留渣雙渣法冶煉工藝研究

邵 華,晏 武,趙 斌

(1.日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司,山東 日照 276806)

氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐的供氧時間僅僅十幾分鐘,在此期間要完成脫碳、脫硅、脫磷、升溫以及去除夾雜等冶煉任務(wù),而絕大部分的冶金反應(yīng)都是通過鋼渣界面完成的,為能夠高效、低成本的冶煉出優(yōu)質(zhì)鋼水,就需要對轉(zhuǎn)爐造渣工藝進(jìn)行充分研究,正所謂“煉鋼就是煉渣”。煉鋼造渣工藝有單渣法、留渣法及留渣雙渣法等。單渣法就是濺渣護(hù)爐后將熔渣全部倒掉,吹煉過程只造一次渣,中途不倒渣,適用于對磷要求不嚴(yán)格的鋼種;留渣法是將上爐終點熔渣的一部分或者全部留下給本爐使用,減少本爐次的渣料消耗,吹煉過程不倒渣;留渣雙渣法則是將上爐終點熔渣的一部分或者全部留下給本爐使用,在吹煉至4～5 min倒?fàn)t倒除30 %～60 %的熔渣,然后加入新渣料重新造渣。各種造渣工藝的優(yōu)缺點見表1。

表1 不同造渣工藝的優(yōu)缺點

留渣雙渣法可利用上一爐終點熔渣的高溫、高堿度以及高氧化鐵含量等特點,促進(jìn)轉(zhuǎn)爐前期渣的形成,并且能有效的提高前期脫磷效果。待硅錳氧化期結(jié)束后,倒?fàn)t將磷容量接近飽和的熔渣倒一部分,重新加入石灰、白云石等渣料,大大了提高了后期渣的堿度,提高了脫磷的熱力學(xué)條件。同時因爐內(nèi)渣量低,吹煉過程平穩(wěn)無噴濺,氧槍及底吹可實現(xiàn)大流量攪拌,進(jìn)一步提高脫磷的動力學(xué)條件。張旭等人[1]早在馬鋼70 t轉(zhuǎn)爐采用留渣雙渣法后,前期脫磷率達(dá)到了45.57 %,磷分配比達(dá)到了65.23的效果,此外首鋼遷安公司在采用留渣雙渣法后,轉(zhuǎn)爐石灰消耗降低了47 %,輕燒白云石消耗降低了55 %,總渣量降低了30 %,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益[2]。

1 留渣雙渣法對冶煉的影響

山東某鋼廠有2座120 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐,年設(shè)計產(chǎn)能200萬噸,均采用濕法除塵。為研究不同造渣工藝對冶煉的影響,特進(jìn)行對比試驗,其中A爐座采用留渣雙渣法冶煉,B爐座采用常規(guī)單渣法冶煉,通過脫磷率、石灰消耗、鋼鐵料消耗、氧耗、冶煉周期等方面來分析留渣雙渣法對冶煉的影響。

1.1 留渣雙渣法對脫磷的影響分析

對于絕大多數(shù)鋼種來說,磷為有害元素,轉(zhuǎn)爐脫磷技術(shù)也成為煉鋼過程中的重要環(huán)節(jié)。為實現(xiàn)低磷鋼的冶煉,2001年日本新日鐵開發(fā)了MURC工藝技術(shù)路線[3],對轉(zhuǎn)爐分段冶煉的工藝進(jìn)行了詳細(xì)的分析與研究,此后國內(nèi)轉(zhuǎn)爐鋼廠積極探索采用“留渣+雙渣”工藝技術(shù)使脫硅、脫磷與脫碳分段冶煉的方法[4]。

1.1.1 轉(zhuǎn)爐脫磷的熱力學(xué)分析

轉(zhuǎn)爐脫磷最高效的階段主要集中在硅錳氧化期結(jié)束與碳氧反應(yīng)之前,根據(jù)分子理論脫磷機(jī)理,脫磷是渣鋼界面反應(yīng),其主要反應(yīng)由以下環(huán)節(jié)組成:

