120 t轉(zhuǎn)爐高磷鐵水單轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法研究

供稿|傅余東，趙傲南，龍海山，張立強(qiáng)，周志勇，聶志斌，張漢山，張超杰，甘俊杰

作者單位：1. 湘鋼集團(tuán)陽(yáng)春新鋼鐵有限公司，廣東 陽(yáng)春 529600；2. 安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002

內(nèi)容導(dǎo)讀

本文針對(duì)某廠120 t轉(zhuǎn)爐單轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法工藝進(jìn)行了研究，討論了某廠單轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法冶煉工藝供氧制度、造渣制度、冶煉終點(diǎn)脫磷情況等技術(shù)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了某廠終點(diǎn)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.01707%，脫磷率達(dá)到86.52%，使用相關(guān)性分析得出石灰消耗和冶煉終點(diǎn)溫度對(duì)轉(zhuǎn)爐脫磷率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與工業(yè)實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致，石灰消耗和冶煉終點(diǎn)溫度是影響脫磷率的重要因素。通過單轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法工藝縮短了供氧時(shí)間1.16 min，平均每爐石灰節(jié)約540 kg，石灰消耗和鋼鐵料消耗均有明顯降低，實(shí)現(xiàn)鋼鐵廠穩(wěn)定生產(chǎn)并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

為適應(yīng)鋼鐵市場(chǎng)變化，國(guó)內(nèi)外各個(gè)鋼鐵企業(yè)一直在探索轉(zhuǎn)爐冶煉工藝，尋找提高鋼水質(zhì)量、節(jié)約冶煉成本的方法[1]。 研究人員[2-3]在工業(yè)生產(chǎn)初期對(duì)轉(zhuǎn)爐冶煉工藝進(jìn)行了研究，認(rèn)為優(yōu)質(zhì)的冶煉工藝流程不但可以提高轉(zhuǎn)爐鋼水質(zhì)量，而且還能加快冶煉效率降低成本，所以冶煉工藝的選擇對(duì)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)具有重大意義。朱英雄等[4]通過轉(zhuǎn)爐加入石灰熔化成渣機(jī)理分析得出石灰加入量對(duì)冶煉溫度產(chǎn)生很大影響。王忠剛等[5]研究了復(fù)吹轉(zhuǎn)爐雙渣法冶煉中高磷鐵水的冶煉工藝方案解決了半鋼配加硅鐵等發(fā)熱元素的問題。劉建龍等[6]優(yōu)化轉(zhuǎn)爐冶煉工藝頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐進(jìn)行少渣低溫高效冶煉實(shí)驗(yàn)得出前期堿度1.5～2.0，熔池溫度1350～1400 ℃更有利于鐵水中磷的脫除。Messler等[7]通過對(duì)冶煉不銹鋼鋼種的生產(chǎn)工藝中發(fā)現(xiàn)磷元素對(duì)鋼種裂紋的產(chǎn)生有明顯影響并進(jìn)行元素分析，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。然而，目前關(guān)于能穩(wěn)定鋼鐵廠生產(chǎn)，降低造渣料和鋼鐵料消耗的工藝路線還并不完善。

本文針對(duì)某鋼鐵廠120 t轉(zhuǎn)爐冶煉工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，通過單轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法冶煉工藝進(jìn)行脫磷冶煉，并用SPSS統(tǒng)計(jì)分析脫磷率影響因素的相關(guān)性。研究發(fā)現(xiàn)新工藝能夠提高鋼水的質(zhì)量，脫磷率達(dá)到86.52%，同原工藝相比提高了2.69%。相關(guān)性分析結(jié)果與工業(yè)實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致，石灰消耗和冶煉終點(diǎn)溫度是影響脫磷率的重要因素。其次，新工藝發(fā)現(xiàn)供氧時(shí)間縮短，而且每爐中造渣劑石灰節(jié)約了540 kg/爐，降低了鋼鐵料消耗、石灰消耗，實(shí)現(xiàn)鋼鐵廠穩(wěn)定生產(chǎn)，使噴濺事故率減少到27.5%，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

單轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法冶煉機(jī)理

轉(zhuǎn)爐脫磷機(jī)理

石灰脫磷實(shí)驗(yàn)中熔渣離子溶液模型如下式：

脫磷反應(yīng)是渣鋼界面反應(yīng)，前期成渣工藝對(duì)脫磷反應(yīng)的促進(jìn)作用是提高渣鋼間磷的系數(shù)分配[8]。所以得出：

磷在渣鋼間的分配比

式中，Ls為分配系數(shù)，Kp為平衡常數(shù)，a為含量，為鋼水的成分，為渣系的組成。

從式(3)和式(4)可以看出溫度降低使脫磷反應(yīng)的平衡常數(shù)急劇增大，脫磷能力大大增強(qiáng)。脫磷反應(yīng)為放熱反應(yīng)，當(dāng)溫度升高分配系數(shù)減小脫磷率下降。若增加堿度更高的Na2O、SiO2等會(huì)抑制磷化物的破壞，提高爐渣的脫磷能力。但是如果爐渣中含有太多，會(huì)導(dǎo)致爐渣粘度和熔點(diǎn)增加，流動(dòng)性變差，所以控制好爐渣的堿度是影響脫磷的重要因素。使?fàn)t渣中磷的分配比顯著增加爐渣堿度、(FeO)含量增加都有利于脫磷。所以，在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中，應(yīng)該控制適宜的熔池溫度，避免中后期回磷，才能生產(chǎn)出的優(yōu)質(zhì)爐渣。

轉(zhuǎn)爐造渣制度分析

轉(zhuǎn)爐冶煉開始時(shí)，鐵水中的硅、錳、磷、鐵等元素生產(chǎn)氧化產(chǎn)物進(jìn)入爐渣，同時(shí)加入的造渣材料石灰或白云石等也逐漸溶解，初期爐渣中(FeO)、(SiO2)、(MnO)等成分含量相對(duì)較高，(CaO)含量相對(duì)較低，爐渣為低堿度的酸性渣。鐵水中磷含量較高，通過增加熔渣中(FeO)的含量，加快鐵水中磷的氧化，增大溶池?cái)嚢瑁纳苿?dòng)力學(xué)條件，便于磷的傳質(zhì)，完成前期脫磷任務(wù)而鐵水中硅、錳等元素氧化放熱使?fàn)t溫不斷上升，更好地保證入爐的石灰、白云石等造渣料的溶解。同時(shí)到達(dá)冶煉中期后，爐渣中(MgO)含量增加，爐渣堿度提高。爐溫進(jìn)一步升高，入爐石灰進(jìn)一步熔化，爐渣堿度升高，爐渣中將有硅酸三鈣生成，爐渣脫硫、脫磷能力增強(qiáng)，轉(zhuǎn)爐冶煉過程熔池溫度低。冶煉后期，鐵水中磷含量降低，提高爐渣堿度，成為后期脫磷的關(guān)鍵所在。

轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

工藝流程及實(shí)驗(yàn)條件

本文以某廠120 t轉(zhuǎn)爐工業(yè)生產(chǎn)線為研究平臺(tái)，該廠生產(chǎn)流程為：1280 m3高爐—120 t氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐—連鑄。某廠組織了單轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法模式冶煉高[P]鐵水生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)(廠內(nèi)定義[P]>0.085%為高[P]鐵水)，工藝流程如圖1所示，生產(chǎn)目標(biāo)如表1所示。

圖1 單轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法冶煉工藝流程

單轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法實(shí)驗(yàn)方案

(1) 單轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法冶煉采用分階段加造渣料方式，造渣劑主要為石灰、白云石等。達(dá)到目標(biāo)快速成渣，并保證終渣堿度為2.8～3.5，終點(diǎn)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)按照0.06%～0.12%控制。

