100 t轉爐應用石灰石造渣半鋼煉鋼工業實踐

韓 宇 張明博 袁 娜 申澤亮 劉 虹

(河鋼股份有限公司承德分公司，河北承德 067002)

100 t轉爐應用石灰石造渣半鋼煉鋼工業實踐

韓 宇 張明博 袁 娜 申澤亮 劉 虹

(河鋼股份有限公司承德分公司，河北承德 067002)

根據石灰石造渣制度的理論探討和成渣機理分析，對轉爐半鋼煉鋼應用石灰石造渣工藝進行工業實踐研究。結果表明：采用石灰石造渣工藝冶煉半鋼可使脫碳速率穩定在0.087%/100 Nm3～0.117%/100 Nm3之間，且拉碳成功率高達91.68%，此工藝具有較好的脫磷效果，可使終點鋼液中[P]質量分數降低至0.013%～0.017%；石灰石造渣工藝終渣成分與單純加入石灰造渣相比，其堿度較為相近，終渣MgO含量稍高，但是TFe含量較低，提高了金屬收得率；該工藝能夠顯著降低石灰消耗7.0～19.0 kg/t，可降低冶煉成本。

轉爐 半鋼煉鋼 石灰石 造渣工藝

目前國家對于鋼鐵企業的環保和節能減排要求越發重視，作為煉鋼產業中心環節的轉爐工序，如何更好地擔負低能耗和低污染任務成為企業關注的焦點[1- 3]。基于節能減排理念，北京科技大學李宏研究了“轉爐石灰石替代石灰造渣煉鋼”的工藝，此工藝技術滿足了低成本、低能耗、低排放的冶煉訴求[4- 5]。國內已有數十家鋼鐵公司應用此方法煉鋼，并取得了良好的冶煉效果和經濟效益。此外，在國內經濟增速放緩的形勢下，鋼鐵行業低迷運行，如何既滿足冶煉工藝需求又能降低煉鋼成本，成為鋼鐵企業發展的生命力。

國內將石灰石造渣工藝主要應用在鐵水煉鋼方面，在半鋼煉鋼過程中采用石灰石替代石灰的研究應用較少。因此河鋼集團承德分公司(以下簡稱“承鋼”)根據半鋼煉鋼生產特點，提出了轉爐半鋼煉鋼應用石灰石造渣工藝的技術，并在100 t轉爐上進行石灰石代替部分石灰造渣冶煉的工業實踐；采用單渣法對石灰石造渣冶煉工藝效果進行初步研究，分析和探討采用石灰石半鋼煉鋼對脫碳速率、終點[C]含量、脫磷率、石灰消耗和爐渣成分的影響，明確了該工藝半鋼煉鋼的可行性和先進性。

1 石灰石造渣工藝熱力學與機理分析

1.1 石灰石造渣工藝熱力學基礎

石灰石與石灰兩種造渣工藝的顯著區別在于石灰石分解吸收熱量并釋放出大量的CO2參與鐵水反應，當溫度在630～930 ℃之間時，石灰石發生分解反應，該反應的標準自由能變化與溫度的關系如式(1)所示。

CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)

(1)

CO2(g)+[C](l)=2CO(g)

(2)

CO2(g)+[Si](l)=1/2SiO2(s)

(3)

CO2(g)+[Mn](l)=MnO(s)

(4)

CO2(g)+[Fe](l)=FeO(s)

(5)

