废弃轮胎代替焦炭用于EAF炼钢炉渣起泡研究
1前言
据统计，炼钢生产消耗的能源大约占全球各行业总消耗能源的5%。因此，新的炼钢技术必须能降低电能强度和减少焦炭、天然气等化石能源消耗。降低炼钢工业焦炭消耗的主要方法是利用已作废的含碳材料代替焦炭。例如，利用废弃轮胎和废旧塑料代替焦炭和天然气，不仅可以节约化石能源用量，而且可以减少上述废弃物的土地填埋和非法倾倒，有利于保护环境。
废弃轮胎的再循环利用存在着许多问题，主要是体积密度太低和难于自然降解，将废弃轮胎堆放在废料场有可能引发火灾，同时损害人们健康。因为低温燃烧会释放有毒物质，例如温室气体、焦油和烟灰颗粒、二噁英、呋喃和多环芳香族碳氢化合物，严重污染环境。
为此，OneSteel钢铁公司与新南威尔士大学（UNSW）合作研发了一种用废弃物包括废旧轮胎作为碳源喷入EAF代替炉渣起泡碳源的新方法。喷入的废弃聚合物不仅代替了部分焦炭，而且改善了炉渣起泡性能、提高了EAF生产效率。在新南威尔士大学完成了一系列实验室研究之后，2006年在OneSteel钢铁公司Sydney和Laverton钢厂的电弧炉进行了工业试验，并将此申请成专利技术——聚合物喷射技术（PIT: Polymer Injection Technology）。该技术在OneSteel钢铁公司Sydney和Laverton钢厂的电弧炉运行了5年以上，已成为标准实践。炼钢炉次超过44000炉，消耗的废弃聚合物超过120万个废弃轮胎。2011年5月PIT技术首次在泰国UMC金属公司实施商业应用。UMC公司利用PIT技术获得了丰厚的经济效益：降低EAF生产成本，提高生产效率，包括减少起泡剂用量、降低原材料成本，增加平均有功功率，减少通电时间和提高金属收得率。
EAF炼钢的碳消耗及其与熔融炉渣以及金属之间的相互作用是产生泡沫渣的关键因素。传统炉渣起泡剂多为焦炭、无烟煤和普通烟煤。将固定碳喷进炉渣以减少炉渣中的FeO含量。在炉渣层中FeO减少的同时，C与FeO中的O2结合生成CO，当CO与过剩O2结合生成CO2时则导致炉渣起泡。此外，将O2喷进钢液中，Fe与钢液中的C和喷进的O2结合也可产生CO和CO2，并进入液态炉渣诱发起泡。
起泡炉渣浮在钢液顶部屏蔽电弧的同时钢铁液温度快速升高，有利于节能。维持EAF内足够的泡沫渣高度和体积是保证炉子长期高效运行不可缺少的因素。改善炉渣起泡性能与高温反应期间炉渣容纳CO和CO2气体的能力有关。
2实验室研究
冶金焦被广泛地用作EAF炼钢的主要碳源。冶金焦的性能，例如固定碳含量、灰分和化学成分，在其与液态炉渣相互反应时发挥着十分重要的作用。新南威尔士大学和Sydney钢厂的研究人员建议用废弃塑料和废弃轮胎结合焦炭或煤作为有效原料用于炼钢。新南威尔士大学实验室证明，如果将废弃塑料或轮胎与其他含碳材料混合对碳的性能进行调整，碳与液态炉渣间的相互作用可获得改善。可以看到，与单独使用焦炭相比，使用高密度聚合物（HDPE）、焦炭和橡胶/焦炭混合物炼钢，焦炭/炉渣之间的相互作用得到了很大改善。放出大量的CO和CO2与液态炉渣结合，可有效增大炉渣体积。
炉渣起泡试验采用固滴技术，以高纯度氩气作载体，在温度为1823K的条件下在一卧式炉内进行。焦炭和焦炭/橡胶混合物各自与液态炉渣在高温状态下反应。测量超时扩散后的泡沫渣体积Vt并与原始体积V0进行比较，记为（Vt/ V0）。可以看到，焦炭/橡胶混合物喷入EAF，经超时扩展后的泡沫渣体积比单独用焦炭产生的泡沫渣体积更大些。
试验证明，使用聚合物混合物可产生更多的气体，随之被液态炉渣捕获。气泡尺寸及其分布极大地影响到它在液态渣基体中的停留时间。深入研究指出，当用焦炭作碳源喷入EAF，可见钢渣界面上出现具有物理屏障作用的灰分，阻止溶解碳进入钢液，而橡胶由于灰分很低，能有效促进碳溶解并进入钢液。
3工业试验
2006年和2007年分别在Sydney和Laverton钢厂进行了EAF喷射聚合物和焦炭混合物工业生产试验。
除了专用储存料仓和混合系统之外，喷吹橡胶碎片不需要对EAF的基本结构和操作程序进行任何修改。在OneSteel钢铁公司进行工业生产试验期间，EAF运行情况获得改善。使用聚合物/焦炭混合物可大幅减少喷射剂数量，加之原材料成本的价格差异，结果使转换成本得到大幅度降低。除此之外，还降低了电极消耗和石灰用量。由于炉渣中的FeO含量降低到1.4%的水平，从而提高了金属收得率。
因使用聚合物喷射技术降低了电能消耗而减少了OneSteel钢厂的碳足迹，降低了CO2排放。使用该技术还可给钢厂提供不同于传统的EAF生产机会而获得环境效益。
OneSteel公司在Sydney钢厂喷射橡胶/焦炭混合物时对钢液中的含硫量进行特别检查，并与仅喷射焦炭的含硫量作了比较。结果显示，因为所有反应均发生在液态渣层。所以，喷射橡胶/焦炭混合物钢液中的含硫量没有增加。
在三座炼钢厂使用橡胶/焦炭前后进行过烟囱二噁英排放量测试。结果显示，使用橡胶/焦炭混合物排放的二噁英比100%使用焦碳的排放量少。OneSteel公司生产经验证明，废钢质量和混合情况以及操作延迟对二噁英和其他污染物排放有很大影响。
2011年5月，在泰国UMC金属公司进行了聚合物喷射的EAF炼钢试验。结果表明，碳喷射剂成本降低35%。因为炉渣起泡性能的改变使每炉喷射剂总量减少12%，缩短了冶炼需要的通电时间，并且提高了平均有功功率，改善了EAF操作效率。
投产3个月后，OneSteel公司又回到泰国UMC金属公司进行试验。目标是增大橡胶在混合物中的比例，以实现更大节约。试验结果证明，可提高橡胶在混合物中的比例，并制定了工业生产中橡胶在混合物中的标准比例。按规定的橡胶比例喷入EAF，每炉还可再减少喷射剂总量8%。
为了使聚合物喷射技术获得经济效益的合法性被认可，2012年1月再次在UMC金属公司开展了聚合物喷射试验。试验结果表明，EAF炼钢喷射橡胶/焦炭混合物与100%喷射焦炭相比，前者的通电时间（36.7min）比后者（38.7min）明显减少，前者的冶炼时间（52.7min）比后者（54.3min）缩短，前者的平均有功功率（42.0MW）比后者（39.8MW）提高。
通过聚合物喷射技术在OneSteel和UMC公司的试验研究表明，喷射橡胶/焦炭混合物不仅可以改善EAF生产运行技术指标和降低生产成本，还可因使用橡胶和塑料变废为宝，转换和消除了土地填埋费用而获得可观的经济效益和巨大的环境效益。综上所述，聚合物喷射技术一定能赢得炼钢工作者的认可。
(来源：炼钢)
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