轉(zhuǎn)爐單渣留渣高效冶煉技術(shù)的研究與應(yīng)用

劉忠建，王忠剛，寧 偉

(萊蕪鋼鐵集團銀山型鋼有限公司 煉鋼廠，山東 濟南 271104)

近年來隨著鋼鐵行業(yè)各項技術(shù)的飛速發(fā)展以及石灰石、低磷鐵礦等自然資源的逐步減少，加之鋼鐵業(yè)低消耗、低排放、低成本、高質(zhì)量的發(fā)展大方向，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐冶煉方式已經(jīng)跟不上時代的發(fā)展。為適應(yīng)鋼鐵形勢的發(fā)展，國內(nèi)外各大鋼廠均在研究轉(zhuǎn)爐留渣冶煉工藝技術(shù)的應(yīng)用，并取得了初步成效。為跟上鋼鐵行業(yè)的發(fā)展需求，某公司煉鋼廠于2016年12月起結(jié)合120 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐各項工藝參數(shù)和生產(chǎn)情況進行留渣冶煉技術(shù)的試驗研究。通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)爐留渣工藝原理，并根據(jù)留渣試驗爐次冶煉過程控制和終點控制實際狀態(tài)對120 t轉(zhuǎn)爐留渣工藝進行研究分析，不斷摸索優(yōu)化留渣模式。成功開發(fā)了120 t復(fù)吹轉(zhuǎn)爐單渣留渣高效冶煉技術(shù)，并結(jié)合此項技術(shù)研發(fā)出適合其生產(chǎn)節(jié)奏和工藝裝備條件下的轉(zhuǎn)爐單渣留渣自動控制技術(shù)、高效開吹打火技術(shù)、快速精準留渣技術(shù)以及低堿度終渣循環(huán)冶煉技術(shù)等。

1 轉(zhuǎn)爐單渣留渣冶煉工藝流程

由于煉鋼廠鐵水硅≤0.50%的比例在85%以上，轉(zhuǎn)爐采用雙渣留渣工藝因前期起渣時機不好把握，不利于自動煉鋼模型的研究，且不利于生產(chǎn)節(jié)奏和爐體維護。為此，煉鋼廠在鐵水硅≤0.50%的條件下確定轉(zhuǎn)爐留渣工藝流程為單渣留渣循環(huán)工藝流程，并開發(fā)了120 t轉(zhuǎn)爐單渣留渣冶煉工藝技術(shù)，其工藝流程圖見圖1。

圖1 120 t轉(zhuǎn)爐單渣留渣冶煉工藝流程圖

2 工藝原理

由于轉(zhuǎn)爐留渣工藝與傳統(tǒng)工藝有所區(qū)別，為掌握轉(zhuǎn)爐單渣留渣工藝的規(guī)律和特點，針對轉(zhuǎn)爐單渣留渣工藝脫磷機理進行熱力學(xué)和動力學(xué)分析。

2.1 脫磷反應(yīng)熱力學(xué)分析

1)溫度影響

脫磷反應(yīng)是強放熱反應(yīng)，降低反應(yīng)溫度使KP增大，所以較低的熔池溫度更有利于脫磷。而采用轉(zhuǎn)爐留渣工藝由于前期低溫爐渣的存在降低了前期溫度，因此更有利于脫磷反應(yīng)。

2)堿度影響

增加CaO有效含量有利于脫磷反應(yīng)的進行，但從圖2(爐渣堿度和FeO對平衡磷的影響)可以看出，當(dāng)爐渣堿度大于3.0后，脫磷指數(shù)隨FeO增加而增大，隨堿度的增加變化不大。

圖2 堿度和FeO對平衡[P]的影響

3)FeO的影響

FeO于脫磷過程中起到雙重作用，一是起到氧化磷的作用，二是充當(dāng)把P2O5結(jié)合成3CaO·P2O5的基礎(chǔ)化合物的作用，所以可認為渣中存有FeO是脫磷反應(yīng)的必要條件。留渣工藝中由于終渣中存有部分FeO參與下一爐的反應(yīng)，更利于脫磷。

