高硅鐵水轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)脫硅工藝的探索及實(shí)踐

張浩，張春輝

（新疆八一鋼鐵股份有限公司）

1 前言

2015年6月18日八鋼歐冶爐正式點(diǎn)火投產(chǎn)。截至6月30日，歐冶1號(hào)爐已經(jīng)突破了日產(chǎn)3000t鐵水的產(chǎn)量設(shè)計(jì)。歐冶爐開爐初期鐵水中硅含量最高10.5%，最低1.2%，平均5.1%。歐冶爐在投產(chǎn)后鐵水硅居高不下，未能按照爬坡計(jì)劃在一周內(nèi)將鐵水硅降至0.50%以內(nèi)。實(shí)際[Si]含量在1.2%以上的鐵水占到了90%，持續(xù)時(shí)間長達(dá)一個(gè)月。鐵水中硅含量越高轉(zhuǎn)爐冶煉的控制難度越大，當(dāng)硅高于1.2%時(shí)，即使采用雙渣冶煉也無法有效控制噴濺的發(fā)生。YB/T5296-2011《煉鋼用生鐵》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定生鐵中硅的最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.25%。當(dāng)鐵水中硅的含量超過此標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，煉鋼工序難以消化，一般采用鑄鐵機(jī)生產(chǎn)鑄造生鐵。八鋼公司煉鐵系統(tǒng)配套的鑄鐵機(jī)鑄鐵能力為2000t/天，但是鐵水硅越高，鐵水流動(dòng)性越差，容易粘接罐口和鑄鐵機(jī)模具，影響鑄鐵能力。目前八鋼鑄鐵能力處理不了歐冶爐高硅鐵水。同時(shí)每鑄1噸鐵產(chǎn)生的成本約30元。

為了有序銜接歐冶爐產(chǎn)線發(fā)揮歐冶爐節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。120t轉(zhuǎn)爐產(chǎn)線必須承接消化歐冶爐的高硅鐵水，而且要滿足安全、環(huán)保、高效、經(jīng)濟(jì)冶煉的要求。針對(duì)轉(zhuǎn)爐冶煉高硅鐵水的技術(shù)難題，八鋼120t轉(zhuǎn)爐探索并實(shí)施了“雙聯(lián)脫硅”工藝，將脫硅、脫碳和脫磷任務(wù)分兩步進(jìn)行，兩座轉(zhuǎn)爐聯(lián)合冶煉，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

2 轉(zhuǎn)爐冶煉高硅鐵水的難點(diǎn)

2.1 冶煉高硅鐵水易發(fā)生噴濺，存在環(huán)保安全隱患

傳統(tǒng)的煉鋼工藝是在一座轉(zhuǎn)爐內(nèi)實(shí)行脫硅、脫磷和脫碳操作，這一系列反應(yīng)在爐內(nèi)發(fā)生存在熱力學(xué)條件的矛盾，同時(shí)還將受到動(dòng)力學(xué)條件的限制，因此，冶煉結(jié)果難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。鐵水中硅含量較高時(shí)，會(huì)增加煉鋼操作難度。正常情況下爐渣的堿度在3.0～3.5，鐵水中硅含量每高0.1%，造成渣量增加8～14kg/t，渣量增多需頻繁調(diào)節(jié)氧槍槍位，吹氧冶煉的動(dòng)力學(xué)條件變壞，易發(fā)生噴濺現(xiàn)象。

轉(zhuǎn)爐噴濺會(huì)造成廠房冒黃煙、污染周邊環(huán)境，引發(fā)環(huán)保事故。因此，歐冶爐高硅鐵水，在正常冶煉前必須進(jìn)行預(yù)脫硅處理。

2.2 鐵水勾兌不能滿足生產(chǎn)要求

轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)中為降低鐵水硅含量，一般采用勾兌鐵水的方法。歐冶爐投產(chǎn)第一周120t產(chǎn)線鐵水情況如圖1可知，第二煉鋼廠3座120t滿負(fù)荷日接收高、低硅鐵水總量約9000t，其中高硅鐵水[Si]平均4.93%，低[Si]0.43%。理論上將高、低硅鐵水全部勾兌，鐵水[Si]含量最低也只能達(dá)到2.55%，無法滿足轉(zhuǎn)爐冶煉鐵水硅含量小于1.0%的要求。采用鐵水勾兌的方法降低高硅鐵水[Si]含量，但低硅鐵水匹配量不足，而且鐵水物流運(yùn)輸無法達(dá)到要求。因此通過鐵水勾兌降低硅含量在實(shí)際生產(chǎn)中難以實(shí)現(xiàn)。

圖1 高低硅鐵水接受量

2.3 爐外預(yù)處理脫硅的探索

2.3.1 高爐爐外預(yù)脫硅技術(shù)

