轉(zhuǎn)爐單渣留渣高效冶煉技術(shù)的研究與應(yīng)用

劉忠建，王忠剛，寧 偉

(萊蕪鋼鐵集團(tuán)銀山型鋼有限公司 煉鋼廠，山東 濟(jì)南 271104)

近年來(lái)隨著鋼鐵行業(yè)各項(xiàng)技術(shù)的飛速發(fā)展以及石灰石、低磷鐵礦等自然資源的逐步減少，加之鋼鐵業(yè)低消耗、低排放、低成本、高質(zhì)量的發(fā)展大方向，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐冶煉方式已經(jīng)跟不上時(shí)代的發(fā)展。為適應(yīng)鋼鐵形勢(shì)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外各大鋼廠均在研究轉(zhuǎn)爐留渣冶煉工藝技術(shù)的應(yīng)用，并取得了初步成效。為跟上鋼鐵行業(yè)的發(fā)展需求，某公司煉鋼廠于2016年12月起結(jié)合120 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐各項(xiàng)工藝參數(shù)和生產(chǎn)情況進(jìn)行留渣冶煉技術(shù)的試驗(yàn)研究。通過(guò)系統(tǒng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)爐留渣工藝原理，并根據(jù)留渣試驗(yàn)爐次冶煉過(guò)程控制和終點(diǎn)控制實(shí)際狀態(tài)對(duì)120 t轉(zhuǎn)爐留渣工藝進(jìn)行研究分析，不斷摸索優(yōu)化留渣模式。成功開(kāi)發(fā)了120 t復(fù)吹轉(zhuǎn)爐單渣留渣高效冶煉技術(shù)，并結(jié)合此項(xiàng)技術(shù)研發(fā)出適合其生產(chǎn)節(jié)奏和工藝裝備條件下的轉(zhuǎn)爐單渣留渣自動(dòng)控制技術(shù)、高效開(kāi)吹打火技術(shù)、快速精準(zhǔn)留渣技術(shù)以及低堿度終渣循環(huán)冶煉技術(shù)等。

1 轉(zhuǎn)爐單渣留渣冶煉工藝流程

由于煉鋼廠鐵水硅≤0.50%的比例在85%以上，轉(zhuǎn)爐采用雙渣留渣工藝因前期起渣時(shí)機(jī)不好把握，不利于自動(dòng)煉鋼模型的研究，且不利于生產(chǎn)節(jié)奏和爐體維護(hù)。為此，煉鋼廠在鐵水硅≤0.50%的條件下確定轉(zhuǎn)爐留渣工藝流程為單渣留渣循環(huán)工藝流程，并開(kāi)發(fā)了120 t轉(zhuǎn)爐單渣留渣冶煉工藝技術(shù)，其工藝流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 120 t轉(zhuǎn)爐單渣留渣冶煉工藝流程圖

2 工藝原理

由于轉(zhuǎn)爐留渣工藝與傳統(tǒng)工藝有所區(qū)別，為掌握轉(zhuǎn)爐單渣留渣工藝的規(guī)律和特點(diǎn)，針對(duì)轉(zhuǎn)爐單渣留渣工藝脫磷機(jī)理進(jìn)行熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。

2.1 脫磷反應(yīng)熱力學(xué)分析

1)溫度影響

脫磷反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，降低反應(yīng)溫度使KP增大，所以較低的熔池溫度更有利于脫磷。而采用轉(zhuǎn)爐留渣工藝由于前期低溫爐渣的存在降低了前期溫度，因此更有利于脫磷反應(yīng)。

2)堿度影響

增加CaO有效含量有利于脫磷反應(yīng)的進(jìn)行，但從圖2(爐渣堿度和FeO對(duì)平衡磷的影響)可以看出，當(dāng)爐渣堿度大于3.0后，脫磷指數(shù)隨FeO增加而增大，隨堿度的增加變化不大。

圖2 堿度和FeO對(duì)平衡[P]的影響

3)FeO的影響

FeO于脫磷過(guò)程中起到雙重作用，一是起到氧化磷的作用，二是充當(dāng)把P2O5結(jié)合成3CaO·P2O5的基礎(chǔ)化合物的作用，所以可認(rèn)為渣中存有FeO是脫磷反應(yīng)的必要條件。留渣工藝中由于終渣中存有部分FeO參與下一爐的反應(yīng)，更利于脫磷。