4)渣量的影響

增加渣量可在LP一定時降低[P]，因為增加渣量意味著稀釋P2O5的濃度，從而使Ca3P2O8也相應(yīng)減小，所以多次換渣是脫磷的有效措施。

2.2 脫磷反應(yīng)動力學(xué)分析

單渣留渣工藝冶煉前期爐內(nèi)渣量相對較多，為獲得良好的動力學(xué)條件，萊鋼銀山煉鋼廠在留渣爐次冶煉過程中采用低槍位、高氧壓進行吹煉，同時底吹采用大流量對鋼水進行攪拌。

3 單渣留渣工藝高效冶煉關(guān)鍵技術(shù)

3.1 快速精準留渣技術(shù)

轉(zhuǎn)爐留渣數(shù)量以及渣中FeO含量直接關(guān)系到冶煉過程的化渣速度，并關(guān)系到過程冷料的加入量。轉(zhuǎn)爐采用單渣留渣工藝其留渣量過少不利于前期化渣，且不利于濺渣護爐；而留渣量過多，不僅冶煉過程難以控制噴濺，且冶煉終點難以控制，后期提溫和脫碳速度明顯變緩，不利于終點一次命中。為此，煉鋼廠根據(jù)實際生產(chǎn)節(jié)奏和單渣留渣工藝過程化渣情況和終點控制情況來確定留渣量。經(jīng)各方面綜合考慮，確定留渣量為38～54 kg/t。采用出鋼后倒渣留渣，并根據(jù)終渣黏度來確定倒渣搖爐角度，以此來控制留渣量。

3.2 單渣留渣冶煉工藝自動化技術(shù)

煉鋼廠原有的自動煉鋼模型是不留渣常規(guī)自動煉鋼模型，因原有模型計算未考慮留渣工藝中所留渣中參與反應(yīng)的FeO對氧平衡參數(shù)的影響以及留渣量對熱平衡參數(shù)影響，導(dǎo)致采用單渣留渣冶煉工藝二級模型冷料計算加入量偏差較大，二級模型的自學(xué)習(xí)功能無法發(fā)揮作用，熱平衡、氧平衡參數(shù)發(fā)生混亂。因此，煉鋼廠在原二級系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行了升級改造，增設(shè)了留渣量一項，并將爐渣成分與留渣量納入模型計算，提高了二級系統(tǒng)計算的準確性。根據(jù)前期留渣生產(chǎn)實際分析與總結(jié)，成功開發(fā)了單渣留渣冶煉工藝自動吹煉模型和自動加料模型，目前該冶煉工藝的自動煉鋼比例已達到92%以上。

3.3 留渣高效打火技術(shù)

留渣工藝采用爐渣濺渣護爐后，再將廢鋼和鐵水加入爐內(nèi)進行冶煉，此時的爐渣溫度低、黏度高、易結(jié)成塊狀物漂浮于在熔池表面阻止氧氣與金屬接觸，不能產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，易造成打不著火或者打火不良，加之萊鋼銀山煉鋼廠采用干法除塵，打火不良極易導(dǎo)致電除塵泄爆事故。為此，煉鋼廠開發(fā)留渣高效打火技術(shù)。即裝完爐料后將轉(zhuǎn)爐向后搖至一定角度后搖至零位，使?fàn)t內(nèi)爐渣均勻散開在熔池液面上方；降槍槍位至爐口以下位置時打開氮氣(氮氣壓力控制在1.3～1.6 MPa)直至氧槍降到開吹打火位置恒定后繼續(xù)用氮氣吹掃10～20 s關(guān)閉氮氣，關(guān)閉氮氣的同時立即開氧打火，氧壓控制在0.38～0.45 MPa；待爐口火焰正常、煙氣中氧含量降至16%以下且呈下降趨勢后再緩慢將氧壓提升至正常吹煉氧壓，槍位同時恢復(fù)至正常冶煉槍位。降槍吹掃氮氣的目的之一是稀釋煙道中的煙氣，二是將熔池液面上方的爐渣吹散至周圍，利于氧氣與金屬直接反應(yīng)。本技術(shù)的開發(fā)提升了轉(zhuǎn)爐留渣開吹打火效果，減少了轉(zhuǎn)爐干法除塵開吹泄爆事故的發(fā)生概率，給轉(zhuǎn)爐安全留渣作業(yè)和設(shè)備穩(wěn)定順行提供了保障。