5(FeO)=5[O]+5[Fe]

(1)

2[P]+5[O]=(P2O5)

(2)

(P2O5)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)

(3)

2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5[Fe]

(4)

(5)

由式(5)可知,高堿度、高氧化性爐渣以及低溫有利于脫磷反應(yīng)的進(jìn)行。馬鞍山鋼鐵對轉(zhuǎn)爐前期渣鋼磷分配比進(jìn)行回歸,結(jié)果如下:

(6)

在此,需對式(6)進(jìn)行說明,式中TFe應(yīng)表征為渣中Fe2+、Fe3+所對應(yīng)的鐵元素的TFe含量,而不應(yīng)該包括渣中金屬鐵珠(單質(zhì)鐵)。因此,低溫、高堿度以及高氧化性可提高渣鋼的磷分配比,而留渣雙渣法在吹煉前期恰恰滿足了這些要求,因此能獲得更好的脫磷效果。

1.1.2 留渣雙渣法脫磷實踐

A爐座采用留渣雙渣法,留渣量控制在30～40 kg/t,開吹后頭批渣料加入總渣料的40 %,吹煉4～5 min后提槍倒?fàn)t倒掉總渣量的50 %,之后加入剩余渣料。B爐座采用單渣法,開吹后頭批料加入總渣料的70 %,吹煉4～5 min后加入剩余渣料。分別對兩種造渣工藝吹煉4～5 min及吹煉終點取渣樣,結(jié)果如表2。

表2 不同造渣工藝吹煉前期及終點渣樣

分別在吹煉4～5 min及吹煉終點取成分樣,對比不同造渣工藝、不同吹煉期的脫磷效果,結(jié)果如圖1、圖2。

圖1 不同造渣工藝吹煉前期脫磷率對比

圖2 不同造渣工藝吹煉終點脫磷率對比

對比不同造渣工藝的前期渣,留渣雙渣法因降低了頭批渣料加入,且相應(yīng)的提高了前期槍位,使得前期渣堿度低、渣中FeO高。結(jié)合國內(nèi)外不同專家學(xué)者對轉(zhuǎn)爐前期高效脫磷開展的研究以及提供的轉(zhuǎn)爐前期脫磷窗口:熔池溫度為1370～1420 ℃,爐渣堿度為1.5～2.2,渣中FeO含量為≥18 %[5,6,7],可以看出留渣雙渣法的堿度及渣中FeO含量均控制在窗口內(nèi),有利于前期脫磷。高堿度熔渣理論上是有利于脫磷,但是為保證前期溫度在高效脫磷窗口內(nèi),熔池前期溫度偏低,不利于高堿度渣的熔化,且從現(xiàn)場取樣分析來看,渣中存在大量的未熔化的石灰顆粒,因此前期高堿度渣不利于化渣脫磷。由圖1可以看出,留渣雙渣法的前期脫磷率較單渣法高4 %～9 %。

對比不同造渣工藝的終點渣,留渣雙渣法因中途倒?fàn)t倒出50 %的前期渣,后補充剩余新的渣料,導(dǎo)致終點堿度高,且后期爐內(nèi)總渣量較單渣法低10～15 kg/t,吹煉過程平穩(wěn),槍位控制相對更加靈活,可提供更好的脫磷所需的動力學(xué)條件,同時由圖2可以看出,留渣雙渣法的終點脫磷率較單渣法高10 %。

