120噸轉爐快速成渣工藝探討

樹軍，吳國臣，姚東

（烏海市包鋼萬騰鋼鐵有限責任公司，內蒙古 烏海 016000）

0 引言

轉爐冶煉初期熔池內由于硅的大量氧化，熔渣的堿度偏酸性，形成的硅酸鹽類物質可與轉爐爐襯的堿性氧化物發生反應，侵蝕爐襯；冶煉過程中磷去除的最佳時期是在冶煉初期，如初期熔池內不能快速成渣，將錯過最佳的脫磷時機，可能產生磷高的廢品；冶煉初期如果不能快速成渣還將會影響到熔池的界面反應，爐子的整體爐溫起不來，碳焰上得遲，這將影響到整個轉爐中后期的冶煉，增加冶煉操控的難度[1]。

如上可見轉爐吹煉初期入爐的渣料如能快速熔解并發生渣化反應將對轉爐冶煉有重要的意義，而快速成渣的關鍵是煉鋼用的石灰塊的快速熔解并發生渣化反應[2]。

1 石灰熔解成渣的機理

1.1 石灰塊冷凝外殼的形成機理及熔解措施

石灰是由石灰石在約900℃煅燒而成的，因石灰石中含有約40%重量的二氧化碳，在煅燒的過程中，二氧化碳的逸出會給煅燒后的石灰塊留下足夠多的孔隙，這些孔隙的存在將作為后續液態渣“出出進進”的傳質通道，孔隙率高，石灰塊的比表面積大，成渣反應的效果好。

吹煉開始鐵水中的易氧化元素硅、錳、鐵氧化后形成的多種類的氧化物會上浮到熔池表面形成初始的液態熔融渣，該熔渣在遇到升溫還不完全的石灰塊時，由于溫度梯度的存在，會在石灰塊的外表面形成一層冷凝殼，該冷凝殼將暫時阻斷熔渣向石灰塊的傳質，這一阻斷過程稱作石灰塊熔融時的“滯止期”，對于在30到50mm之間的石灰塊，該滯止期時長大約是40到50秒。

緊跟著吹煉的進行，液態渣量在增多，熔池的溫度越來越高，包裹在石灰塊外表面的冷凝殼會由表及里的升溫，重新熔解。這時石灰塊周邊的液態熔融渣開始向石灰塊孔隙傳質，在石灰塊孔隙的附著點上逐漸發生酸堿渣化反應[3]。

為了能縮短上述石灰塊的滯止期，最直接有效的辦法是提前給石灰塊預熱，尤其是在鐵水條件不好的情況下。預熱的石灰塊遇到熱的熔融渣時由于其溫度梯度的減小，在其外表面形成的冷凝殼會變薄些。留渣操作還有一個好處是熔池內有了一定堿度的、一定氧化鐵含量的熔融渣了，可將煉鋼的熔池反應提前。

1.2 石灰成渣過程中2CaO·SiO2的探討

在轉爐吹煉過程中，熔渣中的SiO2易和石灰中的CaO結合并發生反應，生成多相組成的硅酸鈣類物質，其中結合最好的是2CaO·SiO2其結構致密，熔點高純物質的熔點是2130℃，包裹在石灰塊表面難以熔解，會阻礙石灰的進一步傳質。

熔渣離子理論認為，2CaO·SiO2的形成主要與渣中SiO2成鏈狀集團結構有關，另外渣中SiO2含量的多少也會影響到2CaO·SiO2的形成。初期渣中隨SiO2含量的增加，有足夠的SiO2會和石灰中的CaO結合形成2CaO·SiO2，阻礙熔渣中的氧化物向石灰塊的傳質。為消除2CaO·SiO2的影響，我公司煉鋼廠會在頭批渣料中配加1噸到兩噸的氧化鐵皮，或者燒結礦；在吹煉約4分鐘槍位由低槍位轉換成高槍位，來增加熔渣中的鐵含量。FeO的存在可以降低熔渣的粘度；改善對石灰的潤濕和向石灰孔隙中的滲透；減少2CaO·SiO2的形成。

1.3 石灰熔解成渣過程

根據未反應核模型知道，石灰的熔解成渣大體可分為三步，即包裹在石灰塊外表面的熔渣向石灰裂縫孔隙的傳質；進入石灰孔隙的熔渣與石灰塊中的CaO在附著點上發生反應并生成新的反應產物的渣化反應；新的熔渣生成物剝離石灰孔隙向爐渣熔體中轉移。

這里需要提及的是第一步向石灰塊傳質的環節是整個石灰塊熔解成渣的限制環節。因為冷態的石灰塊加進熔池里會在石灰塊的表面迅速形成一層冷凝外殼，且冶煉初期熔池內熔融的渣量少有的甚至還有吹煉“返干”的情況，這些都是阻礙熔渣向石灰塊傳質的客觀條件。

第二步熔渣中的SiO2、FeO等將和石灰中的CaO發生如下的成渣反應：

2 影響石灰熔解成渣的主要因素

2.1 熔池溫度

熔池的溫度高于熔渣各相的熔點，熔渣的粘度會降低，有利于熔渣向石灰塊的傳質，石灰塊成渣反應的動力學條件好；熔池溫度高可縮短石灰塊的滯止期，使得石灰塊外層包裹的冷凝外殼加速熔化。

