轉爐煉鋼用鐵水適宜硅含量的研究分析

沈思寶，周 軍，潘 軍，張文英(馬鞍山鋼鐵股份有限公司長材事業部 安徽馬鞍山 243000)

鐵水中的硅元素在冶煉時氧化放出大量的熱量，是轉爐煉鋼重要的熱源之一，其含量高低是決定鐵水和廢鋼配比的重要參數。低硅鐵水冶煉時，吹煉過程中由于熱量欠缺，容易導致化渣難、噴濺粘槍嚴重以及降低廢鋼使用率等問題[1]-[2]；高硅鐵水時，由于硅氧化后產生大量的SiO2酸性物質，降低了爐渣堿度，轉爐為脫磷勢必增加冶金石灰用量，大渣量操作又會產生噴濺、原輔料消耗高、金屬收得率低等問題[3]-[4]。

本文結合馬鞍山鋼鐵股份有限公司長材事業部(以下簡稱馬鋼)現場實際，根據冶煉鐵水成分、石灰質量、鋼種終點目標磷含量等為計算依據，得出煉鋼反應過程中的熱量及脫磷量與渣量的對應關系，從而確定了轉爐煉鋼用鐵水適宜硅含量。

1 原料條件及終點目標成分

1.1 原料條件

馬鋼65 t頂底復吹轉爐冶煉所用入爐鐵水成分及平均溫度見表1，轉爐主要造渣料技術指標見表2。

表1 入爐鐵水成分(質量分數)及溫度

表2 轉爐主要造渣料技術指標

1.2 轉爐終點成分目標要求

馬鋼轉爐常煉鋼種主要有三類：普通碳素鋼(如Q235B等)和低合金鋼結構用鋼(如 Q355B等)，轉爐終點磷含量均要求分別在0.035%和0.030% 以下；品種鋼(如SWRCH10A等)，轉爐終點磷含量均要求在0.020% 以下。轉爐終點成分和溫度如表3所示。

表3 轉爐終點成分(質量分數)和溫度

2 硅熱反應熱效應計算

轉爐煉鋼堿性操作中，硅的氧化反應區是在爐氣與金屬、爐渣與金屬、渣膜與金屬液滴等界面上進行的，硅氧反應式如下[5]：

[Si]+{O2}+2(CaO)=(2CaO·SiO2),△H1900K=-20579kJ/kg

(1)

石灰入爐后先是吸熱升溫，同時發生化學反應和熔化等，最終形成溫度為1720℃左右的高溫液態渣。盡管爐渣中各種純物質氧化物的熔點很高，但混勻后，由于形成了新的復雜化合物，熔點會降低至溫度為1260℃左右的液態渣。由蓋斯定律可知，石灰加入轉爐內吸收的熱量，如下式可以計算得出[6]：

Q=(t爐渣-t石灰)×Cp石灰+q爐渣+(t液渣-t終渣)×Cp液渣

(2)

式中：t爐渣為終渣熔點，℃；t石灰為石灰入爐時溫度，℃；Cp石灰為石灰比熱容，kJ·(℃·kg)-1；q爐渣為石灰熔化潛熱，kJ·kg-1；t液渣為液態渣終點溫度，℃；Cp爐渣為爐渣比熱容，kJ·(℃·kg)-1。相關熱力學數據[7]，見表4。

表4 鋼水、爐渣的平均質量熱熔[7]

將相關數據帶入式(2)，可以計算得到向轉爐內加入1 kg石灰吸收的熱量為：

(1260-30)×0.727+209+(1720-1260)×1.25=1681.85kJ

劉道孟等人，通過研究表明[8]：1 kg硅元素反應產生的熱量為 20579 kJ，并且產生2.14 kg的 SiO2。現場實際爐渣二元堿度R控制在4.0，轉爐煉鋼用石灰有效CaO為86.23%。 由此，可計算1 kg硅元素氧化后需配加石灰吸收的熱量：

