鐵質渣料對轉爐造渣工藝的優化實踐*

胡硯斌，胡新福，黃 芳，侯中曉，何 賽

（1 鋼鐵研究總院有限公司冶金工藝研究所，北京 100081；2 寧夏鋼鐵（集團）有限責任公司技術質量部，寧夏中衛 751700）

1 前 言

轉爐渣中含有較高的鐵氧化物及部分金屬鐵顆粒，在磁選回收后得到的鐵精礦中鐵品位可以達到50%～75%，具有一定的回收利用價值［1］；轉爐除塵灰［2-4］及燒結礦篩下物也主要以鐵元素為主［5］，具有較高的回收利用價值。同時，由于上述長流程鋼鐵企業生產過程中產生的副產物中鐵元素主要以鐵氧化物的形式存在，返回轉爐直接利用可以作為一種良好的化渣劑［6-7］，有利于提高轉爐冶煉過程中脫磷效果。某企業針對轉爐生產過程中石灰消耗高、脫磷率低的問題，利用轉爐渣磁選回收得到的鐵精礦、轉爐除塵灰以及燒結礦篩下物，造球后作為轉爐造渣料用來優化轉爐造渣，從而提高脫磷效果。通過工藝優化前后生產數據對比，證明以鐵氧化物為主的鐵質原料作為轉爐造渣料具有一定的實際意義。

2 轉爐脫磷原理及生產優化

2.1 轉爐脫磷的基本理論

在轉爐生產過程中的脫磷反應如式（1）所示［8］。從式（1）可以看出，鐵水中脫磷過程為氧化脫磷，主要過程為吹入氧氣氧化鋼液中鐵，形成FeO 進渣中，渣中FeO 提供磷氧化所需的氧，氧化后的磷與CaO生產高熔點化合物磷酸三鈣（C3P）進入渣中；同時，由于脫磷反應為放熱反應以及鐵水中C、Si含量高有助于提高P的活度系數，所以在轉爐生產過程中大部分脫磷任務在冶煉前期完成。

式（2）為反應式（1）平衡狀態時平衡常數KP的計算公式，a3CaO·P2O5、aCaO及aFeO為分別對應鋼渣中3CaO·P2O5、CaO和FeO的活度；a［P］對鋼液中磷的活度；從式（2）可以看出鋼渣中FeO 和CaO 含量的提高有利于脫磷反應的進行，但是在一定溫度下，CaO含量越高鋼渣熔點升高，鋼渣流動性變差不利于脫磷反應的進行，增加渣中FeO可以促進石灰熔化，降低渣的熔點，改善鋼渣的流動性，所以轉爐煉鋼過程需要前期“早化渣”，中期減少噴濺，后期避免“返干”［8］，這一冶煉思路主要控制手段就是通過控制好冶煉過程中渣中FeO 的含量。因為在轉爐冶煉過程中，鋼渣熔點高動力學條件差，不利于渣中CaO及脫磷產物的傳質，所以在冶煉過程中控制渣中FeO 含量是轉爐生產的一個關鍵指標之一。某企業在實際HRB400E 生產過程中，對某月份連續生產數據統計發現成品磷含量≥0.035%的比例為12%，平均磷含量為0.029%，磷含量波動較大，需要提高轉爐控制水平，以提高螺紋鋼成品磷含量控制穩定性。

圖1為轉爐工藝優化前石灰消耗情況的記錄數據。從圖1 中結果可以看出，平均石灰消耗為45.4 kg/t，其中石灰消耗＞45 kg/t 的爐次占比為45.5%，而石灰消耗＜40 kg/t 的爐次僅占10.9%，占比較低，可見冶煉過程中石灰消耗偏高，在石灰消耗方面具有較大的優化空間。

圖1 轉爐石灰消耗情況

式（3）為計算磷在渣鐵間分配經驗公式，也稱為Healy公式。為了利用爐渣成分估算轉爐煉鋼中磷在渣-鋼之間的分配，很多冶金工作者進行了大量研究［9-14］。根據熔渣的離子理論，影響磷在渣鐵間分配比的因素很多，在實際反應過程中，磷在渣鐵間很難達到完全平衡，許多研究工作者［9-14］推導了許多關于磷在渣鐵間的分配的經驗公式。這些公式適用性最廣泛是Healy 公式，許多經驗公式都是在基于Healy公式推導而來。

lgLP=22 350/T-23.7+7lg（%CaO）+2.5lg（%TFe），（3）式中：T為溫度，K；（%CaO）為渣中CaO 質量分數，%；（%TFe）代表渣中全鐵質量分數，%。

