LF爐熱態渣回收再利用的實踐

姜學鋒，彭 飛，張艷龍，鐘曉丹

(本溪鋼鐵公司股份有限公司煉鋼廠，遼寧 本溪 117000)

在傳統鋼鐵冶金冶煉過程中，會不可避免的產生爐渣，爐渣對冶金過程產生重要的影響[1]。冶煉過程的爐渣產出點已不僅僅是高爐渣、轉爐渣，還包括鐵水預處理渣和爐外精煉渣，而且爐渣的組成與性質也有所不同[2]。鋼渣是煉鋼過程中產生的高溫熔渣，其成分復雜、流動性差別大、性能波動大，因此在利用都會對鋼渣進行處理，包括熱燜法、熱潑法、水淬法等[3-4]。現有處理方式普遍比較復雜，處理不當就會對周邊環境造成嚴重的影響[5]。如果可以將煉鋼鋼渣直接利用到煉鋼工序中，會減少鋼渣處理壓力，減少環境污染，針對鋼渣的重復使用，也有不少學者進行了研究[6-9]。

某鋼廠每年在LF精煉過程中會產生大量精煉渣，渣中還含有部分鑄余鋼水。最初主要的處理方式是：將鑄余鋼渣運送到冶金渣場，采用悶渣方式進行處理，金屬料通過磁選回收再利用。這樣不僅增加生產成本，還會造成資源的嚴重浪費及處理后的環境污染。針對LF精煉后的鋼渣具有高堿度的特性以及含有大量的Al2O3和CaO，可以保證鋼水低硫、低氧含量的精煉效果。因此，研究如何更好的回收再利用LF精煉后的鑄余熱態鋼渣就成了迫切需要解決的問題。

LF爐的精煉后的鋼渣中含有50%左右的CaO和30%左右的Al2O3，對改渣較好的爐次連鑄澆注后剩余的熱態鋼渣直接倒回下一爐鋼包中繼續使用，循環利用[10-11]。利用熱態渣的熱源優勢，其可以作為LF造渣前期良好的化渣材料，解決了LF爐前期造渣慢的問題，減少石灰加入量，降低了加入石灰帶來的溫降，加速了脫硫反應的進行。另外，可以提高LF處理前期的升溫熱效率，節約電耗，由于渣量大，前期埋弧好，減少電弧對鋼包渣線的輻射，有利于降低鋼包耐材消耗。同時，鑄余的熱態渣中含有一定量的殘留鑄余鋼水，通過循環再利用，降低了鋼鐵料的消耗。所以，LF熱態渣循環再利用具有完全的可行性。

1 生產工藝流程及主要裝備

1.1 工藝流程

板材煉鋼廠鋼種生產工藝流程是：鐵水脫硫—復吹轉爐冶煉—精煉—連鑄。

1.2 主要裝備

本鋼煉鋼廠主要生產技術裝備見表1。

表1 本鋼煉鋼廠主要生產技術裝備

2 LF熱態渣循環再利用工藝制度

由于LF精煉熱態渣的多樣性，一般鋼廠只對脫氧良好的白渣進行回收。為了提升熱態渣的回收比例，除了對改渣良好的熱態渣進行回收外，該鋼廠對于其他普通處理產生的LF熱態渣也有條件地進行回收，并制定相關制度。

