100 t轉爐高Si鐵水煉鋼工藝

伍從應，王 劼，楊昌濤，楊龍飛，謝 祥，高長益

(1.首鋼水城鋼鐵(集團)有限責任公司煉鋼廠，貴州 六盤水 553028；2.首鋼水城鋼鐵(集團)有限責任公司技術中心，貴州 六盤水 553028)

1 引言

在高爐大修后的開爐初期，由于焦炭加入量大，爐溫高，礦石中的SiO2還原量大，鐵水中[Si]高，通常把[Si]≥0.8%的鐵水稱為高硅鐵水。轉爐用高[Si]鐵水煉鋼，容易出現噴濺等問題。硅對氧具有很強的親和力，在轉爐吹氧初期即開始進行氧化并放出大量的熱量，導致轉爐吹煉過程中升溫過快。由于渣料加入過多，渣量大，且爐渣泡沫化嚴重，極易造成轉爐發生爆發性噴濺，增加金屬損失，甚至燒壞爐下設備，造成嚴重的環境污染[1-3]。有條件的鋼鐵廠，主要通過鐵水預處理降低鐵水中[Si]含量，實現少渣或無渣操作，減少轉爐噴濺。鐵水預處理一般采用燒結礦、球團礦、富礦粉和氧化鐵皮等作為脫硅劑，通過噴吹和攪拌，使Si氧化形成熔渣，并最終將熔渣撈出。把Si降低到能夠吹煉范圍，再進行轉爐的冶煉操作；另一種處理方法是把高Si鐵水澆鑄成生鐵，再與廢鋼搭配入爐。就水鋼來說，以上兩種方法都不具備條件。因此我們根據水鋼實際，從操作上入手，通過精心地制定方案和組織實施，成功地解決了高Si鐵水的轉爐煉鋼問題。

2 硅氧化的基本原理

硅與氧的結合力很強，硅的氧化是放熱反應，尤其在轉爐吹煉初期，在溫度較低的情況下，更有利于硅的氧化。硅在煉鋼過程的氧化特點如下：

(1)硅在熔煉的最初階段被氧化；(2)在堿性爐渣下，氧化完全徹底；(3)是一個強放熱反應，是轉爐冶煉的重要熱量來源。

煉鋼過程硅的氧化反應為：

[Si]+{O2}=(SiO2)

(1)

[Si]+2[O]=(SiO2)

(2)

[Si]+2(FeO)=(SiO2)+2[Fe]

(3)

(SiO2)+2(FeO)=2(FeO·SiO2)

(4)

3 硅氧化反應的升溫及熱平衡

(1)以水鋼4#高爐的鐵水成分為例:[C]=4.0%～4.3%，[Si]=2.5%～3.5%，[Mn]=0.8%～1.0%，[P]=0.08%～0.10%，[S]=0.03%～0.05%。鐵水[Si]取中線3.0%，100 t轉爐煉鋼的鐵水裝入量按80 t計算，煉鋼溫度下，[Si]+O2=SiO2反應的熱效應△H為29 177 kJ/kg[Si]，硅氧化放熱=80×1000×3.0%×29 177=70 024 800(kJ)。選用磁選鐵作為冷卻劑，磁選鐵的冷卻效應和廢鋼相當，為1454 kJ/kg，為了達到熱平衡，需要加入的磁選鐵=70 024 800/1454=48 160(kg)。

(2)對于水鋼100 t轉爐，1%的[Si]含量在1400 ℃氧化時的升溫為178 ℃，入爐鐵水3.0 %[Si]的升溫=3.0×178=534(℃)。

4 爆發性噴濺產生的原因

熔池內C-O反應不均衡發展，瞬時產生大量CO氣體，這是發生爆發性噴濺的根本原因。熔池中[C]與渣中(FeO)的反應([C]+(FeO)={CO}+[Fe])是吸熱反應，反應速度受熔池碳含量、渣中(FeO)含量、熔池溫度的共同影響。由于操作上的原因，熔池驟然受到冷卻，抑制了正在激烈進行的[C]與渣中(FeO)的反應；供入的氧氣生成了大量(FeO)并聚集；當熔池溫度再度升高到一定程度(一般在1470 ℃以上)，渣中(FeO)聚集到20%以上時，[C]與(FeO)的反應重新以猛烈的速度進行，瞬間排出大量的CO氣體從爐口奪路而出，同時還挾帶著一定量的鋼水和熔渣，形成了大的噴濺[4-7]。例如，因二批渣料加入時間不當，在加入二批料之后不久，隨之而來的大噴濺，就是由于上述原因造成的。在熔渣氧化性過高，熔池溫度突然冷卻后又升高的情況下，就有可能發生爆發性噴濺。高硅鐵水煉鋼容易產生爆發性噴濺，主要原因是前期硅迅速氧化，升溫速度明顯加快，提前進入[C]與(FeO)的反應，這是第一原因；其次加入的渣料多，形成了大渣量，這是另一原因。高Si鐵水的冶煉特點是：前期升溫過快，加入的渣料多，渣量大，過大的渣量容易造成噴濺，尤其加料的時機和加料的數量沒有掌握好，就會發生爆發性噴濺，加大金屬損失的同時還會燒壞設備，造成環境污染。另外，初期渣SiO2含量高，渣的堿度低，影響了P、S的去除，延長了冶煉時間。

