轉爐低成本造渣技術研究與實踐

劉 佳，崔 猛

（天津天鋼聯合特鋼有限公司，天津301500）

0 引言

天津天鋼聯合特鋼有限公司（以下簡稱聯合特鋼），是集燒結、煉鐵、煉鋼、連鑄、軋鋼生產工藝為一體的現代化大中型鋼鐵聯合企業。隨著現代科學技術的發展，鋼鐵企業大力推行結構優化，煉鋼生產正在向實現緊湊式連續化的專業生產線、實現高效率快節奏的生產工藝、降低消耗和成本的方向發展。如何在保證產品質量的前期下實現冶煉成本的最低，成為工藝技術人員的重要研究課題，因此聯合特鋼開展了轉爐低成本造渣技術的專項研究與試驗，在轉爐內部熱源條件充裕，冶煉普通碳素結構鋼過程中，利用石灰石、鐵礦石等成本低廉的渣料進行轉爐冶煉，實現成本的最優化控制[1]。

1 轉爐低成本造渣技術

轉爐低成本造渣技術的核心是循環利用富含CaO的冶煉終渣作為前期脫磷渣的一部分，使用石灰石代替部分冶金石灰，同時配加部分鐵礦石，加快轉爐前期成渣速度，降低轉爐造渣成本、和金屬料消耗成本。

1.1 轉爐配加石灰石快速脫磷技術

石灰是煉鋼過程中的主要造渣材料之一，但其生產、運輸、儲存成本高，同時其生產、運輸、儲存過程容易對環境造成境污染。由于石灰石成本僅為石灰成本的1/3左右，其開采、運輸、儲存對環境影響較小，而轉爐內溫度顯著高于石灰石分解溫度，因此，轉爐冶煉可以采用石灰石替代部分冶金石灰，實現轉爐快速成渣，提高轉爐前期脫磷效率，同時降低造渣成本。

轉爐吹煉前期的冶金條件有利于脫磷反應的進行，脫磷效率是受轉爐冶煉前期的渣量、溫度、爐渣堿度和爐渣氧化鐵含量影響。因此轉爐吹煉前期快速成渣、適宜的爐渣堿度和氧化鐵含量是前期脫磷的重要環節。

1.1.1 轉爐配加石灰石對成渣溫度的影響

石灰石在高溫下是極不穩定的物質，在高溫下的反應為：

石灰石分解時間與塊度基本呈正比的線性關系，溫度對這種由表及里的分解反應的影響較大。當溫度較達到1 400℃時，石灰石塊表面的導熱受阻，產生了較明顯的CaO-CaCO3的分解界面，當溫度較低時，呈現了體積預熱的現象，較長時間的預熱效果減小了石灰石塊的當量直徑。當溫度達到1 400～1 450℃時，石灰石分解反應加劇，2～3 min內分解70%左右，而石灰石快速分解過程中會吸收大量的熱量，由于石灰石分解融化吸熱能力約是石灰的2.48倍，因此，其可以降低初期渣溫度，有利于脫磷反應的進行，同時避免出現劇烈的C-O反應形成的噴濺。

1.1.2 轉爐配加石灰石對成渣過程的影響

用石灰石造渣的第一步必然是石灰石的分解。其分解反應就由表至里地進行，先是表面的CaO與酸性氧化物或鐵的氧化物進行成渣反應，然后逐漸向里滲透。由于受到內層CaCO3的分解反應的限制，沒有更多的CaO參與造渣，這就可以避免高熔點的硅酸二鈣的生成[2]，而較多的生成了熔點相對較低的硅酸鈣，又由于CO2的增加使鐵水氧化性增強，鐵的氧化物增加，也就較多的生成鐵酸鈣、正鐵酸鈣和橄欖石形態等低熔點化合物。因此可以使轉爐吹煉前期快速形成堿度適宜、氧化性較高的前期渣，有利于前期快速脫磷。磚爐渣中主要礦物質熔點見表1。