表1為連續生產的4爐次鋼渣成分及鋼水中磷含量，利用表1中數據通過式（3）所示的Healy公式對實際生產過程中lgLP值進行計算分析。

表1 生產爐次渣成分及鋼水中磷含量

表2 取樣爐次的鋼渣成分

圖2為利用式（3）所示Healy 公式計算得到的lgLP的實測值和理論值對比。從圖2 可以看出，實際生產過程中渣中Fe 和Ca 含量較高，從而利用Healy 公式計算得到的磷分配lgLP理論值高于實測值，理論上在轉爐煉鋼過程中提高鋼渣堿度有利于脫磷，但實際生產過程中雖然石灰加入量較高，但未實現較高的脫磷效果，一方面轉爐煉鋼的脫磷反應是處于非平衡狀態，所以渣-鋼中的磷分配不能達到平衡狀態，但鋼渣的流動性提高可以促進其接近平衡狀態；另一方面是因為磷在氧化后形成的磷酸三鈣（C3P）需要與渣中的硅酸二鈣（C2S）相結合形成富磷相固溶體C2S-C3P（2CaO·SiO2-3CaO·P2O5）［15］，C2S 相的形成需要化好渣，所以基于這兩方面的原因轉爐在脫磷過程中轉爐渣化渣的好壞直接影響轉爐脫磷的效率［16］，為了優化轉爐脫磷工藝以及回收利用企業內部鐵質副產物，采用以鐵氧化物為主要成分的鐵質造渣料來優化轉爐造渣。

圖2 磷分配（lgLP）實際值和理論計算值

2.2 轉爐造渣工藝優化

圖3為分別為爐次2和爐次4鋼渣的巖相圖片。從圖3可看出，轉爐終點鋼渣中主要的巖相組成是硅酸三鈣、硅酸二鈣、RO相、游離氧化鈣和含鐵相。

圖3 工藝改進前爐次2和爐次4渣巖相照片

表3為圖3 中爐次2 和爐次4 鋼渣各巖相的含量。通過對圖3 中爐次2 和爐次4 的分析，其中硅酸三鈣占40%～50%，硅酸二鈣占5%～10%，RO相占20%～25%，鐵酸二鈣占3%～10%，游離氧化鈣占5%～10%。從表3數據可以看出，渣中硅酸二鈣比例較低，而轉爐脫磷過程中形成的磷酸鈣主要富集在硅酸二鈣中［17］，所以生產過程中爐渣中硅酸二鈣含量較低，不利于脫磷。

表3 爐次2和爐次4鋼渣中各巖相含量 %

表4 爐次5和爐次6鋼渣中各巖相含量 %

為了優化造渣，提高轉爐終點的脫磷效果，某企業通過添加鐵質造渣料優化造渣，具體的操作如下，加料1.5 min時，轉爐加入石灰的同時加入3～4 kg/t鋼左右的鐵質造渣料，提高渣中FeO含量，降低鋼渣熔點，有利于前期鋼渣脫磷；由于轉爐整體吹氧時間在12～14 min，所以在6.50～8.50 min 時，加3.5 kg/t鋼左右鐵質造渣料，防止返干。鐵質造渣料的加入不僅有助于化渣，同時可以加快吹氧時間和減少氧槍的波動，保證吹煉過程中氧化鐵含量較小，有助于提高鋼水的收得率。

圖4為工藝改進后爐次5和爐次6鋼渣巖相分析照片，由圖4可知，轉爐終渣中主要的巖相組成是硅酸三鈣、硅酸二鈣、RO相、游離氧化鈣及含鐵相。

圖4 工藝改進后爐次5和爐次6渣巖相照片

表5為試驗爐次5和6鋼渣的主要成分，從表5中可見，改進工藝后，終渣中P2O5含量平均為1.835%，而常規爐次的P2O5含量平均為1.235%，爐渣中P2O5含量有所增加；同時改進工藝后，渣中TFe略有降低；對工藝優化后連續生產的730爐數據進行了統計，平均噸鋼石灰消耗量約為39.5 kg，通過鐵質料的加入石灰消耗量降低約6 kg/t 鋼；成品磷含量≤0.035%的比例為97.8%，成品平均磷含量為0.026%，平均磷含量相比于轉爐工藝優化前也有一定幅度的降低。

表5 試驗爐次爐渣成分 %

3 結 論

3.1通過本文分析可以看出，轉爐渣磁選精鐵礦、除塵灰及燒結返回料返回轉爐使用，不僅可以使其得到回收利用，同時有利于降低石灰消耗。

3.2通過在冶煉1.5 min 及6.5～8.5 min 時加入適量的鐵質渣料來降低鋼渣熔點，促進渣中C2S 相的形成，從而有利于提高轉爐鋼渣脫磷率。