基于物质流和能量流全方位价值开发的铁粉生产工艺.pdf

年 月 第三期 基于物质流和能量流全方位价值开发的铁粉生产工艺李朋欢 沈国新(.杭州屹通新材料股份有限公司 杭州.浙江新世纪再生资源开发公司 杭州)摘 要:根据冶金流程工程学原理建立了物质流和能量流全方位价值开发的铁粉生产工艺 基于产品的不同定位和质量要求选择物质流和能量流协同优化的工艺路线可以避免因工艺路线不合理造成的熔炼设备功能过剩通过实施逆向供应链的废钢精细分类模式充分挖掘了废钢中物质流的再利用价值以技术、装备的创新实现了关键工序物质流和能量流价值的全方位开发关键词:铁粉物质流能量流废钢 前言钢铁及相关工业是典型的流程制造业各种物料沿着产品生命周期的轨迹流动形成物质流各种能源沿着转换、使用、排放的路径流动形成能量流 物质流和能量流既独立又相互联系、彼此制约物质流是钢铁生产的主体能量流推动物质流的流动和转变 钢铁制造流程是铁素流在能量流的驱动或作用下、在特定的程序信息流的控制下在设定的“流程网络”中动态有序地、准连续/连续地进行一系列的物理、化学转换实现多项技术、经济指标的优化从冶金流程工程学角度看制粉工艺实质上是物质流(主要是铁和杂质)在能量流(主要是电力)的驱动和作用下沿着特定的流程动态有序的运行 制粉企业在历史新阶段为了减少资源消耗降低生产成本提高产品质量必须对全流程相关装备和工序功能进行解析优化和协同开发以装备、工艺的创新实施集成物质流和能量流的全方位价值开发 基于不同产品定位的铁粉生产工艺路线 根据/粉末冶金用水雾化纯铁粉、合金钢粉水雾化纯铁粉按照杂质元素含量、压缩性分为.、.两类 杭州屹通新材料股份有限公司(以下简称“杭州屹通”)与国标相对应的纯铁粉牌号为、具体化学成分、物理及工艺性能见表 表 纯铁粉主要成分含量牌号氢损酸不溶.余量.余量 产品杂质含量的高低取决于废钢中杂质的初始含量和熔炼设备的脱除能力 杭州屹通基于对熔炼设备的功能解析根据产品的不同定位和质量要求选择物质流和能量流协同优化的工艺路线如图 所示:由于电弧炉具备吹氧、造渣等精炼功能可以将杂质含量脱除至更低水平因此可以用来生产中高端产品但是对废钢的重量和尺寸大小要求严格生产成本较高而对于中低端产品可以通过废钢精细化分级分类选择杂质含量较低的废钢不经过精炼仅通过熔化便可以生产出满足质量 年 月 第三期要求的产品避免了采用电弧炉生产中低端产品引起的设备功能过剩以及不必要的物质流和能量流浪费从而提高了经济效益图 铁粉生产工艺路线 基于对设备功能的解析生产 等高端产品以及高质量要求的 时选择杂质脱除能力更强的工艺路线一生产普通 时选择综合成本更具优势的工艺路线二日常生产时根据销售需要灵活调整工艺并且共用变压器等辅助设施不仅有效降低了初期设备投资、固定资产摊销和固定电费等支出实现了不同产品线之间物质流和能源流的协同优化 不同工艺路线的成本差异.废钢成本差异从废钢的用途来看不同冶炼环节、不同企业、不同设备使用的废钢料型有较大差别 熔炼设备选型的不同导致两条工艺路线消耗废钢的料型不同 工艺一受电弧炉容积大和加热方式的影响吃重废、中废等比例较高另外由于吹氧和造泡沫渣的需要须配入一定量炼钢生铁(或铁水)工艺二多吃薄料、轻料以及较为干净的料型按照废钢铁分类标准/熔炼用废钢按照外形尺寸和单件重量可分为重废、中废、小废、轻薄料、打包块等市场定价一般也按照外形尺寸和重量定价 一直以来重废价格普遍高于轻废如图 所示 近几年随着钢铁行业化解产能和全面取缔“地条钢”钢铁企业盈利水平明显改善废钢特别是重废需求旺盛导致废钢价格攀升图 重废、轻废价格差异.其它辅助材料成本差异由于电弧炉冶炼是通过电极产生电弧加热熔化废钢并通过吹氧脱碳以及造泡沫渣脱除、等杂质元素因此工艺路线一较路线二增加了石墨电极、氧气、造渣材料、碳粉等物质流的消耗 可见熔炼设备功能的增加导致生产流程中物质流消耗增加从而提高了生产成本.