1.2 留渣雙渣法對轉(zhuǎn)爐成本的影響

除提高鋼水質(zhì)量外,轉(zhuǎn)爐冶煉還在節(jié)約成本等方面面臨巨大的壓力及挑戰(zhàn)。而影響轉(zhuǎn)爐冶煉成本主要包括造渣料、鋼鐵料及能源三方面,而留渣雙渣法在這三方面均有較大的優(yōu)勢。八一鋼鐵在采用留渣雙渣法后石灰及白云石消耗分別降低了8.94 kg/t和7.77 kg/t[8]。天鐵熱軋板公司迫于降本壓力開始著力于干法靜電除塵下的留渣雙渣法的冶煉工藝研究,每年降本超187.56萬元[9]。因此,留渣雙渣法工藝在轉(zhuǎn)爐冶煉具有不可替代的經(jīng)濟(jì)性。

1.2.1 留渣雙渣法對石灰消耗的影響分析

采用留渣雙渣法后,轉(zhuǎn)爐吹煉前期及中后期脫磷率均有所提高,在保證產(chǎn)品質(zhì)量要求的前提下可減少轉(zhuǎn)爐渣料消耗。對比不同造渣工藝的石灰消耗如圖3所示。

圖3 不同造渣工藝的石灰消耗

從圖3可以看出,留渣雙渣法的石灰消耗較單渣法石灰消耗平均低15 %,尤其是鐵水硅大于0.4 %后表現(xiàn)的更為明顯。主要原因為鐵水硅高后,單渣法為保證終渣具有一定的堿度,石灰需求量大,而留渣雙渣法則可利用前一爐次剩余的高堿度渣來平衡下爐次前期硅氧化后所需的石灰,且吹煉3～5 min后可通過倒?fàn)t倒渣工藝將多余的前期低堿度渣去除,減少中后期石灰加入量。

其次,鐵水硅高后因爐內(nèi)渣量大,當(dāng)渣量≥100 kg/t時采用單渣法吹煉過程非常容易發(fā)生噴濺,而操作者往往是通過加料的方式來打通氣道促進(jìn)CO排出來抑制噴濺的,這就導(dǎo)致了爐內(nèi)的渣量的進(jìn)一步增加,不利于正常冶煉進(jìn)行。而雙渣法則可保證爐內(nèi)渣量時刻≤80 kg/t,甚至更低,同一爐容比的條件下噴濺率大大降低。

此外,噴濺的發(fā)生往往伴隨著渣料的損失,尤其是前期渣還未完成脫磷任務(wù),渣中磷未飽和就損失,甚至部分石灰仍未完全融化就隨噴濺帶出爐外,為保證終點磷合格,需要補充新的石灰完成脫磷任務(wù),導(dǎo)致石灰消耗量急劇增加。

1.2.2 留渣雙渣法對鋼鐵料消耗的影響分析

鋼鐵料消耗是影響轉(zhuǎn)爐成本的最主要因素,其計算方法為:鋼鐵料消耗(kg/t)=[鐵水(kg)+廢鋼(kg)]/合格出鋼量(t)。根據(jù)鐵元素守恒可以分析影響出鋼量的主要因素包括渣中鐵損失、煙塵鐵損失以及噴濺鐵損失三部分。因渣中含有較高的FeO及金屬鐵珠,因此渣量大必然帶來較大的鐵元素?fù)p失;而噴濺會直接將爐渣及金屬液帶出爐外,也會帶來較大的鐵元素?fù)p失;除此之外,由于氧槍周圍一次燃燒區(qū)溫度高,部分鐵水形成鐵蒸氣隨爐氣進(jìn)入除塵管道,以煙塵的形式損失掉,最終被除塵所捕獲。兩種造渣工藝所對應(yīng)的總渣量、除塵所產(chǎn)生的污泥、噴濺率以及對鋼鐵料消耗的影響如表3所示。

表3 不同造渣工藝對鋼鐵料消耗的影響

如表3所示,采用留渣雙渣法后,總渣量降低了27 kg/t,噴濺率降低6 %,均有利于鋼鐵料消耗的降低。而產(chǎn)生的污泥增加了1.7 kg/t,主要原因為轉(zhuǎn)爐渣量減少后,覆蓋在鋼水表面的渣層變薄,有利于鐵蒸氣外溢進(jìn)入爐氣,導(dǎo)致除塵污泥量增加。不考慮污泥的二次回收,采用留渣雙渣法后整體鋼鐵料消耗降低11 kg/t。

