70 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐“留渣+雙渣”前期脫磷工藝研究與實(shí)踐

張 旭 潘 軍 薛 順 趙 斌 宋 磊

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司長材事業(yè)部，安徽 馬鞍山 243000)

隨著市場對鋼材質(zhì)量的要求日趨苛刻，轉(zhuǎn)爐承載的任務(wù)也日趨加重。轉(zhuǎn)爐脫磷傳統(tǒng)采用大渣量、高堿度、高氧化性的“單渣法”，而大渣量吹煉會造成金屬收得率低、原輔料消耗高、粘槍及噴濺嚴(yán)重、能量浪費(fèi)等問題[1- 3]。為減少轉(zhuǎn)爐渣量、降低輔料及鋼鐵料消耗，近年來國內(nèi)眾多學(xué)者對轉(zhuǎn)爐“留渣+雙渣”冶煉工藝進(jìn)行了廣泛的探索[4- 8]，并取得了一定的效果。

馬鋼長材事業(yè)部70 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉所用鐵水主要由公司一鐵總廠供應(yīng)，鐵水中w(P)=0.126%～0.193%，平均達(dá)到0.180%，轉(zhuǎn)爐脫磷難度相對較大。為解決轉(zhuǎn)爐冶煉過程中存在的原輔料及鋼鐵料消耗高、脫磷效果不穩(wěn)定等問題，本文以工業(yè)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過理論研究與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，對轉(zhuǎn)爐“留渣+雙渣”冶煉工藝，尤其是前期脫磷冶煉工藝進(jìn)行了探索，為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐低成本、高效率冶煉生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

1 轉(zhuǎn)爐“留渣+雙渣”工藝原理

所謂“留渣+雙渣”冶煉工藝，是指將轉(zhuǎn)爐上爐部分或全部的高堿度、高∑(FeO)的脫碳渣留在爐中，然后充分利用轉(zhuǎn)爐吹煉過程中高氧化性、高堿度熱力學(xué)條件及超音速氧氣射流攪拌動力學(xué)條件進(jìn)行下爐吹煉前期脫磷，脫磷結(jié)束后，倒掉部分富磷渣，重新加料造渣進(jìn)行第Ⅱ階段脫碳升溫和繼續(xù)脫磷。馬鋼長材事業(yè)部的“留渣+雙渣”工藝路線為：

(1)上爐出鋼后將爐渣留在轉(zhuǎn)爐內(nèi)。

(2)采用濺渣護(hù)爐技術(shù)，降槍后用氮?dú)鈱t渣濺至爐襯表面冷卻固化；濺渣結(jié)束后搖爐，對爐渣固化加以確認(rèn)。

(3)裝入廢鋼、鐵水，進(jìn)行第Ⅰ階段吹煉，在脫磷結(jié)束后，倒出40%～60%爐渣，一倒時(shí)間為點(diǎn)火確認(rèn)后2.5～3 min內(nèi)。

(4)進(jìn)行第Ⅱ階段吹煉，并加入少量造渣料，進(jìn)一步脫磷，吹煉結(jié)束后擋渣出鋼。

2 轉(zhuǎn)爐脫磷熱力學(xué)和動力學(xué)分析

轉(zhuǎn)爐吹煉前期，硅、錳激烈氧化基本結(jié)束后，脫磷反應(yīng)在渣- 金界面進(jìn)行，脫磷反應(yīng)及其平衡常數(shù)如式(1)和式(2)所示[9]：

2[P]+5(FeO)+3(CaO)=

(3CaO·P2O5)+5[Fe]

(1)

2.5lgw(T.Fe)

(2)

式(2)中：Lp為磷的分配比，w(CaO)、w(T·Fe)為渣中CaO和全鐵含量，%。

由式(2)可知，高堿度、高氧化性爐渣以及低溫有利于提高磷的分配比。因此，轉(zhuǎn)爐“留渣+雙渣”冶煉工藝的脫磷階段若要獲得良好的脫磷效果，控制前期脫磷階段的倒渣溫度、爐渣堿度以及FeO含量尤為關(guān)鍵。