表1 磚爐渣中主要礦物質熔點

1.2 轉爐配加鐵礦石技術

1.2.1 轉爐配加鐵礦石的主要作用

轉爐內直接實現部分鐵礦石的熔融還原，可使得一部分鐵礦石在轉爐內被直接還原為鐵，充分發揮轉爐煉鋼的優勢，降低排放，減少金屬料成本。

（1）在轉爐冶煉中期加入鐵礦石首先發生還原反應，鐵礦石還原是吸熱反應，起到調節熔池溫度的作用，可以防止脫碳反應太過激烈，同時可以減少熔渣向鋼水返P。

（2）大部分鐵礦石被鐵水中的[C]還原成單質鐵，提高鋼水收得率，同時鐵礦石中帶入的（O）參與脫碳反應，增加轉爐供氧強度，降低氧氣消耗量，縮短吹煉周期。

（3）鐵礦石部分還原生成（FeO）參與成渣反應，（FeO）可以有效降低爐渣粘度，緩解熔池“返干”現象，避免金屬噴濺或粘槍事故發生。

在轉爐熔池溫度較高時，鐵礦石加入后在很短時間內就可以完成反應，需注意加入批次和數量，槍位不得大幅調整，避免發生噴濺，影響金屬收得率。

1.2.2 影響鐵礦石熔融還原的因素

（1）溫度對鐵礦石還原率的影響。研究表明在1 550℃以下時，鐵礦石的還原率隨溫度的升高而隨之提高，在高于1 550℃以后，隨著溫度的升高，還原率有所下降。

（2）鐵礦石密度對還原率的影響。研究發現，密度較大的鐵礦石在熔化過程中保持原顆粒狀層層熔化，完全熔化時間相對較長；密度較小的鐵礦石在熔化過程中會裂解成小顆粒，熔化時間大大縮短。

2 生產試驗數據分析

2.1 前期脫磷數據分析

圖1給出了冶煉前期脫磷率的影響因素。從圖1-a可以看出在吹煉前期隨著供氧時間的延長呈現有助于脫磷的趨勢，最佳的脫磷期冶煉供氧時間的控制在350～400 s為宜。從圖1-b可以看出，隨著轉爐熔池溫度升高，前期脫磷率呈現下降趨勢，說明在低溫條件下有利于鐵水磷的高效脫除，此階段轉爐熔池溫度控制在1 350～1 400℃。從圖1-c可以看出，前期爐渣堿度1.8～2.0范圍內具有最優的脫磷效率[3]。

2.2 石灰石與鐵礦石協同配加方案

2.2.1 基礎操作標準

當鐵水硅大于0.6%可以使用留渣少渣操作，前期倒渣時間控制在開吹360～400s之間，開吹100s之后氧壓控制在0.5～0.6MPa之間，根據鐵水和渣況可做適當調整，中期及后期采用正常吹煉0.78～0.85MPa，終點適當提高氧壓、降低槍位進行高拉碳操作。

2.2.2 倒前期渣處理

根據具體情況選擇倒渣時機和倒渣量，其倒渣時半鋼C需要大于0.3%，溫度在1 350～1400℃之間。

2.2.3 前期布料方式

少渣雙渣操作模式下，需考慮不同鐵水狀況下的石灰石與鐵礦石協同配加方案，如表2所示。

2.2.4 中后期控制

圖1 前期脫磷率的影響因素

表2 前期布料石灰石與鐵礦石配加

倒渣結束后，再次下槍開吹，槍位下至基本槍位后開始進行二次布料，布料使用石灰、石灰石、鐵礦石，分批次加入，保證煙氣中CO濃度不持續遞增，每批次加入量小于500 Kg，避免加料過于集中，造成溫度集中降低引發噴濺，冶煉過程關注爐口火焰以及CO變化情況，槍位控制在基本槍位±200 mm范圍內，出現返干跡象可適當提槍，并加入鐵礦石，吹煉600 s內所有造渣料必須加入完畢，終點拉碳前必須將槍位降至拉碳槍位，保持拉碳時間大于60s以上[4]。

3 實施效果

（1）在鐵水[P]≥0.13%的條件下，增加石灰石、鐵礦石用量后，通過分析發現，轉爐冶煉前期脫磷效率達到65%以上，終點脫磷率平均達到90.5%，實現了低消耗成本情況下的高效脫磷。

（2）使用石灰石替代部分冶金石灰的造渣工藝，轉爐渣料成本降低了4.8元/噸。具體情況如表3所示。

（3）新工藝實施后，鐵礦石使用量增加了23.5 kg/噸鋼，按照每加入1 kg/噸鋼的鐵礦石的效益為0.3元測算，則鋼鐵料成本降低約7.05元/噸鋼。

（4）石灰石在轉爐內分解生產大量的CO2氣體，增加了轉爐冶煉的動力學條件[5]，同時石灰石分解生產的CO2氣體可以自發參與轉爐內的氧化反應而轉化為CO氣體，增加煤氣發生量。

表3 轉爐渣料成本對比

4 結論

聯合特鋼公司開展轉爐低成本造渣工藝的開發，實現了石灰石部分替代冶金石灰協同鐵礦石配加的技術應用。通過規范基礎操作標準、少渣雙渣操作、調整中前期吹煉和造渣操作等措施，達到了轉爐快速成渣和快速脫磷的目的。渣料成本降低了4.8元/噸鋼，金屬料成本降低了7.05元/噸鋼，終點脫磷率平均達到90.5%實現了低成本情況下的高效脫磷，同時對轉爐煤氣回收起到了一定的促進作用。