首鋼京唐300 t 轉爐少氟煉鋼技術研究

2024-01-07 08:50:12付景慧郭佳寧范立新王晨亮

山西冶金 2023年7期

付景慧，李勇，郭佳寧，范立新，王晨亮

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山 063200）

0 引言

煉鋼過程使用螢石作為造渣劑，它可以使較稠的爐渣變稀，增加爐渣的流動性，使之易于脫硫、脫磷，而轉爐渣中氟化鈣是侵蝕爐襯、包襯的重要因素。此外，螢石的使用還產生大量氟離子，對生態環境產生污染，導致地球大氣層中臭氧層空洞擴大；氟離子還對水資源產生污染，間接導致人體骨質硬化和骨質疏松，對人類健康帶來極大的危害。長期以來，使用的礦石、螢石質量不穩定，造成化渣困難，加入量大，增加了消耗，也加劇了對爐襯、包襯等的侵蝕及對環境的污染。因此，在全社會保護環境的呼聲日益高漲的今天，進行少氟化煉鋼技術的研究具有明顯的社會效益。

首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司（全文簡稱“首鋼京唐”）采用轉爐脫碳冶煉和半鋼冶煉工藝冶煉高品質鋼種，由于高品質鋼種對脫碳轉爐脫磷、回硫量的高要求，脫碳轉爐在無氟條件下的化渣則變得至關重要，建廠初期曾對無氟化煉鋼進行過階段性試驗，由于試驗過程中出現的問題較多而暫停了試驗。近些年通過使用新技術、新設備，如高效化冶煉生產、鋼包加蓋的投入等，使得出鋼溫度和鐵水成分有了很大改觀，為無氟化煉鋼提供了有利條件，可以保證高的煉成率，減少成分出格情況，特別是磷含量出格導致鋼種改判造成的損失，為此，團隊成員展開對少氟化煉鋼工藝的工業試驗[1-2]。

1 試驗條件與方法

1.1 試驗條件

首鋼京唐有5 座300 t 轉爐，采取頂底復合吹煉技術，其中包括2 座脫磷轉爐和3 座脫碳轉爐，根據生產的需要，現在冶煉高端品種產量穩步上升，脫碳轉爐冶煉超低碳鋼種時，以高級汽車板為例，要求出鋼w（C）=0.03%～0.05%，w（P）＜0.01%，出鋼溫度在1 645～1 675 ℃。

首鋼京唐高爐鐵水條件如表1 所示，鐵水中磷含量相對較穩定，為采用無氟煉鋼穩定生產提供了先決條件。表2 為高級汽車板出鋼要求。

表1 鐵水溫度及成分

表2 汽車板脫碳轉爐終點鋼水主要成分及溫度要求

1.2 試驗方法

脫磷反應方程式如反應式（1）—反應式（4）所示，由（2）（4）可以看出，脫磷反應為放熱反應，根據化學平衡移動的原理，通過脫磷反應式可以看出，提高反應物FeO 和CaO 濃度、降低生成物磷酸鈣濃度有利于平衡向右移動，適當低溫有利于平衡向放熱反應方向移動，這些條件都對脫磷有益[3]。故脫磷條件是：高氧化性、高堿度、適當的爐溫和渣量、良好流動性的熔渣以及充分的熔池攪拌。

加入螢石的目的是為了促進化渣，為了找到替代螢石的措施，需要將石灰在吹煉過程中快速溶解[4]，影響石灰溶解速度的因素有以下方面：

1）熔渣成分：FeO 含量對石灰溶解速度影響最大，它是石灰溶解的基本溶劑。FeO 可以顯著降低熔渣黏度；改善熔渣對石灰的潤濕和向石灰中的滲透；FeO 與CaO 同屬立方晶系，而且Fe2+、Fe3+、O2-離子半徑皆不大，有利于氧化鐵向石灰晶格中遷移，并與CaO 生成低熔點的化合物，促進石灰的熔化；減少石灰表面C2S 的生成。

2）溫度：熔池溫度高，高于熔渣熔點以上，可以使熔渣黏度降低，加速石灰熔化。

3）熔池的攪拌：加快熔池的攪拌，可以顯著改善石灰溶解的傳質過程，擴大反應界面，提高石灰溶解速度。

4）石灰質量：表面疏松、氣孔率高、反應能力強的活性石灰，有利于熔渣向石灰塊內滲透，擴大了反應界面，加速了石灰溶解過程。

5）助熔劑：助熔劑的加入可以降低C2S 熔點的組元，使C2S 的形態發生改變。

6）渣料的加入方式：根據爐內溫度和化渣情況，確定合理的渣料批量和加入時間[5]。

為了保證良好的去磷效果，需要早化渣、化好渣，根據化渣所需條件，從留渣操作、槍位控制、輔料比例、熔渣劑替代螢石幾個方面對京唐公司無氟造渣工藝進行工業性試驗。

2 制定螢石替代的措施

2.1 控制好過程槍位

煉鋼過程中，鋼中溶解氧含量主要受爐渣中FeO含量控制，同時氧化生成的P2O5能夠被爐渣中的CaO俘獲，在渣鋼界面，鋼中溶解氧含量主要受爐渣中FeO 含量控制，同時氧化生成的P2O5能夠被爐渣中的CaO 俘獲，形成穩定的4CaO·P2O5相。轉爐吹煉前期要想獲得良好的脫磷效果，控制前期階段的溫度、爐渣堿度以及FeO 含量尤為關鍵[6]。

