燒結(jié)返礦在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中的實(shí)踐與應(yīng)用

朱繼衡 張?zhí)?賀瑞飛 楊 杰 張建奎

(安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

燒結(jié)返礦在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中的實(shí)踐與應(yīng)用

朱繼衡 張?zhí)?賀瑞飛 楊 杰 張建奎

(安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

針對轉(zhuǎn)爐煉鋼使用燒結(jié)返礦后帶來的問題進(jìn)行了分析研究。通過優(yōu)化燒結(jié)返礦的加入量、加入時(shí)機(jī)、氧槍槍位控制等措施，較好的解決了噴濺、脫磷、爐襯侵蝕、終渣TFe升高等工藝問題，實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)返礦的批量穩(wěn)定使用。同時(shí)統(tǒng)計(jì)分析了爐料成本與燒結(jié)返礦的使用量的關(guān)系，結(jié)果表明返礦使用量在15 kg/t～20 kg/t時(shí)爐料成本最低。

燒結(jié)返礦 轉(zhuǎn)爐 實(shí)踐應(yīng)用

AbstractThis paper analyzes the problems caused by the sinter return fine of converter steelmaking. By optimizing the oxygen gun position controlling, the adding quantity and adding time of the sinter return fine, the technological problems such as spatter, dephosphorization, furnace lining erosion and terminal slag TFe rises are better solved, The steady use of sinter return fine is achieved. At the same time, the relationship between the cost of furnace charge and the use of sinter return fine is analyzed. The results show that the cost of sinter return fine is the lowest when it is 15 kg/t～20 kg/t.

KEYWORDSsinter return fine converter practical application

0 前言

安鋼第二煉鋼廠(以下簡稱“安鋼二煉”)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，開發(fā)了使用燒結(jié)返礦替代污泥球直接入轉(zhuǎn)爐的冶煉工藝，但在使用過程中發(fā)現(xiàn)，大量使用燒結(jié)返礦會帶來轉(zhuǎn)爐冶煉過程噴濺，穩(wěn)定性下降、脫磷率低及爐襯侵蝕加劇等問題，需要采取措施加以解決。

1 燒結(jié)礦返礦特性分析

1.1 宏觀分析

燒結(jié)礦是熟料，其氧化能力和球團(tuán)礦相當(dāng)。燒結(jié)礦進(jìn)入轉(zhuǎn)爐后不但可以起到化渣和冷卻的作用，還能提高鋼水收得率和節(jié)約氧氣、石灰。燒結(jié)礦主要作為高爐煉鐵原料使用，由于經(jīng)過加工，與礦石相比成本相對較高。但如果將燒結(jié)礦返礦作為轉(zhuǎn)爐煉鋼的冷卻劑和化渣劑，與返礦重新進(jìn)入燒結(jié)環(huán)節(jié)相比能夠降低生產(chǎn)成本。

1.2 化學(xué)成份組成

安鋼燒結(jié)礦返礦含鐵品位在55%左右，CaO含量在11%左右，SiO2含量在7%左右，堿度約為1.6左右。隨機(jī)抽檢的燒結(jié)礦返礦的化學(xué)成分見表1。

表1 燒結(jié)返礦的具體成分

1.3 燒結(jié)返礦在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中的基本反應(yīng)原理[1]

燒結(jié)返礦是一種反應(yīng)性良好且具有一定堿度的低熔點(diǎn)含鐵熟料，其硫磷含量低，物理化學(xué)成分穩(wěn)定，粒度均勻，而且熔點(diǎn)較低。安鋼轉(zhuǎn)爐入爐鐵水溫度均在1 280 ℃左右，在吹煉前期熔池溫度控制在1 300 ℃～1 500 ℃之間，返礦入爐后熔化效果較好并發(fā)生分解反應(yīng)(1)和(2)：

(Fe2O3)=2(FeO)+(O)

(1)

(Fe3O4)=3(FeO)+(O)

(2)

Fe2O3分解反應(yīng)(1)產(chǎn)生(FeO)，與返礦中帶入而且包圍在其周圍的(CaO)、(SiO2)反應(yīng)，具體反應(yīng)方程式為：

(SiO2)+(FeO)+2CaO(S)=(2CaO·FeO·SiO2)

(3)

