高廢鋼比對轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的影響及應(yīng)對措施分析

侯 榮

（南京鋼鐵聯(lián)合有限公司第一煉鋼廠，江蘇 南京 210035）

0 引言

轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝是我國大部分煉鋼廠的基礎(chǔ)煉鋼工藝，主要煉鋼原料為廢鋼和鐵水[1]。在各個行業(yè)對于鋼材質(zhì)量要求不斷提高、高爐鐵水煉鋼成本持續(xù)增加、優(yōu)質(zhì)焦煤資源數(shù)量日漸減少、節(jié)能減排壓力逐步增大的形勢下，我國廢鋼產(chǎn)生量一直處于增長態(tài)勢，廢鋼市場銷售價格則持續(xù)降低，煉鋼廠通過轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝不但能夠減少對煉鋼原材料和資源的依賴程度，還能夠?qū)崿F(xiàn)對廢鋼等煉鋼資源的有效利用，有利于同時實現(xiàn)減少工業(yè)生產(chǎn)資源消耗和環(huán)境污染影響的雙重目標(biāo)。近年來，為了充分應(yīng)用轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝，許多煉鋼廠從原本的低廢鋼轉(zhuǎn)向了高廢鋼比，因此有必要強化高廢鋼比對轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的影響分析。

1 轉(zhuǎn)爐高廢鋼比煉鋼的關(guān)鍵單元技術(shù)

1.1 廢鋼預(yù)熱技術(shù)

廢鋼預(yù)熱是為提高轉(zhuǎn)爐煉鋼廢鋼比的基礎(chǔ)技術(shù)，常見廢鋼預(yù)熱形式包括爐內(nèi)預(yù)熱和爐外預(yù)熱[2]。其中，爐內(nèi)預(yù)熱指的是在轉(zhuǎn)爐內(nèi)先后加入廢鋼和燃料，上部噴吹燃料達到的廢鋼預(yù)熱效率約為50%，下部噴吹燃料達到的廢鋼預(yù)熱效率約為70%。爐內(nèi)預(yù)熱形式的最大問題是噴吹燃料會占用煉鋼時間，為了解決這一問題，有國外公司選擇同時進行下部噴吹燃料、側(cè)吹燃料的廢鋼預(yù)熱燃料添加形式。而爐外預(yù)熱主要是通過轉(zhuǎn)爐爐氣的物理熱和化學(xué)熱完成廢鋼預(yù)熱操作，該預(yù)熱方式最大問題是廢鋼能夠吸收的爐氣熱量有限[2]。

在此基礎(chǔ)上，提出一種在鐵水包內(nèi)展開預(yù)熱的廢鋼預(yù)熱形式，具體工藝流程是，在鐵水包內(nèi)放置規(guī)格較小的廢鋼，通過鐵水包烘包產(chǎn)生的熱量對廢鋼展開預(yù)熱。如果廢鋼預(yù)熱溫度達到1 000 ℃時，廢鋼比能夠提高18%。根據(jù)能量平衡及物料平衡的原則，可以繪制如圖1 所示的轉(zhuǎn)爐廢鋼比增加量與鐵水溫度增加量關(guān)系圖。

圖1 轉(zhuǎn)爐廢鋼比增加量與鐵水溫度增加量關(guān)系圖

1.2 二次燃燒技術(shù)

二次燃燒在轉(zhuǎn)爐高煉鋼中的應(yīng)用不但能夠提高廢鋼比，也不會增加煉鋼時間[3]。具體來講，煉鋼廠可以通過上調(diào)頂吹氧槍位置的形式增加二次燃燒率，為了避免槍位上調(diào)削弱O2射流沖擊能力，有技術(shù)人員研發(fā)了具備副孔吹氧功能的二次燃燒氧槍。部分煉鋼廠應(yīng)用轉(zhuǎn)爐側(cè)面設(shè)置了噴嘴，通過調(diào)整噴嘴位置和角度，也能夠增加二次燃燒率。頂吹氧槍位置、調(diào)整噴嘴位置和角度調(diào)整均能夠?qū)U鋼的二次燃燒率提高至30%左右，是轉(zhuǎn)爐煉鋼二次燃燒率提高的極限值，此時的廢鋼比能夠提高10%。