有研究表明[10]，轉(zhuǎn)爐冶煉過程脫磷反應(yīng)基本是在渣鋼界面上進(jìn)行，脫磷速率主要受渣鋼兩側(cè)的傳質(zhì)速率控制。對于頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐而言，氧氣流對熔池升溫影響最大，采用強(qiáng)頂?shù)讖?fù)吹模式，不僅有利于前期脫磷階段金屬熔池中硅、磷的氧化去除，還有利于改善渣- 金界面?zhèn)髻|(zhì)條件。因此，充分的攪拌能是促進(jìn)脫磷反應(yīng)的動力學(xué)條件。

2.1 鐵水初始[Si]含量對脫磷的影響

入爐鐵水中的硅含量對前期脫磷效果并沒有直接影響，但在轉(zhuǎn)爐“留渣+雙渣”冶煉工藝吹煉初期，正是由于硅的大量氧化，熔池的溫度才得以快速升高。選取60爐不同[Si]含量的鐵水進(jìn)行“留渣+雙渣”工藝冶煉，在吹煉脫磷前期結(jié)束扒渣后，取樣化驗(yàn)鋼中[P]含量(分析方法下同)，得出鐵水中初始[Si]含量與脫磷率的關(guān)系如圖1所示。

圖1 鐵水中初始硅含量對脫磷率的影響Fig.1 Effect of initial silicon content in molten iron on dephosphorization rate

由圖1可知，脫磷階段的脫磷率隨著鐵水中初始硅含量的增加先升高后降低。當(dāng)鐵水中初始w[Si]=0.4%～0.8%時(shí)，脫磷率較高，脫磷效果較好。這是因?yàn)楣璧难趸艧崾寝D(zhuǎn)爐前期熱量主要來源之一，隨著鐵水中硅含量的增加，硅氧化釋放的熱量增加，熔池溫度升高，有利于石灰的熔化，同時(shí)硅氧化所形成的SiO2在前期也起到了一定的化渣作用。當(dāng)鐵水中初始w[Si]>0.8%時(shí)，脫磷率隨著硅含量的增加反而逐漸降低。這是因?yàn)殡S著硅含量的進(jìn)一步增加，產(chǎn)生的酸性物質(zhì)SiO2增多，為保持爐渣一定的堿度需要加入大量石灰，而石灰不易熔化，爐渣流動性變差，脫磷率降低。因此，考慮到前期化渣效果及脫磷渣量，應(yīng)控制鐵水中初始w[Si]≥0.40%。

2.2 脫磷階段倒?fàn)t溫度對脫磷的影響

脫磷反應(yīng)是放熱反應(yīng)，因此，轉(zhuǎn)爐“留渣+雙渣”工藝冶煉前期較低的熔池溫度有利于脫磷反應(yīng)的進(jìn)行。脫磷階段倒?fàn)t溫度與脫磷率的關(guān)系如圖2所示。

圖2 倒?fàn)t溫度對脫磷率的影響Fig.2 Effect of turndown temperature on dephosphorization rate

由圖2可知，當(dāng)?shù)範(fàn)t溫度T<1 420 ℃時(shí)，脫磷率隨著倒?fàn)t溫度的升高而升高；當(dāng)?shù)範(fàn)t溫度T>1 420 ℃，脫磷率隨著倒?fàn)t溫度的升高而降低，倒?fàn)t溫度在1 380～1 450 ℃范圍內(nèi)脫磷率較高，脫磷效果較好。倒?fàn)t溫度T<1 420 ℃時(shí)，由于熔池溫度較低，爐渣未化好、化透，流動性較差，難以獲得一定堿度、流動性好的均勻渣，此時(shí)脫磷的主要矛盾為動力學(xué)條件。隨著熔池溫度的升高，石灰熔解加速，爐渣的黏度降低，流動性改善，從而有利于磷從金屬向爐渣的轉(zhuǎn)移。當(dāng)T>1 420 ℃時(shí)，熔池溫度較高，爐渣流動性好，此時(shí)脫磷的主要矛盾又轉(zhuǎn)化為熱力學(xué)條件，溫度升高，平衡常數(shù)KP值減小，磷的分配比降低，脫磷率也隨之降低。因此，為保證前期脫磷和排渣效果，倒?fàn)t溫度應(yīng)控制在1 380～1 450 ℃。

