燒結返礦在轉爐煉鋼過程中的實踐與應用

朱繼衡 張太生 賀瑞飛 楊 杰 張建奎

(安陽鋼鐵集團有限責任公司)

燒結返礦在轉爐煉鋼過程中的實踐與應用

朱繼衡 張太生 賀瑞飛 楊 杰 張建奎

(安陽鋼鐵集團有限責任公司)

針對轉爐煉鋼使用燒結返礦后帶來的問題進行了分析研究。通過優化燒結返礦的加入量、加入時機、氧槍槍位控制等措施，較好的解決了噴濺、脫磷、爐襯侵蝕、終渣TFe升高等工藝問題，實現了燒結返礦的批量穩定使用。同時統計分析了爐料成本與燒結返礦的使用量的關系，結果表明返礦使用量在15 kg/t～20 kg/t時爐料成本最低。

燒結返礦 轉爐 實踐應用

AbstractThis paper analyzes the problems caused by the sinter return fine of converter steelmaking. By optimizing the oxygen gun position controlling, the adding quantity and adding time of the sinter return fine, the technological problems such as spatter, dephosphorization, furnace lining erosion and terminal slag TFe rises are better solved, The steady use of sinter return fine is achieved. At the same time, the relationship between the cost of furnace charge and the use of sinter return fine is analyzed. The results show that the cost of sinter return fine is the lowest when it is 15 kg/t～20 kg/t.

KEYWORDSsinter return fine converter practical application

0 前言

安鋼第二煉鋼廠(以下簡稱“安鋼二煉”)結合生產實際，開發了使用燒結返礦替代污泥球直接入轉爐的冶煉工藝，但在使用過程中發現，大量使用燒結返礦會帶來轉爐冶煉過程噴濺，穩定性下降、脫磷率低及爐襯侵蝕加劇等問題，需要采取措施加以解決。

1 燒結礦返礦特性分析

1.1 宏觀分析

燒結礦是熟料，其氧化能力和球團礦相當。燒結礦進入轉爐后不但可以起到化渣和冷卻的作用，還能提高鋼水收得率和節約氧氣、石灰。燒結礦主要作為高爐煉鐵原料使用，由于經過加工，與礦石相比成本相對較高。但如果將燒結礦返礦作為轉爐煉鋼的冷卻劑和化渣劑，與返礦重新進入燒結環節相比能夠降低生產成本。

1.2 化學成份組成

安鋼燒結礦返礦含鐵品位在55%左右，CaO含量在11%左右，SiO2含量在7%左右，堿度約為1.6左右。隨機抽檢的燒結礦返礦的化學成分見表1。

表1 燒結返礦的具體成分

1.3 燒結返礦在轉爐冶煉過程中的基本反應原理[1]

燒結返礦是一種反應性良好且具有一定堿度的低熔點含鐵熟料，其硫磷含量低，物理化學成分穩定，粒度均勻，而且熔點較低。安鋼轉爐入爐鐵水溫度均在1 280 ℃左右，在吹煉前期熔池溫度控制在1 300 ℃～1 500 ℃之間，返礦入爐后熔化效果較好并發生分解反應(1)和(2)：

(Fe2O3)=2(FeO)+(O)

(1)

(Fe3O4)=3(FeO)+(O)

(2)

Fe2O3分解反應(1)產生(FeO)，與返礦中帶入而且包圍在其周圍的(CaO)、(SiO2)反應，具體反應方程式為：

(SiO2)+(FeO)+2CaO(S)=(2CaO·FeO·SiO2)

(3)

根據反應質量作用定律，該反應的速率表達式[2]為：

C(SiO2)為——反應物SiO2的濃度；C(FeO)為反應物FeO的濃度。

根據燒結返礦的成分分析，分解反應結束后，返礦內部產物的比例為FeO：CaO：SiO2=55.30：11.28 : 7.05。燒結返礦分解反應為強吸熱反應，周圍熔池溫度會驟然降低，導致周圍熔渣粘度升高，甚至產生暫時“結坨”現象，限制反應生成的(FeO)向外擴散傳質，進而影響成渣速率。因此，成渣反應(3)的(FeO)向外擴散傳質為該反應的限制性環節，只有加大返礦外部動力學條件，才能加快成渣反應(3)進行。成渣反應(3)為可逆反應，產生的(FeO)會作為攜氧載體參與脫碳反應。其反應方程式為：

(FeO)+[C]={CO}+[Fe]

(4)

不穩定化合物(FeO)解離出的[O]，溶入鋼水中，進行鋼水內部脫碳，脫碳反應產生的CO氣體增加熔池攪拌，提高反應的動力學條件。

2 存在問題及解決方案

2.1 轉爐噴濺

2.1.1 問題描述與原因分析

調查中發現，轉爐冶煉過程中燒結返礦加入批次、批量和時機是影響燒結返礦使用效果的關鍵因素，冶煉過程連續多次加入燒結返礦或者單批量燒結返礦加入量過大，都容易引起溢渣，甚至噴濺。