1.3 燃料添加技術(shù)

添加或變更燃料是提高轉(zhuǎn)爐煉鋼廢鋼比的直接技術(shù)，考慮到從頂部添加煤炭的成本較高，現(xiàn)展開了關(guān)于無電冶煉無煙煤燃料添加技術(shù)應(yīng)用效果的研究，同時通過工業(yè)實驗和理論計算兩種形式，計算了轉(zhuǎn)爐廢鋼比增加量與無煙煤補充量的關(guān)系，由圖2 可以看出，從頂部添加煤炭能夠獲得的效果有限，因此選擇應(yīng)用底吹碳粉爐形式，并且設(shè)計了相應(yīng)的爐底噴嘴。

圖2 轉(zhuǎn)爐廢鋼比增加量與無煙煤補充量關(guān)系圖

2 高廢鋼比對轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的影響

2.1 影響轉(zhuǎn)爐終點碳溫控制

高廢鋼比會影響轉(zhuǎn)爐開吹打火難度及轉(zhuǎn)爐成渣質(zhì)量，從而對轉(zhuǎn)爐終點碳溫控制產(chǎn)生影響。鐵水冷凝-冷凝層融化-廢鋼滲碳融化為轉(zhuǎn)爐熔池內(nèi)廢鋼融化的基本流程。在高廢鋼比下，規(guī)格較小、表面積較大的廢鋼在煉鋼前期的融化效率較高，會降低轉(zhuǎn)爐熔池溫度，增加轉(zhuǎn)爐開吹打火難度。如果使用的是干法除塵工藝，為了控制卸爆需要采用低氧壓打火方式，則會進一步增加高廢鋼比導(dǎo)致的轉(zhuǎn)爐開吹打火難度。當(dāng)轉(zhuǎn)爐開吹打火難度到達一定程度后，煉鋼廠便無法實現(xiàn)對煉鋼過程溫度及轉(zhuǎn)爐終點碳溫的準(zhǔn)確控制[3]。

在轉(zhuǎn)爐熔池溫度較低的情況下，熔池傳質(zhì)速度、傳熱速度均會降低，從而降低吹氧反應(yīng)區(qū)熱量向其他區(qū)域擴散的速度，降低熔劑升溫效率，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐成渣困難。為了提高熔劑升溫效率，煉鋼廠會選擇應(yīng)用提溫劑，從而實現(xiàn)增加轉(zhuǎn)爐成渣數(shù)量、降低轉(zhuǎn)爐成渣質(zhì)量的目的。在轉(zhuǎn)爐成渣不利的影響下，煉鋼廠對于轉(zhuǎn)爐終點碳溫的命中率便會下降，甚至可能導(dǎo)致過氧化爐次增加及高溫?zé)掍摰葐栴}。

2.2 加大轉(zhuǎn)爐爐襯維護難度

在高廢鋼比爐次中，廢鋼的加入量會直線提高，廢鋼加入操作會對轉(zhuǎn)爐爐襯表面造成一定沖擊，廢鋼加入量越大，表示廢鋼對于轉(zhuǎn)爐爐襯表面的沖擊力越大。再加上廢鋼槽容量有限、重型廢鋼占廢鋼比例較高、煉鋼廠持續(xù)提高廢鋼比等因素的影響，廢鋼對于轉(zhuǎn)爐爐襯表面的沖擊力會一直處于持續(xù)增長的趨勢，這就增加了沖擊機械作用強度、延長了對轉(zhuǎn)爐爐襯大面積耐材的沖擊時間，進而增加了轉(zhuǎn)爐爐襯消耗率，加大了轉(zhuǎn)爐爐襯維修難度。

