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空分裝置在鋼鐵行業的應用（常規高爐冶煉和熔融還原工藝及用氧計算）
2019-06-14
鋼鐵企業冶煉生產工藝中需大量使用氧氣、氮氣、氬氣等工業氣體。氧氣主要用于高爐、熔融還原煉爐、轉爐、電爐冶煉；氮氣主要用于爐子密封、保護氣、煉鋼精煉、轉爐濺渣護爐、保安氣體、傳熱介質及系統吹掃等；氬氣主要用于煉鋼精煉等。為適應生產要求，保證生產安全穩定運行，大型鋼廠均配置有專供的制氧站和氧氮氬動力管網系統。
大型全流程鋼鐵企業目前配置的常規流程為：焦爐、燒結、高爐煉鋼、轉爐電爐煉鋼、軋鋼工序等。因強調環境保護，簡化工藝流程，國際鋼鐵行業近代開發出鐵前區域短流程工藝-熔融還原煉鐵，在一個冶煉爐中直接將鐵礦原料還原為鐵水。
兩種不同冶煉工藝流程需要的工業氣體有較大差別，常規冶煉高爐需要氧氣量占鋼廠總需氧量28%，煉鋼需要的氧氣量占鋼廠總需用量的40%；而熔融還原（COREX）工藝煉鐵生產需要氧氣量占鋼廠總需用量的78%，煉鋼需用的氧氣量占鋼廠總需用氧氣量的13%。
上述兩種流程尤其熔融還原煉鐵工藝在我國已經開始推廣。
鋼廠用氣要求:
高爐冶煉的供氧主要作用是冶煉中保證一定的爐內高溫，而不是直接參與冶煉反應。氧氣混入高爐鼓風中，參混為富氧空氣進入高爐。以前工藝提出的鼓風富氧效率一般在3%以下，隨著高爐工藝的改進，為了節約焦炭，采用大噴煤工藝后，以及為滿足高爐生產提升產量，要求鼓風富氧率提高到5∽6%，用氧單耗達60Nm3/T鐵。
因高爐用氧參混的是富氧空氣，所以氧氣純度可為低純度。
熔融還原煉鋼工藝氧氣需要參與冶煉反應，其用氧量與煉鋼產量直接成等比關系，熔融還原爐用氧單耗為528Nm3/t鐵，是高爐流程用氧量的10倍。熔融還原爐要求維持生產的最小供氧量為正常生產用量的42%。
熔融還原爐要求的氧氣純度大于95%以上，氧氣壓力為0.8∽1.0 MPa,壓力波動范圍要求控制在0.8MPa±5%，氧氣必須確保有一定時間連續量的供應，例如對于COREX-3000爐，需考慮液氧貯備550t。
煉鋼工藝與高爐、熔融還原爐冶煉方式不同，轉爐煉鋼用氧為間斷使用，吹氧時負荷大，并且氧氣參與冶煉反應，其需要氧量與煉鋼產量有直接的等比關系，用氧單耗約為60Nm3/t鋼，要求的氧氣壓力大于1.4MPa,氧氣純度≥99.5%。
為了提高轉爐使用年限，目前鋼廠普遍采用氮氣濺渣護爐工藝技術，氮氣為間斷使用，使用時負荷大，要求的氮氣壓力大于1.4MPa。
煉鋼精煉需要氬氣，隨著產鋼品種提升，精煉要求更高，用氬量逐步增加。
冷軋機組用氮量要求單耗達50∽67Nm3/t,隨著鋼廠軋鋼區域冷軋機組的增建，鋼廠的用氮量提升很快。
電爐煉鋼主要利用電弧熱，在電弧作用區，溫度高達4000℃。冶煉過程一般分為熔化期、氧化期和還原期，在爐內不僅能造成氧化氣氛，還能造成還原氣氛，因此脫磷、脫硫的效率很高。中頻電弧爐是一種將工頻50HZ交流電轉變為中頻（300HZ以上至1000HZ）的電源裝置，把三相工頻交流電，整流后變成直流電，再把直流電變為可調節的中頻電流，供給由電容和感應線圈里流過的中頻交變電流，在感應圈中產生高密度的磁力線，并切割感應圈里盛放的金屬材料，在金屬材料中產生很大的渦流。氧單耗達42∽45 Nm3/t。
