高廢鋼比對轉爐煉鋼工藝的影響及對策

李偉東，王金輝，何海龍

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

我國絕大多數(shù)鋼鐵產量采用 “高爐-轉爐”長流程生產，轉爐主要原料為鐵水和廢鋼。隨著國內外高品位鐵礦資源和優(yōu)質焦煤資源的大量消耗及節(jié)能減排壓力的日益加大，高爐鐵水的生產成本逐步提高［1］。我國廢鋼保有量和產生量逐年增加，價格逐漸降低，轉爐采用高廢鋼比冶煉不僅能夠減少對礦石的依賴，還能夠減少碳排放和轉爐冶煉渣量，提高煉鋼產能。

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠（以下簡稱“煉鋼總廠”）從2020年10月份開始進行鋼鐵料結構調整，提高廢鋼比，降低鐵水單耗，操作模式由低廢鋼比向高廢鋼比轉變，當廢鋼比由10.27%提高到14.65%時，轉爐冶煉各項指標均下滑。因此，有必要分析高廢鋼比對轉爐煉鋼工藝的影響，以制定相應的優(yōu)化措施，保證高廢鋼比條件下轉爐生產指標的穩(wěn)定，提高生產效率。

1 高廢鋼比對轉爐煉鋼工藝影響分析

1.1 對轉爐操作的影響

高廢鋼比操作會對轉爐開吹打火和造渣產生不利影響，從而影響轉爐終點碳溫的控制。

（1）廢鋼在轉爐熔池內的融化要經過廢鋼表面的鐵水冷凝、冷凝層融化、廢鋼滲碳融化三個過程。高廢鋼比爐次時，鐵水和廢鋼裝入后，小塊且比表面積大的板狀廢鋼在冶煉前期能夠迅速融化，熔池溫度會驟降，使得轉爐開吹打火困難。尤其是采用轉爐干法除塵為了控制卸爆，采用低氧壓打火時，打火不暢的現(xiàn)象尤為突出。

（2）由于熔池溫度低，冶煉前期爐內金屬的粘度增加，降低了熔池傳熱和傳質速度，吹氧反應區(qū)的熱量向熔池其它部分的傳遞速度降低，熔劑升溫速度慢，尤其是大塊、非板狀、低碳的廢鋼本身融化速度較慢，當其比率高時，進一步延緩了升溫速度，從而造成轉爐成渣困難，前期脫磷率下降［2］。而且采用提溫劑升溫時，有的爐次采用硅鐵，造成渣量增加，渣況惡化，影響脫磷效果。不同結構的廢鋼融化速度差異大，冶煉過程溫度波動大，脫磷率不穩(wěn)定，使得冶煉終點不易控制，造成終點碳溫命中率下降，高溫及過氧化爐次增加。

1.2 對轉爐爐襯維護的影響

高廢鋼比爐次時，廢鋼加入量增加，加入廢鋼時對爐襯表面的沖擊力增大，尤其受廢鋼槽容量限制，為提高廢鋼比，重型廢鋼的比率高，不僅延長了廢鋼對轉爐大面部位耐材的沖擊時間,而且提高了機械作用強度。冶煉前期由于熔池溫度低，成渣困難，堿度低，爐襯侵蝕嚴重［3］。由于鐵水比降低，轉爐冶煉的總渣量下降，且操作的不穩(wěn)定造成異常爐次增加，渣中FeO含量高，濺渣護爐效果變差，濺渣層變薄且不穩(wěn)定，增加了爐襯的維護難度。

1.3 對鋼水成分的影響

采用提溫劑進行高廢鋼比操作增加了轉爐回硫量，同時冶煉終點鋼水氮含量有增加趨勢。

廢鋼比增加后，廢鋼來源發(fā)生變化，外購廢鋼的比率增加，硫含量不穩(wěn)定，轉爐冶煉回硫量波動大，對RH生產低硫鋼的硫成分控制不利。為增加轉爐熱源，提溫劑主要使用焦炭，焦炭硫含量高，進一步增加了轉爐回硫量。大塊、非板狀、低碳的廢鋼融化速度慢，影響轉爐的脫氮效果，同時為了減少提溫劑的使用，轉爐終點碳含量傾向于下限控制，造成冶煉終點鋼水氮含量增加。

