轉(zhuǎn)爐低鐵耗工藝優(yōu)化及生產(chǎn)實(shí)踐

王連全，李德帥，馮克亮

（天津市新天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津 301500）

新天鋼聯(lián)合特鋼煉鋼廠裝備情況：有3 座120 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，3 臺(tái)120 t LF 鋼包精煉爐，1 臺(tái)120 t VD 真空精煉爐，5 臺(tái)方、矩形坯連鑄機(jī)。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)包括碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼等，擁有一個(gè)集轉(zhuǎn)爐、LF 精煉、真空處理、連鑄四位一體的特鋼生產(chǎn)線，采用頂?shù)蛷?fù)吹轉(zhuǎn)爐→LF 精煉爐→連鑄的生產(chǎn)流程。

鐵水消耗作為轉(zhuǎn)爐一個(gè)關(guān)鍵工藝技術(shù)指標(biāo)，不僅決定轉(zhuǎn)爐冶煉消耗廢鋼的能力，也反映轉(zhuǎn)爐冶煉過程熱量利用效率，隨著鋼鐵市場(chǎng)形勢(shì)變化，鐵水與廢鋼價(jià)格的差距較大，降低鐵水消耗，提高廢鋼比，可降低生產(chǎn)成本[1]。鐵水日產(chǎn)維持在12 000～13 000 t，綜合考慮轉(zhuǎn)爐冶煉熱平衡、溫度控制、供氧制度、鋼坯質(zhì)量等各種因素的條件下，策劃降鐵增鋼實(shí)施方案，以達(dá)到降低鐵耗、提高鋼產(chǎn)量目的。煉鋼廠以轉(zhuǎn)爐冶煉熱量平衡和優(yōu)化生產(chǎn)組織作為基礎(chǔ)，采用優(yōu)化轉(zhuǎn)爐工藝的方法，增加精煉溫度補(bǔ)償時(shí)間，保證精煉進(jìn)站溫度高于鋼種液相線溫度20 ℃以上。精煉調(diào)整后確保出站溫度符合連鑄工序的要求。

1 存在的問題

我國作為世界工業(yè)強(qiáng)國，為應(yīng)對(duì)近年來氣候變化所引發(fā)的一系列經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境問題，提出了2030年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和2060 年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)，鋼鐵行業(yè)作為碳排放的大戶，實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的低碳發(fā)展是必然之勢(shì)。隨著廢鋼價(jià)格的降低，鐵水成本的上升，降低鐵水消耗不僅能夠減少碳排放量，也能夠帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益[2]。但在推行低鐵耗模式下，出現(xiàn)以下幾點(diǎn)問題：

1）轉(zhuǎn)爐冶煉過程需使用多種造渣料來完成脫磷、脫硫任務(wù)，若渣料較多，爐內(nèi)溫?fù)p增加，不僅影響終點(diǎn)溫度，還會(huì)增加工業(yè)廢料量，造成環(huán)境污染。若渣料較少，則會(huì)影響磷、硫分配比，且高氧化性、低堿度爐渣會(huì)加劇對(duì)爐襯鎂碳磚的侵蝕。

2）低鐵耗生產(chǎn)會(huì)使轉(zhuǎn)爐內(nèi)廢鋼堆積密度增加，開吹時(shí)易引起前期打不著火或氧槍頭碰觸廢鋼導(dǎo)致燒槍情況。

3）為提高轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)命中率，增加后吹爐次，延長供氧時(shí)間，增強(qiáng)終點(diǎn)氧化性，增加了鋼鐵料和合金消耗，影響生產(chǎn)周期。

4）由于打破冶煉熱平衡，爐內(nèi)溫度較低，出鋼過程廢鋼不能完全熔化，黏附在爐底和爐壁，造成爐底上漲，影響吹煉過程的槍位穩(wěn)定性；出鋼溫度低加上爐后加廢鋼，致使LF 精煉爐送電時(shí)間長，增加精煉電耗。

2 工藝及設(shè)備參數(shù)改進(jìn)

2.1 優(yōu)化造渣料

2.1.1 少渣冶煉提高熱量利用率

煉鋼造渣料原采用石灰、輕燒白云石、鎂球、石灰石、礦石、燒結(jié)礦等多種物料，石灰石等具有較強(qiáng)的冷卻效果，在爐內(nèi)反應(yīng)過程中不僅會(huì)吸收大量的熱能，同時(shí)會(huì)生成較多的二氧化碳?xì)怏w帶走熱量。采用低鐵耗操作，需充分利用現(xiàn)有物料的物理熱與化學(xué)熱，減少溫度損耗，針對(duì)此，結(jié)合各種造渣料的冷卻效果進(jìn)行重新梳理。停用了冷卻效果較強(qiáng)的石灰石、礦石、燒結(jié)礦，為保證適宜的渣中w（MgO），使用鎂球（w（MgO）≥65%）替代部分輕燒（w（MgO）≥34%），1 t 鎂球w（MgO）等同于2 t 輕燒，降低渣料加入量，降低了8～10 ℃的溫度損失，最終固化造渣料種類為石灰、輕燒白云石和鎂球。造渣料調(diào)整前后對(duì)比情況如表1 所示。

