轉爐經濟模式煉鋼實踐

魏春新，劉文飛，李超，趙雷

（鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧營口115007）

近年來，鋼鐵產品銷售不暢，價格持續下滑，給鋼鐵企業帶來了巨大的壓力。因此，利用廢料回收或廉價經濟料替代模式煉鋼，降低煉鋼生產成本，拓寬產品效益空間，是鋼鐵企業在嚴峻的市場形勢下生存的重要技術措施。鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司通過研制開發260 t轉爐尾渣回收利用技術、經濟型含鐵物料替代廢鋼的利用技術等，解決了廢鋼資源緊缺對生產的影響，降低了煉鋼生產成本。

1 經濟模式煉鋼技術的開發前提

轉爐渣經悶渣池熱悶后，送到礦渣廠進行磁選分離，約有40%的渣鋼得以回收利用，60%的渣鋼成為尾渣塊和尾渣粉。大量的尾渣不僅占用土地，同時也造成了資源的浪費。研究尾渣在轉爐的回收利用，制定有效的加入方案，對于降低轉爐熔劑單耗、提高轉爐化渣去磷效果意義重大，不僅解決了大量尾渣占用土地問題，更重要的是實現了資源可持續循環利用。

轉爐渣道返回渣為冶煉過程中的爐渣噴濺物、扒爐口產生的渣塊、倒渣時從渣罐內噴濺出的爐渣、出鋼分罐操作時的鋼渣混合物、兌鐵過程中灑落的鐵水以及和渣道返回渣理化性能相同的鐵水罐、鋼水罐拆扒產生的含鐵廢物等的統稱。渣道返回渣經裝車直接外排到礦渣磁選線，磁選后的渣鋼返回煉鋼冶煉使用（加工成本870元/t），增加了煉鋼生產成本。因此，研究渣道返回渣的直接入爐使用是降低轉爐冶煉成本的有效措施之一。

目前，市場上廢鋼資源短缺，采購成本高。為了穩定轉爐冶煉工藝，必須尋找經濟、滿足冶煉要求的資源來替代廢鋼。鐵礦石、燒結礦中含有鐵元素，可以降低鋼鐵料消耗，這兩種物質冷卻效應大，可以減少降溫使用的渣料，降低渣料消耗。而且，這兩種物質價格低廉且供應穩定，所以鐵礦石、燒結礦是替代廢鋼資源的最佳經濟冶煉物料。

氧槍是轉爐煉鋼的關鍵設備，供氧制度的好壞直接關系到煉鋼指標的高低，對供氧制度進行優化，提高氧氣利用率，縮短供氧時間、降低氧耗是實現經濟模式冶煉的有效措施。

2 經濟模式煉鋼所用物料的反應機理

2.1 尾渣及渣道返回渣在爐內的反應機理

由于尾渣及渣道返回渣中均含有大量的FeO、Fe2O3，使轉爐前期爐渣中的FeO含量迅速提高，促進了石灰的熔化，對成渣非常有利，可促使初期渣的形成，有利于脫磷反應的進行。吹煉中期隨著溫度的升高，碳開始大量氧化，使FeO還原進入鋼水中，有利于減少鋼鐵料的使用。尾渣及渣道返回渣中CaO、MgO、SiO2含量高，有足夠的堿度，有利于濺渣護爐。