2 采取的措施

2.1 優(yōu)化廢鋼尺寸和結構

為了減少廢鋼加入過程對爐襯的沖擊，盡可能縮小入爐廢鋼尺寸。煉鋼總廠對自產坯頭、坯尾、中間包殘鋼、報廢鑄坯等廢鋼的尺寸進行嚴格控制，根據(jù)不同類型轉爐制定不同的切割標準，增加切割次數(shù)，降低單塊廢鋼的重量。控制外購廢鋼種類，以尺寸較小的破碎料和生鐵塊為主。同時對廢鋼結構嚴加管控，控制非板狀、低碳廢鋼的最大配比，縮短廢鋼在轉爐內的融化時間，降低對轉爐脫氮的影響。廢鋼配比結構為破碎料加生鐵塊約40%，自產重型坯頭廢鋼不超20%，非板狀及低碳廢鋼不超20%，軋鋼廠自產廢鋼約20%，并保持該配比穩(wěn)定。廢鋼尺寸和結構優(yōu)化后，不僅能夠保證廢鋼充分融化，同時高硫廢鋼比率得到控制，從而能夠有效控制轉爐冶煉的回硫量。

2.2 優(yōu)化轉爐造渣工藝

一般可以根據(jù)渣中FeO的含量將轉爐成渣路徑分為“鐵質成渣路徑”和“鈣質成渣路徑”兩種，如圖1所示，兩種成渣路徑目的都是形成堿度合適，具有一定流動性的爐渣，并保證終渣滿足濺渣護爐要求。

圖1 轉爐成渣路徑Fig.1 Slag Formation Route for Converter

由圖 1 看出，鐵質成渣路徑中，O1、O2、O3點渣系中FeO含量分別為40%、35%、25%左右，該路徑的核心是通過優(yōu)化轉爐造渣和供氧制度，快速提高渣中FeO含量，控制冶煉過程渣系組分按O1→O2→O3進行，即冶煉前期的初期渣系快速達到圖1中O1點組分要求，冶煉過程控制爐渣組分在O2點進行過程脫碳，冶煉后期將終渣組分控制在O3點附近。為最大限度提高鐵質成渣效果，提高過程渣的脫磷能力，冶煉過程實際爐渣組分應控制在成渣線SL與路徑2圍成的陰影區(qū)域內。

低廢鋼比工藝條件下，煉鋼總廠大多采用的是鈣質成渣路徑，此路徑冶煉過程爐渣堿度高，F(xiàn)eO含量低，有利于保護爐襯，穩(wěn)定吹煉過程，終點容易命中，利于自動化控制，但爐渣容易返干，對低磷鋼冶煉不利。高廢鋼比冶煉特征是前期熔池溫度低，成渣困難，因此采用鐵質成渣路徑更有利于廢鋼融化和快速成渣。但該路徑不利于吹煉過程的穩(wěn)定，不利于自動化控制，對工藝操作的要求更高。煉鋼總廠廢鋼比提高后，轉爐造渣方式由鈣質成渣路徑轉化為鐵質成渣路徑。

實際生產操作過程中，需分批加入造渣劑，第一批料以鎂質熔劑為主，并將加入時間后延1～2 min，有利于熔池的升溫和廢鋼的快速融化。前期增加渣中MgO含量可有效保護濺渣層，增加FeO含量促進化渣。然后根據(jù)化渣情況，冶煉過程分3～5批加入造渣料，逐步提高渣中CaO含量。操作過程為避免爐渣返干，根據(jù)化渣情況控制每批料的加入總量，加料過程以高槍位操作為主，必要時可加入鐵質化渣劑增加渣中FeO含量，造渣劑需在吹氧三分之二時全部加完。冶煉后期需及時降槍，冶煉終點保證拉碳時間大于3 min，降低渣中FeO含量，使終渣組分落在O3點附近，并保證爐渣MgO含量在7%～9%范圍內，減少鋼鐵料損失，使終渣滿足濺渣護爐要求。

2.3 優(yōu)化提溫劑的使用

轉爐提高廢鋼比后，熱量不足，需要加入提溫劑保證熱平衡。尤其是煉鋼總廠入廠鐵水溫度低，鋼水運輸時間長，溫降大，提溫劑使用量大，因此需規(guī)范使用提溫劑，從而減少對冶煉操作的影響。目前能夠加入轉爐的固體燃料包括碳化鈣、碳化硅、硅鐵、焦炭等。碳化鈣成本高且在轉爐內融化速度慢，轉爐終渣中存在未反應的碳化鈣，使得升溫效率不穩(wěn)定，限制了其使用。碳化硅作為提溫劑成本高且反應生成SiO2，增加了渣料消耗，加入量不易過大，使用受到限制。硅鐵作為提溫劑，其塊度和穩(wěn)定性都便于控制，裝爐操作也更為精簡，使用的靈活性較高，用量可控，但其成本高且反應生成SiO2，加入量也不易過大。焦炭作為提溫劑，成本低，融化速度快，升溫效率高，因此被廣泛應用于各類型轉爐，但其加入量大時，要考慮對轉爐回硫量增加的影響。

