轉爐低鐵耗工藝優化及生產實踐

王連全，李德帥，馮克亮

（天津市新天鋼聯合特鋼有限公司，天津 301500）

新天鋼聯合特鋼煉鋼廠裝備情況：有3 座120 t頂底復吹轉爐，3 臺120 t LF 鋼包精煉爐，1 臺120 t VD 真空精煉爐，5 臺方、矩形坯連鑄機。產品結構包括碳素結構鋼、優質碳素結構鋼、低合金高強度結構鋼等，擁有一個集轉爐、LF 精煉、真空處理、連鑄四位一體的特鋼生產線，采用頂低復吹轉爐→LF 精煉爐→連鑄的生產流程。

鐵水消耗作為轉爐一個關鍵工藝技術指標，不僅決定轉爐冶煉消耗廢鋼的能力，也反映轉爐冶煉過程熱量利用效率，隨著鋼鐵市場形勢變化，鐵水與廢鋼價格的差距較大，降低鐵水消耗，提高廢鋼比，可降低生產成本[1]。鐵水日產維持在12 000～13 000 t，綜合考慮轉爐冶煉熱平衡、溫度控制、供氧制度、鋼坯質量等各種因素的條件下，策劃降鐵增鋼實施方案，以達到降低鐵耗、提高鋼產量目的。煉鋼廠以轉爐冶煉熱量平衡和優化生產組織作為基礎，采用優化轉爐工藝的方法，增加精煉溫度補償時間，保證精煉進站溫度高于鋼種液相線溫度20 ℃以上。精煉調整后確保出站溫度符合連鑄工序的要求。

1 存在的問題

我國作為世界工業強國，為應對近年來氣候變化所引發的一系列經濟、社會和環境問題，提出了2030年前實現“碳達峰”和2060 年前實現“碳中和”的目標，鋼鐵行業作為碳排放的大戶，實現鋼鐵行業的低碳發展是必然之勢。隨著廢鋼價格的降低，鐵水成本的上升，降低鐵水消耗不僅能夠減少碳排放量，也能夠帶來顯著的經濟效益[2]。但在推行低鐵耗模式下，出現以下幾點問題：

1）轉爐冶煉過程需使用多種造渣料來完成脫磷、脫硫任務，若渣料較多，爐內溫損增加，不僅影響終點溫度，還會增加工業廢料量，造成環境污染。若渣料較少，則會影響磷、硫分配比，且高氧化性、低堿度爐渣會加劇對爐襯鎂碳磚的侵蝕。

2）低鐵耗生產會使轉爐內廢鋼堆積密度增加，開吹時易引起前期打不著火或氧槍頭碰觸廢鋼導致燒槍情況。

3）為提高轉爐終點命中率，增加后吹爐次，延長供氧時間，增強終點氧化性，增加了鋼鐵料和合金消耗，影響生產周期。

4）由于打破冶煉熱平衡，爐內溫度較低，出鋼過程廢鋼不能完全熔化，黏附在爐底和爐壁，造成爐底上漲，影響吹煉過程的槍位穩定性；出鋼溫度低加上爐后加廢鋼，致使LF 精煉爐送電時間長，增加精煉電耗。

2 工藝及設備參數改進

2.1 優化造渣料

2.1.1 少渣冶煉提高熱量利用率

煉鋼造渣料原采用石灰、輕燒白云石、鎂球、石灰石、礦石、燒結礦等多種物料，石灰石等具有較強的冷卻效果，在爐內反應過程中不僅會吸收大量的熱能，同時會生成較多的二氧化碳氣體帶走熱量。采用低鐵耗操作，需充分利用現有物料的物理熱與化學熱，減少溫度損耗，針對此，結合各種造渣料的冷卻效果進行重新梳理。停用了冷卻效果較強的石灰石、礦石、燒結礦，為保證適宜的渣中w（MgO），使用鎂球（w（MgO）≥65%）替代部分輕燒（w（MgO）≥34%），1 t 鎂球w（MgO）等同于2 t 輕燒，降低渣料加入量，降低了8～10 ℃的溫度損失，最終固化造渣料種類為石灰、輕燒白云石和鎂球。造渣料調整前后對比情況如表1 所示。

表1 造渣料調整前后對比 kg/t

在一定條件下加入1 kg 冷卻劑所消耗的熱量，就是冷卻劑的冷卻效應，單位是kJ/kg，由于各種冷卻劑的成分不同，且存在成分波動，為了便于生產中的使用，規定廢鋼的冷卻效應值為1，其他冷卻劑冷卻效應與廢鋼冷卻效應的比值為冷卻效應換算值。為了減少造渣料帶走的熱量，應使用冷卻效應較低的造渣料。常用冷卻劑效應換算值如表2 所示。