4)渣量的影響

增加渣量可在LP一定時(shí)降低[P]，因?yàn)樵黾釉恳馕吨♂孭2O5的濃度，從而使Ca3P2O8也相應(yīng)減小，所以多次換渣是脫磷的有效措施。

2.2 脫磷反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析

單渣留渣工藝冶煉前期爐內(nèi)渣量相對(duì)較多，為獲得良好的動(dòng)力學(xué)條件，萊鋼銀山煉鋼廠在留渣爐次冶煉過(guò)程中采用低槍位、高氧壓進(jìn)行吹煉，同時(shí)底吹采用大流量對(duì)鋼水進(jìn)行攪拌。

3 單渣留渣工藝高效冶煉關(guān)鍵技術(shù)

3.1 快速精準(zhǔn)留渣技術(shù)

轉(zhuǎn)爐留渣數(shù)量以及渣中FeO含量直接關(guān)系到冶煉過(guò)程的化渣速度，并關(guān)系到過(guò)程冷料的加入量。轉(zhuǎn)爐采用單渣留渣工藝其留渣量過(guò)少不利于前期化渣，且不利于濺渣護(hù)爐；而留渣量過(guò)多，不僅冶煉過(guò)程難以控制噴濺，且冶煉終點(diǎn)難以控制，后期提溫和脫碳速度明顯變緩，不利于終點(diǎn)一次命中。為此，煉鋼廠根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)節(jié)奏和單渣留渣工藝過(guò)程化渣情況和終點(diǎn)控制情況來(lái)確定留渣量。經(jīng)各方面綜合考慮，確定留渣量為38～54 kg/t。采用出鋼后倒渣留渣，并根據(jù)終渣黏度來(lái)確定倒渣搖爐角度，以此來(lái)控制留渣量。

3.2 單渣留渣冶煉工藝自動(dòng)化技術(shù)

煉鋼廠原有的自動(dòng)煉鋼模型是不留渣常規(guī)自動(dòng)煉鋼模型，因原有模型計(jì)算未考慮留渣工藝中所留渣中參與反應(yīng)的FeO對(duì)氧平衡參數(shù)的影響以及留渣量對(duì)熱平衡參數(shù)影響，導(dǎo)致采用單渣留渣冶煉工藝二級(jí)模型冷料計(jì)算加入量偏差較大，二級(jí)模型的自學(xué)習(xí)功能無(wú)法發(fā)揮作用，熱平衡、氧平衡參數(shù)發(fā)生混亂。因此，煉鋼廠在原二級(jí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了升級(jí)改造，增設(shè)了留渣量一項(xiàng)，并將爐渣成分與留渣量納入模型計(jì)算，提高了二級(jí)系統(tǒng)計(jì)算的準(zhǔn)確性。根據(jù)前期留渣生產(chǎn)實(shí)際分析與總結(jié)，成功開(kāi)發(fā)了單渣留渣冶煉工藝自動(dòng)吹煉模型和自動(dòng)加料模型，目前該冶煉工藝的自動(dòng)煉鋼比例已達(dá)到92%以上。

3.3 留渣高效打火技術(shù)

留渣工藝采用爐渣濺渣護(hù)爐后，再將廢鋼和鐵水加入爐內(nèi)進(jìn)行冶煉，此時(shí)的爐渣溫度低、黏度高、易結(jié)成塊狀物漂浮于在熔池表面阻止氧氣與金屬接觸，不能產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，易造成打不著火或者打火不良，加之萊鋼銀山煉鋼廠采用干法除塵，打火不良極易導(dǎo)致電除塵泄爆事故。為此，煉鋼廠開(kāi)發(fā)留渣高效打火技術(shù)。即裝完?duì)t料后將轉(zhuǎn)爐向后搖至一定角度后搖至零位，使?fàn)t內(nèi)爐渣均勻散開(kāi)在熔池液面上方；降槍槍位至爐口以下位置時(shí)打開(kāi)氮?dú)?氮?dú)鈮毫刂圃?.3～1.6 MPa)直至氧槍降到開(kāi)吹打火位置恒定后繼續(xù)用氮?dú)獯祾?0～20 s關(guān)閉氮?dú)猓P(guān)閉氮?dú)獾耐瑫r(shí)立即開(kāi)氧打火，氧壓控制在0.38～0.45 MPa；待爐口火焰正常、煙氣中氧含量降至16%以下且呈下降趨勢(shì)后再緩慢將氧壓提升至正常吹煉氧壓，槍位同時(shí)恢復(fù)至正常冶煉槍位。降槍吹掃氮?dú)獾哪康闹皇窍♂専煹乐械臒煔猓菍⑷鄢匾好嫔戏降臓t渣吹散至周?chē)谘鯕馀c金屬直接反應(yīng)。本技術(shù)的開(kāi)發(fā)提升了轉(zhuǎn)爐留渣開(kāi)吹打火效果，減少了轉(zhuǎn)爐干法除塵開(kāi)吹泄爆事故的發(fā)生概率，給轉(zhuǎn)爐安全留渣作業(yè)和設(shè)備穩(wěn)定順行提供了保障。