表1 造渣料調(diào)整前后對(duì)比 kg/t

在一定條件下加入1 kg 冷卻劑所消耗的熱量，就是冷卻劑的冷卻效應(yīng)，單位是kJ/kg，由于各種冷卻劑的成分不同，且存在成分波動(dòng)，為了便于生產(chǎn)中的使用，規(guī)定廢鋼的冷卻效應(yīng)值為1，其他冷卻劑冷卻效應(yīng)與廢鋼冷卻效應(yīng)的比值為冷卻效應(yīng)換算值。為了減少造渣料帶走的熱量，應(yīng)使用冷卻效應(yīng)較低的造渣料。常用冷卻劑效應(yīng)換算值如表2 所示。

表2 常用冷卻劑效應(yīng)換算值

2.1.2 采用高鈣石灰替代傳統(tǒng)石灰

使用冶金88 石灰（w（CaO）＞88%）代替冶金85石灰（w（CaO）＞85%），活性度提升39.96 mL，冶金石灰活性度增加，在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中能夠加快熔化速度，盡早成渣，加快脫除鋼水中雜質(zhì)元素的速度，從而提升冶煉節(jié)奏，穩(wěn)定鋼水質(zhì)量。w（S）降低0.08%，硫元素對(duì)于冶煉鋼種來說是有害元素，轉(zhuǎn)爐脫硫效率較低，僅為30%～40%，降低入爐物料的硫含量，能夠降低終點(diǎn)鋼水的硫含量，減輕轉(zhuǎn)爐和精煉爐的脫硫任務(wù)，尤其對(duì)冶煉低硫鋼種更加有利。w（CaO）上升3.15%，w（SiO2）下降0.395%，從而提高了石灰的有效氧化鈣含量，降低了冶金石灰的單耗。冶金石灰成分及活性度如表3 所示。

表3 冶金石灰成分及活性度

2.1.3 留渣操作及終點(diǎn)調(diào)渣

轉(zhuǎn)爐采取留渣操作，以降低造渣料的加入量。通過造渣料調(diào)整前后對(duì)比，不考慮礦石和燒結(jié)礦，石灰石按照50%折算，調(diào)整后渣料降低10.5 kg/t，上一爐剩余的爐渣中含有一定量的FeO，能夠加快石灰的溶解，促使初期爐渣的快速形成，脫除鋼水中有害元素。同時(shí)留渣比入爐的造渣料溫度高，能夠降低造渣過程消耗的熱量。轉(zhuǎn)爐內(nèi)初期渣量偏大時(shí)，渣層較厚，應(yīng)適當(dāng)降低氧槍槍位，增加供氧強(qiáng)度，將供氧強(qiáng)度由3.6m3/（t·min）提高至4.0 m3/（t·min），以加強(qiáng)氧氣流股對(duì)爐內(nèi)鐵水與廢鋼的攪拌作用。在轉(zhuǎn)爐濺渣前，根據(jù)終點(diǎn)爐渣的情況，加入50～200 kg 焦炭粉或鎂球進(jìn)行調(diào)渣，以增強(qiáng)爐渣的黏度，確保濺渣護(hù)爐效果。同時(shí)確保爐渣濺干，避免由于爐渣包裹廢鋼造成的大型噴濺事故。

2.2 改進(jìn)供氧制度

2.2.1 改進(jìn)氧槍參數(shù)

將氧槍喉口直徑由Φ39 mm 調(diào)整到Φ38 mm，氧槍夾角由12.5°調(diào)整到12°，其余參數(shù)不變。計(jì)算所得沖擊半徑較調(diào)整前減小0.7%，沖擊深度提高1.5%。

新4 孔噴頭設(shè)計(jì)參數(shù)為喉口直徑Φ38.6 mm，馬赫數(shù)Ma=2.0，出口直徑Φ50.1mm，夾角α=12°。

新4 孔噴頭槍位h=1 400 mm 時(shí)，氧氣射流對(duì)熔池的沖擊直徑計(jì)算：D=htan（α+8.5）×2=1 400×tan（12+8.5）×2=1 046.9 mm。

原氧槍頭的沖擊直徑為1 074.8 mm，爐膛直徑為4 290 mm，調(diào)整后的沖擊面積縮小5.12%。

新4 孔噴頭槍位在1 400 mm 時(shí)，壓力為0.95 MPa，流量27 200 m3/h，調(diào)整前的流量為27 400 m3/h，計(jì)算沖擊深度的變化。所采用的氧槍沖擊深度計(jì)算公式為：