2.3 脫磷階段爐渣堿度對脫磷的影響

由脫磷熱力學(xué)分析可知，爐渣堿度的高低是影響轉(zhuǎn)爐脫磷效果的一個(gè)重要因素。脫磷階段爐渣堿度與脫磷率的關(guān)系如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)爐渣堿度R<1.8時(shí)，隨著堿度的增加，脫磷率逐漸升高；當(dāng)R>1.8時(shí)，隨著堿度的增加，脫磷率又逐漸下降。當(dāng)堿度為1.3～1.8時(shí)，脫磷率較高。這是因?yàn)樵诖禑挸跗冢S著堿度的提高，渣中CaO的有效濃度增加，Lp越大，脫磷率增加；隨著堿度的進(jìn)一步提高，所需加入石灰量增加，由于未預(yù)熱的石灰大量加入，導(dǎo)致初始形成的液態(tài)爐渣冷卻，爐渣黏度增大，流動性減弱，同時(shí)在石灰表面形成一層冷凝外殼，石灰溶解受阻，化渣速度降低，脫磷率下降。因此，脫磷階段熔渣堿度R控制在1.3～1.8之間較為合理。

圖3 爐渣堿度對脫磷率的影響Fig.3 Effect of slag basicity on dephosphorization rate

2.4 脫磷階段爐渣FeO含量對脫磷的影響

由脫磷熱力學(xué)分析可知，爐渣高FeO含量更有利于脫磷反應(yīng)的進(jìn)行。脫磷階段爐渣FeO含量與脫磷率的關(guān)系如圖4所示。

圖4 爐渣FeO含量對脫磷率的影響Fig.4 Effect of FeO content in slag on dephosphorization

由圖4可知，當(dāng)爐渣中w(FeO)<20%時(shí)，脫磷率隨著渣中FeO含量的增加而增大；當(dāng)爐渣中w(FeO)>20%時(shí)，脫磷率隨著渣中FeO含量的增加而減小。而在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)爐渣中w(FeO)=15%左右時(shí)，就能獲得較高的脫磷率。從脫磷的熱力學(xué)角度看，爐渣中FeO含量越高，爐渣氧化性越強(qiáng)，同時(shí)渣中FeO與CaO結(jié)合生成低熔點(diǎn)化合物，促進(jìn)石灰的熔化，降低爐渣的熔點(diǎn)，有利于改善爐渣流動性，從而促進(jìn)脫磷反應(yīng)的進(jìn)行，提高脫磷效果。但當(dāng)爐渣中FeO含量增加到一定程度后，會稀釋爐渣中CaO的濃度，反而不利于脫磷，而且脫磷渣系中高FeO含量對爐襯有一定的侵蝕作用，爐渣中FeO含量越高對爐襯侵蝕越嚴(yán)重，同時(shí)過高的FeO含量也會造成鐵損失率升高，金屬收得率下降。因此倒?fàn)t渣中w(FeO)控制在15%～20%較為合理。

2.5 頂?shù)讖?fù)吹強(qiáng)度對脫磷率的影響

轉(zhuǎn)爐吹煉前期倒渣時(shí)間一般控制在開吹后2.5～3 min內(nèi)，試驗(yàn)共設(shè)置了4種氧槍槍位控制模式，以研究頂?shù)状祻?qiáng)度對脫磷率的影響，4種模式下的脫磷效果如表1所示。

由表1結(jié)果可知，相比模式1、 模式2和模式3，模式4的脫磷率相對較高，為44%～72%，即采用高- 低- 高槍位、大氧氣和底吹流量的吹煉控制工藝參數(shù)，可以獲得更好的脫磷動力學(xué)條件。這是因?yàn)槟Ｊ?的氧槍槍位較低，頂?shù)讖?fù)吹強(qiáng)度較大，爐渣和鐵水充分接觸，脫磷速度加快，爐渣脫磷效果得到充分發(fā)揮，脫磷率提高。