平爐煉鋼工藝用的原材料為：①鋼鐵料如生鐵或鐵水、廢鋼；②氧化劑如鐵礦石、工業純氧、人造富礦；③造渣劑如石灰（或石灰石）、螢石、鐵礬石等；④脫氧劑和合金添加劑。
氧氣作用為提供氧化性氣氛，平爐熔煉室內燃燒氣體（爐氣）中含有O2、CO2、H2O等，在高溫下，強氧化性氣體向熔池供氧量每小時可達金屬重量的0.2～0.4%，對熔池起氧化作用，使爐渣始終有較高的氧化性。
提示：單靠爐氣供氧，速度慢，加鐵礦石或吹氧可加速反應過程。
鋼廠用氧特點：氧氣放散和用氧調峰。
怎樣滿足鋼廠用氧需求？一般采取以下方式滿足：
* 采用變負荷，自動化程度高的先進控制，以減少氧氣放散，可以多套組合
* 應用傳統方式采用多組調峰球罐，以加大緩沖力度，使得某一時間段內用氧總量穩定，可以減少氧氣放散量，同時減小裝置規模
* 在用氧低谷時，采用抽取液氧方式將多余氧氣抽出；用氧高峰時，采用汽化方式彌補氧氣量；當液氧外抽量受冷量不足限制時，采用外液化方式將放散氧氣液化，采用汽化方式將液氧汽化
* 采用多家鋼廠聯合并網供氣，根據用氣時間點的不同，使得總供氧規模穩定
空分裝置的配套工藝
在制定制氧站的工藝方案時需要對機組能力、產品純度、輸送壓力、升壓工藝、系統保安、總體布置、噪聲治理做專題認證。
大型鋼廠用氧量大，例如年產1000萬噸鋼廠的高爐工藝流程用氧量要達到15萬Nm3/h，年產300萬噸鋼廠的熔融還原爐工藝流程用氧量要達到24萬Nm3/h，目前配套成熟特大型空分裝置為6∽10萬等級，在選擇裝置規模時應當從總設備投資、運行能耗、備件維護、占地面積等方面考慮。
鋼廠煉鋼用氧計算
例如單臺爐子，周期是70min,用氣時間50min。用氣時用氣量為8000Nm3/h，則需要空分裝置（連續）產氣為總氣量8000×（50/60）÷（70/60）=5715Nm3/h.則空分裝置可以選擇5800Nm3/h。
一般噸鋼用氧量為42-45Nm3/h(每噸)，需要兩者核算，并且以此為準。
當前我國鋼鐵企業的產能已躍居世界前列，但特種鋼材尤其一些關乎國計民生的重要領域用鋼仍然依賴進口，所以以寶武鋼廠為首的國內鋼鐵企業任重而道遠，對于高精尖領域的突破尤為緊迫。
近年來鋼鐵行業對空分產品的需求越來越多樣化，許多用戶不僅需要氧氣，而且需要高純度的氮氣和氬氣，甚至其它稀有氣體。目前武鋼、首鋼等幾大鋼廠均已有多套全提取空分裝置在運行，空分裝置副產稀有氣體不僅可以滿足國民生產需求，而且可以較大的經濟效益。
隨著鋼廠的大型化發展，與其配套空分裝置也向大型化邁進，空分行業在經歷了數十年的大發展后，國內空分企業也在積極趕超世界領先企業，國產供貨商以杭氧股份等空分制造廠為代表，已研發出8-12萬等級的超大型空分設備，稀有氣體裝置國內也已成功研發，電子特氣國內起步較晚，但也在加大研發力度，相信隨著科學技術的進步，我國氣體分離行業將會走出國門、走向世界。
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