高爐爐外預(yù)脫硅最直接的辦法是在高爐鐵水溝內(nèi)進(jìn)行預(yù)脫硅處理，該工藝的優(yōu)點(diǎn)是不增加高爐鐵水預(yù)處理流程時(shí)間，且處理能力大、溫降小，渣鐵分離方便，脫后渣可在鐵水預(yù)處理工序中進(jìn)行處理，不影響鐵水運(yùn)行。這種辦法成本低，其脫硅率大約在50%，脫硅約0.3%。該工藝的生產(chǎn)過程是將脫硅劑采用自然投入法投入鐵水溝內(nèi)流動(dòng)的鐵水表面進(jìn)行脫硅，借助鐵水從鐵水溝流入鐵水罐時(shí)的沖擊攪拌能力進(jìn)行預(yù)脫硅處理[1]。缺點(diǎn)是鐵水脫硅能力波動(dòng)較大，且工作條件差，難以滿足環(huán)保要求。

2.3.2 KR法預(yù)脫硅

KR法主要是以一個(gè)外襯為耐火材料的攪拌器侵入到鐵水罐熔池內(nèi)一定深度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)攪拌，使得鐵水在鐵水罐中形成漩渦，同時(shí)將加入的脫硅劑卷入到鐵水中，在充分的動(dòng)力學(xué)條件下與鐵水進(jìn)行混合、化學(xué)反應(yīng)的一種方法。此種方法原來一直適用于鐵水脫硫，目前在國內(nèi)各大鋼鐵企業(yè)得到廣泛使用。其脫硅率大約在40%。八鋼120t產(chǎn)線有2座KR攪拌脫硫站，具備嘗試KR法脫硅的工況條件。

KR攪拌預(yù)脫硅依靠加氧化劑脫硅，氧化劑脫硅反應(yīng)機(jī)理[]：[Si]＋2/3Fe2O3＝(SiO2)＋4/3Fe（吸熱反應(yīng)）。為了驗(yàn)證KR攪拌脫硅能力，120t產(chǎn)線在預(yù)處理工序進(jìn)行了8組試驗(yàn)，如圖2、圖3所示。脫硅劑采用自制煉鋼球團(tuán)，由噸袋裝料，通過行車加入鐵包底部，然后在倒罐站兌鐵水，最后在KR攪拌15分鐘后扒渣、取樣分析。

圖2 KR脫硅前后對(duì)比

圖3 氧化劑加入量與脫硅量關(guān)系

由試驗(yàn)可知，120t鐵水每1噸氧化劑可脫除0.17%的[Si]，理論上將5.0%的[Si]脫至1.0%，需加入脫氧劑約23.2t，鐵包無法提供足夠的反應(yīng)空間，因此目前八鋼KR工況條件KR攪拌脫硅法無法處理歐冶爐高硅鐵水。

3 120t轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)脫硅的試驗(yàn)探索

轉(zhuǎn)爐脫硅反應(yīng)機(jī)理[3]：[Si]＋{O2}＝（SiO2）（放熱反應(yīng)）、[Si]＋2（FeO）＝（SiO2）+2Fe（放熱反應(yīng)）。為了提高轉(zhuǎn)爐脫硅效率，2015年6月歐冶爐出鐵后在第二煉鋼廠2號(hào)轉(zhuǎn)爐進(jìn)行了6爐雙聯(lián)脫硅試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)方案

根據(jù)鐵水硅含量，在總裝入量不變的情況下，通過試驗(yàn)，確定合適的裝入制度，造渣制度供氧制度、溫度制度。

3.1.1 裝入制度

如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)工藝裝入制度

裝入廢鋼全部為輕薄料，以保證前期快速熔化。

3.1.2 造渣制度

雙聯(lián)脫硅冶煉渣料加入以保證爐襯安全為主，爐渣堿度控制在0.5～1.0、MgO含量控制在4%～6%，石灰、白云石加入量參照表2進(jìn)行配加。自制球團(tuán)礦只進(jìn)行溫度調(diào)整。

表2 石灰、白云石加入量參照表

降溫劑具體加入量依據(jù)鐵水成分、溫度，進(jìn)行配加。石灰、白云石在開吹后加入70%；剩余物料在供氧3分鐘后分批加入，球團(tuán)礦500kg/次，終點(diǎn)30秒前加完。

3.1.3 供氧制度

鐵水硅含量高，渣量大，必須增加氧氣射流對(duì)熔池的穿透力和攪拌力，前期槍位比正常冶煉時(shí)低100，前期嚴(yán)禁吊槍操作。氧槍距離熔池液面1400～1600mm 變化，供氧強(qiáng)度 3.0～3.5m3/min·t，供氧流量24000～28000m3/h，氧槍入口壓力0.85～0.90MPa。

