釩鈦鐵水的轉爐煉鋼工藝實踐

謝 祥，楊龍飛，楊昌濤，伍從應，王 劼，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

由于優質鐵礦石資源日趨緊張且價格昂貴，而釩鈦鐵礦石價格相對較低。水鋼從2008年開始，高爐煉鐵逐步提高釩鈦鐵礦的配比，配比達到7%～15%，鐵水中平均Ti含量達到0.12%～0.30%，V含量為0.15%～0.35 %，鐵水成分見表1。由于水鋼沒有鐵水釩鈦提取工藝，直接使用釩鈦鐵水煉鋼，對轉爐煉鋼工藝過程造成較大影響，主要表現在前期爐渣難化，去P效果差，終點倒爐鋼水P高，后吹爐次多，以及冶煉中期金屬噴濺大幅度增加[1-2]，金屬損失非常嚴重，導致煉鋼的鋼鐵料消耗最高達到1091 kg/t。同時，影響鋼水成分的穩定，尤其影響抗震鋼的煉鋼命中率。

表1 含釩鈦鐵水成分(質量分數，%)

2 存在的問題及分析

2.1 轉爐前期渣難化

由于釩與氧的親和力較強，介于硅、錳之間，因此在吹煉初期的低溫條件下，鐵水中的釩優先被氧化成低價化合物，即高熔點的氧化物V2O3，其反應式為：2[V]+3(FeO)=(V2O3)+3[Fe]。

V2O3在前期渣中比較穩定，可與亞氧化物形成各類尖晶石，釩鈦尖晶石可溶解于亞氧化物或亞氧化物的硅酸鹽中，導致爐渣的熔點提高，而且在一定程度上阻止了渣中FeO的形成和積累，從而使前期化渣困難，使轉爐吹煉的前期低溫、高堿度、高FeO的去P條件被破壞，去P的最佳時間被延誤。吹煉終點倒爐鋼水P高，[P]≥0.03%的爐次占30%，造成倒爐次數多、拉后吹、影響生產節奏，侵蝕轉爐爐襯，嚴重影響濺渣護爐效果[3-5]。

2.2 鋼水成分不穩定

由于倒爐次數多，造成后吹爐次多，終點出鋼碳低，鋼中氧含量高，導致脫氧合金化時加入的增碳劑和脫氧劑及合金相應增加，同時由于鋼中氧含量的不同，使加入的增碳劑和合金的收得率也不同，收得率不穩定，鋼水成分控制也不穩定。

2.3 易造成金屬噴濺

在吹煉初期的低溫條件下，鐵水中的釩優先被氧化成低價化合物，即高熔點的氧化物V2O3,導致爐渣的熔點提高，從而使前期化渣困難。隨著氧槍的不斷供氧，轉爐熔池溫度的不斷升高，碳氧反應增強，不斷生成CO。由于前期化渣不好，生成CO就難以排出。在CO不斷富集和氧槍射流的作用下，CO強行外排，將爐渣和金屬強行推出爐外，造成夾帶金屬噴濺。通過現場跟蹤，我廠100 t轉爐每發生一次大噴造成金屬損失約3～6 t。

3 工藝優化與改進

3.1 改變前期槍位和加料方式，促進前期早化渣，控制轉爐噴濺

(1)開吹后，為防止V2O3造成爐渣不化，第一批渣料只加入總量的3/5左右，前期采用高槍位吹煉，待爐渣化透后再適當降低槍位，使爐渣盡可能在3分鐘內化透，并且使爐溫迅速提高，減少V2O3的形成，避免形成釩鈦尖晶石，使釩的氧化按以下反應式進行：2[V]+5(FeO)=(V2O5)+5[Fe]。通過提前化渣和提高前期溫度，使V2O5在3～5分鐘內生成，保證轉爐前期的去磷效果。

(2)從釩鈦鐵水冶煉的特點可以看出，控制噴濺的關鍵在前期，為了有效控制噴濺，結合釩鈦鐵水冶煉工藝特點，采取以下控制措施：提前化渣，提前生成V2O5，因為碳氧反應劇烈的時段在吹煉到5分鐘左右時，以避免V2O5的形成滯后與碳氧反應期不同步，造成吹煉進入碳氧反應劇烈時突然化渣造成噴濺。

