鐵礬土代替螢石造LF精煉渣的研究與應(yīng)用

丁勝利，房志琦，溫春普，吳雨辰，韓春良

(河鋼集團(tuán)承鋼公司 棒材事業(yè)部，河北 承德 067000)

由于螢石的主要成分是CaF2，使其具有熔點低且與CaO、CaSiO3生成低熔點共晶物質(zhì)的特征，故傳統(tǒng)的LF爐外精煉工藝大多采用螢石作為助熔劑進(jìn)行造渣。但是，螢石會與渣中的多種氧化物反應(yīng)，生成含氟氣體，嚴(yán)重污染環(huán)境、侵蝕設(shè)備和損害人員健康[1-2]。螢石的化渣助熔作用會隨著含氟氣體的揮發(fā)而逐漸失效，因而螢石的化渣助熔作用時間短，不利于爐渣穩(wěn)定，影響冶煉順利進(jìn)行。此外，含CaF2的爐渣會對鋼包耐材產(chǎn)生嚴(yán)重的侵蝕，降低鋼包的使用壽命，增加鋼鐵企業(yè)的成本負(fù)擔(dān)[3-6]。

為了降低生產(chǎn)成本，提高鋼包使用壽命，減少對環(huán)境和人身健康的危害，河鋼承鋼改進(jìn)了現(xiàn)行的造渣工藝，在100 t LF爐上進(jìn)行了鐵礬土代替螢石造渣的試驗，經(jīng)過多爐次的試驗研究，獲得了較好的效果，現(xiàn)已成功投入使用。

1 渣系的設(shè)計

通過相關(guān)文獻(xiàn)和CaO-Al2O3相圖可知(見圖1)，增加爐渣中的Al2O3含量可以促使Al2O3與CaO形成低熔點化合物12CaO·7 Al2O3促進(jìn)化渣[7-8]。鐵礬土Al2O3的含量較高，可達(dá)到45%以上，且鐵礬土中所含有的SiO2和Fe3O4成分都具有很好的助熔效果，所以本實驗選用鐵礬土代替螢石作為助熔劑，通過調(diào)節(jié)鐵礬土的加入量，將渣中的CaO與Al2O3控制在以低熔點的鋁酸鈣12CaO·7 Al2O3為主體相范圍內(nèi)。12CaO·7 Al2O3在CaO-Al2O3相圖中的位置如圖1所示。由圖1可知，12CaO·7 Al2O3的熔點為1 362℃比螢石的熔點1 371℃要低，且這種化合物所具有的多孔疏松結(jié)構(gòu)，使其更易于熔解，同時可作為促進(jìn)渣中其它組分熔化的熔劑，使精煉渣的總體熔點下降。因此用本方法造的精煉渣具有熔點低的特性，有利于精煉渣的快速形成，提高冶煉效率和效果。

圖1 CaO-Al2O3相圖

1.1 渣成分與脫硫能力間的定量關(guān)系

CaO-Al2O3-SiO2-MgO渣系的硫的分配系數(shù)和硫容量之間存在下列關(guān)系[7,9]：

lgω((S))/ω([S])=-770/T+1.30+lgCS-

lga[o]

(1)

爐渣的脫硫能力可以根據(jù)式(1)進(jìn)行計算，爐渣的硫容量CS可以根據(jù)式(2)～(4)渣鋼間的平衡反應(yīng)來計算。

[S]+(O2-)=(S2-)+[O]

(2)

lgCS=12.6Λ-12.3

(3)

Λ=XAΛA+XBΛB+…

(4)

可知渣的硫容量取決于渣的組成，渣的脫硫能力是光學(xué)堿度Λ、溫度和鋼水氧化性a[o]的函數(shù)。

1.2 渣成分與脫氧能力間的定量關(guān)系

精煉渣要具有一定的脫氧能力，不僅要考慮鋼中溶解氧，還要考慮鋼液中脫氧產(chǎn)物的去處。精煉渣脫氧能力的大小可用式(5)進(jìn)行計算[10]。

ω(TO)=-744.17+2 138.39Λ-1 465.14Λ2

(5)