3.1.4 溫度制度

雙聯(lián)脫硅冶煉終點(diǎn)要求鐵水[Si]0.40%～0.50%,此時(shí)終點(diǎn)[C]2.6%～3.5%，脫硅后的鐵水液相線溫度在1230～1300℃，雙聯(lián)工藝出鋼溫降在30～35℃，倒包過程溫降5～10℃。廢鋼熔化溫度1510℃，同時(shí)考慮酸性渣對(duì)爐襯侵蝕，出鋼溫度不宜過高。綜合各項(xiàng)因素，雙聯(lián)過程溫度按表3控制。

表3 雙聯(lián)過程溫度

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

由圖4、圖5所示，120t鐵水每脫除1.0%的[Si]需消耗1450m3氧氣，理論上將5.0%的[Si]脫至1.0%，需吹入氧氣約5800m3。轉(zhuǎn)爐氧槍設(shè)計(jì)能力供氧流量 25000～30000m3/h，每分鐘吹氧 420～500m3，脫硅速率為每3分鐘脫[Si]1.70%，120t轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)完全能達(dá)到要求。

圖4 轉(zhuǎn)爐脫硅前后對(duì)比

圖5 供氧量與脫硅量的關(guān)系

3.3 轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)脫硅工藝流程的確定

借鑒雙聯(lián)脫磷工藝，根據(jù)120t轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)脫硅試驗(yàn)工藝參數(shù)，確定高硅鐵水的冶煉分兩步進(jìn)行，一座轉(zhuǎn)爐脫硅、另一座轉(zhuǎn)爐脫碳、脫磷，具體工藝路徑如圖6所示。一座脫硅轉(zhuǎn)爐將高硅脫至1.0%以內(nèi)，擋渣出鋼后再將脫硅鐵水由鋼包運(yùn)回轉(zhuǎn)爐垮，兌入脫碳、脫磷轉(zhuǎn)爐冶煉，將脫硅與脫碳、脫磷分兩步進(jìn)行。脫硅產(chǎn)生的酸性渣倒入渣罐處理。脫硅及脫硅鐵水的正常冶煉由兩座120t轉(zhuǎn)爐聯(lián)合完成，稱該工藝為“120t轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)脫硅工藝”。

圖6 雙聯(lián)脫硅工藝流程

4 雙聯(lián)脫硅工藝的應(yīng)用

4.1 雙聯(lián)脫硅批量試驗(yàn)階段

首先采用高爐開爐時(shí)的高硅鐵水試驗(yàn)。從2017年3月18～19日，C高爐出鐵，第一天進(jìn)行雙聯(lián)脫硅工藝批量試驗(yàn)，共22爐，共計(jì)處理2387t高硅鐵水，熔化廢鋼279.3t。對(duì)22爐脫硅爐次進(jìn)行脫硅前后的比較如圖7所示，脫硅前平均硅在1.9%，脫硅后平均硅0.35%,脫硅命中率達(dá)到73.8%（標(biāo)準(zhǔn)0.2%～1.0%），個(gè)別爐次硅脫的過低，達(dá)到0.113%。脫硅過程爐內(nèi)反應(yīng)平穩(wěn)，未發(fā)生任何噴濺事故。

圖7 雙聯(lián)理脫硅前后對(duì)比

4.2 雙聯(lián)脫硅大生產(chǎn)應(yīng)用階段

大生產(chǎn)應(yīng)用階段：從2017年3月26日中班開始?xì)W冶爐出鐵，截止到8月30日歐冶爐停爐，主要在120t產(chǎn)線進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，共處理433爐高硅鐵水，總計(jì)45027.42t，熔化廢鋼8149.3t，脫硅前平均硅2.57%，脫硅后平均硅0.45%。如圖8所示，單爐座處理的高硅鐵水量是100～120t，處理周期為25分鐘，單班單爐處理爐數(shù)為18爐，日單爐處理能力為5000～6000t，具備平穩(wěn)承接歐冶爐高硅鐵水的能力。

圖8 雙聯(lián)脫硅工藝單爐脫硅能力

4.3 雙聯(lián)脫硅工藝取得的成果

雙聯(lián)脫硅工藝自3月16日至8月30日共計(jì)處理高硅鐵水47414.42t，共計(jì)455爐。

表4 高硅鐵水及消耗統(tǒng)計(jì)

由表4可以看出，雙聯(lián)脫硅工藝大生產(chǎn)過程中脫硅爐渣料消耗石灰38.93kg/t，白云石消耗23.67kg/t，球團(tuán)礦消耗17.86kg/t。每爐鋼平均消耗18.52t廢鋼（輕薄料），充分利用了高硅鐵水的化學(xué)熱，起到熔化廢鋼的作用，對(duì)降低鐵耗、鋼鐵料消耗貢獻(xiàn)巨大。