此外，在煉鋼前期，由于轉(zhuǎn)爐熔池溫度較低、轉(zhuǎn)爐成渣質(zhì)量較低，導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐內(nèi)堿度過低，轉(zhuǎn)爐爐襯受到侵蝕較為嚴(yán)重。高廢鋼比會降低鐵水比，尚不成熟的轉(zhuǎn)爐高廢鋼比煉鋼技術(shù)操作會增加爐次，這些都會增加FeO 元素的轉(zhuǎn)爐成渣占比，降低轉(zhuǎn)爐爐襯的濺渣護爐效果，長此以往還會降低濺渣層厚度，對轉(zhuǎn)爐爐襯后期運行維護造成不利影響。

2.3 增加煉鋼終點鋼水氮含量

提溫劑不但能夠提高熔劑升溫效率，還會增加轉(zhuǎn)爐回硫量，從而增加煉鋼終點鋼水氮含量。煉鋼廠想要提高廢鋼比，便需要增加外購廢鋼數(shù)量，因無法掌握外購廢鋼含硫量，導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐煉鋼回硫量存在波動變化，造成較為顯著的煉鋼終點鋼水氮含量變化。為了豐富轉(zhuǎn)爐熱源，煉鋼廠一般會選擇以焦炭為主的提溫劑，焦炭的含硫量較高，可以強化轉(zhuǎn)爐煉鋼回硫量波動變化。

為了提高規(guī)格較小、表面積較小廢鋼的融化效率，適當(dāng)減少提溫劑的使用量，使得煉鋼終點鋼水氮含量控制向下傾斜，最終增加鋼水氮含量。

3 高廢鋼比對轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝影響的應(yīng)對措施

3.1 優(yōu)化沙鋼無煙煤應(yīng)用

為了準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)爐終點碳溫，煉鋼廠需要選擇應(yīng)用無煙煤，沙鋼無煙煤在轉(zhuǎn)爐煉鋼中的應(yīng)用能夠大幅度提高無煙煤利用率，具體工藝流程是，在廢鋼斗放置廢鋼及沙鋼無煙煤同時加入轉(zhuǎn)爐，再加入相應(yīng)比例的鐵水進行氧槍吹煉。具體沙鋼無煙煤添加量需要根據(jù)鐵水溫度及硅含量確定，并且根據(jù)實際情況調(diào)整，現(xiàn)以鐵水溫度為1 350 ℃為例，統(tǒng)計如表1 所示的鐵水硅含量與沙鋼無煙煤添加量關(guān)系。

表1 鐵水硅含量與沙鋼無煙煤添加量關(guān)系統(tǒng)計表

3.2 優(yōu)化廢鋼質(zhì)量管理

為了降低轉(zhuǎn)爐爐襯維護難度，煉鋼廠需要從根本上減少廢鋼對轉(zhuǎn)爐爐襯表面的沖擊力，具體方式是調(diào)整應(yīng)用廢鋼的規(guī)格和結(jié)構(gòu)。

煉鋼廠需要嚴(yán)格控制廢鋼規(guī)格，尤其是報廢鑄坯廢鋼、坯頭廢鋼、中間包殘廢鋼。具體來講，煉鋼廠可以根據(jù)轉(zhuǎn)爐運行技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，針對不同類型廢鋼設(shè)置切割標(biāo)準(zhǔn)、確定切割次數(shù)，以此來實現(xiàn)對于廢鋼規(guī)格及重量的有效控制。如果需要外購廢鋼，煉鋼廠需要盡量采購原始規(guī)格較小的生鐵塊和破碎料廢鋼。

煉鋼廠需要強化對廢鋼結(jié)構(gòu)控制的嚴(yán)格程度，盡量降低低碳廢鋼、非板狀廢鋼的占比，實現(xiàn)對煉鋼前期廢鋼融化效率的有效控制，避免出現(xiàn)融化效率過高或過低的問題?，F(xiàn)總結(jié)基本廢鋼結(jié)構(gòu)占比要求如下：規(guī)格較小生鐵塊和破碎料廢鋼占比約為40%；坯頭廢鋼占比≤20%；低碳廢鋼、非板狀廢鋼占比≤20%；自產(chǎn)廢鋼占比約為20%。

