非雙聯(lián)法冶煉低磷鋼種工藝優(yōu)化與實(shí)踐

高志濱

1 前言

隨著用戶對(duì)鋼材質(zhì)量要求的提高，鋼中磷含量的工藝控制要求也越來(lái)越苛刻，降低鋼中磷含量成了高附加值鋼材產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的單渣法冶煉低磷鋼種時(shí)存在著終點(diǎn)補(bǔ)吹率高的問(wèn)題，會(huì)造成終點(diǎn)鋼水過(guò)氧化。而雙聯(lián)法煉鋼則會(huì)造成渣料消耗高、能源損失大、生產(chǎn)周期長(zhǎng)等系列問(wèn)題。因此尋找合適的工藝冶煉低磷鋼種是提高生產(chǎn)率、降低消耗的唯一途徑。

目前國(guó)內(nèi)許多鋼鐵企業(yè)開(kāi)始試驗(yàn)研究MURC轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝，即“雙渣+留渣”冶煉工藝，如首鋼遷鋼公司SGRS工藝等?！傲粼?雙渣”冶煉工藝的關(guān)鍵技術(shù)在于：第1階段（從吹煉到倒渣）實(shí)現(xiàn)高效脫磷；倒渣時(shí)爐渣物理性能控制。若第1階段未能實(shí)現(xiàn)高效脫磷，會(huì)增加第2階段（倒渣后至吹煉終點(diǎn)）的脫磷負(fù)擔(dān)，容易造成補(bǔ)吹，同時(shí)會(huì)使第2階段留渣中磷含量增高，造成惡性循環(huán)，難以循環(huán)往復(fù)；若倒渣時(shí)爐渣物理性能控制不好，會(huì)造成爐渣難以倒出和渣中含F(xiàn)e量高，難以實(shí)現(xiàn)降低輔料和鋼鐵料消耗的目標(biāo)。而留渣量對(duì)“留渣+雙渣”冶煉工藝的關(guān)鍵技術(shù)有重要影響：一方面，留渣量過(guò)大，會(huì)造成第l階段爐渣堿度過(guò)高，雖然可以實(shí)現(xiàn)脫磷，但爐渣黏度大，渣中含F(xiàn)e高，使得鋼鐵料消耗升高；另一方面，留渣量過(guò)少，第1階段需加入大量輔料，輔料短時(shí)間內(nèi)難以熔化，使?fàn)t渣黏度大，渣中含F(xiàn)e高，生產(chǎn)過(guò)程中存在問(wèn)題較多［1-3］。因此，要研究出具有高脫磷率的轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷工藝，方可獲得高端超低磷鋼穩(wěn)定生產(chǎn)能力。

為解決低磷鋼種冶煉生產(chǎn)過(guò)程中終點(diǎn)命中率低、質(zhì)量控制不穩(wěn)定的問(wèn)題，制定雙渣留渣深脫磷工藝，通過(guò)氧槍參數(shù)優(yōu)化，轉(zhuǎn)爐采用全流程自動(dòng)煉鋼技術(shù)，雙渣渣鐵分離工藝等技術(shù)，成功解決了轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)低磷品種鋼終點(diǎn)命中率低的問(wèn)題，為今后煉鋼提高高端品種鋼比例、提高含鐵資源利用率、降低鋼鐵料消耗奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 留渣雙渣深脫磷工藝實(shí)踐

根據(jù)理論研究，轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程脫磷反應(yīng)80%以上是在渣鋼界面進(jìn)行，脫磷速率主要受渣鋼兩側(cè)的傳質(zhì)速率控制。因此，充分的攪拌是促進(jìn)脫磷反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件。若要實(shí)現(xiàn)預(yù)期的脫磷效果，不能刻意追求某單一因素來(lái)滿足要求，而應(yīng)實(shí)現(xiàn)脫磷階段熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩者的協(xié)同［2］。在制定留渣雙渣深脫磷工藝路線之后，萊鋼煉鋼廠對(duì)留渣量的控制及冶煉過(guò)程優(yōu)化進(jìn)行了大量研究與實(shí)踐。

2.1 留渣量的精準(zhǔn)控制

由于萊鋼煉鋼廠120 t轉(zhuǎn)爐采用干法除塵系統(tǒng)，留渣量必須進(jìn)行嚴(yán)格控制，否則極易造成因開(kāi)吹打火不良產(chǎn)生的泄爆等安全問(wèn)題。采取“冶煉終點(diǎn)拉碳倒渣+濺渣結(jié)束倒渣”相結(jié)合的方法進(jìn)行留渣作業(yè)。終點(diǎn)關(guān)氧提槍后搖爐角度控制在82°～86°，防止出鋼過(guò)程中因渣量大造成的爐口下渣問(wèn)題，避免爐下設(shè)備的燒損及鋼包內(nèi)下渣。通過(guò)對(duì)不同搖爐角度下渣量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，確定“留渣+雙渣”工藝標(biāo)準(zhǔn)留渣量及對(duì)應(yīng)的搖爐角度?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 留渣角度與渣量控制

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，制定留渣搖爐控制標(biāo)準(zhǔn)：120 t轉(zhuǎn)爐濺渣結(jié)束后搖爐角度控制在150°～165°之間，確保留渣量穩(wěn)定控制在7～10 t以內(nèi)，可以完全滿足冶煉過(guò)程化渣及開(kāi)吹打火安全的需要?？紤]到轉(zhuǎn)爐留渣量多的情況下?tīng)t渣堿度降低的可能性，選取部分常規(guī)單渣留渣爐次爐渣堿度進(jìn)行化驗(yàn)分析，結(jié)果如表2所示。

根據(jù)留渣爐數(shù)與爐渣化驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可見(jiàn)，當(dāng)留渣爐數(shù)增加時(shí)，爐渣堿度有明顯下降趨勢(shì)，同時(shí)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)磷含量有明顯受渣中3CaO·P2O5及4CaO·P2O5等生成物飽和影響。因此，在留渣雙渣深脫磷工藝控制過(guò)程中，要求單一爐座連續(xù)生產(chǎn)超低磷鋼時(shí)留渣爐數(shù)不得超過(guò)3爐，超過(guò)3爐時(shí)則需在最后一爐濺渣結(jié)束后將爐渣倒凈重新造渣。

2.2 過(guò)程冶煉控制［1］

采用留渣雙渣法冶煉超低磷鋼種時(shí)，前期供氧時(shí)間控制在5～6 min之間，槍位控制在1.80～2.20 m，起渣后逐漸將槍位提升，確保爐渣真正化好、化透。提槍后，為防止渣中帶鐵量大，需要使用氮?dú)鈱?duì)爐渣進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑F分離操作，槍位控制在4～5 m，氮?dú)獯祾邥r(shí)間控制在20 s以內(nèi)，避免吹掃時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成爐渣倒不出的問(wèn)題。渣鐵分離結(jié)束后進(jìn)行搖爐倒渣，并做好過(guò)程監(jiān)督，避免爐渣溢出渣盆。倒渣結(jié)束后，抬爐至零位再次開(kāi)吹，打火正常后開(kāi)始加入渣料及冷料繼續(xù)冶煉操作。部分冶煉過(guò)程數(shù)據(jù)控制如表3所示（一次打火正常）。

表3 留渣雙渣爐次冶煉過(guò)程數(shù)據(jù)

3 氧槍參數(shù)及槍位控制優(yōu)化

3.1 氧槍參數(shù)優(yōu)化

原有氧槍采用喉口直徑36.1 mm氧槍，在使用過(guò)程中由于過(guò)程供氧強(qiáng)度控制偏低，留渣雙渣操作過(guò)程中容易出現(xiàn)溢渣噴濺等問(wèn)題，不利于過(guò)程的穩(wěn)定控制以及終點(diǎn)的有效命中；同時(shí)，氧槍槍頭侵蝕明顯，氧槍消耗偏高。為此，通過(guò)優(yōu)化氧槍參數(shù)，改善過(guò)程供氧強(qiáng)度，減少氧槍消耗，實(shí)現(xiàn)留渣雙渣操作模式下的穩(wěn)定控制。原用氧槍與優(yōu)化后氧槍參數(shù)對(duì)比如表4所示（其中噴孔夾角13°、5孔不變）。

表4 氧槍優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

3.2 過(guò)程槍位控制優(yōu)化

原有留渣雙渣深脫磷爐次吹煉前期槍位控制在1.55～1.65 m，實(shí)際操作過(guò)程中，前期起渣明顯不足，極易出現(xiàn)帶鐵噴濺的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)對(duì)不同槍位的試驗(yàn)比較，最終確定，在吹煉4 min之前適當(dāng)使用高槍位，4 min之后基本槍位控制在1.8 m。5～6 min若仍不起渣，可再次加入燒結(jié)礦或?qū)屛惶岣咧? m以上以促進(jìn)化渣。開(kāi)吹至起渣前氧壓可控制在0.85 MPa，起渣后若反應(yīng)程度較緩慢，可以將氧壓降至0.8～0.83 MPa，延長(zhǎng)泡沫渣生成時(shí)間，促進(jìn)脫磷反應(yīng)的進(jìn)行。再次開(kāi)吹后氧壓可保持在0.88 MPa以上。

槍位及氧壓控制優(yōu)化后，前期泡沫渣起渣效果良好，加快了前期低溫條件下的脫磷反應(yīng)速率，鋼渣界面的脫磷反應(yīng)進(jìn)行更加徹底。鋼水中的磷有75%～80%被氧化進(jìn)入爐渣中，經(jīng)過(guò)第一次倒?fàn)t倒渣后基本倒出爐外。二次開(kāi)吹后，再次加入渣料造渣，可進(jìn)一步將磷脫除，以達(dá)到深脫磷的目的。

3.3 生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比

經(jīng)過(guò)對(duì)氧槍參數(shù)及槍位控制的優(yōu)化，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，氧槍使用效果對(duì)比數(shù)據(jù)如表5所示。

根據(jù)生產(chǎn)跟蹤情況，結(jié)合轉(zhuǎn)爐指標(biāo)控制情況，可以得出結(jié)論：轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程控制相對(duì)穩(wěn)定，采用留渣雙渣深脫磷爐次終點(diǎn)命中率顯著提升，同時(shí)，煉鋼過(guò)程物料及能源消耗降低，吹煉時(shí)間短，優(yōu)化效果整體良好。

4 自動(dòng)煉鋼模型開(kāi)發(fā)與優(yōu)化

4.1 自動(dòng)冶煉模型開(kāi)發(fā)與優(yōu)化

在雙渣留渣法操作過(guò)程中，由于不同操作人員的操作習(xí)慣、主觀判斷及業(yè)務(wù)水平的差異，操作標(biāo)準(zhǔn)不能實(shí)現(xiàn)完全統(tǒng)一，進(jìn)而導(dǎo)致班組之間終點(diǎn)控制水平及經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)差距較大。為此，針對(duì)雙渣留渣深脫磷工藝開(kāi)發(fā)自動(dòng)冶煉模型，使用計(jì)算機(jī)控制替代人為操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)操作標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一與鋼水質(zhì)量的提升。考慮到不同的鐵水條件下，前期起渣時(shí)機(jī)存在差異，因此在建立自動(dòng)冶煉模型過(guò)程中需要對(duì)前期提槍時(shí)機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)處理，依據(jù)氧氣消耗比例建立動(dòng)態(tài)控制模型，加料時(shí)機(jī)（量）、槍位控制依據(jù)氧氣消耗總量的比例進(jìn)行設(shè)定，過(guò)程控制可隨氧氣消耗量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。充分考慮了不同吹煉時(shí)間段的反應(yīng)特點(diǎn)，計(jì)算機(jī)指令更符合實(shí)際冶煉過(guò)程規(guī)律，爐內(nèi)反應(yīng)更平穩(wěn)。

表5 氧槍使用效果對(duì)比

以副槍二級(jí)為基礎(chǔ)建立的動(dòng)態(tài)控制模型如圖1所示，固定加料控制模式如圖2所示。

圖1 動(dòng)態(tài)加料控制模式

圖2 固定加料控制模式

4.2 非對(duì)稱性底吹模型開(kāi)發(fā)

采用非對(duì)稱性底吹流量設(shè)置，提升熔池?cái)嚢鑴?dòng)力，可實(shí)現(xiàn)更好的混勻。前期針對(duì)冶煉過(guò)程中的反應(yīng)特點(diǎn)，對(duì)底吹參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。以目前經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的底吹流量參數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)不同底吹槍流量調(diào)節(jié)閥開(kāi)度進(jìn)行不同系數(shù)的設(shè)定，促使單槍輸出流量實(shí)現(xiàn)差異，但總流量和與原來(lái)的設(shè)定保持不變。根據(jù)爐齡不同階段爐況的不同特點(diǎn)，對(duì)底吹流量進(jìn)行差異性設(shè)置，力求冶煉過(guò)程中的熔池?cái)嚢韪泳鶆?，更好地促進(jìn)過(guò)程反應(yīng)的進(jìn)行，穩(wěn)定終點(diǎn)控制，實(shí)現(xiàn)良好的終點(diǎn)命中。底吹槍系數(shù)設(shè)定如圖3所示。

圖3 底吹參數(shù)設(shè)定

當(dāng)總流量為360 Nm3/h時(shí)，正常每支單槍底吹流量為60 Nm3/h，其中3支底吹槍系數(shù)每支均設(shè)定為1.5，則該3支每一支實(shí)際輸出流量為90 Nm3/h。為了保證總流量不變，剩余3支底吹槍流量系數(shù)需要調(diào)小，每支系數(shù)設(shè)定為0.5，每一支實(shí)際輸出流量為30 Nm3/h。從動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看，足樣的流量設(shè)置可使熔池內(nèi)鋼水?dāng)嚢韪泳鶆颍状禂嚢锜o(wú)死角，更好地促進(jìn)了鋼水在熔池內(nèi)的流動(dòng)。

從生產(chǎn)實(shí)際來(lái)看，轉(zhuǎn)爐開(kāi)吹后未出現(xiàn)明顯的噴濺事故，冶煉終點(diǎn)時(shí)爐渣變黏，爐渣全鐵進(jìn)一步降低。同時(shí)，冶煉過(guò)程脫磷效果進(jìn)一步提升，減少了終點(diǎn)磷高補(bǔ)吹的現(xiàn)象，繼而進(jìn)一步穩(wěn)定低磷鋼種終點(diǎn)控制水平。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著鋼鐵行業(yè)的不斷轉(zhuǎn)型發(fā)展，以客戶需求為導(dǎo)向的市場(chǎng)背景迫使鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)不斷提高產(chǎn)品等級(jí)，大力發(fā)展超低磷鋼是煉鋼生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)工藝技術(shù)創(chuàng)新來(lái)降低生產(chǎn)成本也成為當(dāng)下的必由之路。隨著濟(jì)鋼的全面停產(chǎn)，大部分高附加值產(chǎn)品也不斷由萊鋼承接生產(chǎn)，包括油罐用鋼、貝斯耐磨鋼、高強(qiáng)鋼、水電用鋼、海洋用鋼等，品種鋼中低磷鋼的需求不斷增加。經(jīng)過(guò)工藝的優(yōu)化創(chuàng)新，萊鋼煉鋼廠在低磷鋼種生產(chǎn)過(guò)程中終點(diǎn)穩(wěn)定控制水平進(jìn)一步提升，磷含量穩(wěn)定控制在0.001 2%以內(nèi)。轉(zhuǎn)爐冶煉低磷鋼種各類(lèi)消耗不斷降低，其中石灰消耗控制在38 kg/t左右，轉(zhuǎn)爐總渣量控制在85 kg/t左右，終點(diǎn)磷合格率達(dá)到98%以上，真正地實(shí)現(xiàn)了低成本生產(chǎn)及產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)步提升。

參考文獻(xiàn)：

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