(3)在吹煉至5分鐘左右時，根據化渣情況，在發生噴濺前，將氧氣流量從18 500 m3/h調整到13 500 m3/h，減緩碳氧反應速度，防止爐內反應速度過快，導致瞬間產生大量的CO氣體，將已經變稀的爐渣推出形成噴濺，吹煉至6～7分鐘時，待噴濺現象減緩后再逐步將流量恢復。如果在調整氧氣流量后仍然不能有效控制噴濺，則在噴濺前立即加入泡沫渣抑制劑，泡沫渣抑制劑的成分見表2。由于該抑制劑主要由易燃易揮發物質組成,在加入時能迅速破壞轉爐泡沫渣的氧化氣氛, 并迅速燃燒揮發,促使碳氧反應產生的大量CO氣體能順利排除，從而有效控制噴濺的產生。

表2 泡沫渣抑制劑化學成分(質量分數，%)

(4)動態控制轉爐熱量，防止熱量過度富余造成噴濺或熱量不足造成鋼水過氧化。當熱量過度富余時，如果升溫過快，使碳氧反應提前，與V2O5的生成同步，就很容易在劇烈的碳氧反應作用下提前產生噴濺，因此，根據鐵水的物理和化學熱及時調整鐵水入爐量，保證合理的轉爐熱量是控制噴濺的重要手段。同時，由于釩鈦鐵水冶煉前期渣料加入相對較少，而釩、鈦的氧化本身也是放熱反應，如果第二批渣料不及時加入，就會造成爐內升溫過快引起噴濺，因此，第二批料加入要適當提前，并做到少量多批加入，確保前期均勻升溫，防止爐溫忽高忽低，使爐內反應從Si、Mn和V、Ti的氧化平穩地過渡到碳氧反應期，從而有效控制前期噴濺。

(5)吹煉中期，由于V2O5和TiO2降低了爐渣的熔點，爐渣比較好化，因此，正常情況下不要使用化渣劑，槍位控制比普通鐵水低，特別是要防止長時間吊槍操作，在吊槍過程中一旦發現爐渣開始化就必須立即降槍操作，否則，待爐渣化透后再壓槍就容易產生大噴，這就需要提高搖爐工判斷火焰的能力，做到超前控制。

3.2 渣中FeO控制

渣中FeO含量多少決定了爐渣低熔點相的數量，研究表明，渣中FeO含量從9%提高到30%時，爐渣的初始流動溫度從1642 ℃降低到1350 ℃，見圖1。因此，降低渣中的FeO含量，減少渣中低熔點相數量，能有效彌補釩鈦對爐渣熔點的降低，提高濺渣護爐效果。

圖1 FeO含量與爐渣熔點的關系

降低渣中FeO含量主要通過拉碳來實現。在操作上，我們以提高“C、P、溫度三命中”為目標，重點抓好過程控制，提高操作工對爐渣和溫度的判斷能力，防止“噴濺”和“返干”的產生，確保一次倒爐鋼水[P]≤0.025 %，減少三次倒爐率；終點控制采用“高拉碳補吹”法，要求倒爐鋼水[C]≥0.20%，溫度控制在1620～1660 ℃，防止鋼水過氧化。同時，要求終點壓槍時間必須大于40秒，使渣中部分FeO得到還原，并有效提高爐渣的粘度。在管理上，根據鐵水條件及時調整合適的轉爐熱量，為操作創造良好的拉碳條件，通過對操作人員培訓和增加鋼樣快速化驗手段，提高爐長判斷終點碳的水平，使爐長能拉碳、敢拉碳。通過采取有效措施，我廠冶煉低碳合金鋼時，出鋼碳控制在0.10%～0.15%，命中率達到70%以上，冶煉中高碳鋼時，出鋼碳控制在0.15%～0.60%，命中率達到75%以上，有效降低了轉爐冶煉終渣中的FeO含量，渣中FeO平均含量從12.71%降低到9.53%。

3.3 渣中MgO含量控制

MgO在渣中的作用，一方面可以稠化爐渣，提高爐渣的粘度；另一方面可以吸收渣中FeO并與之形成連續固溶體。實踐證明，當渣中FeO含量為9%、MgO含量為8%時，進一步增加MgO含量能有效提高爐渣熔化溫度，見圖2。

圖2 MgO含量與爐渣熔點的關系(FeO為9%時)