2.2 熔池的攪拌

提升轉爐的底吹效率，加快熔池的攪拌，可以顯著的提高熔池內的渣金間的界面反應，促進石灰熔解的過程的傳質反應，有利于石灰的熔解。復吹轉爐的生產實踐也證明，由于熔池攪拌加強，使石灰熔解和成渣速度都比頂吹轉爐有所提高[4]。

2.3 熔渣成分的影響

熔渣成分的影響主要體現在降低熔渣粘度，減少2CaO·SiO2的形成的兩方面上。其中FeO的含量對石灰的影響最大。與其他的熔渣的成分比，由于FeO中的離子半徑不大，與CaO一樣同屬于立方晶系，有利于FeO向石灰晶格中遷移并生成低熔點物質，這一過程也可以使2CaO·SiO2變疏松，有利石灰熔解。

3 冶煉過程中石灰快速成渣的工藝措施

3.1 保證合適的鐵水條件

保證入爐的鐵水有一定的化學熱和物理熱。我公司煉鋼廠要求入爐鐵水是硫含量控制在0.050%以下，硅含量要在0.30%～0.50%之間，磷含量在0.110%到0.150%之間，鐵水溫度在1320℃～1380℃之間。這樣鐵水可在吹煉前期熔池就有足夠的溫度，保障前期石灰成渣的需要。

3.2 選擇合適的渣料結構

轉爐造渣其核心是能提供有效的CaO和有效的MgO。參與到吹煉過程中脫硫、脫磷及去硅的是CaO，起到維護爐襯作用的是MgO。我公司煉鋼廠在配吃5噸到6噸的白灰塊同時還配吃約1噸到兩噸的石灰石。為能使石灰塊和石灰石快速熔化成渣可在入爐的爐料里配吃一些氧化鐵皮，燒結礦起到助熔的作用。白云石和輕燒白云石中的MgO也能起到幫助石灰塊熔解的作用。生產中我公司煉鋼廠會配吃2噸到3噸的白云石。

3.3 采用留渣操作提前預熱石灰塊

今年5月份我公司煉鋼廠部分爐次采用了留渣操作，用來預熱石灰。120噸的轉爐，將上一爐鋼水的終點渣留下一半，兌鐵水前向轉爐鋪入石灰2噸到3噸，來預熱石灰塊。兌進鐵水后，石灰塊會上浮被鐵水再次預熱。這樣可以有約5分鐘的時間用于石灰塊的預熱。經過預熱的石灰在遇到熔融液態渣時，其冷凝殼會變薄[5]。且由于是留渣操作，冶煉初期熔池的氧化反應會提前到來，這對操作者提出更高的要求，控制不好會有期噴濺的風險。

3.4 提高熔池溫度

提高熔池的溫度可以降低熔渣的粘度，加速石灰熔解的傳質過程，改善石灰渣化的動力學的條件。生產中應提高開吹溫度，以廢鋼為冷卻劑時，是在開吹前加入，前期爐溫提高較慢。如果以鐵礦石為冷卻劑，它可以分批加入，有利于前期爐溫的提高，有助于前期成渣。

3.5 提升石灰的質量

盡可能選用特級石灰或者一級石灰，石灰質量好，有效CaO含量高、孔隙率高、熔渣向石灰孔隙傳質的效率高，熔渣反應快。目前我公司煉鋼廠用的石灰質量符合冶金用的一級石灰標準，石灰的CaO含量不低于90%，SiO2含量不大于2.5%，活性度大于360。另外石灰塊也應有合適粒度，石灰塊大一些，其冷凝外殼面積大，石灰塊溫度梯度大，熔渣傳質不完全；粒度小的石灰塊除去一部分被爐口負壓抽走外，余下的因為被冷凝外殼包裹完全，能參與反應的比表面積小，快速成渣的效率低。

4 結語

石灰塊的快速成渣對轉爐冶煉有著一系列好的積極的影響，我們應該在生產實踐中應用鋼鐵冶金學的原理去多多摸索探究，來進一步發展擴充我們現有的措施方法，使得石灰塊快速成渣在實踐上更上一層樓。結合我公司煉鋼廠的生產實踐在石灰塊快速成渣上需要明確以下幾點：（1）為縮短石灰塊入爐時的滯止期，加速冶煉初期能快速成渣，可以采用留渣操作來預熱石灰塊。具體是留取上一爐終點渣的一半，兌鐵水前要在轉爐內鋪石灰塊2噸到3噸。（2）為減少石灰塊成渣過程中2CaO·SiO2的負面影響，我公司煉鋼廠會在頭批渣料中配加1噸到2噸的氧化鐵皮，或者燒結礦；在吹煉約4分鐘槍位由低槍位轉換成高槍位。來增加熔渣中的鐵含量，FeO的存在可以降低熔渣的粘度，減少2CaO·SiO2的形成。（3）盡可能地選用優質石灰，嚴把進場石灰塊的質量關，有效氧化鈣含量穩定在78%以上，活性度大于等于360。