3.4 低堿度終渣循環(huán)冶煉技術(shù)

轉(zhuǎn)爐采用單渣留渣工藝因所留渣中含有大量的FeO，且爐內(nèi)渣量相對較多，同樣條件下，冶煉前期溫度控制明顯較常規(guī)冶煉工藝要低。由于前期溫度低，石灰加入量偏多反而影響化渣速度，且前期爐渣堿度過高會導(dǎo)致爐渣流動性變差、返干期提前，而中后期加入石灰量過多易造成爐渣返干、終渣過黏，影響脫磷效果，故煉鋼廠研發(fā)了低堿度終渣循環(huán)冶煉技術(shù)。石灰加入總量按照堿度2.0～2.5計算加入。這就要求冶煉前期充分利用所留渣中的FeO快速成渣，充分利用冶煉前期低溫優(yōu)勢進行高效脫磷。但前期渣不必控制過于泡沫化，否則前期低溫泡沫渣噴濺現(xiàn)象難以控制。

1)供氧制度

轉(zhuǎn)爐單渣留渣冶煉工藝氧槍槍位采用“高一低一低”模式。高槍位開吹利于快速化渣，前期起泡沫渣后槍位成梯度緩慢降低，以減緩FeO生成速度，防止?fàn)t渣泡沫化噴濺。由于轉(zhuǎn)爐單渣留渣操作冶煉過程渣量偏大，渣層較厚，常規(guī)冶煉槍位、氧壓難以使反應(yīng)均衡，為強化熔池攪拌，留渣工藝氧氣壓力較常規(guī)冶煉氧壓提高0.05～0.10 MPa，過程槍位較常規(guī)冶煉槍位降低100～200 mm。終點壓槍時間保證在1.5 min以上，均勻鋼水終點成分、溫度，降低終渣泡沫化程度。

2)溫度制度

單渣留渣工藝的溫度控制關(guān)鍵在于留渣量以及所留渣中的(FeO)含量。留渣量偏多則前期溫度上升較慢，冷料不宜過多攝入。若所留渣中的FeO含量偏大，則前期化渣較早，前期冷料加入量可適當(dāng)減少。熱值低的爐次前期可不加冷料。冷料易在返干期分批次加入，以提高渣中w(FeO)，利于中后期溫度均勻上升。

3.5 低熱值鐵水高效低能耗冶煉技術(shù)

隨著高爐的大型化發(fā)展以及選礦技術(shù)、煉鐵技術(shù)(噴煤量增加、焦比下降和利用系數(shù)提高等)的進步，使鐵水硅的質(zhì)量分數(shù)和出鐵溫度逐步降低成為大型高爐煉鐵技術(shù)的發(fā)展趨勢，由于鐵水硅含量和溫度的降低給傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐冶煉方式帶來了一定的影響。采用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐冶煉方式易造成化渣不良、粘槍、粘煙道、脫磷效果差等現(xiàn)象。目前轉(zhuǎn)爐冶煉低硅鐵水主要采用全鐵法、轉(zhuǎn)爐吹煉過程加入助溶劑(螢石、鐵礬土等)以及冶煉過程加入發(fā)熱劑等方法進行冶煉，這些方法隨著社會廢鋼的逐步增多以及煉鋼成本的壓力增大已不適應(yīng)當(dāng)前的形勢發(fā)展。為此，煉鋼廠開發(fā)了一種低熱值鐵水高效低能耗的冶煉技術(shù)。本技術(shù)開發(fā)的主要目的是在不影響廢鋼比的情況下解決低熱值鐵水轉(zhuǎn)爐冶煉過程中化渣困難、粘槍、粘煙罩以及脫磷率低等問題。該技術(shù)采用轉(zhuǎn)爐單渣留渣工藝，通過調(diào)整單渣留渣轉(zhuǎn)爐冶煉供氧參數(shù)、溫度制度和終點控制制度來實現(xiàn)。該技術(shù)在不添加任何助溶劑的情況下解決了低熱值鐵水轉(zhuǎn)爐冶煉過程中化渣困難、粘槍、粘煙罩等一系列問題，實現(xiàn)了少渣料煉鋼，石灰消耗可控制在25 kg/t以下，白云石消耗可控制在12 kg/t以下；礦石消耗可控制在5 kg/t之內(nèi)。