因此，用釩鈦鐵水冶煉時，在正常鐵水冶煉的基礎上，適當增加輕燒白云石用量，將渣中MgO從原來的8%～12%提高到10%～13%，能有效降低V、Ti對爐渣粘度和耐火度的影響，避免爐渣過稀，提高爐渣熔點和濺渣護爐效果。同時，由于前期渣中FeO含量較高，在開吹后將白云石加入量增加到總量的2/3以上，迅速提高渣中MgO含量，既可降低前期渣對濺渣層的侵蝕，又可以降低爐渣熔點，促進化渣，提高去磷效果和轉爐拉碳水平。

3.4 爐渣堿度控制

當爐渣堿度(CaO/SiO2)在3以下時，即使有較高的MgO含量，但在濺渣層的巖相結構中，粗大的板條狀3CaO·SiO2顯著減少，點狀和針狀的2CaO·SiO2明顯增多，導致濺渣層抗高溫和耐侵蝕的能力都明顯降低。但是，堿度過高，冶煉過程不易控制，容易產生“返干”，影響脫磷和脫硫效果，造成多次倒爐和鋼水過氧化，反而影響濺渣護爐效果。當堿度控制在3.5左右時，MgO含量達到或略超過飽和溶解度，使渣中的MgO以方鎂石的形態析出，通過降低渣中FeO含量，可以使CaO和SiO2富集在方鎂石晶體之間并生成堿度高的結晶相，如2CaO·SiO2、3CaO·SiO2等高溫固相，從而減少了晶界中低熔點相的數量，降低了V2O5和TiO2對爐渣熔點的影響[1,6]，有效提高濺渣層的結構強度和抗侵蝕能力。因此，將終渣堿度控制在3.0～3.6最為合適，既有利于冶煉過程控制，達到去除P、S效果，又能確保爐渣耐火度。控制爐渣堿度主要通過操作入手，要求操作工及時了解鐵水成分情況，根據鐵水Si含量計算加入石灰量，計算公式[7]如下：

式中R表示爐渣堿度。通過計算加入石灰，爐渣平均堿度從3.72降低到3.43，既能滿足冶煉要求，又能滿足濺渣護爐需要。

3.5 品種鋼造雙渣工藝優化

當采用雙渣操作冶煉高碳品種鋼時，前期渣料加入量為總渣料的1/2～2/3，前期堿度控制在2.4～2.8，加入500 kg污泥球或鐵礦石以及100 kg螢石，槍位控制在距液面1.4～1.8 m，保證前期渣化透發泡，要確保在倒初期渣時能倒出總渣量的1/2，此時的倒爐溫度要控制在1370～1400 ℃之間，因為在此溫度下容易去磷。第二次造渣吹煉時加入200 kg螢石和二批渣料，同時保證全程化渣，終渣堿度控制在3.5左右，終點倒爐溫度控制在1590～1620 ℃，避免倒爐碳高時溫度高對去P不利，終點壓槍時間大于40秒以加強爐內攪拌。通過這些工藝的調整，高碳品種鋼冶煉時，一次倒爐鋼水[P]≤0.015%的占95%以上，出鋼[C]在0.2%～0.35%的占93%，大大提升了高碳品種鋼的質量。

4 結語

通過對釩鈦鐵水冶煉工藝的研究和實踐，增加了我們對釩鈦鐵水冶煉的認識，并結合釩鈦鐵水冶煉和濺渣護爐工藝特點，對工藝進行優化，取得良好效果,具體如下：

(1)通過優化渣料加入、槍位和溫度的控制，結合變槍變壓操作和泡沫渣抑制劑的使用，使轉爐噴濺得到有效控制。噴濺率從16%降低到4.6%，轉爐金屬收得率明顯提高，鋼鐵料消耗從1091 kg/t降低到1084 kg/t。

(2)通過優化爐渣結構，濺渣護爐效果得到顯著提高，爐況告急和金屬液面下降的現象得到有效控制，確保了生產的穩定順行，轉爐爐齡在釩鈦鐵水冶煉條件下仍然得到較大提高，煉鋼廠1# 100 t轉爐爐齡達到了25 426爐，2# 100 t轉爐爐齡達到了25 585爐。

(3)在冶煉品種鋼時，拉碳出鋼水平得到大大提高。為提高品種鋼質量創造了條件，提高了終點控制水平和命中率。