式中：H 為氧槍槍位，mm；n 為孔數(shù)，個(gè)；K 為常數(shù)，取1.0；Q 為噴頭供氧流量，m3/h；Lh0為在槍位H=0 時(shí)的沖擊深度，mm；L 為穿透深度，mm；D喉為喉口直徑，mm。

熔池深度為1 500 mm，對(duì)比調(diào)整前后氧氣流股的沖擊深度占熔池液面深度的比值，增加了1.5%。

2.2.2 調(diào)整吹煉過程槍位及氧壓

由于入爐廢鋼量的增加，開吹時(shí)要緩慢降槍，注意觀察爐口的火焰，避免氧槍觸碰到廢鋼造成燒槍。為了快速打火，前期氧壓增加到1.0 MPa，增強(qiáng)氧氣流股的穿透力，如果還是不能打火，需要及時(shí)提槍，補(bǔ)充少量鐵水或者進(jìn)行前后搖爐，確保打火成功。吹煉中期氧氣壓力調(diào)整到0.8～0.9 MPa，低鐵耗槍位較高鐵耗槍位降低100～200 mm，低槍位有利于控制初期爐渣FeO 含量增長過快造成的噴濺。轉(zhuǎn)爐操作人員同時(shí)考慮轉(zhuǎn)爐的裝入量以及鐵水和廢鋼的配比，避免由于前期槍位太低導(dǎo)致燒槍事故。在吹煉的中后期，根據(jù)爐口火焰適當(dāng)提高槍位到1 600～2 000 mm，可以控制爐渣的返干情況，同時(shí)關(guān)注廢鋼在中后期熔化的現(xiàn)象，避免鋼水液面劇烈波動(dòng)，造成鋼水粘槍頭情況。終點(diǎn)脫碳時(shí)，氧壓提高到1.0 MPa，槍位降低到800～1 000 mm，壓槍時(shí)間控制在30 s 以上，強(qiáng)化氧氣流股對(duì)鋼水的攪拌，促進(jìn)廢鋼熔化，同時(shí)確保脫碳效果，降低渣中全鐵含量。吹煉過程氧槍槍位圖如圖1 所示。

圖1 吹煉過程氧槍槍位圖

2.3 縮短冶煉周期，降低溫度損失

對(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行梳理，從設(shè)備運(yùn)行參數(shù)到人員操作細(xì)節(jié)都需進(jìn)行優(yōu)化，以縮短轉(zhuǎn)爐的整個(gè)冶煉周期。做好入爐鐵水、廢鋼的供應(yīng)，不僅需確保鐵水重量符合要求，達(dá)到鐵耗的目標(biāo)值，而且要保證入爐物料按時(shí)吊運(yùn)到轉(zhuǎn)爐平臺(tái)，做好生產(chǎn)過程的銜接；規(guī)范鋼筋壓塊的尺寸為800 mm×800 mm×（1 800±200）mm，減少鋼筋壓塊卡爐口的情況。氧氣支管壓力由0.70～0.85 MPa 提升至0.80～1.0 MPa，根據(jù)碳氧不同反應(yīng)期的供氧要求，采取分階段供氧的措施，配合氧槍槍位的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到加快脫碳速度、縮短供氧時(shí)間的效果；調(diào)整出鋼口內(nèi)徑尺寸，由Φ170 mm 調(diào)整為Φ190 mm，在確保擋渣效果的前提下，縮短出鋼時(shí)間。根據(jù)反應(yīng)過程中濺渣情況，判斷渣量大小，選擇留半渣或者留全渣操作，縮短倒渣時(shí)間。優(yōu)化調(diào)整后，平均冶煉周期由26.5 min/爐降低至20.8 min/爐，生產(chǎn)過程的溫降減少5～10 ℃。調(diào)整前后的冶煉周期情況如表4 所示。

表4 冶煉周期對(duì)比 min

2.4 利用合金烘烤與鋼包加蓋進(jìn)行溫度補(bǔ)償

新增合金烘烤與鋼包加蓋設(shè)備，對(duì)于轉(zhuǎn)爐爐后使用的合金與廢鋼進(jìn)行預(yù)熱，合金加熱10 min 后，溫度能達(dá)到400～500 ℃。鋼包采用全程加蓋，不僅對(duì)鋼包熱量流失起到良好作用，鋼包內(nèi)殘余溫度提高130 ℃以上，還能在鋼包運(yùn)輸過程中降低各環(huán)節(jié)溫度損失，使鋼包周轉(zhuǎn)過程熱量趨于穩(wěn)定，通過以上設(shè)備的投入，可降低出鋼溫度30 ℃以上，為低鐵耗快節(jié)奏創(chuàng)造良好條件。

