燒結返礦替代廢鋼冶煉技術研究

王皎月，龔 波，張 琦，喻春亮

（四川達州鋼鐵集團有限責任公司，四川 達州635002）

1 引言

煉鋼通常用的主原料為“鐵水＋廢鋼”，廢鋼是冷卻效果較為穩定、均勻的冷卻劑，在廢鋼資源充足的鋼鐵企業，一般均是采用全部廢鋼作為煉鋼冶煉過程的冷卻劑，通常裝入量在鐵水的10%～30%。合適的的廢鋼比和輕、中、重廢鋼的搭配，利于平衡轉爐的過程控制，降低轉爐消耗和成本。

受廢鋼價格高和周邊地區廢鋼資源缺乏的條件限制，我廠采購的廢鋼主要是輕薄料，廢鋼的輕、中、重合理搭配就沒辦法實現，也就失去了廢鋼調節過程溫度的可行性。廢鋼來源復雜，質量差異大，表現在外形尺寸大、質量輕、雜質多、同時有害微量元素不受控，不但影響廢鋼的裝入量、還經常堵爐口、給氧槍操作帶來困難等，甚至偶爾會因微量元素超標影響產品質量。

同時我公司燒結返礦比例高，返礦占地多，二次燒結又增加成本，為消化返礦、同時解決廢鋼不足的現狀。通過理論計算和工藝分析，認為燒結返礦具有平衡轉爐熱量替代廢鋼的可行性，噸鋼廢鋼加入量可以減少55kg～90kg，又可以降低燒結返礦再次返回燒結的加工成本、能源消耗等，具有一定經濟效益。經過達鋼集團相關部門和技術人員的研究，提出了立項加以研究，針對返礦與廢鋼不同的特點，制定了使用燒結返礦的加入時機、加入量、加入后的冶煉過程控制參數，解決了噴濺、終點控制的難題，形成了使用燒結返礦替代廢鋼的冶煉新技術。

2 工藝技術研究

2．1 燒結返礦作為煉鋼的主原料替代廢鋼加入的優越性

（1）燒結返礦具有穩定的熱效應，在燒結返礦中，組分相對穩定，也就是熱效應基本穩定，能滿足平衡熱量的基本功能。

礦相中占相當比例的液相組成熔點是1 100℃～1 500℃，在1 300℃～1 700℃的煉鋼溫度下，其液相很容易熔化成渣，同時燒結返礦硫磷含量低。具有直接熔化的可能，爐內的熱力學和動力學條件都滿足。

（2）燒結返礦中被低熔點液相包裹熔蝕的磁鐵礦、赤鐵礦在液相熔化后，可迅速參與轉爐造渣反應，并向熔池供氧和還原鐵：Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe。

轉爐冶煉過程主要包括前期、中期、后期三個階段：

①轉爐吹煉前期是硅錳氧化期，熔池溫度一般控制在1 200℃～1 400℃左右，此時加入返礦后，一方面返礦本身液相組分迅速熔化成渣，另一面促成了初期渣中FeO含量的迅速提高，使石灰表面形成的致密2CaO·SiO2殼松動，有利于石灰熔解成流動性好的氧化渣，成渣時間縮短。

②轉爐吹煉中期是碳高速氧化期，熔池溫度一般控制在1 400℃～1 600℃左右；脫碳反應的限制性環節是熔池的供氧強度，而此時加入返礦，返礦中的Fe2O3幾乎全部消耗于氧化金屬中的碳：Fe2O3＋3［C］＝2Fe＋3CO，加入返礦的反應過程既有物理吸熱又有化學吸熱，故其主要起到的是氧化劑和冷卻劑的作用，且冷卻效應最大。

③轉爐吹煉后期是終點拉碳期，熔池溫度根據不同鋼種要求一般控制在1 600℃～1 700℃左右：從理論上講，當熔池碳小于0．2%時，熔池的碳含量成為脫碳反應的限制性環節，此時加入返礦后，其Fe2O3連同其它組分主要轉入爐渣，僅發生物理吸熱，故其主要起到的是提高爐渣氧化性的作用，冷卻效果很小。

因此，燒結返礦對解決轉爐冶煉過程均勻冷卻和快速成渣的問題是有利的，可替代廢鋼滿足降低鐵水多余的熱量，轉爐配加返礦方案可行。

2．2 我廠燒結返礦資源豐富，能為本項目提供充足的原料基礎

2．2．1 燒結礦的種類

燒結礦返礦分為熱返礦、冷返礦和高爐料槽下返礦3種。

2．2．2 我廠燒結返礦率較高

燒結返礦是燒結工藝過程中不可避免的產物，國內燒結廠返礦率一般在15%～25%之間，我廠由于主要使用釩鈦磁鐵礦，具有Ti、Al2O3、MgO含量高等特點，燒結轉鼓強度差，所以返礦比例更大，返礦率在20%～30%之間。