1.2.3 留渣雙渣法對能源的影響分析

轉(zhuǎn)爐工序消耗的能源主要包括氧氣、氮氣及氬氣。因氮氣及氬氣消耗受濺渣護(hù)爐及底吹工藝的影響較大,本文只對主吹氧氣進(jìn)行對比分析。

如圖4所示,采用留渣雙渣法后氧氣消耗降低1 m3/t,但整體消耗偏差不大。氧氣消耗主要受元素氧化耗氧、鋼水終點氧及渣中氧化鐵耗氧影響。因氧化鐵中的氧來源于氧氣,在鐵水成分及冶煉終點無明顯變化的前提下,渣量降低可減少氧化鐵生成,進(jìn)而減少氧氣消耗。如表3所示,采用留渣雙渣法噸鋼總渣量降低27 kg,渣中FeO近似取23 %進(jìn)行計算,對應(yīng)減少的耗氧量為VO2,則:

圖4 不同造渣工藝氧耗對比

(7)

式(7)計算結(jié)果與實際氧耗變化量相符,進(jìn)一步說明留渣雙渣法在節(jié)約轉(zhuǎn)爐能源消耗方面也能取得一定的效果。

1.3 留渣雙渣法對轉(zhuǎn)爐冶煉周期的影響

采用留渣雙渣法工藝后,對比常規(guī)冶煉工藝,增加了一次中途搖爐倒渣的時間,影響了轉(zhuǎn)爐作業(yè)周期。遷鋼采用優(yōu)化槍位、提高供氧強(qiáng)度來縮短冶煉周期,同時借助生產(chǎn)組織調(diào)度系統(tǒng)來減緩冶煉周期對產(chǎn)量的影響[2];南鋼在采用留渣雙渣法后對濺渣工藝進(jìn)行優(yōu)化,通過先倒渣后濺渣縮短了濺渣周期0.8 min,對比常規(guī)工藝冶煉周期增加控制在4 min以內(nèi)[10]。通過學(xué)習(xí)先進(jìn)鋼企的成功經(jīng)驗,同時結(jié)合本廠的實際情況對留渣雙渣法的工藝進(jìn)行優(yōu)化,表4為優(yōu)化后留渣雙渣法的冶煉周期與單渣法冶煉周期的對比。

表4 不同造渣工藝的冶煉周期

由表4可知,留渣雙渣法因中途搖爐倒渣多消耗了5 min,但是通過優(yōu)化槍位及提高供氧強(qiáng)度,吹煉時間縮短了1.1 min。同時通過采取先倒渣后濺渣的方式將濺渣護(hù)爐時間縮短了0.5 min,整個冶煉周期增加了3.4 min。因轉(zhuǎn)爐能力大于連鑄能力,小幅度的冶煉周期增加對生產(chǎn)幾乎無影響。

2 結(jié)論

(1)留渣雙渣法在脫磷方面具有很大的優(yōu)勢,前期脫磷率較單渣法高4 %～9 %,終點脫磷率較單渣法高10 %,極大的緩解了因鐵水磷高帶來的低磷鋼冶煉困難的問題。

(2)留渣雙渣法冶煉工藝可同時降低轉(zhuǎn)爐渣料、鋼鐵料以及能源方面的消耗,在低碳節(jié)能、少渣冶煉、低成本煉鋼等方面有著不可替代的作用。

(3)留渣雙渣法因多一次搖爐倒渣操作增加倒渣時間5 min,但可憑借渣量少、吹煉平穩(wěn)的優(yōu)勢提高供氧強(qiáng)度來縮短吹煉時間,此外還可通過優(yōu)化濺渣護(hù)爐工藝進(jìn)一步節(jié)約時間,整體對冶煉周期的影響可控制在4 min以內(nèi),對生產(chǎn)影響不大。