2.5 充分發(fā)揮LF 精煉爐冶金功能，合理分配煉鋼任務(wù)

2.5.1 分析鋼水中P 元素

低鐵耗時(shí)轉(zhuǎn)爐的終點(diǎn)溫度降低了35 ℃，終點(diǎn)爐渣的w（∑FeO）升高了1.8%，w（CaO）降低了0.82%，計(jì)算P 的分配系數(shù)LP，提高了101，對(duì)比實(shí)際鋼水成分，w（P）降低了0.003%，與理論計(jì)算值一致。具體計(jì)算公式為：lgLP=22 350/T-21.876+5.6lgw（CaO）+2.5lgw（∑FeO）。

調(diào)整前：lgLP=22 350/T-21.876+5.6lg48.63+2.5lg16.14，LP=173；

調(diào)整后：lgLP=22 350/ T -21.876+5.6lg46.11+2.5lg17.94，LP=274。

2.5.2 分析鋼水中S 元素

2.5.3 精煉升溫效果

隨著鐵水裝入量的減少，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水溫度降低，為達(dá)到連鑄鋼水的目標(biāo)溫度，可以增加LF 精煉爐的送電時(shí)間來提升溫度，通過鋼包內(nèi)造白渣，實(shí)現(xiàn)高效脫硫。通過石墨電極的埋弧加熱，其熱輻射小，減輕了對(duì)鋼包耐材的侵蝕，根據(jù)精煉鋼水條件，調(diào)整弧流、弧壓、氬氣攪拌強(qiáng)度，加快成渣速度，提高熱效率，升溫幅度達(dá)到4～6 ℃/min，而且石墨電極參與鋼包內(nèi)的反應(yīng)，提高了鋼包渣的還原性，生成的CO 強(qiáng)化了LF爐內(nèi)的還原性氣氛，提高合金收得率。相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)式為：C+FeO=Fe+CO；C+MnO=Mn+CO。精煉溫度控制情況、轉(zhuǎn)爐爐渣成分以及鋼水成分對(duì)比如表5—表7 所示。

表5 精煉溫度控制

表6 轉(zhuǎn)爐爐渣成分

表7 鋼水成分對(duì)比

2.6 做好爐況維護(hù)工作

當(dāng)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度低時(shí)，容易造成后吹的情況，終點(diǎn)爐渣氧化性變強(qiáng)，加劇對(duì)爐襯的侵蝕，因此需要加強(qiáng)對(duì)爐況的維護(hù)，減少因補(bǔ)爐操作增加的輔助時(shí)間，否則會(huì)影響生產(chǎn)連續(xù)性。通過每個(gè)班次對(duì)爐殼的渣線、耳軸區(qū)域進(jìn)行測(cè)溫，發(fā)現(xiàn)溫度偏高時(shí)，及時(shí)安排補(bǔ)爐。對(duì)薄弱部位采取貼鎂碳磚進(jìn)行維護(hù)[3]。使用水基大面料，實(shí)現(xiàn)縮短補(bǔ)爐料的燒結(jié)時(shí)間、增加補(bǔ)爐料的抗侵蝕時(shí)間的效果。加強(qiáng)對(duì)爐底的維護(hù)，每個(gè)班組接班后，對(duì)爐底高度進(jìn)行測(cè)量，爐底過高時(shí)，采取洗爐底的操作，保證爐底維持在適宜的高度。合理的爐形能夠穩(wěn)定裝入量，減輕吹煉過程中爐渣對(duì)爐帽部位的侵蝕，達(dá)到延長爐襯壽命、均衡爐襯損毀、降低生產(chǎn)成本的目標(biāo)。對(duì)轉(zhuǎn)爐渣進(jìn)行抽檢，根據(jù)爐渣成分，調(diào)整輕燒白云石和鎂球的加入量，確保爐渣w（MgO）在7%～8%，避免因爐況問題而影響低鐵耗目標(biāo)的完成。

3 結(jié)論

1）通過優(yōu)化造渣料種類、供氧強(qiáng)度、出鋼口尺寸、氧槍角度等工藝，鐵耗由750 kg/t 降低到720 kg/t 以下，且單日最低鐵耗為697 kg/t；

2）由于縮短了生產(chǎn)周期與各環(huán)節(jié)銜接時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，減少了過程溫度損失；

3）新增合金烘烤與鋼包加蓋設(shè)備，促進(jìn)了鐵耗進(jìn)一步降低；

4）加強(qiáng)對(duì)爐襯的監(jiān)測(cè)和維護(hù)，轉(zhuǎn)爐的爐齡最高達(dá)到33 980 爐，達(dá)到行業(yè)內(nèi)先進(jìn)水平，為低鐵耗生產(chǎn)夯實(shí)基礎(chǔ)。