渣系中 FeO、Fe2O3、SiO2、MgO、MnO 等氧化物由石灰表面滲透到石灰內部時發生反應，產生了低熔點的物質，促進了石灰的熔化。吹煉前期的脫磷反應如下：

由于加入的造渣劑中含有一定數量的FeO和Fe2O3，提高了初期爐渣中的FeO含量，有利于脫磷反應的進行。

吹煉中期渣中發生的主要化學反應為：

由于碳的氧化使鐵的氧化物還原成金屬鐵而進入到鋼液中。

2.2 鐵礦石、燒結礦在爐內的反應機理

鐵礦石、燒結礦加入爐內發生一系列復雜的物質分解、化學還原反應，吸收大量的熱量。

鐵礦石、燒結礦的分解反應如下：

鐵礦石、燒結礦分解后與鐵水中的 Si、Mn反應如下：

鐵礦石、燒結礦與鐵水中的C反應如下：

鐵礦石、燒結礦與CO的反應如下：

上述反應中，式（4）、（5）伴隨著鐵礦石、燒結礦的加入發生反應。 式（6）、（7）、（8）、（9）在反應的初期占主導地位，式（10）、（11）在反應的中后期占主導地位，式（8）、（9）反應在中后期次之。除了式（6）和（7）反應外，其余反應均是吸熱反應，所以鐵礦石、燒結礦降溫大。此外，鐵礦石、燒結礦的加入反應分解生成大量的FeO，促進了化渣，反應生成的CO和CO2氣泡加強了熔池攪拌，改善了熔池的動力學條件，這些均有利于化學反應的進行。同時，鐵礦石、燒結礦帶入的O與鐵水中的C、Si、Mn、P等元素均發生反應，節約了氧氣用量，減少了吹氧時間，降低了成本。

3 經濟模式煉鋼所用物料的實際應用

3.1 尾渣在轉爐的實際應用

3.1.1 加入方法

尾渣通過轉爐高位料倉及水冷溜槽加入轉爐，為保證爐渣中MgO含量和堿度，活性白灰、輕燒白云石及尾渣的加入量根據堿度進行配加。尾渣分兩批加入，第一批在吹氧2 min內加入；第二批根據爐渣的實際情況，當爐渣出現返干時加入，加入量≤1 t/次，在吹氧10 min之內加完。

3.1.2 尾渣對熔劑消耗的影響

統計2013年1～5月份轉爐尾渣加入量與熔劑單耗的關系見圖1。

從圖1可以看出，隨著尾渣單耗的增加，轉爐熔劑單耗呈明顯降低趨勢，尾渣單耗增加了7.2 kg/t，轉爐熔劑單耗降低了12.65 kg/t，參照2013年熔劑均價420元/t，則噸鋼可取得效益5.3元。

3.1.3 冶煉過程脫磷效果

統計使用尾渣后的磷分配比和脫磷效率的情況見表1。

表1 脫磷效率與磷分配比的比較

3.1.4 尾渣對爐襯的影響

為了研究尾渣對爐襯侵蝕的影響，利用LaCam激光測厚儀對爐襯侵蝕狀況進行了測量，每50爐測量一次爐襯厚度，爐襯侵蝕情況如表2所示。

表2 爐襯侵蝕情況比較 mm/爐次

由表2的對比結果可知，加尾渣爐次的轉爐大面和渣線部位的侵蝕情況總體上有一定改善，從爐底控制可以看出，未出現爐底明顯侵蝕跡象。

3.2 渣道返回渣在轉爐的實際應用

3.2.1 渣道返回渣的回收

（1）先在鉤機抓出的渣堆上打水降塵，然后用鏟車裝車翻到煉鋼作業區廢鋼坑。

（2）用20 t吊車懸掛磁盤進行磁選作業，期間用鏟車進行翻倒作業，磁選過程中打水降塵，將磁選后的廢渣裝運至礦渣處理廠，廠內拆罐渣直接送至磁選后的渣道返回渣中。

3.2.2 渣道返回渣的加入方法

回收后的渣道返回渣隨同廢鋼加入轉爐，要求先加廢鋼后兌鐵水，每槽加入渣道返回渣3～5 t。為防止潮濕成團引起水蒸氣聚集造成噴爆，要求含渣道返回渣的廢鋼加入轉爐后，前后搖爐，先向后搖爐至﹣40°，再向前至110°，然后兌鐵。兌鐵時鐵水要小流慢兌，兌入50至80 t停止兌鐵，先后搖爐至-40°，再前搖爐至80°，平穩后再緩慢兌鐵。吹煉前要再次后搖爐至-40°，然后轉爐回到零位吹煉。

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3.2.3 加渣道返回渣爐次的供氧制度

加轉爐渣道返回渣冶煉，前期爐渣形成更迅速，如果依照正常的供氧槍位進行吹煉，前期容易產生低溫泡沫噴濺，因此，冶煉前期氧槍槍位比正常槍位低100 mm，抑制低溫泡沫渣過快形成，這是加轉爐渣道返回渣冶煉供氧操作的關鍵。

