半鋼煉鋼快速造渣工藝的研究與應用

李亞厚

（河鋼集團承鋼公司技術質量部，河北 承德 067002）

在轉爐煉鋼過程，通過加入造渣料獲得具有一定流動性、堿度的泡沫渣是去除鋼水中硫、磷等有害元素的關鍵，所以我們經常說“煉鋼就是煉渣”。轉爐吹煉前期熔池溫度較低，有利于脫磷反應的進行。所以吹煉過程中化渣速度的快慢直接影響轉爐脫磷效率。吹煉前期能夠快速形成高堿度泡沫渣，可以大大提高脫磷效率。

河鋼集團承鋼公司（以下簡稱承鋼）某事業部根據自身的釩鈦資源優勢，采用特殊的鐵水雙聯工藝煉鋼，即含釩鐵水先經提釩處理再進行煉鋼。鐵水提釩后，半鋼中的Si、Ti、Mn等元素含量幾乎為零，從而使轉爐渣渣系單一，不利于快速化渣。在半鋼煉鋼過程中，吹煉前期化渣占比約20%，吹煉中期化渣占比約70%，吹煉過程中全程返干占比約10%。所以需要對轉爐半鋼煉鋼快速化渣工藝技術進行研究。

1 現有工藝及設備參數

承鋼某事業部煉鋼工藝流程：鐵水預處理→轉爐提釩→轉爐煉鋼→LF爐精煉→方坯連鑄機。根據鐵水實際硫、磷含量和所煉鋼種的要求，選擇是否進行脫硫、脫磷預處理。然后將鐵水兌入轉爐進行提釩處理，提釩后的半鋼兌入轉爐煉鋼，轉爐冶煉完畢進入LF精煉爐處理，待鋼水溫度、成分進行調整至合格，最后去往連鑄平臺進行澆鑄。

某事業部設備參數如表1、表2所示。

表1 氧槍工藝參數

表2 轉爐工藝參數

2 轉爐化渣機理

2.1 動力學機理

根據冶金動力學的模型，多相反應發生在體系的相界面上，一般包含以下三個環節：

1）反應物對流擴散到反應界面上。

2）在反應界面進行化學反應。

3）反應產物離開反應界面向相內擴散。

在轉爐內，利用石灰造渣的過程是一個復雜的多相化學反應。石灰加入轉爐后，石灰表面與液態爐渣接觸形成一個過渡反應區域，整個石灰熔化的化學反應基本都發生在這個區域內進行。

2.2 FeO化渣機理

轉爐爐渣渣系為單一的CaO-SiO2二元渣系。在此渣系中存在兩種狀態穩定物質：即正硅酸鈣2CaO·SiO2用（C2S表示）和偏硅酸鈣CaO·SiO2(用CS表示)；兩種狀態不穩定物質：即硅酸三鈣3CaO·SiO2用（C3S表示）和二硅酸三鈣3CaO·2SiO2（C3S2表示）。

由于C2S和CS是轉爐渣系的主要組成部分，所以從C2S和CS垂直線處將轉爐爐渣二元相圖分為了CaO-C2S系、C2S-CS系和CS-SiO2系三個子相圖來分析[1]。轉爐爐渣CaO-SiO2二元相圖如下頁圖1所示。

由圖1可知：在轉爐吹煉過程中，石灰與爐渣中的SiO2反應生成了高熔點的C2S并附著在石灰塊表面阻止了反應的繼續進行。

圖1 CaO-SiO2二元相圖

轉爐吹煉前期，在Si，Mn，Ti等元素氧化的同時，金屬溶液中的Fe也有部分被氧化生成的FeO。由于Fe2+、O2-離子半徑比較小，可以直接穿過附著在石灰表面的C2S與并CaO反應生成低熔點的共晶體。所以爐渣中FeO含量越高，化渣速度越快。

3 化渣限制性環節

3.1 爐渣成分單一

根據鋼鐵冶金理論可知，轉爐爐渣中組元種類越多爐渣熔點越低[2]。在轉爐半鋼煉鋼過程中，由于半鋼中的Si、Mn、Ti等元素含量甚微，沒有足夠的化渣元素與CaO反應生成低熔點共晶體，造成在半鋼煉鋼過程中化渣困難。半鋼成分如表3所示。