2.1 LF熱態渣回收制度

(1) LF路徑相近鋼種之間可以折渣操作，其他路徑的熱態渣不允許折到供薄板生產的爐次。

(2)接受折渣爐次凈空大于450 mm，折渣后爐次的凈空大于400 mm。

(3)熱態渣使用四次后禁止進行使用。

(4)調度根據生產節奏及現場生產情況，決定是否進行折渣操作。

(5)精煉LF爐處理位操作工確認鋼水凈空情況是否具備折渣條件，反饋給生產技術室連鑄調度。

(6)具備折渣條件，生產調度通知各相關作業區進行折渣準備，根據被折渣鋼包的所在位置進行折渣。

(7)鋼包作業區進行地面指車，精煉作業區進行凈空監護。

2.2 使用熱態渣精煉造渣制度

使用熱態返回渣時，LF精煉造渣制度如下：

(1)造渣材料使用石灰、鋁球、煤粉，根據精煉前硫含量不同，一次渣料加入量參考表2規定。

表2 LF使用返回熱態渣造渣脫硫規定

(2)石灰加入方式：一次性加入，充分吹氬攪拌熔化；

(3)鋁球加入方式：升溫過程中加入，注意分批次小批量加入，使鋁球充分與頂渣反應，提高脫氧效果；

(4)生產節奏允許的條件下，采用升溫5 min后吹氬脫硫送樣。否則，直接進行二次升溫，并且在升溫過程中補加石灰200 kg、鋁球30 kg。

3 LF熱態渣的成分及硫容量分析

3.1 LF爐渣分析

某鋼廠品種數量大、產線多，不同產線及不同鋼種的造渣工藝不盡相同。可以循環的LF熱態渣生產路徑可以分為以下幾種：薄板產線LF爐渣、矩形坯產線LF爐渣、普通低碳類LF爐渣、普通中碳類LF爐渣、其他高磷高強鋼LF爐渣等。

這些爐渣由于工藝原因其渣中成分及氧化性都不一樣，在熱態渣循環再利用過程中如果不加區分隨意使用，很大可能會造成一些鋼種成分不合格或影響LF造渣改渣效果，對鑄坯質量造成影響。這里列舉了矩形坯產線和薄板產線的LF爐渣成分。

3.1.1 矩形坯產線LF爐渣分析

矩形坯爐次一般造白渣，渣中FeO含量控制在0.80%以下，二元堿度控制在4～6，典型矩形坯LF爐渣成分見表3。

表3 矩形坯產線典型爐渣成分

3.1.2 薄板產線LF爐渣分析

薄板產線由于鑄機高拉速的特點，對精煉鋼水要求質量較嚴，LF改渣要求深脫硫，所以渣中FeO含量一般要求控制在1.5%以下，二元堿度控制在5～7，典型薄板LF爐渣成分見表4。

表4 薄板產線爐渣成分

3.2 LF精煉熱態鋼渣的硫容量分析

LF精煉渣的脫硫能力可以用硫容量Cs來衡量，經脫氧后的LF熱態渣雖然含有一定量的S含量，但是由于其富含CaO和低含量FeO，所以熱態渣仍具有一定的脫硫能力。

渣-鋼硫容量和溫度、爐渣成分的關系式見式(1)[12]。

lgCS=(22 960-54 640Λ)/T+43.6Λ-25.2

(1)

式中：Λ為光學堿度。

式(1)表明：硫容量隨溫度的升高而增大,同時也隨著堿度的增大而上升。根據式(1)導出渣-鋼硫容量和溫度、爐渣成分的關系式:

(2)

式中：B=5.623w(CaO)+4.15w(MgO)-1.152w(SiO2)+1.457w(Al2O3);A=w(CaO)+1.391w(MgO)-1.867w(SiO2)+1.65w(Al2O3)。

從式(2)可以看出，隨著爐渣中CaO含量的升高、SiO2含量的降低和爐渣溫度的上升，鋼-渣的硫容量有上升的趨勢，但隨著Al2O3含量的升高，硫容量又會降低。

將表3或表4中的數據代入式(2)中，溫度取1 843 K(1 570 ℃)，就可以計算得到鋼渣循環利用過程中硫容量變化。經過計算，一般循環利用前C′s可以達到0.05以上。取循環利用四次后的渣樣分析并計算，C′s會降低到0.02左右。所以，在這種情況下，渣鋼反應表現出脫硫速率較慢的現象，即使通過補加石灰，鋼渣硫容量上升空間也較小，即鋼渣就沒有了回收再利用的價值。

4 LF熱態渣回收循環再利用對工藝的影響

4.1 熱態渣回收再利用對LF升溫效率的影響

統計薄板使用鑄余熱態渣生產數據，使用鑄余熱態渣爐次精煉周期長于沒有使用鑄余熱態渣爐次，但是使用鑄余熱態渣爐次升溫效率更高。具體影響見表5。

表5 熱態渣回收再利用對溫度影響

由于受熱態渣在循環使用過程中的節奏影響，整體使用熱態渣的爐次的精煉前溫度偏低，所以造成精煉時間偏長。但是使用鑄余的熱態渣后，一方面熱態渣的溫度一般高達1 350 ℃以上[13]，另外新加入的石灰消耗減少，減少了精煉初期的化渣環節，用于化渣的時間也相對減少，所以整體升溫時間基本持平。另外，熱態渣的加入，前期造渣速度快，并且埋弧好，減少了對鋼包耐材的輻射，降低熱損失，提高了升溫效率，平均升溫速度比沒用熱態渣爐次提高0.6 ℃/min。

