切割渣在鐵水預(yù)處理脫硅中的應(yīng)用

吳躍鵬，喬冠男，宋吉鎖，王洪濤，高洪濤，王巒濤

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

目前，鞍鋼高爐產(chǎn)出的鐵水中硅含量波動(dòng)較大，為0.2%～0.9%。硅含量為0.5%～0.9%的鐵水稱為高硅鐵水。高硅鐵水直接入轉(zhuǎn)爐會(huì)增加轉(zhuǎn)爐冶煉的熔劑成本，而且操作困難、易噴濺。另外，從脫磷的角度而言，由于硅氧的親合力更強(qiáng)［1］，鐵水脫磷必須先脫硅，因此鐵水脫硅是鐵水預(yù)處理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

切割渣（包括旋流井鐵皮、火焰清理產(chǎn)生的鐵皮等）是連鑄工藝生產(chǎn)的副產(chǎn)品。鞍鋼的切割渣產(chǎn)量較大，約4 000 t/a，通常作為廢棄品閑置，不僅浪費(fèi)資源、占用場(chǎng)地，而且不利于環(huán)保。據(jù)了解，國內(nèi)其它鋼廠目前沒有將切割渣用于鐵水預(yù)處理脫硅的先例。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠研究一種利用切割渣進(jìn)行鐵水預(yù)處理脫硅的方法，可以穩(wěn)定脫硅平均達(dá)0.23%，脫硅效果明顯，而且入爐后轉(zhuǎn)爐冶煉平穩(wěn)。

1 切割渣脫硅可行性分析

1.1 熱力學(xué)分析

以往的鐵水預(yù)處理模式中，都是先脫硅后脫硫，至少是同時(shí)進(jìn)行。通常作法是在高爐出鐵時(shí)，在鐵水溝中加入氧化鐵皮或是燒結(jié)礦粉脫硅。但是，高爐出鐵溫度較高并且處于還原性氣氛，均不利于脫硅。另外，脫硅后產(chǎn)生的酸性渣不利于脫硫，脫硫前還要進(jìn)行扒渣。相反，如果鐵水先脫硫后脫硅，由于脫硫反應(yīng)放熱，并且伴隨著脫硫劑的加入鐵水會(huì)有較大的溫降（30～50℃），在相對(duì)溫度降低的條件下，脫硅效果會(huì)更好。脫硅反應(yīng)的平衡常數(shù)與鐵水溫度的關(guān)系如下［2］：

式中，KSi為脫硅反應(yīng)的平衡常數(shù)；T為鐵水溫度，℃。

由式（1）可知，脫硅反應(yīng)的平衡常數(shù)與鐵水溫度成反比，鐵水溫度低對(duì)鐵水脫硅有利。另外，為了避免在脫硅的同時(shí)碳被氧化，脫硅反應(yīng)也應(yīng)該在低溫下進(jìn)行?？梢?，先脫硫，再降溫，后脫硅是具備良好熱力學(xué)條件的。

1.2 動(dòng)力學(xué)分析

從動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)看，渣鐵脫硅反應(yīng)可分為如下步驟：

（1）鐵水中的Si通過鐵水邊界層擴(kuò)散到渣-鐵界面；

（2）熔渣中的FeO通過熔渣邊界層擴(kuò)散到渣-鐵界面；

（3）到達(dá)渣-鐵界面的Si和FeO通過化學(xué)反應(yīng)生成SiO2和Fe；

（4）界面上生成的SiO2通過熔渣邊界層擴(kuò)散到熔渣中；

（5）界面上生成的Fe通過鐵水邊界層擴(kuò)散到鐵水中。

動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果表明，鐵水中的硅通過鐵水邊界層向渣-鐵界面的擴(kuò)散是脫硅反應(yīng)全過程的控制環(huán)節(jié)［3］。提高鐵水中硅的傳質(zhì)系數(shù)和渣-鐵界面的面積均有利于促進(jìn)脫硅反應(yīng)的進(jìn)行。

鞍鋼采用KR法進(jìn)行鐵水預(yù)處理，其原理是澆鑄耐火材料并經(jīng)過烘烤的“十字型”或“三葉型”攪拌槳插入到鐵水液面下一定深度，通過攪拌槳的機(jī)械旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)鐵水，鐵水在外力作用下產(chǎn)生“V”字形漩渦，具有攪拌強(qiáng)度大、反應(yīng)無死區(qū)的特點(diǎn)，完全滿足脫硅的動(dòng)力學(xué)條件要求。

2 切割渣作為脫硅劑的工業(yè)背景

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠有13臺(tái)鑄機(jī)，1臺(tái)火焰清理機(jī)。通常是將一部分切割殘?jiān)?jīng)煤氣烘烤后加入白灰、黏結(jié)劑等物料，再經(jīng)過壓制工藝制成球狀含鐵料，作為冷料供轉(zhuǎn)爐降溫使用，但加工成本較高，達(dá)200～300元/t鋼，并且轉(zhuǎn)爐工序鐵的收得率較低（20%左右）。其余部分切割渣都作為廢物閑置，造成大量的資源浪費(fèi)。