5 高硅鐵水的轉爐煉鋼措施

5.1 原材料的準備

除了通常的造渣材料外，還要再空出兩個高位料倉。一個倉裝磁選鐵，另一個倉裝污泥球。首先根據高Si鐵水前期升溫過快，加入的渣料多的特點，及時準確加入渣料，保證前期均勻升溫，抵消前期Si氧化產生的熱量，使反應能平穩進行；其次要準備重型廢鋼，保證熱平衡。

5.2 裝入制度

由于水鋼4#高爐鐵水Si最高達3.59%，而且持續時間長。雖然增加廢鋼比和減少裝入量都能有效控制噴濺，但考慮到我廠廢鋼斗容積有限，同時還要考慮裝入量的穩定和生產工序的銜接，我們確定合理的裝入制度為鐵水80 t，廢鋼15.5 t，每斗廢鋼搭配3 t磁選鐵，盡量使用重型廢鋼。我們還采取高、低硅鐵水搭配進混鐵爐，降低爐前的操作難度。

5.3 吹煉前的準備

混鐵爐工人必須提前通知爐前工人將吹煉高硅鐵水，同時報告高、低硅鐵水成分和搭配情況。搖爐工必須電話通知渣車人員和風機房人員，為雙渣操作做準備。

5.4 根據鐵水硅含量準備渣料

搖爐工必須估算鐵水硅含量，根據硅含量準備渣料，第一批白云石加入量必須按規定加入，輕燒白云石含CaO按40%計算，1000kg輕燒白云石相當于400 kg石灰；終渣堿度R按2.8計算，前期渣堿度R按1.5～2計算；同時還要考慮渣料加入總量，渣量越大，則脫磷總量越大，反之則小。表1列出了不同的鐵水[Si]含量對應的石灰量及白云石加入量。

前期含鐵冷料加入量視熱量情況而定，可加入1000～6000 kg。

5.5 低、高硅鐵水吹煉操作曲線對比

低硅鐵水采用單渣操作模式，高硅鐵水采用雙渣操作模式。低硅鐵水吹煉操作曲線見圖1，高硅鐵水吹煉操作曲線見圖2。

5.6 雙渣操作

高硅鐵水煉鋼的吹煉過程采用雙渣操作，開吹下槍到1.8 m加料，加完料30 s內降槍到1.3 m，起渣就提槍倒渣，目的是讓Si、Mn充分氧化，在C-O反應來臨之前，倒出酸性渣，減少渣量。

5.7 供氧制度

開吹氧氣流量為18 500 m3/h，吹煉到3 min時，將氧氣流量調到13 500 m3/h。倒完初期渣后，下槍到1.5 m，氧氣壓力手動開度設定為10%，流量設定為13 500 m3/h，流量正常后恢復氧氣壓力到1.5 MPa，8 min以后，緩慢恢復流量，后期流量控制為18 500 m3/h。

5.8 溫度制度

(1)控制好熔池溫度。前期溫度不要過低，中期溫度不宜過高，均勻升溫，使碳氧反應得以均衡的進行；嚴禁突然冷卻熔池，消除發生碳氧劇烈反應的條件。

(2)控制(FeO)不出現聚積現象，以避免熔渣過分發泡或引起爆發性的碳氧反應。具體地講，要注意的是：若初期渣形成過早，應及時降槍以控制渣中(FeO)；同時促進熔池升溫，使碳得以均衡氧化。避免碳焰上來后的大噴。

5.9 造渣制度

雙渣冶煉的爐渣成分見表2，從表2可見，前期按規定加入渣料，可以達到第一次倒渣的堿度要求。全鐵水冶煉或熱量富余的情況下，前期污泥球和磁選鐵可最大限度加入5000～6000 kg，二批料第一次石灰加入量為1000 kg，剩余石灰、輕燒白云石每次加500 kg，勻速加料，均勻升溫，一定要控制好過程溫度，第二批料在點火正常后開始加入，如果升溫過快，立即加入磁選鐵，每次500 kg，過程少加污泥球，盡量多用磁選鐵調溫，因為污泥球和磁選鐵的成分不同，作用和用法應有所區別。