钢水收得率引起的成本差异工艺一由于电弧炉采用电弧加热在电弧高温区温度可达 加上吹氧导致元素挥发和氧 年 月 第三期基于物质流和能量流全方位价值开发的铁粉生产工艺 化损失大每冶炼 钢水金属原材料的烧损可达以上 而工艺二采用感应加热金属材料自内向外熔化元素烧损小废钢收得率可以达到 以上 废钢的全方位价值开发废钢是制粉行业不可缺少的原料 目前我国的废钢经营加工利用产业还比较粗放废钢中高价值元素的浪费十分严重 国外发达国家大多已做到了废钢的分级分类处理实现了资源的最大化利用从而拓展了废钢的增值空间为最大化地提升废钢物质流中 以及贵重合金元素再利用的价值借鉴国外发达国家精细化分类模式以来源、外观及成分等作为分类指标构建了逆向供应链的废钢分类模式图 废钢分类模型 首先制粉企业废钢的使用规模远低于钢铁企业动辄几十上百万吨的使用规模因此制粉企业比较容易做到废钢的精细化管理 在废钢的来源上主要有自产废钢、加工废钢和社会废钢 加工废钢主要为钢材下游制造商在钢材加工过程中产生的废钢这部分废钢成色好杂质少收得率高 鉴于浙江地区发达的机械加工行业杭州屹通通过废钢回收企业逆供应链、定向采购品种单一、成分、形状、重量都比较合适的优质加工废钢可以做到废钢来源的可追溯其次废钢中含有一定量的合金钢、不锈钢或者有色金属等高价值废钢 目前绝大多数废钢回收加工企业或者是钢铁企业较难实现废钢的精细分拣处理大部分合金废钢或者有色金属被作为普通废钢投炉冶炼不仅造成资源的严重浪费还增大了熔炼设备的负荷导致钢液杂质含量增加 杭州屹通通过精细化的分类分级模式将废钢中的高价值废钢通过先进的检测仪器分拣出来用于生产合金钢粉明显降低了、等贵重合金元素的使用量有效降低了合金钢粉的生产成本 因此产生了新的经济增长点并带来丰厚的利润 各工序物质流和能量流的全方位价值开发 经过多年的技术积累除了熔炼工序的全方位价值开发杭州屹通针对雾化、干燥、还原等关键工序的物质流和能量流协同优化形成了“大流量高压水雾化”、“低温低氧干燥”以及“高效低能耗还原”等核心技术对于雾化系统、脱水干燥系统、还原炉等主要生产设备进行改造和优化提高了原材料利用率降低了、还原气体等物质流及电力等能量流的消耗使公司在成本管控上具有较为明显的优势 上述三项核心技术及与行业水平对比情 年 月 第三期况如表 所示表 主要工序物质流和能量流控制核心技术及指标技术名称指标国内行业水平大流量高压水雾化最大单点雾化速率:/水压:.最大单点雾化速率:/水压:.低温低氧干燥毛粉:.毛粉:.高效低能耗还原产能:/台/年、/台/年电耗:/气耗:/产能:/台/年、/台/年电耗:/气耗:/雾化是钢液转变为铁粉的关键过程涉及到钢液与水的化学反应和能量交换 过长的雾化周期需要较高的钢液温度来维持势必增加熔炼设备电力等能量流的消耗、也加大了 等物质流的耗损杭州屹通开发的“大流量高压水雾化技术”可使单点雾化速率达到/降低了熔炼和雾化过程的能量流消耗并且减轻了雾化过程中铁粉的氧化程度从而降低了后续还原工序物质流和能量流的消耗 对于粉末生产的重要工序之一的脱水干燥杭州屹通采用间接加热的方法使粉末在较低温度下干燥既保证了烘干效果同时又有效防止了烘干过程中的氧化毛粉氢损含量可以控制在.以下明显了降低还原工序热能和还原气体的消耗作为铁基粉体生产关键设备之一的还原炉是对铁基粉体进行高温退火、脱氧脱碳的重要设备杭州屹通历经多年技术攻关成为国内金属粉体生产企业中极少数使用自主设计年产 万吨大型带式还原炉的企业之一通过优化炉体结构、保温和密封方式 万吨还原炉在产能提升 倍的情况下炉体散热面积仅增加了 如图 所示单位电耗、气耗均明显低于同行业其他公司图 万吨还原炉与 万吨还原炉结构对比 结语杭州屹通从物质流和能量流全方位价值开发的角度不断解析和优化各工序功能实现了各工序之间良好的连锁反应形成了整个工艺流程物质流和能量流的高价值传递)基于产品的不同定位和质量要求选择物质流和能量流协同优化的工艺路线可以避免因工艺路线不合理造成的设备功能过剩以及物质流和能量流的浪费)通过实施逆向供应链的废钢精细分级分类模式可以充分挖掘废钢中物质流的再利用价值)技术、装备的创新促进了关键工序物质流和能量流价值的全方位提升参考文献蔡九菊王建军陆钟武等.钢铁企业物质流与能量流及其相互关系.东北大学学报(自然科学版)():.殷瑞钰.关于钢铁制造流程的研究.金属学报():.收稿日期: