轉(zhuǎn)爐低鐵水比冶煉技術(shù)及生產(chǎn)實(shí)踐

供稿|張寶景，張朝發(fā)，王淼 / ZHANG Bao-jing, ZHANG Chao-fa, WANG Miao

作者單位：河鋼集團(tuán)唐鋼公司二鋼軋廠，河北 唐山 063016

隨著環(huán)保和鋼鐵去產(chǎn)能力度的日益加大，高爐鐵水的產(chǎn)量將明顯降低，對以消耗鐵水為主的轉(zhuǎn)爐煉鋼產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊。另一方面，隨著國家對“地條鋼”的全面取締，預(yù)計市場會增加約1億t的廢鋼供應(yīng)。因此，降低鐵水消耗、提高廢鋼比例是轉(zhuǎn)爐煉鋼廠提高生產(chǎn)效率，降低煉鋼成本的有效手段[1]。文章基于鋼鐵冶金原理，從理論上分析了降低轉(zhuǎn)爐鐵水比的可行性，以此為基礎(chǔ)論述了中小轉(zhuǎn)爐低鐵水比生產(chǎn)實(shí)踐。

降低鐵水比的可行性

根據(jù)鋼鐵冶金原理進(jìn)行轉(zhuǎn)爐物料平衡和熱平衡計算，計算所需的工藝參數(shù)來自文獻(xiàn)[2]，計算鋼種為低合金鋼，計算所用鐵水條件和終點(diǎn)鋼水條件見表1，以100 kg鐵水為計算基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)爐物料平衡和熱平衡計算結(jié)果分別見表2和表3。

從表2可以看出，在不考慮廢鋼和冷料加入量以及脫氧合金化的前提下，鋼水的收得率為：93.18%，與現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)相吻合。從表3可以看出鐵水物理熱是轉(zhuǎn)爐熱量的主要來源，在不考慮爐渣帶走熱量的條件下，轉(zhuǎn)爐的熱效率為74.77%，表3中的富余熱量，可以熔化廢鋼15.11 kg。根據(jù)表2和表3的計算結(jié)果，在考慮廢鋼加入、脫氧合金化和無外來補(bǔ)充熱量的條件下，轉(zhuǎn)爐的最低鐵水比可達(dá)到82%~83%，即鐵水消耗為880~890 kg/t。

2016年二鋼軋廠轉(zhuǎn)爐平均鐵水比92%左右，轉(zhuǎn)爐物料平衡和熱平衡的理論計算結(jié)果表明，轉(zhuǎn)爐鐵水比還有很大的降低空間。因此，二鋼軋廠降低轉(zhuǎn)爐鐵水比是可行的。

轉(zhuǎn)爐極限鐵水比計算

綜合考慮鐵水條件、轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)條件，從熱平衡角度計算了目前冶煉條件下轉(zhuǎn)爐極限鐵水比。計算條件：轉(zhuǎn)爐定量裝入；冶煉過程中造渣料只使用石灰和輕燒白云石，不使用石灰石；廢鋼中不含鐵塊；轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度1665±5℃；終點(diǎn)C質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.06%~0.08%。分別計算加冷料、不加冷料兩種情況下轉(zhuǎn)爐的極限鐵水比。

表1 鐵水、廢鋼和轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)和溫度

表2 轉(zhuǎn)爐物料平衡計算結(jié)果

表3 轉(zhuǎn)爐熱平衡計算結(jié)果

冶煉過程不加冷料轉(zhuǎn)爐極限鐵水比

冶煉過程中不使用任何冷料，不同鐵水條件下轉(zhuǎn)爐極限鐵水比見圖1所示。圖1表明，不同鐵水溫度和鐵水ω(Si)條件下，轉(zhuǎn)爐極限鐵水比變化較大。當(dāng)鐵水溫度為1400℃，鐵水ω(Si)為0.70%左右時，轉(zhuǎn)爐極限鐵水比可以達(dá)到78%左右。從圖1可以看出，鐵水溫度升高20℃，極限鐵水比平均降低1%；鐵水ω(Si)升高0.1%，極限鐵水比平均降低1%。當(dāng)鐵水溫度為1300~1320℃、鐵水ω(Si)=0.50%~0.60%時，轉(zhuǎn)爐的極限鐵水比為82%左右。

冶煉過程加20 kg/t冷料轉(zhuǎn)爐極限鐵水比

圖1 不加冷料極限鐵水比的變化趨勢

圖2 加20 kg/t冷料時極限鐵水比的變化趨勢

冶煉過程中使用20 kg/t除塵球，不同鐵水條件下轉(zhuǎn)爐極限鐵水比見圖2。不同鐵水溫度和鐵水ω(Si)條件下，轉(zhuǎn)爐極限鐵水比變化較大。當(dāng)鐵水溫度為1400℃，鐵水ω(Si)為0.70%左右時，轉(zhuǎn)爐極限鐵水比可以達(dá)到83%左右。從圖2可以看出，鐵水溫度升高25℃，極限鐵水比可降低1%左右；鐵水ω(Si)升高0.1%，極限鐵水比平均降低1.3%左右。當(dāng)鐵水溫度為1300~1320℃、鐵水ω(Si)=0.50%~0.60%時，轉(zhuǎn)爐的極限鐵水比為88%左右。

生產(chǎn)實(shí)踐

轉(zhuǎn)爐設(shè)備及工藝簡介

唐鋼二鋼軋廠煉鋼區(qū)域設(shè)備主要有1座脫硫站、2座頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐、2座LF爐、配備2臺小方坯連鑄機(jī)，主要產(chǎn)品有建筑用熱軋帶肋鋼筋、角鋼、礦用鋼、輕軌等。煉鋼區(qū)的工藝流程為：鐵水預(yù)處理—復(fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉—鋼包全程底吹—(LF精煉)—小方坯連鑄。

轉(zhuǎn)爐平均冶煉周期32~34 min，吹氧時間13.5~14 min，供氧強(qiáng)度3.3~3.5 m3/(min·t)，氧槍采用4孔拉瓦爾噴頭，吹氧壓力0.75~0.95 MPa，供氧流量15500~19000 m3/h。轉(zhuǎn)爐復(fù)吹采用4支雙環(huán)縫式底吹槍，底吹強(qiáng)度為0.03~0.09 m3/(min·t)。

2016年二鋼軋廠轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)穩(wěn)定、順行，鋼產(chǎn)量為118萬t，轉(zhuǎn)爐平均鐵水比為92%左右。2017年廢鋼價格明顯低于鐵水價格，降低轉(zhuǎn)爐鐵水比可以明顯提高煉鋼經(jīng)濟(jì)效益。因此，2017年3月以來二鋼軋廠開展了轉(zhuǎn)爐低鐵水比生產(chǎn)。

轉(zhuǎn)爐低鐵水比生產(chǎn)實(shí)踐

◆ 低鐵水比控制措施

轉(zhuǎn)爐采用低鐵水比生產(chǎn)后，為解決轉(zhuǎn)爐熱量不足的問題，采取了以下技術(shù)措施：

(1) 減少冶煉過程中冷料加入量，轉(zhuǎn)爐吹煉過程中禁止使用礦石、鐵皮球和石灰石等冷卻效應(yīng)強(qiáng)的物料。為保證轉(zhuǎn)爐除塵灰的正常循環(huán)，轉(zhuǎn)爐冶煉過程中可以使用一定量的除塵球作為冷卻劑。

(2) 根據(jù)鐵水溫度和ω(Si)，選擇合適的廢鋼加入量和廢鋼配比。對于異常鐵水，限制廢鋼的加入量。

(3) 冶煉工藝優(yōu)化，根據(jù)鋼鐵冶金原理[3]，在轉(zhuǎn)爐冶煉前期，適當(dāng)降低的熔池溫度和提高FeO含量有利于脫磷反應(yīng)的進(jìn)行。因此，開吹選擇適當(dāng)?shù)牡蜆屛灰岳谌鄢厣郎睾凸桢i氧化[4]，硅錳氧化結(jié)束后適當(dāng)提高吹煉槍位，以控制熔池溫度緩慢上升和含有大量FeO的堿性渣的形成，脫磷期熔池溫度控制在1330~1350℃。

