无烟煤试样的Fe含量

2 物料平衡计算

2.1 假设条件

物料平衡计算可以从理论上计算无烟煤的加入对于钢液的影响，结合晋城无烟煤的检测成分对其进行平衡计算。

假设原始生铁和目标钢水成分、辅料成分分别如表3、表4所示。

表3 原始生铁和目标钢水成分 %

表4 炼钢用辅料成分 %

假设冶炼周期为50 min，通电时间为39 min，出钢温度为1 600 ℃。同时，假设钢铁料氧化所需氧气中72%来源于纯氧，28%来源于空气中的氧气，并且氧气纯度为99%，其余均为氮气，氧气的利用率为100%；假设碳的二次燃烧率为15%，炉气二次燃烧率为35%，烟气二次燃烧率为100%；炉渣的碱度R=2.5；铁的烧损率为2.8%；假设氧化的铁量中的80%生成Fe2O3变成烟尘，另外20%按FeO∶Fe2O3=3∶1的比例成渣。

实验选取晋城无烟煤中的成庄洗末煤，其成分、发热量、固定碳等含量如表5所示：

表5 实验用晋城无烟煤的检测成分

2.2 计算结果

物料平衡计算结果如表6～表8所示：

表6 10 kg成庄洗末煤的物料平衡计算

表7 10 kg成庄煤的物料平衡计算

表8 20 g成庄洗末煤的物料平衡计算

从图4可以看出，随着无烟煤加入量的增加，炉气量基本成线性增加，结合表6表7可知，与不加无烟煤相比，加入10 kg无烟煤后炉气量增加26.54 kg，金属含量增加了0.02 kg；结合表6和表8可知，与不加无烟煤相比，加入20 kg无烟煤后炉气量增加54.38 kg，金属含量增加了0.05 kg。

图4 加入不同量无烟煤后各组分量的变化

3 结果分析

将物料平衡用煤量计算结果折合成实验用煤量，得到钢中碳的增量并与实验增碳量的结果进行对比，如图5所示。

图5 不同加入量下计算碳含量和检测碳含量对比

从图5可以看出，实验所得的钢中碳含量相比于物料平衡计算模型计算得到的钢中的碳含量略微偏低，其主要原因是由于无烟煤加入钢液后会浮于钢液面，而无烟煤在高温下燃烧会在其表面形成一层煤灰，而煤灰层的存在一定程度上会阻碍碳元素向钢液中扩散[6-8]，因此导致实验检测的碳含量略低于计算值。随着无烟煤加入量的增加检测值更加接近计算值，这是由于随着加入量的增加，无烟煤浸入钢液中的部分增大，与钢液接触面积也随之增加，更加有利于C元素的扩散。因此需要在物料平衡计算模型中增加煤灰对C元素扩散的阻碍系数，使该模型能够更准确地预测实验的结果。

4 总结与展望

本文通过晋城无烟煤在钢液中的溶解实验和物料平衡计算，研究了晋城无烟块煤在钢液中的溶解特性，并得到以下结论：

(1)随着无烟煤量由10 g增加至20 g，钢液中的碳含量和炉气量呈线性增加；

(2)物料平衡计算模型应增加煤灰对C元素扩散的阻碍系数，使其更准确地预测实验结果。