表1 不同頂?shù)讖?fù)吹強(qiáng)度下脫磷效果的比較Table 1 Comparison of dephosphorization effects for different top and bottom combined blown strengths

3 工藝實(shí)踐與效果

3.1 試驗(yàn)條件及工藝控制

馬鋼長材事業(yè)部有4座70 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，主要造渣原料為冶金石灰和輕燒白云石；吹煉氧槍為4孔噴頭，供氧強(qiáng)度為3.3～3.6 m3/(t·min)；采用3個(gè)雙環(huán)縫式底吹供氣元件，供氣流量90～120 m3/h，供氣壓力0.2～0.4 MPa。鐵水的成分、溫度及其平均值見表2。

表2 鐵水成分及溫度Table 2 Composition and temperature of molten iron

由表2可知，鐵水中硅與磷含量波動較大，其中硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，平均達(dá)到0.50%；磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也較高，平均達(dá)到0.180%，轉(zhuǎn)爐脫磷難度大，說明轉(zhuǎn)爐吹煉控制的難點(diǎn)和重點(diǎn)是脫磷。

圖5為轉(zhuǎn)爐“留渣+雙渣”前期脫磷階段工藝控制過程。采用強(qiáng)頂?shù)讖?fù)吹工藝對金屬熔池進(jìn)行攪拌，加快磷在鐵液中的傳質(zhì)，提高前期脫磷速率。底吹強(qiáng)度為0.03 m3/(t·min)，氧槍槍位和供氧流量均采取高- 低- 高控制模式，即采用相對高的槍位180 cm以及氧流量15 000 m3/h點(diǎn)火，點(diǎn)火正常后，逐步降低氧槍槍位至130 cm，氧流量13 000 m3/h進(jìn)行快速脫硅脫錳；脫磷階段臨近結(jié)束時(shí)提高槍位至140 cm，并適當(dāng)增加渣中FeO含量，使?fàn)t渣一定泡沫化，以確保脫磷渣能順利足量倒出；前期脫磷階段供氧時(shí)間為180～300 s。

圖5 前期脫磷階段控制工藝Fig.5 Control process of pre- dephosphorization stage

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場試驗(yàn)在馬鋼長材事業(yè)部70 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐上進(jìn)行，共冶煉150余爐次。對相應(yīng)爐次的初始鐵水成分、半鋼成分及溫度、渣樣成分平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表3～表5。

由表3～表5數(shù)據(jù)可知， 馬鋼長材事業(yè)部的轉(zhuǎn)爐采用“留渣+雙渣”冶煉工藝進(jìn)行試生產(chǎn)，其前期脫磷階段平均脫磷率為45.57%，磷分配比為65.23。

表3 試驗(yàn)爐次鐵水成分及溫度Table 3 Composition and temperature of molten iron of trial heats

表4 半鋼成分及溫度Table 4 Composition and temperature of semi- steel

表5 脫磷階段渣樣成分及堿度Table 5 Composition and basicity of slag in dephosphorization stage

4 結(jié)論

(1)通過脫磷熱力學(xué)分析可知，前期脫磷階段的倒渣溫度、爐渣堿度以及FeO含量是影響脫磷效果的主要因素。

(2)在高- 低- 高氧槍槍位控制、供氧強(qiáng)度為3.6 m3/(t·min)和底吹強(qiáng)度為0.03 m3/(t·min) 控制模式下，可以獲得更好的脫磷動力學(xué)條件，脫磷率相對較高，達(dá)到44%～72%。

(3)前期脫磷階段倒渣溫度控制在1 380～1 450 ℃，堿度R=1.3～1.8，渣中w(FeO)=15%～25%，可以達(dá)到前期脫磷階段平均脫磷率為45.57%，磷分配比LP為65.23的脫磷效果。