表2 常用冷卻劑效應換算值

2.1.2 采用高鈣石灰替代傳統石灰

使用冶金88 石灰（w（CaO）＞88%）代替冶金85石灰（w（CaO）＞85%），活性度提升39.96 mL，冶金石灰活性度增加，在轉爐冶煉過程中能夠加快熔化速度，盡早成渣，加快脫除鋼水中雜質元素的速度，從而提升冶煉節奏，穩定鋼水質量。w（S）降低0.08%，硫元素對于冶煉鋼種來說是有害元素，轉爐脫硫效率較低，僅為30%～40%，降低入爐物料的硫含量，能夠降低終點鋼水的硫含量，減輕轉爐和精煉爐的脫硫任務，尤其對冶煉低硫鋼種更加有利。w（CaO）上升3.15%，w（SiO2）下降0.395%，從而提高了石灰的有效氧化鈣含量，降低了冶金石灰的單耗。冶金石灰成分及活性度如表3 所示。

表3 冶金石灰成分及活性度

2.1.3 留渣操作及終點調渣

轉爐采取留渣操作，以降低造渣料的加入量。通過造渣料調整前后對比，不考慮礦石和燒結礦，石灰石按照50%折算，調整后渣料降低10.5 kg/t，上一爐剩余的爐渣中含有一定量的FeO，能夠加快石灰的溶解，促使初期爐渣的快速形成，脫除鋼水中有害元素。同時留渣比入爐的造渣料溫度高，能夠降低造渣過程消耗的熱量。轉爐內初期渣量偏大時，渣層較厚，應適當降低氧槍槍位，增加供氧強度，將供氧強度由3.6m3/（t·min）提高至4.0 m3/（t·min），以加強氧氣流股對爐內鐵水與廢鋼的攪拌作用。在轉爐濺渣前，根據終點爐渣的情況，加入50～200 kg 焦炭粉或鎂球進行調渣，以增強爐渣的黏度，確保濺渣護爐效果。同時確保爐渣濺干，避免由于爐渣包裹廢鋼造成的大型噴濺事故。

2.2 改進供氧制度

2.2.1 改進氧槍參數

將氧槍喉口直徑由Φ39 mm 調整到Φ38 mm，氧槍夾角由12.5°調整到12°，其余參數不變。計算所得沖擊半徑較調整前減小0.7%，沖擊深度提高1.5%。

新4 孔噴頭設計參數為喉口直徑Φ38.6 mm，馬赫數Ma=2.0，出口直徑Φ50.1mm，夾角α=12°。

新4 孔噴頭槍位h=1 400 mm 時，氧氣射流對熔池的沖擊直徑計算：D=htan（α+8.5）×2=1 400×tan（12+8.5）×2=1 046.9 mm。

原氧槍頭的沖擊直徑為1 074.8 mm，爐膛直徑為4 290 mm，調整后的沖擊面積縮小5.12%。

新4 孔噴頭槍位在1 400 mm 時，壓力為0.95 MPa，流量27 200 m3/h，調整前的流量為27 400 m3/h，計算沖擊深度的變化。所采用的氧槍沖擊深度計算公式為：

式中：H 為氧槍槍位，mm；n 為孔數，個；K 為常數，取1.0；Q 為噴頭供氧流量，m3/h；Lh0為在槍位H=0 時的沖擊深度，mm；L 為穿透深度，mm；D喉為喉口直徑，mm。

熔池深度為1 500 mm，對比調整前后氧氣流股的沖擊深度占熔池液面深度的比值，增加了1.5%。

2.2.2 調整吹煉過程槍位及氧壓

由于入爐廢鋼量的增加，開吹時要緩慢降槍，注意觀察爐口的火焰，避免氧槍觸碰到廢鋼造成燒槍。為了快速打火，前期氧壓增加到1.0 MPa，增強氧氣流股的穿透力，如果還是不能打火，需要及時提槍，補充少量鐵水或者進行前后搖爐，確保打火成功。吹煉中期氧氣壓力調整到0.8～0.9 MPa，低鐵耗槍位較高鐵耗槍位降低100～200 mm，低槍位有利于控制初期爐渣FeO 含量增長過快造成的噴濺。轉爐操作人員同時考慮轉爐的裝入量以及鐵水和廢鋼的配比，避免由于前期槍位太低導致燒槍事故。在吹煉的中后期，根據爐口火焰適當提高槍位到1 600～2 000 mm，可以控制爐渣的返干情況，同時關注廢鋼在中后期熔化的現象，避免鋼水液面劇烈波動，造成鋼水粘槍頭情況。終點脫碳時，氧壓提高到1.0 MPa，槍位降低到800～1 000 mm，壓槍時間控制在30 s 以上，強化氧氣流股對鋼水的攪拌，促進廢鋼熔化，同時確保脫碳效果，降低渣中全鐵含量。吹煉過程氧槍槍位圖如圖1 所示。