對(duì)切割渣檢驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，切割渣中全鐵含量約為70%，主要成分為FeO。

鐵水脫硅的反應(yīng)式為：

由此看來，切割渣不僅滿足鐵水脫硅反應(yīng)的需求，還可以最大程度的回收切割渣中的鐵，實(shí)現(xiàn)廢物利用，降低冶煉成本并提高鋼產(chǎn)量。因此，開展了高硅鐵水預(yù)處理脫硫后加入一定量切割渣進(jìn)行脫硅的試驗(yàn)。

3 切割渣用于鐵水脫硅試驗(yàn)

3.1 鐵水選擇

試驗(yàn)鐵水條件要求：Si含量≥0.5%，T≥1 290℃。

3.2 試驗(yàn)過程

（1）根據(jù)高爐預(yù)報(bào)的鐵水成分選鐵；

（2）魚雷罐折鐵后測(cè)溫、取樣化驗(yàn)，確認(rèn)脫硅試驗(yàn)的鐵水成分是否符合要求；

（3）鐵水罐進(jìn)站后，鐵水進(jìn)行扒渣作業(yè),將高爐渣扒除；

（4）高爐渣扒除后進(jìn)行脫硫作業(yè)，要求按二級(jí)計(jì)算模型確定脫硫劑加入量及攪拌槳攪拌時(shí)間；

（5）脫硫結(jié)束，不抬攪拌槳進(jìn)行扒渣操作；

（6）扒除脫硫渣后，進(jìn)行脫硅。

3.3 脫硅工藝

脫硅工藝步驟如下：

（1）扒除脫硫渣后，將攪拌槳自動(dòng)模式改為手動(dòng)模式，待攪拌槳加速至70轉(zhuǎn)/min時(shí),加入1 t切割渣；

（2）加料過程中觀察鐵水面狀態(tài)，如發(fā)生渣子泡沫化反應(yīng),立即加入300 kg脫硫劑,防止渣子反應(yīng)劇烈，溢出鋼水罐；

（3）待一切正常后手動(dòng)加速至高速（100～120轉(zhuǎn)/min）,并將剩余的切割渣加入，根據(jù)鐵水硅含量范圍值選擇切割渣的加入量及攪拌時(shí)間；

（4）脫硅完成后,將渣子扒凈；

（5）測(cè)溫、取樣檢驗(yàn)。

4 試驗(yàn)效果及效益

鐵水硅含量的范圍值與切割渣加入量及攪拌時(shí)間的關(guān)系見表1。統(tǒng)計(jì)9組數(shù)據(jù)，取平均值，分析切割渣使用前后鐵水成分變化情況，見表2。

表1 鐵水硅含量與切割渣加入量及攪拌時(shí)間的關(guān)系Table 1 Relationship among Content of Si in Hot Metal,Adding Quantity of Residues Resulted in Cutting and Stirring Time

表2 切割渣脫硅試驗(yàn)前后鐵水成分變化Table 2 Variation of Compositions in Hot Metal before and after Experiment for Desiliconization of Residues Resulted in Cutting %

由表1可以看出，每爐鋼水切割渣加入量為3～5 t時(shí)，硅含量降低至0.3%～0.5%；鐵水溫降為25～35℃。由表2看出，脫硅后鐵水中碳含量有所降低，均值在4%左右，實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)間平均為13 min，完全能夠滿足轉(zhuǎn)爐的冶煉需求。脫硅前后鐵水硅含量平均下降了0.230%，硅含量及鐵水溫降非常穩(wěn)定，脫硅工序時(shí)間穩(wěn)定，平均為10～12 min，這些都有利于轉(zhuǎn)爐工序進(jìn)行廢鋼準(zhǔn)備。另外，脫硅后的鐵水兌入轉(zhuǎn)爐后有利于氧槍操作，冶煉過程中噴濺現(xiàn)象明顯減少，同時(shí)降低了熔劑消耗，有效降低了轉(zhuǎn)爐冶煉鐵損和熔劑成本。

按目前日產(chǎn)70爐鋼水，高硅鐵水占比40%，每爐加入切割渣4 t進(jìn)行效益計(jì)算,綜合產(chǎn)生效益為7.18元/t鋼。

5 結(jié)語

（1）分析高硅鐵水先脫硫后脫硅的熱力學(xué)條件和動(dòng)力學(xué)條件后認(rèn)為，鞍鋼采用KR法進(jìn)行鐵水預(yù)處理攪拌時(shí)加入切割渣脫硅的方法可行。

（2）采用切割渣脫硅，可以將0.5%～0.9%硅含量的高硅鐵水穩(wěn)定脫硅0.20%～0.25%。脫硅后的鐵水兌入轉(zhuǎn)爐后有利于氧槍操作，冶煉過程中噴濺現(xiàn)象明顯減少，同時(shí)降低了熔劑消耗，有效降低了轉(zhuǎn)爐冶煉鐵損和熔劑成本，綜合效益達(dá)到7.18元/t鋼。