3.4 低堿度終渣循環(huán)冶煉技術(shù)

轉(zhuǎn)爐采用單渣留渣工藝因所留渣中含有大量的FeO，且爐內(nèi)渣量相對(duì)較多，同樣條件下，冶煉前期溫度控制明顯較常規(guī)冶煉工藝要低。由于前期溫度低，石灰加入量偏多反而影響化渣速度，且前期爐渣堿度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致?tīng)t渣流動(dòng)性變差、返干期提前，而中后期加入石灰量過(guò)多易造成爐渣返干、終渣過(guò)黏，影響脫磷效果，故煉鋼廠研發(fā)了低堿度終渣循環(huán)冶煉技術(shù)。石灰加入總量按照堿度2.0～2.5計(jì)算加入。這就要求冶煉前期充分利用所留渣中的FeO快速成渣，充分利用冶煉前期低溫優(yōu)勢(shì)進(jìn)行高效脫磷。但前期渣不必控制過(guò)于泡沫化，否則前期低溫泡沫渣噴濺現(xiàn)象難以控制。

1)供氧制度

轉(zhuǎn)爐單渣留渣冶煉工藝氧槍槍位采用“高一低一低”模式。高槍位開(kāi)吹利于快速化渣，前期起泡沫渣后槍位成梯度緩慢降低，以減緩FeO生成速度，防止?fàn)t渣泡沫化噴濺。由于轉(zhuǎn)爐單渣留渣操作冶煉過(guò)程渣量偏大，渣層較厚，常規(guī)冶煉槍位、氧壓難以使反應(yīng)均衡，為強(qiáng)化熔池?cái)嚢瑁粼に囇鯕鈮毫^常規(guī)冶煉氧壓提高0.05～0.10 MPa，過(guò)程槍位較常規(guī)冶煉槍位降低100～200 mm。終點(diǎn)壓槍時(shí)間保證在1.5 min以上，均勻鋼水終點(diǎn)成分、溫度，降低終渣泡沫化程度。

2)溫度制度

單渣留渣工藝的溫度控制關(guān)鍵在于留渣量以及所留渣中的(FeO)含量。留渣量偏多則前期溫度上升較慢，冷料不宜過(guò)多攝入。若所留渣中的FeO含量偏大，則前期化渣較早，前期冷料加入量可適當(dāng)減少。熱值低的爐次前期可不加冷料。冷料易在返干期分批次加入，以提高渣中w(FeO)，利于中后期溫度均勻上升。

3.5 低熱值鐵水高效低能耗冶煉技術(shù)

隨著高爐的大型化發(fā)展以及選礦技術(shù)、煉鐵技術(shù)(噴煤量增加、焦比下降和利用系數(shù)提高等)的進(jìn)步，使鐵水硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和出鐵溫度逐步降低成為大型高爐煉鐵技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，由于鐵水硅含量和溫度的降低給傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐冶煉方式帶來(lái)了一定的影響。采用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐冶煉方式易造成化渣不良、粘槍、粘煙道、脫磷效果差等現(xiàn)象。目前轉(zhuǎn)爐冶煉低硅鐵水主要采用全鐵法、轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程加入助溶劑(螢石、鐵礬土等)以及冶煉過(guò)程加入發(fā)熱劑等方法進(jìn)行冶煉，這些方法隨著社會(huì)廢鋼的逐步增多以及煉鋼成本的壓力增大已不適應(yīng)當(dāng)前的形勢(shì)發(fā)展。為此，煉鋼廠開(kāi)發(fā)了一種低熱值鐵水高效低能耗的冶煉技術(shù)。本技術(shù)開(kāi)發(fā)的主要目的是在不影響廢鋼比的情況下解決低熱值鐵水轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中化渣困難、粘槍、粘煙罩以及脫磷率低等問(wèn)題。該技術(shù)采用轉(zhuǎn)爐單渣留渣工藝，通過(guò)調(diào)整單渣留渣轉(zhuǎn)爐冶煉供氧參數(shù)、溫度制度和終點(diǎn)控制制度來(lái)實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)在不添加任何助溶劑的情況下解決了低熱值鐵水轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中化渣困難、粘槍、粘煙罩等一系列問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了少渣料煉鋼，石灰消耗可控制在25 kg/t以下，白云石消耗可控制在12 kg/t以下；礦石消耗可控制在5 kg/t之內(nèi)。