煉鋼總廠經過工業(yè)試驗最終確定以焦炭為主，硅鐵為輔的轉爐提溫模式。實際生產過程中，針對RH精煉處理的低硫鋼種限制焦炭的加入量，提高硅鐵加入量，控制回硫量。針對鐵水硅含量低的爐次，尤其是冶煉低磷鋼種時，可適當增加硅鐵的加入量，強化轉爐化渣效果，提高脫磷率。

為最大限度發(fā)揮提溫劑的升溫效率，提溫劑需在轉爐開吹打火成功后即加入，提溫劑發(fā)熱后可加快廢鋼融化，并使熔池快速升溫，為第一批渣料的融化提供良好的熱力學條件。

2.4 優(yōu)化轉爐操作工藝

廢鋼比提高后，為提高轉爐冶煉終點碳溫的命中率，優(yōu)化了轉爐操作工藝，采用了如下措施：一是降低出鋼溫度。通過優(yōu)化鋼包和中間包保溫層砌筑工藝、轉爐應用大出鋼口、開發(fā)應用鋼包定位管理系統(tǒng)、優(yōu)化鋼包保溫工藝等措施，將出鋼溫度降低了14℃。二是按照鐵質成渣路徑優(yōu)化轉爐冶煉控制模型。重點包括細化各熔劑不同加入時間的降溫效率，提高溫度預測準確性；改進冶煉槍位和氧流量控制模型，保證冶煉過程化渣效果及渣系組分的控制精度；根據(jù)不同鋼種終點碳溫的要求，相應制定冶煉終點控制模型，重點是拉碳槍位和拉碳時間；根據(jù)鋼種要求細化底吹后攪拌工藝，進一步降低渣中FeO含量。

3 取得的效果

通過上述冶煉工藝的優(yōu)化改進，廢鋼比最終達到了17%，轉爐冶煉指標得到了有效改善，優(yōu)化前后轉爐冶煉A鋼種工藝指標對比見表1所示。

表1 優(yōu)化前后轉爐冶煉A鋼種工藝指標對比Table 1 Comparison of Technical Indexes for Steel Grade A Smelted by Converter before and after Optimization

由表1可以看出，工藝優(yōu)化后，廢鋼單耗提高了43 kg/t鋼，廢鋼比提高到了17%，利用系數(shù)提高3 t/（公稱 t·d）。轉爐冶煉終點碳溫命中率、終點磷含量、終渣平均FeO含量、成分異常爐次比率四項指標顯著改善。終點氮含量和硫含量分別降低了0.000 4%和0.001 0%，回硫和增氮得到有效控制，雖然對比低廢鋼比操作有所增加，但仍控制在較低水平，滿足低氮鋼、低硫鋼的標準要求。

4 結論

針對鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠降低鐵水單耗、提高廢鋼比對轉爐冶煉產生不利影響的問題，優(yōu)化了轉爐煉鋼工藝，得出如下結論：

（1）控制入爐廢鋼尺寸，降低廢鋼單重，能夠減少廢鋼對爐襯的機械沖擊?？刂迫霠t廢鋼的結構并保持各類型廢鋼配比的穩(wěn)定，尤其是控制高硫廢鋼的比率，不僅有利于廢鋼的快速融化，減少增氮，還能穩(wěn)定控制轉爐的回硫量；

（2）采用鐵質成渣路徑能夠快速提高渣中MgO和FeO含量，減少爐襯侵蝕，提高化渣效果，并逐步提高渣中CaO含量，從而滿足脫磷要求。依據(jù)鐵質成渣路徑對轉爐冶煉控制模型進行優(yōu)化，碳溫命中率提高了1.31%，平均終渣FeO含量降低了2.69%，達到了濺渣護爐的要求；

（3）采用以焦炭為主、硅鐵為輔的轉爐提溫模式。針對RH精煉處理的低硫鋼種限制焦炭的加入量，提高硅鐵加入量；針對鐵水硅含量低的爐次，尤其是冶煉低磷鋼種時，適當增加硅鐵的加入量，強化轉爐化渣效果。