表1 原始鐵水成分及冶煉目標(biāo)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

(2) 冶煉開始進(jìn)行下槍打火成功后加第一批料，石灰加入量1 t，白云石加入量為總量的全部，剩余石灰分2～3批，造渣劑在吹煉8 min之前加完。

(3) 氧槍噴頭為5孔拉瓦爾型，出口壓力0.88 MPa，開吹氧氣流量設(shè)定為25000～27000 m3/h，氧槍按照“低-高-低”操作規(guī)范。在轉(zhuǎn)爐冶煉前期為了更好造前期渣，進(jìn)行低槍位操作槍位距離液面約1.2 m，冶煉至90 s提高槍位至2.3 m，在冶煉中期防止?fàn)t渣返干，冶煉約9 min至終點(diǎn)壓槍操作，保證后期熔池?cái)嚢瑁ＷC終點(diǎn)槍位液面高度約0.9 m。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

單轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法對(duì)終渣影響分析

經(jīng)過某廠80爐次的冶煉實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)單轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法爐渣流動(dòng)性好，表2為原工藝和雙聯(lián)法終渣分析對(duì)比，表3為造渣料等加入量冶煉結(jié)果對(duì)比。其中(CaO)質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到46.31%，終渣(TFe)質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比原工藝降低了0.22%。同時(shí)冶煉終點(diǎn)溫度降低說明單轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法冶煉效果明顯，提高了轉(zhuǎn)爐的壽命。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)鐵水條件，其中平均每爐次造渣料中白云石加入量沒有太大變化，石灰加入量減少540 kg，石灰消耗降低4.58 kg/t，鋼鐵料消耗由1062.99 kg/t減少到1060.42 kg/t，鋼鐵料消耗降低了2.57 kg/t。

表2 終渣對(duì)比(80爐次平均值)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表3 造渣料加入量冶煉結(jié)果對(duì)比(80爐次平均值)

單轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法冶煉提高了鋼鐵料收得率，由于轉(zhuǎn)爐經(jīng)過冶煉初期進(jìn)行脫硅、脫磷階段并進(jìn)行一次倒渣操作。結(jié)果使石灰溶化迅速，成渣速度快，吹煉中期爐渣不易返干，采取高槍位操作，使?fàn)t渣中(FeO)增加比較快時(shí)，爐渣很快具有良好的脫磷、脫硫能力。冶煉過程中，上一爐次的渣會(huì)有一部分留在爐內(nèi)進(jìn)行冶煉，這就是渣中含有較高的(FeO)將間接參與碳氧反應(yīng)。在冶煉倒渣過程中，(FeO)含量逐漸降低。在轉(zhuǎn)爐倒渣后進(jìn)入脫碳階段，在脫碳階段，由于(FeO)的參與間接反應(yīng)得到[Fe]，使[Fe]元素重新回到爐內(nèi)，再次進(jìn)行吹氧的情況下，由于前期硅等元素氧化完全，石灰等造渣劑已經(jīng)入爐，渣量相比原工藝相對(duì)較少，所以擁有同種終渣(FeO)含量，吹煉鐵水等損耗相對(duì)較小，所以鋼水收得率增加。

轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)脫磷率影響因素的相關(guān)性分析

某廠單轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法實(shí)驗(yàn)冶煉脫磷，充分利用了溫度變化對(duì)脫磷反應(yīng)的影響，在低溫的情況下更容易脫磷。由于脫磷前期反應(yīng)進(jìn)行的比較充分吹煉前期結(jié)束后快速倒渣并留渣操作可以有效降低爐渣中的磷含量，使脫磷反應(yīng)進(jìn)行的更徹底。冶煉終點(diǎn)磷含量和脫磷率如表4所示，終點(diǎn)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.01931%下降到0.01707%。脫磷率由原來83.83%提高到86.52%，脫磷率同原工藝相比提高了2.69%，脫磷效率明顯提高。在造第一次渣的過程中，前期熔池較低的溫度情況下能快速成渣，具備較好的脫磷能力。