4 應(yīng)用效果

轉(zhuǎn)爐單渣留渣冶煉工藝改變了傳統(tǒng)的冶煉模式，為萊鋼銀山煉鋼廠120 t復(fù)吹轉(zhuǎn)爐降低冶煉成本、提高經(jīng)濟指標打下了良好的基礎(chǔ)。

4.1 散裝料、鋼鐵料消耗

單渣留渣工藝與常規(guī)冶煉工藝部分指標對比如表1所示。采用單渣留渣工藝散裝料和鋼鐵料消耗顯著降低。石灰消耗降低15.67 kg/t，白云石消耗降低1.60 kg/t，燒結(jié)礦消耗降低10.07 kg/t，鋼鐵料消耗減少18 kg/t。

表1 單渣留渣冶煉工藝與傳統(tǒng)冶煉工藝指標對比 kg/t

4.2 終點命中率和脫磷率

隨機抽取采用單渣留渣冶煉工藝與常規(guī)冶煉工藝各一個月的終點碳溫命中率和脫磷率進行對比，常規(guī)冶煉工藝平均脫磷率為88.56%，單渣留渣冶煉工藝脫磷率為90.12%(見表2)。由于轉(zhuǎn)爐單渣留渣冶煉工藝充分利用上一爐所留的爐渣進行快速化渣脫磷，且冶煉過程采取提高氧壓等措施改善了動力學(xué)條件，利于脫磷反應(yīng)進行。單渣留渣冶煉工藝脫磷率的提高使終點命中率和一次拉碳率得以大幅度提高，避免了終點過氧化現(xiàn)象。

表2 脫磷率、終點命中率和一次拉碳率對比 %

4.3 為提高轉(zhuǎn)爐廢鋼比創(chuàng)造了有利條件

由于單渣留渣冶煉工藝充分利用轉(zhuǎn)爐預(yù)留的上一爐終渣快速化渣脫磷，避免了過程加入大量燒結(jié)礦進行化渣的現(xiàn)象，該工藝過程不倒?fàn)t溫度損失相對較小，故利于提高轉(zhuǎn)爐廢鋼比。

4.4 渣 量

采用單渣留渣冶煉工藝后，由于散裝料加入量的降低以及終點命中率的提高等使轉(zhuǎn)爐渣量大幅度降低。傳統(tǒng)冶煉工藝與單渣留渣冶煉工藝渣量對比情況見表3。

表3 噴濺渣量和總渣量對比 kg/t

5 結(jié) 語

(1)通過轉(zhuǎn)爐單渣留渣工藝的研究，掌握了該工藝的規(guī)律和特點，建立了一套適合轉(zhuǎn)爐煉鋼發(fā)展的低消耗、低排放的工藝制度。

(2)建立了適合轉(zhuǎn)爐單渣留渣工藝的自動煉鋼模型并開發(fā)了留渣高效開吹打火技術(shù)與低堿度終渣循環(huán)冶煉技術(shù)等。

(3)轉(zhuǎn)爐采用單渣留渣工藝可降低石灰消耗15.67 kg/t，白云石消耗降低1.60 kg/t，燒結(jié)礦消耗降低10.07 kg/t，鋼鐵料消耗減少18 kg/t，渣量降低25.16 kg/t。