3.2.4 渣道返回渣對鋼鐵料的影響

渣道返回渣的主要組成為廢鋼和廢渣，因此物化性質與尾渣相似，但是含鐵量為30%～50%，因此渣道返回渣對鋼鐵料的影響與尾渣不同。SPHC鋼種使用渣道返回渣轉爐的吹損情況見表3。

表3 SPHC鋼種使用渣道返回渣轉爐的吹損情況

從表3中可以看出，隨著渣道返回渣加入量的增加，轉爐吹損有降低的趨勢，說明渣道返回渣的回收利用改善了轉爐化渣效果，有利于轉爐脫磷和降低熔劑消耗，同時還回收了豐富的鐵資源。經計算，渣道返回渣可降低鋼鐵料1.68 kg/t，節約成本4.7元/t鋼。

3.3 鐵礦石、燒結礦在生產實踐中的應用

3.3.1 對噴濺的影響

鐵礦石、燒結礦加入爐內生成大量的FeO，促進了化渣的熱力學和動力學條件，渣子比較活躍，泡沫渣形成較好。但鐵礦石、燒結礦加入過多會造成冶煉前期爐溫低，易發生低溫爐渣噴濺。冶煉中后期要注意避免鐵礦石、燒結礦集中加入，應分批次少量加入，防止突然降低熔池溫度，抑制碳氧反應，使FeO積聚，導致爆發性噴濺。所以，應綜合考慮鐵水溫度、廢鋼加入量以及選擇合適的加入時機、加入量等因素。

3.3.2 對鋼鐵料的影響

加入鐵礦石、燒結礦后，取終點氧含量相近爐次的終渣分析發現，渣中的TFe沒有增加，維持在17%～20%，說明鐵礦石、燒結礦中的鐵進入了鋼中，而不是渣中。經對比統計，鐵礦石、燒結礦中的金屬鐵回收率為68.76%。此外，鐵礦石、燒結礦作為冷卻劑減少了總渣量，減少了渣中的鐵珠損失和TFe含量，增加了出鋼量，有利于降低鋼鐵料消耗。目前，經濟性含鐵物料鐵礦石、燒結礦平均每爐加入量5.14 t，折合入爐單耗20 k/t鋼，鋼鐵料指標降低8.46 k/t鋼。

3.3.3 對終點磷的影響

鐵礦石、燒結礦因為含有FeO可作為化渣劑，有利于轉爐成渣，并且由于它們的冷卻效應大，控制住了冶煉前期熔池溫度，也有利于脫磷反應的進行，在碳氧反應激烈的冶煉中后期加入鐵礦石、燒結礦也可緩解返干。因此，鐵礦石、燒結礦在生產高附加值的低磷鋼中，發揮了重要的作用。實際生產中，加入礦石大于1.5 t可使終點磷含量達到0.009%～0.012%。

3.3.4 對吹氧時間和氧消耗的影響

鐵礦石、燒結礦帶入的氧與鐵水中的C、Si、Mn、P等元素發生反應，節約了氧氣用量，減少了吹氧時間。表4為礦石加入量對吹氧時間的影響。由表4可以看出，加入鐵礦石縮短了冶煉時間，加入量越多，提供的氧越多，吹氧時間越短。加入鐵礦石 1～3 t，平均吹氧時間縮短 13 s，加入 3～6 t，平均吹氧時間縮短34 s。

表4 礦石加入量對吹氧時間的影響

3.3.5 替代廢鋼在全鐵水冶煉的應用

在廢鋼資源緊缺或廢鋼吊車檢修的情況下，鐵礦石、燒結礦可以全部替代廢鋼，進行全鐵水冶煉操作。由于加入鐵礦石、燒結礦數量大，爐渣活躍，控制難度較大。這種情況下應采取先加入部分鐵礦石、燒結礦，然后兌入少量鐵水，再進行搖爐預混，使鐵礦石、燒結礦中的FeO與鐵水中碳等元素發生反應，降低氧化性，降低冶煉中后期爐渣控制難度，減少噴濺。另外，由于鐵礦石、燒結礦加入量較大，鐵礦石、燒結礦中的FeO與鐵水中的碳、硅等元素發生反應，吹氧時間縮短約1min。