根據(jù)反應(yīng)質(zhì)量作用定律，該反應(yīng)的速率表達(dá)式[2]為：

C(SiO2)為——反應(yīng)物SiO2的濃度；C(FeO)為反應(yīng)物FeO的濃度。

根據(jù)燒結(jié)返礦的成分分析，分解反應(yīng)結(jié)束后，返礦內(nèi)部產(chǎn)物的比例為FeO：CaO：SiO2=55.30：11.28 : 7.05。燒結(jié)返礦分解反應(yīng)為強(qiáng)吸熱反應(yīng)，周圍熔池溫度會驟然降低，導(dǎo)致周圍熔渣粘度升高，甚至產(chǎn)生暫時(shí)“結(jié)坨”現(xiàn)象，限制反應(yīng)生成的(FeO)向外擴(kuò)散傳質(zhì)，進(jìn)而影響成渣速率。因此，成渣反應(yīng)(3)的(FeO)向外擴(kuò)散傳質(zhì)為該反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)，只有加大返礦外部動力學(xué)條件，才能加快成渣反應(yīng)(3)進(jìn)行。成渣反應(yīng)(3)為可逆反應(yīng)，產(chǎn)生的(FeO)會作為攜氧載體參與脫碳反應(yīng)。其反應(yīng)方程式為：

(FeO)+[C]={CO}+[Fe]

(4)

不穩(wěn)定化合物(FeO)解離出的[O]，溶入鋼水中，進(jìn)行鋼水內(nèi)部脫碳，脫碳反應(yīng)產(chǎn)生的CO氣體增加熔池?cái)嚢?，提高反?yīng)的動力學(xué)條件。

2 存在問題及解決方案

2.1 轉(zhuǎn)爐噴濺

2.1.1 問題描述與原因分析

調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)爐冶煉過程中燒結(jié)返礦加入批次、批量和時(shí)機(jī)是影響燒結(jié)返礦使用效果的關(guān)鍵因素，冶煉過程連續(xù)多次加入燒結(jié)返礦或者單批量燒結(jié)返礦加入量過大，都容易引起溢渣，甚至噴濺。

分析認(rèn)為冶煉中后期熔池溫度較高，加入燒結(jié)返礦后由于燒結(jié)返礦中鐵主要以Fe2O3的形式存在，反應(yīng)活性較高，還原速度較快，易產(chǎn)生爆發(fā)性還原反應(yīng)。而冶煉中期鋼水當(dāng)中的Si、Mn已經(jīng)氧化完全，F(xiàn)e2O3主要被鋼水中的C還原，爆發(fā)性還原反應(yīng)產(chǎn)生大量的CO氣體，同時(shí)吹氧脫碳產(chǎn)生的大量CO，加上爐渣氧化性的升高(易泡沫化)，是造成溢渣以及噴濺的原因。

2.1.2 研究方案與措施

根據(jù)鐵水溫度和成分，研究鐵水、廢鋼比例和第一批燒結(jié)返礦加入數(shù)量。根據(jù)熱平衡計(jì)算分析燒結(jié)返礦的冷卻效應(yīng)，掌握燒結(jié)返礦的冷卻效應(yīng)效果，對比鐵水溫度和成分對第一批燒結(jié)返礦加入數(shù)量的影響，合理控制前期化渣和升溫速度。依據(jù)現(xiàn)場工藝控制分析，總結(jié)第一批燒結(jié)返礦加入后，轉(zhuǎn)爐冶煉前期起渣時(shí)間、槍位控制和渣料加入數(shù)量與原來工藝的差別?？偨Y(jié)冶煉過程燒結(jié)返礦加入批次、批量和時(shí)機(jī)，轉(zhuǎn)爐氧槍槍位和流量調(diào)整方向，與之相適應(yīng)調(diào)整常規(guī)渣料的加入批次、批量和時(shí)機(jī)，保證冶煉過程平穩(wěn)，不溢渣、不噴濺。

基于上述原因，分析認(rèn)為冶煉前期吹氧、鋼渣反應(yīng)以鋼水中Si、Mn為主，產(chǎn)生的氣體量少，熔池溫度較低，反應(yīng)速率較低，是還原燒結(jié)返礦的最佳時(shí)機(jī)，因此應(yīng)在冶煉前期盡可能的加大燒結(jié)返礦使用量。同時(shí)控制氧槍槍位，控制化渣速度與熔池溫度，避免過早的起渣引起噴濺。冶煉過程單批次燒結(jié)返礦加入量不宜超過5 kg/t ～10 kg/t，批次間隔不宜少于1 min～2 min。冶煉需要根據(jù)鐵水溫度、鐵水成分、鐵水比等條件，確定總的爐料結(jié)構(gòu)控制目標(biāo)，在冶煉初期盡可能多的使用燒結(jié)返礦，減少后期溫度調(diào)整的壓力。