在不考慮可行性的情況下，對(duì)高硅鐵水（平均硅2.42%）采用常規(guī)冶煉，和雙聯(lián)脫硅處理工藝的生產(chǎn)成本進(jìn)行測(cè)算比較。

4.3.1 鋼鐵料、鐵耗對(duì)比

雙聯(lián)脫硅工藝在脫硅和正常冶煉各加一次廢鋼，總廢鋼量可達(dá)40t，而常規(guī)冶煉只能加一次廢鋼，受廢鋼料型及生產(chǎn)節(jié)奏影響最多加30t；另一方面雙聯(lián)脫硅工藝脫硅環(huán)節(jié)爐渣堿度很低（0.5-1.0），基本是酸性渣，渣料加入量少，渣量少，吹損控制在最低點(diǎn)；常規(guī)冶煉脫硅和脫磷處于同一環(huán)節(jié)，產(chǎn)生的渣量將是雙聯(lián)工藝的6倍以上，吹損隨之上升。雙聯(lián)脫硅鐵耗、鋼鐵料對(duì)比如圖9、圖10所示。

圖9 鋼鐵料對(duì)比

圖10 鐵耗對(duì)比

4.3.2 渣料對(duì)比

雙聯(lián)脫硅工藝脫硅環(huán)節(jié)爐渣堿度很低（0.5～1.0），基本是酸性渣，渣料加入量少；常規(guī)冶煉脫硅和脫磷處于同一環(huán)節(jié)，爐渣堿度要求約2.5，硅含量2.42%時(shí)，石灰理論單耗166.26kg/t，產(chǎn)生的渣量將是雙聯(lián)工藝的6倍以上，同時(shí)為了滿足MgO含量8%的要求，白云石加入量成倍增長。渣料消耗對(duì)比如圖11、圖12所示。

圖11 石灰對(duì)比

圖12 白云石對(duì)比

4.3.3 能耗對(duì)比

雙聯(lián)脫硅工藝脫硅爐煤氣不滿足回收要求，但鐵水中[C]損失1.0%～1.5%，從而降低煤氣回收量；脫硅環(huán)節(jié)、正常冶煉環(huán)節(jié)均會(huì)濺渣，消耗氮?dú)馐浅Ｒ?guī)冶煉的2倍；氧氣消耗主要用于氧化反應(yīng)，只與鐵水成分有關(guān)，因此氧氣消耗的差異很小。能耗對(duì)比如圖13、圖 14、圖 15 所示。

圖13 氧耗對(duì)比

圖14 煤氣回收對(duì)比

圖15 濺渣氮?dú)鈱?duì)比

通過測(cè)算可知：在不考慮可行性的情況下，轉(zhuǎn)爐冶煉輔料、原料、能源介質(zhì)消耗按當(dāng)時(shí)成本計(jì)算這部分高硅鐵水（平均硅2.42%）進(jìn)行常規(guī)冶煉比，采用雙聯(lián)脫硅處理工藝噸鋼成本上升約170元。

5 結(jié)束語

120t轉(zhuǎn)爐采用雙聯(lián)脫硅冶煉工藝處理歐冶爐高硅鐵水，實(shí)現(xiàn)了高效、安全、環(huán)保生產(chǎn)，使高硅鐵水對(duì)煉鋼成本的影響降到了最低。

（1）實(shí)現(xiàn)了對(duì)歐冶爐高硅鐵水（[Si]＞1.2%）高效、安全、環(huán)保、低成本的處理。

（2）轉(zhuǎn)爐單爐座處理的高硅鐵水量是100～120t，脫硅處理周期為25分鐘，單爐日處理能力為5000～6000t，120t轉(zhuǎn)爐具備平穩(wěn)承接歐冶爐高硅鐵水的能力。

（3）與常規(guī)冶煉相比，雙聯(lián)脫硅工藝實(shí)現(xiàn)了煉鋼成本最優(yōu)，最大程度利用了鐵水化學(xué)熱，具備大廢鋼比（廢鋼比35%）冶煉的能力。

（4）雙聯(lián)脫硅工藝開辟了鐵水脫硅技術(shù)的新路徑。通過系統(tǒng)的探索研究形成了一套完整的技術(shù)操作規(guī)程。此項(xiàng)技術(shù)可運(yùn)用在處理高爐洗爐、不順行時(shí)產(chǎn)生的高硅鐵水。通過實(shí)踐應(yīng)用提升了八鋼煉鋼系統(tǒng)處置鐵水異常時(shí)的能力。