圖1 吹煉過程氧槍槍位圖

2.3 縮短冶煉周期，降低溫度損失

對生產流程進行梳理，從設備運行參數到人員操作細節都需進行優化，以縮短轉爐的整個冶煉周期。做好入爐鐵水、廢鋼的供應，不僅需確保鐵水重量符合要求，達到鐵耗的目標值，而且要保證入爐物料按時吊運到轉爐平臺，做好生產過程的銜接；規范鋼筋壓塊的尺寸為800 mm×800 mm×（1 800±200）mm，減少鋼筋壓塊卡爐口的情況。氧氣支管壓力由0.70～0.85 MPa 提升至0.80～1.0 MPa，根據碳氧不同反應期的供氧要求，采取分階段供氧的措施，配合氧槍槍位的調節，從而達到加快脫碳速度、縮短供氧時間的效果；調整出鋼口內徑尺寸，由Φ170 mm 調整為Φ190 mm，在確保擋渣效果的前提下，縮短出鋼時間。根據反應過程中濺渣情況，判斷渣量大小，選擇留半渣或者留全渣操作，縮短倒渣時間。優化調整后，平均冶煉周期由26.5 min/爐降低至20.8 min/爐，生產過程的溫降減少5～10 ℃。調整前后的冶煉周期情況如表4 所示。

表4 冶煉周期對比 min

2.4 利用合金烘烤與鋼包加蓋進行溫度補償

新增合金烘烤與鋼包加蓋設備，對于轉爐爐后使用的合金與廢鋼進行預熱，合金加熱10 min 后，溫度能達到400～500 ℃。鋼包采用全程加蓋，不僅對鋼包熱量流失起到良好作用，鋼包內殘余溫度提高130 ℃以上，還能在鋼包運輸過程中降低各環節溫度損失，使鋼包周轉過程熱量趨于穩定，通過以上設備的投入，可降低出鋼溫度30 ℃以上，為低鐵耗快節奏創造良好條件。

2.5 充分發揮LF 精煉爐冶金功能，合理分配煉鋼任務

2.5.1 分析鋼水中P 元素

低鐵耗時轉爐的終點溫度降低了35 ℃，終點爐渣的w（∑FeO）升高了1.8%，w（CaO）降低了0.82%，計算P 的分配系數LP，提高了101，對比實際鋼水成分，w（P）降低了0.003%，與理論計算值一致。具體計算公式為：lgLP=22 350/T-21.876+5.6lgw（CaO）+2.5lgw（∑FeO）。

調整前：lgLP=22 350/T-21.876+5.6lg48.63+2.5lg16.14，LP=173；

調整后：lgLP=22 350/ T -21.876+5.6lg46.11+2.5lg17.94，LP=274。

2.5.2 分析鋼水中S 元素

2.5.3 精煉升溫效果

隨著鐵水裝入量的減少，轉爐終點鋼水溫度降低，為達到連鑄鋼水的目標溫度，可以增加LF 精煉爐的送電時間來提升溫度，通過鋼包內造白渣，實現高效脫硫。通過石墨電極的埋弧加熱，其熱輻射小，減輕了對鋼包耐材的侵蝕，根據精煉鋼水條件，調整弧流、弧壓、氬氣攪拌強度，加快成渣速度，提高熱效率，升溫幅度達到4～6 ℃/min，而且石墨電極參與鋼包內的反應，提高了鋼包渣的還原性，生成的CO 強化了LF爐內的還原性氣氛，提高合金收得率。相關的化學反應式為：C+FeO=Fe+CO；C+MnO=Mn+CO。精煉溫度控制情況、轉爐爐渣成分以及鋼水成分對比如表5—表7 所示。

表5 精煉溫度控制

表6 轉爐爐渣成分

表7 鋼水成分對比

2.6 做好爐況維護工作

當轉爐終點溫度低時，容易造成后吹的情況，終點爐渣氧化性變強，加劇對爐襯的侵蝕，因此需要加強對爐況的維護，減少因補爐操作增加的輔助時間，否則會影響生產連續性。通過每個班次對爐殼的渣線、耳軸區域進行測溫，發現溫度偏高時，及時安排補爐。對薄弱部位采取貼鎂碳磚進行維護[3]。使用水基大面料，實現縮短補爐料的燒結時間、增加補爐料的抗侵蝕時間的效果。加強對爐底的維護，每個班組接班后，對爐底高度進行測量，爐底過高時，采取洗爐底的操作，保證爐底維持在適宜的高度。合理的爐形能夠穩定裝入量，減輕吹煉過程中爐渣對爐帽部位的侵蝕，達到延長爐襯壽命、均衡爐襯損毀、降低生產成本的目標。對轉爐渣進行抽檢，根據爐渣成分，調整輕燒白云石和鎂球的加入量，確保爐渣w（MgO）在7%～8%，避免因爐況問題而影響低鐵耗目標的完成。

3 結論

1）通過優化造渣料種類、供氧強度、出鋼口尺寸、氧槍角度等工藝，鐵耗由750 kg/t 降低到720 kg/t 以下，且單日最低鐵耗為697 kg/t；

2）由于縮短了生產周期與各環節銜接時間，提高了生產效率，減少了過程溫度損失；

3）新增合金烘烤與鋼包加蓋設備，促進了鐵耗進一步降低；

4）加強對爐襯的監測和維護，轉爐的爐齡最高達到33 980 爐，達到行業內先進水平，為低鐵耗生產夯實基礎。