2.2 轉(zhuǎn)爐脫磷

2.2.1 問題描述與原因分析

燒結(jié)返礦開始使用后生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在高碳低磷鋼的冶煉時(shí)，使用燒結(jié)返礦脫磷效果不如污泥球。

分析認(rèn)為，在操作模式不變的條件下燒結(jié)礦的大量加入，顯著增加了含鐵原料帶入的氧元素量，造成脫磷效果差的主要原因是前期爐渣中TFe含量過高，當(dāng)爐渣、鋼水溫度處于最佳脫磷條件時(shí)，爐渣當(dāng)中FeO含量高于了最佳脫磷率需要的FeO含量(FeO大于18%)時(shí)，脫磷能力急劇降低，而當(dāng)FeO含量降低后熔池溫度已經(jīng)高于了最佳的脫磷溫度。因此，必須重新研究“新爐料結(jié)構(gòu)條件下”冶煉前期的操作模式。同時(shí)，強(qiáng)化冶煉中、后期轉(zhuǎn)爐脫磷能力應(yīng)該是關(guān)鍵因素。

2.2.2 研究方案與措施

根據(jù)上述分析，提高前期的脫磷效果一是限制燒結(jié)返礦使用量，二是重新研究“新爐料結(jié)構(gòu)條件下”冶煉前期的操作模式。前期大量燒結(jié)返礦的加入造成了爐渣氧化性過高，因此控制以適當(dāng)降低前期爐渣氧化性，穩(wěn)定爐渣堿度為目標(biāo)。

冶煉前期適當(dāng)控制槍位，在高槍位與低槍位之間不斷的變換，既要保證鋼渣界面的反應(yīng)活性，鋼渣的熔化速度，加強(qiáng)鋼渣反應(yīng)，又要利用鋼水中的Si、Mn快速的還原燒結(jié)返礦帶入的鐵氧化物，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定爐渣氧化性的目標(biāo)。這樣不僅可以促進(jìn)前期脫磷，也可以避免爐渣氧化性過高引起的溢渣與噴濺。其次是結(jié)合鐵水條件，通過爐料結(jié)構(gòu)調(diào)整與槍位控制，保證前期熔池溫度平穩(wěn)上升，為脫磷創(chuàng)造良好的溫度條件。通過控制冶煉中后期的槍位，配合燒結(jié)返礦的分批次加入時(shí)機(jī)與加入量，在保證不引起噴濺的條件下，防止?fàn)t渣返干，強(qiáng)化冶煉中、后期固化脫磷能力。

2.3 終渣氧化性(TFe含量)

2.3.1 問題描述與原因分析

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐爐渣分析，使用燒結(jié)返礦后轉(zhuǎn)爐終渣的TFe含量有所升高(12.78%升高到19.75%)。分析認(rèn)為造成終渣TFe含量升高的原因有兩個，一是冶煉后期最后一批加入的燒結(jié)返礦過晚，來不及完成鋼渣平衡，造成爐渣氧化性強(qiáng)，TFe含量升高；二是使用燒結(jié)返礦后熔池溫度控制不穩(wěn)定，脫磷效果差，后期高槍位吹氧脫磷。

2.3.2 研究方案與措施

經(jīng)過實(shí)踐與分析總結(jié)認(rèn)為，在燒結(jié)返礦使用初期，為提高燒結(jié)返礦使用量，冶煉過程不斷加入燒結(jié)返礦，尤其是最后一批燒結(jié)返礦的加入量與加入時(shí)機(jī)是影響終渣氧化性的主要因素。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在冶煉結(jié)束前2 min ～3 min以內(nèi)不再加入燒結(jié)返礦即可消除燒結(jié)返礦加入對爐渣氧化性(TFe含量)的影響。通過最后一批燒結(jié)返礦的加入時(shí)機(jī)與加入量控制，爐渣氧化性得到了較好的控制。

2.4 爐襯侵蝕

2.4.1 問題描述與原因分析

從轉(zhuǎn)爐爐襯侵蝕機(jī)理來看，造成爐襯侵蝕需要具備以下條件：

(1)首先是爐渣堿度低或者M(jìn)gO含量低，但是根據(jù)輔料使用量、燒結(jié)返礦成分等來看該條件并不具備；

(2)其次是高溫，在冶煉過程中，如果溫度控制不當(dāng)，在反應(yīng)區(qū)的高溫作用下會使?fàn)t襯局部達(dá)到熔化點(diǎn)，導(dǎo)致爐襯表面軟化、熔融，并與高溫爐渣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，加劇了爐襯的侵蝕，這個條件在冶煉中、后期才具備，也就是說鋼水過早的升溫，在高溫階段停留的時(shí)間延長了，即整個冶煉過程的平均溫度升高，加劇了爐襯的侵蝕；