表3 某事業部鐵半鋼化學成分 %

3.2 熔池的攪拌

轉爐吹煉過程中，對熔池的攪拌主要來自碳-氧反應生成的CO溢出和氧氣壓力對熔池的直接沖擊這兩方面。其中碳-氧反應約占80%~90%，氧氣的直接沖擊約占10%~20%。轉爐吹煉前期，鋼液中的氧先與半鋼中殘余的硅、鈦、錳等元素先反應，碳氧反應較弱，生成的CO氣體較少，對熔池的攪拌作用較低。從冶金傳輸學的角度考慮，熔池的攪拌能力越強，石灰溶解反應的界面越大，溶解速度越快。

4 采取的措施

通過對影響轉爐快速化渣因素的原因分析，在保證現有工藝流程、冶煉周期不變的情況下，制定并實施了以下措施。

4.1 留渣操作

在轉爐連續生產過程中，濺渣護爐結束后，爐渣不完全倒出，剩余一部分爐渣作為下一爐次的初渣即留渣操作。由于剩余爐渣中全鐵含量在20%左右，且大部分以FeO的形式存在，所以留渣操作提高了初期爐渣中FeO的含量，提高了初期的化渣速度[3]。同時，剩余的爐渣本身溫度很高，并且為均勻的多元低熔點渣系，可改善冶煉前期渣系成分單一的狀況，對轉爐終渣檢驗結果如表4所示。

表4 轉爐終渣成分 %

留渣操作具體流程：根據上爐次轉爐終點渣量、氧含量等情況，倒出渣量的1/2～2/3，在加入鎂球、白云石等物料進行濺渣護爐操作。在兌鐵、加廢鋼之前，向轉爐內加入石灰1 000～1 500 kg，利用留渣和兌入的鐵水對石灰進行預熱，提高吹煉前期化渣的效果。

鋼水在連鑄機澆鑄結束后，鋼包內剩余的鋼渣經降溫、破碎、篩選后得到粒度合適的鋼包澆余。由于鋼包澆余主要為LF爐精煉渣、覆蓋劑等低熔點多元渣系[4]。在吹煉前期由高位料倉加入，可有效改善前期爐渣的成分單一的特殊條件，提高化渣速度。鋼包澆余檢驗結果如表5所示。

表5 鋼包澆余組分 %

4.2 吹煉前期加入石灰石

石灰石的主要成分為CaCO3，其受熱分解后生成CaO與CO2。石灰石的分解溫度為900~1 100℃，半鋼平均溫度為1 250~1 350℃。吹煉前期分批次加入石灰石500~800 kg，石灰石與爐渣接觸后，表面溫度迅速達到其分解溫度，生成的CaO進入爐渣中發生反應，CO2在排出過程中起到了攪拌熔池的作用[5]，改善了冶金動力學條件，有利于轉爐初渣的形成。

石灰石分解化學式：CaCO3=CaO+CO2↑

5 實施效果

承鋼某事業部，采取上述技術優化措施后，連續跟蹤并記錄210爐次半鋼煉鋼過程，具體過程數據如下頁表6所示。

由表6可知，在轉爐半鋼煉鋼生產過程中，通過優化工藝操作，使得吹煉前期化渣時間縮短了2~3 min，轉爐終點w（P）降低0.005%~0.010%，石灰消耗量降低2.6 kg/t。

表6 工藝改進前后指標對比

6 結語

承鋼依托其特有的釩鈦磁鐵礦資源，采用鐵水雙聯煉鋼工藝。鐵水先經轉爐提釩后，雖然使釩元素得到回收利用，但也造成了煉鋼過程中初渣渣系單一、化渣時間長等問題。河鋼承鋼技術人員以轉爐造渣理論為基礎，結合實際自身的實際情況，制定并實施了一系列半鋼煉鋼快速造渣措施，降低了穩定了工藝操作，降低了生產成本。