2.14×4.0/86.23%×1681.85=16695.62 kJ。

1kg硅元素氧化放熱提供給鋼液的熱量為：

20579-16695.62=3883.38 kJ。

由計算結果可知，1 kg硅元素氧化后配加石灰吸收的熱量為16695.62 kJ，占1 kg硅元素氧化產生熱量的81.13%，只有18.87%熱量被熔池鋼液吸收。

3 分析與討論

3.1 鐵水初始硅含量對冶煉過程的影響

鐵水初始硅含量對噸鋼石灰用量以及轉爐終點磷含量的影響關系，如圖1 所示。

圖1 鐵水初始硅含量對石灰噸鋼用量和轉爐終點磷含量的影響

由圖1可以看出，隨著鐵水初始硅含量的增加，轉爐造渣石灰噸鋼用量和轉爐終點磷含量也隨之增加。這是由于硅氧化后SiO2酸性物質量增多，爐渣堿度降低，轉爐為脫磷需要勢必要增加石灰用量，以滿足脫磷的堿度要求，并且隨著硅的氧化放熱增加，熔池的溫度逐漸升高，轉爐冶煉過程溫度富裕，高溫容易造成鋼水回磷，對脫磷反而產生不利影響。

3.2 脫磷所需的合適渣量

鋼水中的磷被氧化后，主要以磷酸鹽形式進入爐渣。脫磷指數LP是反映爐渣對磷酸鹽容納能力大小的重要指標，脫磷指數LP越大，爐渣脫磷的能力越強，脫磷所需的渣量也就越少。圖2為脫磷指數LP與堿度和爐渣中w(FeO)含量的影響關系。

圖2 脫磷指數LP與堿度和爐渣中w(FeO)含量的影響關系

由圖2可以看出，在一定的爐渣w(FeO)含量條件下，脫磷指數LP與爐渣堿度呈正相關。當爐渣堿度為4.0，爐渣w(FeO)含量在14%-16%時，脫磷指數LP達到最大，約為420-480。

由合適的脫磷所需渣量計算公式[9]：

Wg=(w[P0]-w[P])×1000/(w[P]Li實)

(3)

式中：w[P0]為鐵水磷含量，%；w[P]為鋼水磷含量，%；Wg為脫磷所需渣量，kg/t；Li實為渣中的磷與鋼中的磷的比率，其中：Li=0.436Lp+0.3717，當LP為420-480時，計算得到，Li為183.49-209.65。

劉文輝等人[10]，研究發現，轉爐冶煉過程的實際脫磷指數為最大值的60%。由此，可計算得到Li實為110.09-125.79。

根據馬鋼現場冶煉條件，鐵水磷含量為0.150%，轉爐終點磷含量0.020%。由式(3)可以計算出，脫磷所需渣量為51.67 kg/t-59.04 kg/t。

3.3 煉鋼用鐵水適宜硅含量

當爐渣堿度為4.0時，爐渣中的CaO和SiO2占爐渣總量的60%，可分別計算出爐渣中w(CaO)=48%，w(SiO2)=12%，按此計算石灰噸鋼用量為：

(51.67-59.04)×48%/86.23%=28.76-32.86(kg)

噸鋼渣中SiO2總量為：

(51.67-59.04)×12%=6.20-7.08(kg)

則每噸鐵水需要的硅含量為：

(6.20-7.08)×28/60=2.89-3.30(kg)

由此可知，馬鋼轉爐冶煉用鐵水適宜硅含量為：0.289%-0.330%。

4 結論

轉爐煉鋼過程中，鐵水的硅元素氧化放出的熱量并不是主要的熱源，只有18.87%的熱量被熔池鋼液吸收，其余部分主要用于加熱熔化為調整爐渣堿度所加入的石灰。

轉爐冶煉用鐵水適宜硅含量應當由鐵水磷含量、冶煉鋼種目標磷含量、爐渣脫磷指數以及石灰條件等確定。

減少入爐鐵水硅含量能有效減少煉鋼石灰的用量，同時渣量的減少又可以減少爐渣對爐襯的侵蝕程度，有利于提高轉爐生產率和金屬收得率。