(3)第三是爐渣氧化性增強(qiáng)，燒結(jié)返礦的氧化性明顯強(qiáng)于污泥球，這是造成爐襯侵蝕加劇的主要原因。

2.4.2 研究方案與措施

基于上述分析，為了解決爐襯侵蝕問題在使用燒結(jié)返礦的初期，輕燒白云石的使用量增加了4 kg/t～6 kg/t；在控制爐襯侵蝕的關(guān)鍵即冶煉中、后期，應(yīng)控制爐渣氧化性，減少中后期燒結(jié)返礦使用量；另外是控制冶煉前期的爐渣堿度，在非留渣作業(yè)時(shí)，適當(dāng)增加石灰用量3 kg/t ～5 kg/t，控制合理的過程溫度，提高終渣堿度。經(jīng)過對燒結(jié)返礦使用工藝的優(yōu)化，爐襯侵蝕問題得到了較好的解決。

3 燒結(jié)返礦合理使用量的確立

在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中燒結(jié)返礦通過高位料倉加入，部分顆粒較小的燒結(jié)返礦來不及參與轉(zhuǎn)爐反應(yīng)就隨著轉(zhuǎn)爐爐氣進(jìn)入煙道，成為轉(zhuǎn)爐污泥，當(dāng)使用量大時(shí)，部分燒結(jié)返礦未完成鋼渣平衡停留在渣中，因此不同轉(zhuǎn)爐的燒結(jié)返礦使用量對爐料成本(鋼鐵料成本與輔料成本之和)的貢獻(xiàn)率會隨著燒結(jié)返礦使用量的變化而變化，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析可以得出，燒結(jié)返礦的總體使用量應(yīng)控制在20.00 kg/t鋼左右，如圖1所示。

圖1 燒結(jié)返礦使用量與爐料成本關(guān)系對比圖

4 結(jié)語

⑴ 燒結(jié)返礦氧化性、反應(yīng)活性、加入時(shí)機(jī)等是造成噴濺的主要原因，通過調(diào)整燒結(jié)返礦的加入批量、批次、加入時(shí)機(jī)等，較好的解決了使用燒結(jié)返礦帶來的噴濺問題。

⑵ 燒結(jié)返礦氧化性強(qiáng)造成初渣FeO過高也是造成轉(zhuǎn)爐脫磷效果變差的主要原因，結(jié)合鐵水條件與爐料結(jié)構(gòu)(影響返礦總加入量)的變化，通過冶煉過程槍位與返礦加入批次的控制，實(shí)現(xiàn)爐渣氧化性與熔池溫度的穩(wěn)定控制，從而保證了脫磷能力的穩(wěn)定性。

⑶ 最后一批次燒結(jié)返礦的加入時(shí)機(jī)與加入量是影響終渣TFe的主要因素，在冶煉結(jié)束前2 min ～3 min以內(nèi)不再加入燒結(jié)返礦即可消除燒結(jié)返礦加入對爐渣氧化性(TFe含量)的影響。

⑷ 使用燒結(jié)礦后引起爐渣氧化性以及爐內(nèi)溫度的異常變化是造成爐襯侵蝕的主要原因，通過改變造渣輔料與返礦的加入批次與加入量，優(yōu)化冶煉槍位控制,解決了爐襯侵蝕問題。

⑸ 鋼鐵料成本隨著返礦使用量的增加先降低后升高，返礦使用量在15 kg/t ～20 kg/t時(shí)爐料成本最低，因此應(yīng)該合理控制返礦的使用量。

[1] 黃希祜．鋼鐵冶金原理 [M].北京：冶金工業(yè)出版社，2008：162-163．

[2] 趙俊學(xué)．冶金原理 [M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002：56-57．

THEPRACTICEANDAPPLICATIONOFSINTERRETURNFINEINCONVERTERSTEELMAKINGPROCESS

Zhu Jiheng Zhang Taisheng He Ruifei Yang Jie Zhang Jiankui

(Anyang Iron and Steel Stock Co., Ltd.)

2017—4—15