采用高槍位操作，氧氣射流對鋼液面的沖擊減弱，氧化鐵的消耗較少，減少了氧氣與鋼液面的直接接觸，同時對爐渣的沖擊面增大，這樣鋼液升溫速度變慢，碳氧反應不會劇增，同時渣中液滴被氧化，渣中FeO 含量升高促進化渣，過程槍位控制如圖1 所示，終點槍位按1.7 m 控制，為保證終點渣中FeO 含量不會過高，終點槍位時間按不低于2 min 控制。

圖1 吹煉槍位控制

2.2 合理控制吹煉溫度

低溫對脫磷有利，提高熔池溫度，會使磷的分配比降低，不利于磷從金屬向爐渣的轉移。但溫度升高降低了爐渣的黏度，加速了石灰的熔解，從而有利于磷從金屬向爐渣的轉移。理論研究證明，最有效的脫磷有一個最佳的溫度范圍，即1 450～1 500 ℃。冶煉初期要根據鐵水溫度采用不同的操作制度。鐵水溫度低時（1 300 ℃以下），要采用低槍位操作，以提高熔池溫度，加速石灰的熔解，迅速形成初期渣，充分利用前期爐渣FeO 含量高、爐溫低的優勢，快速脫磷；若鐵水溫度特別高（大于1 350 ℃），冶煉初期要適當采用高槍位操作，并加入部分礦石，抑制爐溫的快速升高，同時也有利于石灰的溶解，延長冶煉在低溫區（1 500 ℃以下）的運行時間。

2.3 熔渣劑替代螢石使用

目前國內無氟復合造渣劑的研究主要包括以下幾個方向[1]：硼酸鹽、CaO-Fe2O3基、Al2O3基和MnO基。實際生產應用中，硼酸鹽基B2O5基助熔劑的資源有限、價格較高；CaO-Fe2O3基的制備過程需要高溫設備，工藝較為復雜，且不符合節能減排的總體要求；而Al2O3基助熔劑的主要礦物鐵礬土和MnO 基助熔劑的主要礦物錳礦均為國內分布廣泛的普通礦物，因而具有供應充足、價格穩定的特點，這兩種助熔劑投入工業試驗及應用也是較為成功的。京唐公司熔渣劑的主要成分如表3 所示。

表3 熔渣劑成分

利用熔渣劑中的Al2O3等元素與渣中CaO、FeO等元素的共同作用，可以降低爐渣的熔點，形成更低熔點的化合物，達到快速化渣的目的。冶煉初期，石灰塊表面會形成硅酸二鈣層（C2S），C2S 的生成造成石灰溶解緩慢，為了加速石灰溶解，必須設法破壞并去除C2S 殼層。熔渣劑中的Al2O3能夠促使C2S 的形態發生改變，形成CaO-Al2O3-SiO2和CaO-SiO2-Fe2O3兩個主要的三元渣系[2]。在1 500 ℃時，前一個三元渣系中w（CaO）約為55%、w（SiO2）為38%，當w（Al2O3）為5%～12%時，爐渣黏度最低，約0.3 Pa·s，此處三元渣系的熔點在1 310～1 400 ℃。后一個三元渣系，在保證與前者渣系的堿度相同，w（TFe）在15%～20%時，爐渣熔點在1 300～1 400 ℃。可見無氟化渣劑的加入可以促進C2S 殼層解體，促進冶煉前期早化渣[3]。

2.4 采用雙渣留渣方式

采用雙渣留渣法操作，在出鋼后將上一爐冶煉的終渣留一部分在轉爐內，作為部分初期渣供下一爐冶煉使用，由于終渣堿度高，渣溫高，FeO 含量較高，流動性好，有助于前期石灰熔化，加速初期渣的形成，有利于減少螢石的使用。首鋼京唐公司少氟冶煉具體操作為：

1）常規連續冶煉：采取全濺渣后留渣操作方式，即第一爐冶煉結束后直接進行濺渣操作，濺渣結束后將爐渣倒入渣罐，最后留部分爐渣在爐內，供下爐冶煉使用，倒渣角度也是根據爐齡、爐嘴的不同而有所區別，一般倒渣角度160°～180°，原則上下爐冶煉鐵水w（Si）大于0.45%時不進行留渣操作。

2）半鋼連續冶煉：第一爐半鋼冶煉結束后，如果后續繼續冶煉半鋼，對爐渣進行全留渣操作，即第一爐出鋼完成后，不進行倒渣，直接進行濺渣操作。濺渣過程中根據爐內渣量多少加入500～1 000 kg 制劑，500～2 000 kg 輕燒白云石，如果終點w（C）偏低也可加入部分焦炭，根據爐底測厚情況加入300～1 000 kg生白云石。濺渣槍位一般在1～2 m，原則上先高再低，濺渣過程也可根據現場實際情況調整槍位，一般將濺渣時間控制在2～5 min，要求爐渣濺干，不能有未濺干的液態渣存在，濺渣提槍以爐口無明顯渣粒蹦出為準。濺渣結束后，必須由搖爐煉鋼工檢查爐渣狀態，符合留渣標準后可不進行倒渣，全部留渣在爐內，繼續裝半鋼冶煉下爐鋼，第3 爐冶煉結束后采用先倒后留方式，即冶煉完畢后先不濺渣，先向前搖爐（搖爐角度根據爐齡和爐嘴積渣情況而有所不同，一般在110°～120°倒出一半爐渣后再搖直濺渣，濺渣結束后不倒渣，需要檢查爐渣狀態，繼續進行留渣操作，如此重復之前操作。

采用留渣操作后，各種副原料消耗大幅降低，加大了爐渣的循環利用率，減少了爐渣的外排，減少了對環境的污染。