4 應(yīng)用效果

轉(zhuǎn)爐單渣留渣冶煉工藝改變了傳統(tǒng)的冶煉模式，為萊鋼銀山煉鋼廠120 t復(fù)吹轉(zhuǎn)爐降低冶煉成本、提高經(jīng)濟(jì)指標(biāo)打下了良好的基礎(chǔ)。

4.1 散裝料、鋼鐵料消耗

單渣留渣工藝與常規(guī)冶煉工藝部分指標(biāo)對(duì)比如表1所示。采用單渣留渣工藝散裝料和鋼鐵料消耗顯著降低。石灰消耗降低15.67 kg/t，白云石消耗降低1.60 kg/t，燒結(jié)礦消耗降低10.07 kg/t，鋼鐵料消耗減少18 kg/t。

表1 單渣留渣冶煉工藝與傳統(tǒng)冶煉工藝指標(biāo)對(duì)比 kg/t

4.2 終點(diǎn)命中率和脫磷率

隨機(jī)抽取采用單渣留渣冶煉工藝與常規(guī)冶煉工藝各一個(gè)月的終點(diǎn)碳溫命中率和脫磷率進(jìn)行對(duì)比，常規(guī)冶煉工藝平均脫磷率為88.56%，單渣留渣冶煉工藝脫磷率為90.12%(見(jiàn)表2)。由于轉(zhuǎn)爐單渣留渣冶煉工藝充分利用上一爐所留的爐渣進(jìn)行快速化渣脫磷，且冶煉過(guò)程采取提高氧壓等措施改善了動(dòng)力學(xué)條件，利于脫磷反應(yīng)進(jìn)行。單渣留渣冶煉工藝脫磷率的提高使終點(diǎn)命中率和一次拉碳率得以大幅度提高，避免了終點(diǎn)過(guò)氧化現(xiàn)象。

表2 脫磷率、終點(diǎn)命中率和一次拉碳率對(duì)比 %

4.3 為提高轉(zhuǎn)爐廢鋼比創(chuàng)造了有利條件

由于單渣留渣冶煉工藝充分利用轉(zhuǎn)爐預(yù)留的上一爐終渣快速化渣脫磷，避免了過(guò)程加入大量燒結(jié)礦進(jìn)行化渣的現(xiàn)象，該工藝過(guò)程不倒?fàn)t溫度損失相對(duì)較小，故利于提高轉(zhuǎn)爐廢鋼比。

4.4 渣 量

采用單渣留渣冶煉工藝后，由于散裝料加入量的降低以及終點(diǎn)命中率的提高等使轉(zhuǎn)爐渣量大幅度降低。傳統(tǒng)冶煉工藝與單渣留渣冶煉工藝渣量對(duì)比情況見(jiàn)表3。

表3 噴濺渣量和總渣量對(duì)比 kg/t

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)通過(guò)轉(zhuǎn)爐單渣留渣工藝的研究，掌握了該工藝的規(guī)律和特點(diǎn)，建立了一套適合轉(zhuǎn)爐煉鋼發(fā)展的低消耗、低排放的工藝制度。

(2)建立了適合轉(zhuǎn)爐單渣留渣工藝的自動(dòng)煉鋼模型并開(kāi)發(fā)了留渣高效開(kāi)吹打火技術(shù)與低堿度終渣循環(huán)冶煉技術(shù)等。

(3)轉(zhuǎn)爐采用單渣留渣工藝可降低石灰消耗15.67 kg/t，白云石消耗降低1.60 kg/t，燒結(jié)礦消耗降低10.07 kg/t，鋼鐵料消耗減少18 kg/t，渣量降低25.16 kg/t。