分析認為冶煉中后期熔池溫度較高，加入燒結返礦后由于燒結返礦中鐵主要以Fe2O3的形式存在，反應活性較高，還原速度較快，易產生爆發性還原反應。而冶煉中期鋼水當中的Si、Mn已經氧化完全，Fe2O3主要被鋼水中的C還原，爆發性還原反應產生大量的CO氣體，同時吹氧脫碳產生的大量CO，加上爐渣氧化性的升高(易泡沫化)，是造成溢渣以及噴濺的原因。

2.1.2 研究方案與措施

根據鐵水溫度和成分，研究鐵水、廢鋼比例和第一批燒結返礦加入數量。根據熱平衡計算分析燒結返礦的冷卻效應，掌握燒結返礦的冷卻效應效果，對比鐵水溫度和成分對第一批燒結返礦加入數量的影響，合理控制前期化渣和升溫速度。依據現場工藝控制分析，總結第一批燒結返礦加入后，轉爐冶煉前期起渣時間、槍位控制和渣料加入數量與原來工藝的差別。總結冶煉過程燒結返礦加入批次、批量和時機，轉爐氧槍槍位和流量調整方向，與之相適應調整常規渣料的加入批次、批量和時機，保證冶煉過程平穩，不溢渣、不噴濺。

基于上述原因，分析認為冶煉前期吹氧、鋼渣反應以鋼水中Si、Mn為主，產生的氣體量少，熔池溫度較低，反應速率較低，是還原燒結返礦的最佳時機，因此應在冶煉前期盡可能的加大燒結返礦使用量。同時控制氧槍槍位，控制化渣速度與熔池溫度，避免過早的起渣引起噴濺。冶煉過程單批次燒結返礦加入量不宜超過5 kg/t ～10 kg/t，批次間隔不宜少于1 min～2 min。冶煉需要根據鐵水溫度、鐵水成分、鐵水比等條件，確定總的爐料結構控制目標，在冶煉初期盡可能多的使用燒結返礦，減少后期溫度調整的壓力。

2.2 轉爐脫磷

2.2.1 問題描述與原因分析

燒結返礦開始使用后生產實踐中發現，在高碳低磷鋼的冶煉時，使用燒結返礦脫磷效果不如污泥球。

分析認為，在操作模式不變的條件下燒結礦的大量加入，顯著增加了含鐵原料帶入的氧元素量，造成脫磷效果差的主要原因是前期爐渣中TFe含量過高，當爐渣、鋼水溫度處于最佳脫磷條件時，爐渣當中FeO含量高于了最佳脫磷率需要的FeO含量(FeO大于18%)時，脫磷能力急劇降低，而當FeO含量降低后熔池溫度已經高于了最佳的脫磷溫度。因此，必須重新研究“新爐料結構條件下”冶煉前期的操作模式。同時，強化冶煉中、后期轉爐脫磷能力應該是關鍵因素。

2.2.2 研究方案與措施

根據上述分析，提高前期的脫磷效果一是限制燒結返礦使用量，二是重新研究“新爐料結構條件下”冶煉前期的操作模式。前期大量燒結返礦的加入造成了爐渣氧化性過高，因此控制以適當降低前期爐渣氧化性，穩定爐渣堿度為目標。

冶煉前期適當控制槍位，在高槍位與低槍位之間不斷的變換，既要保證鋼渣界面的反應活性，鋼渣的熔化速度，加強鋼渣反應，又要利用鋼水中的Si、Mn快速的還原燒結返礦帶入的鐵氧化物，實現穩定爐渣氧化性的目標。這樣不僅可以促進前期脫磷，也可以避免爐渣氧化性過高引起的溢渣與噴濺。其次是結合鐵水條件，通過爐料結構調整與槍位控制，保證前期熔池溫度平穩上升，為脫磷創造良好的溫度條件。通過控制冶煉中后期的槍位，配合燒結返礦的分批次加入時機與加入量，在保證不引起噴濺的條件下，防止爐渣返干，強化冶煉中、后期固化脫磷能力。

2.3 終渣氧化性(TFe含量)

2.3.1 問題描述與原因分析

根據生產實踐爐渣分析，使用燒結返礦后轉爐終渣的TFe含量有所升高(12.78%升高到19.75%)。分析認為造成終渣TFe含量升高的原因有兩個，一是冶煉后期最后一批加入的燒結返礦過晚，來不及完成鋼渣平衡，造成爐渣氧化性強，TFe含量升高；二是使用燒結返礦后熔池溫度控制不穩定，脫磷效果差，后期高槍位吹氧脫磷。