4.2 熱態渣回收再利用對造渣料使用的影響

4.2.1 熱態渣回收再利用對石灰消耗的影響

對比了使用熱態渣爐次與沒有使用爐次的石灰消耗，使用熱態渣爐次的石灰消耗減少50%左右。具體見表6。

表6 熱態渣回收再利用對石灰影響 kg

由于熱態渣中含有大量的CaO，所以再LF精煉改渣過程中，要滿足脫硫需要的堿度只需再補充少量的活性石灰就可以達到要求。

4.2.2 熱態渣循環再利用對改渣鋁球的影響

本鋼LF改渣過程主要通過加入鋁球來脫渣中氧，對比了使用熱態渣爐次與沒有使用爐次的鋁球消耗，在相同的精煉前條件下使用熱態渣爐次的每爐鋁球消耗減少24 kg左右。具體見表7。

表7 熱態渣回收再利用對鋁球影響

由于工藝限制，板材煉鋼廠在改渣過程中主要使用鋁球和石灰，較少使用螢石或含Al2O3合成渣，所以渣中需要一定的Al2O3來降低渣的熔點。返回渣中含有大量的Al2O3，這樣加入的鋁球主要用來去除渣中氧，用于形成渣中Al2O3的鋁球就會相應減少用量，間接減少了鋁球的消耗。

4.3 熱態渣回收再利用對鋼鐵料消耗的影響

對薄板數據進行統計，對比平均爐產與回收率，在相同裝入量的情況下，平均爐產增加0.5 t鋼，詳細見表8。

表8 熱態渣回收再利用對鋼鐵料消耗影響

為了保證鑄坯質量，在連鑄澆鋼過程中，為了防止大包下渣給鋼水帶來污染，避免渣中夾雜物進入到鋼水中，大包中或多或少會殘留一部分鋼水。這部分未澆凈的鋼水以前隨著殘渣直接翻到渣罐中損失掉。熱態渣循環利用后，這部分鋼水重新利用，在沒有增加鋼鐵料的情況下增加了爐產，降低了鋼鐵料的消耗。

4.4 熱態渣回收再利用對生產節奏的影響

由于熱態渣在循環使用過程中需要將大包剩余鋼渣翻到正在生產的鋼包中，不可避免地影響了整個生產節奏，一般在大包剩余鋼渣折渣過程中需要增加5～10 min。為了減少熱態渣循環使用過程中對節奏的影響，煉鋼廠采取了多種措施將熱態渣循環再利用對節奏的影響降低到最小。

首先，由廠調度統一協調，各處理位及時溝通，根據生產節奏及現場生產情況，決定是否進行折渣操作。精煉LF爐處理位操作工確認鋼水凈空情況是否具備折渣條件，反饋給生產調度。具備折渣條件，生產技術室連鑄調度通知精煉、鋼包、天車作業區進行折渣準備，根據被折渣鋼包的所在位置進行折渣。鋼包作業區進行地面指車，精煉作業區進行凈空監護。

其次，避免吊入LF工位后再翻渣，直接在鋼包運輸車上進行折渣，減少了對LF處理過程的影響。

第三，優化吊車翻渣流程，根據不同LF工位的位置采用不同的翻渣方式，減少翻渣時間。

根據不同產線的布局及鋼種質量的要求，對于熱態渣循環使用爐次精煉處理時間影響降到了最低，避免了對生產節奏的影響。

4.5 熱態渣回收再利用的效益估算

LF液態渣循環再利用可以達到快速成渣，提高鋼渣流動性、降低造渣料消耗、降低鋼鐵料消耗、提高鋼水質量、降低能耗起到了較好的效果。如果本鋼每年LF熱態渣回收比例在60%以上，通過節省石灰消耗、造渣鋁用量、鋼鐵料消耗等可以降低4元/t鋼成本，經濟效益十分可觀。

5 結 論

LF爐使用熱態渣回收再利用可以節省石灰、鋁球消耗，使用效果較好，提高了造渣速度、改善鋼水純凈度、降低鋼鐵料消耗、提高鋼渣的流動性及降低能耗等。

(1) LF爐熱態渣在LF爐造渣時循環使用，可快速形成低熔點渣系，改善渣的流動性。

(2) 在滿足LF生產工藝要求的基礎上，LF爐熱態渣回收再利用工藝每爐減少石灰消耗500 kg，減少鋁球消耗24 kg，平均爐產增加0.5 t鋼。

(3) LF熱態渣回收再利用減少CaO消耗，間接減少CO2的排放。增加了渣的再利用，減少了鋼渣的外排，達到降耗減排的作用。