表4 雙聯(lián)法和原工藝脫磷效果對(duì)比

通過SPSS統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)80爐次轉(zhuǎn)爐脫磷率的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性分析，明確轉(zhuǎn)爐脫磷率和吹氧時(shí)間、石灰消耗等因素的顯著性水平，如表5所示?？梢钥闯雒摿茁逝c石灰消耗、終點(diǎn)溫度等顯著性(雙側(cè))值為0.001、0.000(<0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān))，說明石灰消耗和冶煉終點(diǎn)溫度可以較為顯著的影響轉(zhuǎn)爐脫磷率。而吹氧時(shí)間、出鋼量則不顯著即對(duì)脫磷率影響不明顯。其中石灰消耗和終點(diǎn)溫度相關(guān)性系數(shù)為-0.354、-0.419，說明石灰消耗和終點(diǎn)溫度對(duì)轉(zhuǎn)爐脫磷率有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。對(duì)其進(jìn)一步進(jìn)行散點(diǎn)圖趨勢(shì)分析如圖2和圖3所示。可以明顯的看出石灰消耗和冶煉終點(diǎn)溫度對(duì)轉(zhuǎn)爐脫磷率呈一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，綜上石灰消耗和冶煉終點(diǎn)溫度是影響脫磷率的重要因素。相關(guān)性分析結(jié)果與單轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法工業(yè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。

圖2 終點(diǎn)溫度與脫磷率散點(diǎn)圖

圖3 石灰消耗與脫磷率散點(diǎn)圖

表5 脫磷率不同冶煉因素的顯著性結(jié)果

單轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法對(duì)供氧制度及噴濺事故分析

(1) 轉(zhuǎn)爐氧槍按照“低-高-低”操作規(guī)范，前期低槍位快速成渣、中期高槍位冶煉預(yù)防返干、后期低槍位壓槍進(jìn)行熔池?cái)嚢?，使渣金混合均勻。在冶煉過程中為了防止溫度的快速上升，可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)改變槍位以減緩熔池反應(yīng)速度。吹氧時(shí)間和原工藝相比，從原來14.38 min縮短到13.23 min。平均減少吹氧時(shí)間1.16 min。吹氧時(shí)間減少，為轉(zhuǎn)爐冶煉周期的縮短提供了參考依據(jù)。圖4為供氧時(shí)間和噴濺事故對(duì)比。

(2) 轉(zhuǎn)爐冶煉開始4～5 min會(huì)在瞬間產(chǎn)生大量的氣體附帶爐渣、鐵水沖出，造成爆發(fā)性噴濺事故，其中噴濺率達(dá)63.3%，轉(zhuǎn)爐噴濺會(huì)減少轉(zhuǎn)爐壽命，同時(shí)造成粘槍、粘煙道等事故，使轉(zhuǎn)爐過程中安全隱患增加，嚴(yán)重危害轉(zhuǎn)爐工人的生命安全。在單轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法工藝中，冶煉過程較為平緩，噴濺事故發(fā)生率為27.5%，同原工藝相比有明顯下降。

圖4 供氧時(shí)間和噴濺事故對(duì)比

結(jié)束語

通過對(duì)某廠單轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法冶煉工藝進(jìn)行生產(chǎn)研究對(duì)比，發(fā)現(xiàn)此工藝生產(chǎn)穩(wěn)定并得出下列結(jié)論：

(1) 單轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法冶煉脫磷效果更好，適合某廠高磷鐵水穩(wěn)定生產(chǎn)。脫磷率由原來83.83%提高到86.52%，脫磷率同原工藝相比提高了2.69%。

(2) 石灰消耗、冶煉終點(diǎn)溫度與脫磷率有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性分析結(jié)果與單轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法工業(yè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合，石灰消耗和冶煉終點(diǎn)溫度是影響脫磷率的重要因素。

(3) 單轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法冶煉工藝結(jié)合“低-高-低”槍位操作方式，吹氧時(shí)間原來14.38 min縮短到13.23 min，為轉(zhuǎn)爐冶煉周期的縮短提供了參考依據(jù)。平均節(jié)約石灰540 kg/爐，鋼鐵料消耗降低了2.57 kg/t，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

(4) 單轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法工藝在冶煉過程穩(wěn)定了轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)，使噴濺事故率減少到27.5%，提高了操作安全性。

【烽火爐臺(tái)】喻躍生