2.3.2 研究方案與措施

經過實踐與分析總結認為，在燒結返礦使用初期，為提高燒結返礦使用量，冶煉過程不斷加入燒結返礦，尤其是最后一批燒結返礦的加入量與加入時機是影響終渣氧化性的主要因素。根據經驗，在冶煉結束前2 min ～3 min以內不再加入燒結返礦即可消除燒結返礦加入對爐渣氧化性(TFe含量)的影響。通過最后一批燒結返礦的加入時機與加入量控制，爐渣氧化性得到了較好的控制。

2.4 爐襯侵蝕

2.4.1 問題描述與原因分析

從轉爐爐襯侵蝕機理來看，造成爐襯侵蝕需要具備以下條件：

(1)首先是爐渣堿度低或者MgO含量低，但是根據輔料使用量、燒結返礦成分等來看該條件并不具備；

(2)其次是高溫，在冶煉過程中，如果溫度控制不當，在反應區的高溫作用下會使爐襯局部達到熔化點，導致爐襯表面軟化、熔融，并與高溫爐渣發生化學反應，加劇了爐襯的侵蝕，這個條件在冶煉中、后期才具備，也就是說鋼水過早的升溫，在高溫階段停留的時間延長了，即整個冶煉過程的平均溫度升高，加劇了爐襯的侵蝕；

(3)第三是爐渣氧化性增強，燒結返礦的氧化性明顯強于污泥球，這是造成爐襯侵蝕加劇的主要原因。

2.4.2 研究方案與措施

基于上述分析，為了解決爐襯侵蝕問題在使用燒結返礦的初期，輕燒白云石的使用量增加了4 kg/t～6 kg/t；在控制爐襯侵蝕的關鍵即冶煉中、后期，應控制爐渣氧化性，減少中后期燒結返礦使用量；另外是控制冶煉前期的爐渣堿度，在非留渣作業時，適當增加石灰用量3 kg/t ～5 kg/t，控制合理的過程溫度，提高終渣堿度。經過對燒結返礦使用工藝的優化，爐襯侵蝕問題得到了較好的解決。

3 燒結返礦合理使用量的確立

在轉爐冶煉過程中燒結返礦通過高位料倉加入，部分顆粒較小的燒結返礦來不及參與轉爐反應就隨著轉爐爐氣進入煙道，成為轉爐污泥，當使用量大時，部分燒結返礦未完成鋼渣平衡停留在渣中，因此不同轉爐的燒結返礦使用量對爐料成本(鋼鐵料成本與輔料成本之和)的貢獻率會隨著燒結返礦使用量的變化而變化，經過統計分析可以得出，燒結返礦的總體使用量應控制在20.00 kg/t鋼左右，如圖1所示。

圖1 燒結返礦使用量與爐料成本關系對比圖

4 結語

⑴ 燒結返礦氧化性、反應活性、加入時機等是造成噴濺的主要原因，通過調整燒結返礦的加入批量、批次、加入時機等，較好的解決了使用燒結返礦帶來的噴濺問題。

⑵ 燒結返礦氧化性強造成初渣FeO過高也是造成轉爐脫磷效果變差的主要原因，結合鐵水條件與爐料結構(影響返礦總加入量)的變化，通過冶煉過程槍位與返礦加入批次的控制，實現爐渣氧化性與熔池溫度的穩定控制，從而保證了脫磷能力的穩定性。

⑶ 最后一批次燒結返礦的加入時機與加入量是影響終渣TFe的主要因素，在冶煉結束前2 min ～3 min以內不再加入燒結返礦即可消除燒結返礦加入對爐渣氧化性(TFe含量)的影響。

⑷ 使用燒結礦后引起爐渣氧化性以及爐內溫度的異常變化是造成爐襯侵蝕的主要原因，通過改變造渣輔料與返礦的加入批次與加入量，優化冶煉槍位控制,解決了爐襯侵蝕問題。

⑸ 鋼鐵料成本隨著返礦使用量的增加先降低后升高，返礦使用量在15 kg/t ～20 kg/t時爐料成本最低，因此應該合理控制返礦的使用量。

[1] 黃希祜．鋼鐵冶金原理 [M].北京：冶金工業出版社，2008：162-163．

[2] 趙俊學．冶金原理 [M].西安：西北工業大學出版社，2002：56-57．

THEPRACTICEANDAPPLICATIONOFSINTERRETURNFINEINCONVERTERSTEELMAKINGPROCESS

Zhu Jiheng Zhang Taisheng He Ruifei Yang Jie Zhang Jiankui

(Anyang Iron and Steel Stock Co., Ltd.)

2017—4—15