3.3 優(yōu)化提溫劑的應(yīng)用

為了有效控制提溫劑對于煉鋼終點鋼水氮含量的影響，煉鋼廠需要科學(xué)選擇提溫劑。碳化鈣在轉(zhuǎn)爐中的融化效率較低，并且應(yīng)用成本較高，不適合作為轉(zhuǎn)爐高廢鋼比煉鋼提溫劑。碳化硅容易產(chǎn)生SiO2，對于添加量的要求較高，作為提溫劑應(yīng)用也會受到限制。硅鐵的穩(wěn)定性控制難度較低，應(yīng)用技術(shù)流程簡單，添加量的控制較為靈活，但成本高，或多或少會產(chǎn)生SiO2，作為提溫劑同樣會受到限制。焦炭的融化效率較高，應(yīng)用成本較低，因此被廣泛應(yīng)用，但是需要注意掌握添加量，避免因添加量過大導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐含硫量過高。

3.4 優(yōu)化轉(zhuǎn)爐成渣工藝

為了實現(xiàn)對轉(zhuǎn)爐終點碳溫的準(zhǔn)確控制，煉鋼廠需要通過科學(xué)的轉(zhuǎn)爐成渣工藝提高轉(zhuǎn)爐成渣質(zhì)量。主流轉(zhuǎn)爐成渣工藝分為鈣質(zhì)成渣工藝、鐵質(zhì)成渣工藝兩種，兩種工藝的最終目標(biāo)均為改善轉(zhuǎn)爐成渣的流動性及堿度，確保轉(zhuǎn)爐成渣質(zhì)量能夠達到濺渣護爐技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在低廢鋼比轉(zhuǎn)爐煉鋼模式中，煉鋼廠一般選擇鈣質(zhì)成渣工藝，考慮到高廢鋼比轉(zhuǎn)爐煉鋼的顯著特征為煉鋼前期熔池溫度偏低，更適合應(yīng)用鐵質(zhì)成渣工藝。

鐵質(zhì)成渣工藝具體工藝流程是，分批次在轉(zhuǎn)爐中加入造渣劑，首先加入鎂質(zhì)熔劑，將加入時間延遲2 min 左右，以此來提高煉鋼前期廢鋼融化效率，為熔池溫度升高提供助推力，還可以在轉(zhuǎn)爐成渣中加入MgO，以此來提高FeO 含量；隨后結(jié)合具體轉(zhuǎn)爐成渣情況，分3～5 次加入造渣劑，逐步提高CaO 含量；在轉(zhuǎn)爐煉鋼后期，需要及時下調(diào)頂吹氧槍位置，將轉(zhuǎn)爐成渣w（MgO）控制在9%左右。

4 結(jié)論

1）轉(zhuǎn)爐高廢鋼比煉鋼關(guān)鍵單元技術(shù)主要包括廢鋼預(yù)熱技術(shù)、二次燃燒技術(shù)、燃料添加技術(shù)、轉(zhuǎn)爐底噴粉技術(shù)，在這些關(guān)鍵技術(shù)的支持下，轉(zhuǎn)爐煉鋼作業(yè)才能夠獲得足夠的熱量供應(yīng)。

2）高廢鋼比能夠影響轉(zhuǎn)爐終點碳溫控制，加大轉(zhuǎn)爐爐襯維護難度，增加煉鋼終點鋼水氮含量，從而對轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝實施質(zhì)量及效率產(chǎn)生不同程序的影響。

3）為了有效應(yīng)對高廢鋼比對轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的影響，煉鋼廠可以采取優(yōu)化沙鋼無煙煤應(yīng)用、優(yōu)化廢鋼質(zhì)量管理、優(yōu)化提溫劑應(yīng)用、優(yōu)化轉(zhuǎn)爐成渣工藝、優(yōu)化轉(zhuǎn)爐操作工藝等具體應(yīng)對措施，從而提高轉(zhuǎn)爐高廢鋼比煉鋼效果。