統計2011年1到8月份，鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司共產鋼量410.35萬t，因進行轉爐尾渣回收和使用經濟型含鐵物料共降成本1 666萬元，折合冶煉成本降低4.06元/t鋼。

4 供氧制度的優化

4.1 新型5孔氧槍噴頭的開發

鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司原使用6孔噴頭，噴頭夾角15.5°，由于轉爐加入大量的冷料替代廢鋼降溫，如鐵礦石、熱壓鐵等，轉爐渣量大，前期渣不容易控制，極易發生噴濺事故，對鋼鐵料指標影響較大。同時6孔氧槍噴頭使用過程中存在吹氧耗時長、氧氣利用率低，爐襯侵蝕嚴重等問題。為了進行轉爐經濟模式煉鋼，開發出了一款高效5孔氧槍噴頭，氧槍噴頭參數見表5。

表5 優化前后氧槍噴頭參數對比

4.2 規范氧槍操作

根據弗林公式［1］，氧槍射流的沖擊深度與氧槍槍位的關系如下：

式中，L 為穿透深度，cm；Dt為喉口直徑，cm;P0為氧氣壓力，MPa；H為槍位高度，cm。

對優化后氧槍射流的沖擊深度與氧槍槍位的控制進行了理論計算，得出合理的熔池穿透深度與熔池深度比為0.4～0.6，氧槍槍位控制為1.9～2.8 m。根據理論計算并結合現場實際，總結出了不同鐵水Si含量的槍位控制圖，見圖2。

全程槍位控制主要分四步。第一步，開吹打火后加入第一批物料，槍位降至2.2 m；第二步，吹氧至8 min左右，加完第三批活性石灰后槍位抬至2.5 m，吹氧11 min左右至過程測試期間，槍位抬至2.6 m；第三步，TSC測試后，若碳含量較高或者鋼種對磷含量要求嚴格，槍位可在2.6 m停留適當時間；第四步，根據火焰及鋼水碳含量，降槍至拉碳槍位，保證拉碳1.5 min以上，使終點鋼水成分均勻，火焰穩定，降低渣中TFe含量。

新型5孔氧槍噴頭應用后，吹煉效果穩定，轉爐各項經濟指標明顯提升，吹氧時間平均縮短1 min，轉爐作業率提高了2%～3%，提高了氧氣利用率，氧耗平均降低3.2 m3/t鋼，煤氣回收水平提高6.12 m3/t，同時由于噴頭射流參數合理，氧槍噴頭壽命大幅提高，平均壽命達到351爐，較原氧槍噴頭壽命提高了177爐。

5 結論

（1）轉爐尾渣的回收利用技術縮短了轉爐煉鋼的來渣時間，提高了轉爐脫磷效率，轉爐脫磷率達到了90%，比未加尾渣爐次的熔劑單耗降低12.65 kg/t。

（2）渣道返回渣的回收再利用了廢鋼資源，降低鋼鐵料1.68 kg/t鋼，節約成本4.7元/t鋼。

（3）鐵礦石、燒結礦替代廢鋼的降溫效果顯著，脫磷效果好，金屬鐵回收率達到68.76%，解決了廢鋼資源短缺對生產造成的影響，加入鐵礦石大于1.5 t可使終點磷含量達到0.009%～0.012%。目前平均耗量達到20 kg/t鋼，鋼鐵料指標降低8.46 kg/t鋼。

（4）鞍鋼自主研制開發的5孔低能高效氧槍噴頭平均壽命351爐，轉爐吹煉時間平均縮短1 min，氧耗降低3.2 m3/t鋼，煤氣回收水平提高6.12 m3/t。

［1］ 劉玉生，孫曉娟.轉爐氧槍噴頭工藝參數的優化與改進［J］.山西冶金，2006，102（2）:64-66.