2．2．3 影響燒結返礦率的主要因素

燒結返礦率取決于原料的性質、原料的準備技術和設備狀況以及燒結的操作技術。

混合料的混合和制粒不好、燒結機的布料不均、燒結點火熱量不足、燒結終點控制不好或未能燒透以及燒結礦卸出后的多次破碎及篩分等都會增加返礦率。

此外，當燒結制度（如料層高度、點火溫度、燃料用量、抽風負壓等）與原料性質不相適應，或燒結作業失常未能及時調整時，返礦率也會升高。

2．3 燒結返礦的典型成分分析（粒度為5mm以下）

燒結返礦從外觀上看絕大部分呈黑色顆粒狀，其它雜質很少，達鋼燒結礦一般的全鐵品位約為50%，CaO含量為11%左右，SiO2含量在6%左右，MgO和A12O3含量較少，堿度約為1．75～2．00。

我廠燒結返礦的典型成分組成見表1。

表1 燒結返礦的典型成分組成（%）

2．4 燒結返礦的冷卻能力分析

通常，轉爐冶煉冷卻量需求的變化采用物料平衡和熱平衡計算方法準確性較高，但計算過程很復雜，很難快速計算燒結返礦具有的較強冷卻能力。

資料顯示在1 200℃～1 600℃時，燒結返礦的冷卻效應為4 300～4 750kJ．（kg）－1，而廢鋼一般在1 110～1 430kJ．（kg）－1，燒結返礦的冷卻效應為廢鋼的3～4倍，按我廠鐵水的物理熱和化學熱，根據常煉鋼種計算熱平衡數據得出，我廠噸鋼具有消耗返礦能力60kg／t～80kg／t，日可消化燒結量返礦量550t左右。

2．5 燒結返礦的爐內主要反應分析

燒結返礦受爐內高溫熔化，返礦中含有大量FeO，FeO直接進入鋼渣反應界面。

在冶煉前期，減少部分鐵與氧的反應生產所需要的氧化亞鐵。

在冶煉中期，返礦產生的氧化亞鐵可與C、P等發生反應

這些反應對轉爐而言，都是利于轉爐控制的。同時燒結返礦氧化亞鐵的含量可折合氧約為22%，考慮氧氣利用率等因素，可降低噸鋼氧氣4m3／t～10m3／t，使用燒結返礦具有降低氧用量效益，同時鐵能得到充分的還原進入鋼中。

2．6 燒結返礦加入的時機分析

燒結返礦加入時機的確定主要受前期噴濺（成渣）和中期“返干”兩個因素決定，加入的時間必須有效防止煉前期爐內低溫“噴濺”、中期高溫爐渣“返干”現象的發生。

3 生產技術方案

3．1 工藝路線選擇

“返礦”由貨車轉運到煉鋼上料系統的底倉——經皮帶運輸到高位料倉——通過振動給料到稱量斗——打開插板閥送入匯總漏斗——再經溜管加入爐內。給料、稱量和加料都在轉爐的主控室內由操作人員進行控制，此操作簡單，方便靈活，不占用生產時間。

工藝路線圖見圖1。

圖1 燒結返礦替代廢鋼項目工藝路線圖

3．2 裝入制度

采用固定鐵水＋少量廢鋼模式（廢鋼嚴重供應不足時采用全鐵水）滿足總裝入量，富裕熱量采用燒結返礦調節，返礦的加入過程，全部實現了PLC控制，完全實現了自動化，加入量精確并不增加勞動強度。

3．3 造渣制度

將原前期石灰加入量分為濺渣后進鐵水前加入總量的1／3，其余部分待爐內溫度上升后約2～5min時加入，余少量過程加入，但在10min以前完畢。

3．4 供氧制度

根據前期試驗爐次，采取變壓變槍操作模式，為減少“返礦”前期吸熱造成熔池低溫噴濺，采取開大氧氣流量（工藝規定值上限），以利于提高前期溫度，同時加快前期硅錳反應，縮短冶煉周期。

3．5 返礦加入量的確定

依據不同鐵水成分、溫度、冶煉鋼種，通過熱平衡計算，制定加入量參考表。利于現場操作人員的操作，減少經驗判斷的失誤造成終點C－T的不協調。

4 試驗數據分析

表2為本項目技術研究的試驗數據。

表2 試驗數據

通過對比可以看出：

（1）鐵水＋廢鋼模式不利于裝入量穩定，而且我廠廢鋼質量差，經常容易出現堵爐口，誤時嚴重。由于廢鋼質量差，每槽廢鋼加入量不能大于10t，否則要進2槽，影響生產節奏。同時廢剛中的有害微量元素過多，經常造成爐次微量元素超上限。

（2）全鐵水模式可減少廢鋼加入時間，提高冶煉節奏。

（3）返礦加入后鐵的回收率高，約2．5t燒結返礦回收1．0t鐵。

5 結論

（1）燒結返礦對解決轉爐冶煉過程均勻冷卻和快速成渣的問題是有利的，可替代廢鋼滿足降低鐵水多余的熱量，轉爐配加返礦方案可行。

（2）因燒結返礦或礦石中含有較高的氧化鐵，在轉爐冶煉過程中加入方法和操作方式不當，很容易造成轉爐噴濺或爐渣氧化性大。

（3）燒結返礦替代廢鋼后可明顯降低氧的消耗，具有較好的經濟性。

（4）本技術解決了燒結重新加工產生的環境污染問題。

［1］黃希沽．鋼鐵冶金原理［M］．北京：冶金工業出版社．

［2］陳家祥．鋼鐵冶金學［M］．冶金工業出版社，2004．