1.3 渣成分與發(fā)泡能力的關(guān)系

LF爐精煉渣的泡沫埋弧作用，不僅可以減少鋼液溫度的損失，電弧對包襯的輻射，還能降低鋼液的吸氣量。渣成分的合適配比與適宜的物性是氣-渣能夠充分乳化、增強熔渣儲泡能力的關(guān)鍵。發(fā)泡指數(shù)與光學(xué)堿度的關(guān)系式為[11-12]：

Σ=-79.56+230.50Λ-0.266ω(Al2O3)-

162.80Λ2+0.348Λω(Al2O3)+0.14×

10-3ω(Al2O3)

(6)

根據(jù)以上精煉渣的脫硫、去氧、發(fā)泡能力與光學(xué)堿度的關(guān)系，聯(lián)立式(1)～(6)，并將鋼水中的硫含量，全氧含量、白渣等作為優(yōu)化條件，可建成非線性優(yōu)化方程組，對方程進(jìn)行求解可得到精煉渣目標(biāo)成分，如表1所示。

表1 LF精煉爐渣目標(biāo)成分組成 %

2 試驗過程

2.1 原料分析

用石灰作為渣料，使用鐵礬土作為助溶劑，并且輔以碳化硅、電石和硅鈣粉在LF爐中精煉造渣，所用原料的主要化學(xué)成分如表2～4所示。

2.2 工藝方案

整個精煉過程中，每噸鋼中加入石灰量為2～6 kg，加入鐵礬土量為2～4 kg，碳化硅的加入量為0.5～1.5 kg。鋼水到達(dá)LF精煉站后，先將石灰、鐵礬土和碳化硅物料向鋼包內(nèi)加入總量的2/3，其余在加熱過程中視爐渣熔化情況加入；在下降電極前，每噸鋼中加入電石0.2～0.4 kg，然后下降電極進(jìn)行造還原渣精煉，為了確保整個LF精煉過程爐渣發(fā)泡，每噸鋼需使用電石0.5～1.2 kg；在精煉過程中，根據(jù)當(dāng)前爐次的脫硫任務(wù)和爐渣的冶煉狀況，向渣中投入0.2～0.5 kg硅鈣粉(每噸鋼)。

表2 鐵礬土和石灰主要化學(xué)成分 %

表3 硅鈣粉主要化學(xué)成分 %

表4 碳化硅和電石主要化學(xué)成分 %

3 結(jié)果與討論

3.1 應(yīng)用效果

用上述方法進(jìn)行LF爐精煉生產(chǎn)中，精煉渣表現(xiàn)出熔點低、化渣快，脫氧、脫硫能力強，鋼包內(nèi)襯壽命長等特點，并且爐渣狀況穩(wěn)定，始終處在較好狀態(tài)并能夠保障埋弧精煉的效果。為了驗證該方法造的LF爐精煉渣是否滿足預(yù)設(shè)的渣成分要求，選取了4個具有代表性爐次的精煉渣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表5所示。

表5 LF精煉渣成分 %

從表5可以看出精煉渣的成分控制較好，均達(dá)到了表1設(shè)定的目標(biāo)范圍。

3.2 效益分析

隨著人們的不斷開采，螢石資源日益短缺，價格不斷提升，當(dāng)前價格均在1 200元/t以上。鐵礬土由于資源豐富，價格相對便宜(600元/t左右)。使用鐵礬土代替螢石造精煉渣，噸渣成本能降低200～300元。用鐵礬土代替螢石造渣，不僅能夠減輕螢石對鋼包耐火材料的侵蝕，提高鋼包的使用壽命，而且減少了螢石產(chǎn)生的氟化物對除塵設(shè)備、水質(zhì)和人身健康帶來的危害，具有很大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。

4 結(jié) 論

1) 鐵礬土能有效的調(diào)整LF爐精煉渣成分，降低爐渣熔點，促進(jìn)化渣。使用鐵礬土代替螢石作為助熔劑造精煉渣的方法是切實可行的。

2) 使用價格低廉的鐵礬土代替螢石造LF爐精煉渣能夠顯著降低生產(chǎn)成本，噸渣成本降低200～300元。

3) LF爐用鐵礬土代替螢石進(jìn)行造渣，能明顯改善操作條件，提高鋼包耐材和除塵設(shè)備的使用壽命，降低對環(huán)境的危害。