5.10 槍位控制

開吹降槍到1.8 m加料，加完料30 s內降槍到1.3 m，雙渣倒渣后降槍到1.5 m加料，加完料后迅速降槍到1.1 m，防止高槍位低流量的雙軟吹，流量起來后緩慢提槍?？刂谱姙R之后的主要任務是防止返干，火焰穩定后立即開始提槍(爐渣不好化時在噴濺期過后立即將槍位提到1.6 m)，當停留在某一槍位20 s以上，只要火焰不發軟，就可以進一步提槍，特別是濺金屬時必須立即提槍，如火焰發軟就小幅度降槍，找準平衡槍位(約1.6～1.8 m)，吹煉過程一旦發生噴濺就不要輕易降槍，因為降槍以后，碳氧反應更加激烈，反而會加劇噴濺。此時可適當的提槍，這樣，一方面可以緩和碳氧反應和降低熔池升溫速度，另一方面也可以借助于氧氣射流的沖擊作用吹開熔渣，利于氣體的排出。在爐溫很高時，可以在提槍的同時適當加一些石灰，稠化熔渣，有時對抑制噴濺也有作用，但加入量不宜過多。最重要的是確保FeO的生成和消耗達到平衡，使反應平穩進行。

5.11 終點控制

吹煉到11～12 min之間，點動提爐罩判斷溫度，溫度高時可根據爐型控制要求適當提高槍位，補加白云石或礦石調溫。降槍前必須把槍位吊到1.8～2 m，讓爐渣最大限度熔化。根據上一爐的冶煉時間，分2～3次把槍位降到1.2 m的基本槍位，如果火焰發硬或碳比較高時，可以先降到1.3 m，待火焰發軟后再降到1.2 m，防止燒搶事故，確保降槍時間大于50 s，降槍時間從降到1.3 m開始計算。倒爐溫度控制在1620～1660 ℃，倒爐[C](用碳硫儀分析)為0.13%～0.30%，倒爐[P]≤0.030%。

5.12 余錳及合金配加

每爐鋼終點樣必須化驗鋼中余錳，爐長、合金工必須了解上爐鋼余錳，一定要關注出鋼量，尤其是大噴的爐次，合金的配加按中下限配加。

5.13 爐型控制

高Si鐵水冶煉的難點是控制噴濺，要控制好噴濺必須控制好爐型和金屬液面，用高Si鐵水冶煉時，我們把金屬液面下降100 mm，努力將熔池液面直徑控制在8000～8200 mm之間，從而增加了爐容比，同時保證溶池腰部有一定的弧度，爐底形成鍋底狀，使噴濺得到有效控制。

6 取得效果

通過以上措施，使高Si鐵水煉鋼順利進行，用高Si鐵水煉鋼 566爐，產生噴濺72爐，占總數12.7%，大噴的23爐，占總數的4%，噴濺率與冶煉正常鐵水相當，各項經濟技術指標都達到滿意的效果，事故得到有效的控制，高Si鐵水冶煉操作取得了很大進步，尤其是操作工人得到很好的鍛煉。

7 結語

為了解決100 t轉爐采用高Si鐵水煉鋼的噴濺問題，分析了硅氧化的基本原理和爆發性噴濺產生的原因，介紹了水鋼100 t轉爐采用高Si鐵水煉鋼的操作方法，有效地控制了高Si鐵水煉鋼的噴濺，使煉鋼順利進行。

參考文獻：

[1] 苑學禮. 鐵水[Si]含量對煉鋼操作的影響[J]. 天津冶金，2001，99(1)：37-39.

[2] 張錦興，田寶義. 轉爐高硅高鈦鐵水冶煉工藝優化[J]. 河北冶金，2015，234(6)：35-37.

[3] 黃志勇，顏根發，左都偉，等. 轉爐爐渣噴濺的機理及預防措施[J]. 金屬材料與冶金工程，2008，36(3)：12-32.

[4] 楊 波，李 俊. 50 t轉爐前期噴濺控制[J]. 山東冶金，2013，35(4)：66-67.

[5] 鄒 韜，陳嘉穎. 關于轉爐煉鋼過程中噴濺現象的分析[J]. 上海金屬，2004，26(2)：32-35.

[6] 鄭 杰. 萊鋼90 t轉爐噴濺原因分析與對策[J]. 山東冶金，2011，33(3)：12-13.

[7] 王三忠，李文山，呂 亞. 轉爐煉鋼噴濺的控制及預防措施[J]. 河南冶金，2009，17(4)：32-34.