(4) 底吹參數(shù)調(diào)整，為充分發(fā)揮底吹的效果，對原有的復(fù)吹供氣模式進(jìn)行調(diào)整，增加轉(zhuǎn)爐脫磷期的底吹供氣強(qiáng)度，改善冶煉前期脫磷效果，以提高一次拉碳時鋼水溫度和成分的命中率。

◆ 低鐵水比生產(chǎn)效果

采用低鐵水比生產(chǎn)后，轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)穩(wěn)定、順行，取得了顯著效果，煉鋼產(chǎn)量提高約10%，冷料消耗明顯降低，終點(diǎn)鋼水質(zhì)量穩(wěn)定，終渣FeO含量保持穩(wěn)定。

(1) 鐵水消耗和冷料消耗。

圖3 鐵水比、鐵水消耗指標(biāo)對比

圖4 冷料消耗指標(biāo)對比

低鐵水生產(chǎn)前后轉(zhuǎn)爐鐵水消耗、鐵水比例和冷料消耗完成情況對比分別見圖3和圖4。從圖3可以看出，3月份轉(zhuǎn)爐平均鐵水比穩(wěn)定在82.5%左右，對應(yīng)鐵水消耗穩(wěn)定在890 kg/t左右，與1—2月相比，轉(zhuǎn)爐平均鐵水比降低約10%，鐵水消耗降低約110 kg/t。煉鋼成本明顯降低，在相同的鐵水產(chǎn)量下，鋼水產(chǎn)量可以提高10%左右。從圖4可以看出，采用低鐵水比生產(chǎn)后，轉(zhuǎn)爐平均冷料消耗約降低了20 kg/t，冷料成本明顯降低。

(2) 終點(diǎn)碳、磷情況。

低鐵水比生產(chǎn)后，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳、磷完成情況見圖5所示。從圖5可以看出，降低入爐鐵水比后，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.07%，平均磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.021%，基本呈正態(tài)分布，過程控制能力較好。

(3) 終渣FeO情況。

轉(zhuǎn)爐終渣FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)對比見圖6所示。圖6顯示，低鐵水比生產(chǎn)后轉(zhuǎn)爐平均終渣FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低0.15%左右，過程控制能力保持穩(wěn)定，有小幅提高。

結(jié)束語

文章基于鋼鐵冶金原理，通過理論分析認(rèn)為，在無外來熱量的條件下，轉(zhuǎn)爐降低鐵水比是可行的，轉(zhuǎn)爐低鐵水比生產(chǎn)取得的效果：

(1) 轉(zhuǎn)爐物料平衡和熱平衡計算表明，在無外來補(bǔ)充熱量的條件下，轉(zhuǎn)爐的極限鐵水比為82%~83%，對應(yīng)鐵水消耗為880~890 kg/t。

圖5 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布直方圖

(2) 轉(zhuǎn)爐冶煉過程中不使用冷料條件下，鐵水溫度升高20℃，極限鐵水比降低1%，鐵水ω(Si)升高0.1%，極限鐵水比降低1%；冶煉過程加20 kg/t冷料，鐵水溫度升高25℃，極限鐵水比降低1%，鐵水ω(Si)升高0.1%，極限鐵水比降低1.3%。

(3) 通過入爐原料優(yōu)化、冶煉過程工藝優(yōu)化和底吹工藝參數(shù)調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐低鐵水比下的穩(wěn)定生產(chǎn)，煉鋼產(chǎn)量提高約10%，終點(diǎn)鋼水質(zhì)量穩(wěn)定，煉鋼成本明顯降低。

圖6 轉(zhuǎn)爐終渣FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)對比

攝影 楊 棟