1.2 石灰石造渣工藝機理分析

石灰石造渣在轉爐內需要經歷一個由預熱、加熱到分解，進而生成石灰的過程，進一步參與脫磷、脫硫反應，主要化學過程是一個吸熱反應過程，具體反應如式(1)所示。

開吹后轉爐內熔池溫度一般在1 300～1 400 ℃之間，石灰石加入轉爐后瞬間承受如此高溫，急劇升溫后將促使石灰石表面碳酸鈣的分解激烈進行，原本需要在爐外煅燒3～5 h的石灰石分解反應在轉爐爐內由于內外表面巨大的溫度差，使石灰石煅燒成為石灰的速度急劇加快。另外，由于石灰石分解生成大量的CO2氣體，會使得爐內熔渣泡沫化程度提高，有利于增加石灰與熔渣反應的表面積，同時CO2氣體的逸出會在石灰石煅燒生成的石灰表面形成諸多氣孔，石灰高氣孔率的形成會更有效地促進石灰的快速熔化，有利于高堿度轉爐熔渣的快速形成。石灰造渣工藝吹煉初期Si、Mn的快速氧化所生產的SiO2與石灰中CaO在其表面形成高熔點物質2CaO·SiO2，進而影響石灰的熔化速度，而采用石灰石作為造渣材料，由于煅燒反應不斷生成的CO2氣體的逸出，可有效地限制SiO2進入石灰內部，避免了高熔點物質2CaO·SiO2的生成，從而有利于石灰的熔化。CO2氣體的排出以及石灰的快速熔化是相互促進的，從化學反應動力學角度分析，這兩種生成物的排出和熔化促進石灰石煅燒反應的進行，因此在保證了轉爐爐內溫度的前提下，石灰石的熱分解熔化速度并不低于石灰在爐內的熔化速度。

2 石灰石造渣工業實踐

2.1 半鋼及原料成分

承鋼煉鋼工序流程為：鐵水預脫硫→提釩轉爐→煉鋼轉爐→(LF或RH)精煉→連鑄。含釩鐵水經過吹氧提釩后，將鐵水中硅、錳、鈦、釩等其他易氧化元素的氧化物一起進入爐渣，此爐渣稱為釩渣(釩渣用于制作釩鐵或釩化學制劑)。提釩后的鋼水稱為半鋼，半鋼具有較高的含碳量和一定的過熱度，保證半鋼煉鋼仍有足夠的化學反應熱和物理熱，其具體化學成分如表1所示，溫度為1 340～1 370 ℃。本鋼廠所用石灰石粒度均勻，一般為15～35 mm，其化學成分平均值及其他造渣物料一并列于表2。

表1 半鋼化學成分(質量分數)

表2 造渣物料的平均成分及水分

2.2 石灰石造渣煉鋼操作過程簡述

為了驗證采用石灰石替代部分石灰工藝后轉爐造渣的效果，石灰石造渣加料順序及冶煉過程簡述：

(1)在煉鋼生產中濺渣后不加渣料直接兌鐵，開吹著火后將石灰500 kg、白云石500 kg、包渣500 kg作為頭批渣料加入，槍位控制在2.2～2.4 m、氧壓0.81 MPa，加速氧化鐵的生成確保爐內著火充分。

(2)觀察爐口火焰判斷化渣情況，頭批料化好后加入石灰石、石灰、輕燒白云石和生白云石，在冶煉中期根據爐內反應情況及時合理地控制氧槍槍位，保證氧氣射流對熔池的攪拌能力。

(3)同時密切觀察爐口火焰情況，并根據生產經驗合理配加石灰石作為降溫材料，但要注意爐內出現返干時則禁止加人石灰石降溫，倒爐后測取終點溫度及成分并取渣樣分析。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果

本次石灰石造渣工藝實踐共進行有效試驗爐次24爐，現將代表試驗爐次半鋼、終點主要成分及各試驗爐次造渣物料加入量一并列于表3。

表3 石灰石造渣工藝半鋼、終點主要成分和造渣料加入量

3.2 試驗分析

(1)石灰石造渣對脫碳速率的影響

目前以時間結點判斷脫碳速率的較多，即時間單位脫碳速率為：%/min。由于受到初始碳含量、操作人員過程控制氧槍流量和槍位會有差別，因此為了準確客觀評價脫碳速率，本試驗脫碳速率的單位改為：%/100 Nm3，即供氧100標準立方米所脫除的C含量。

圖1(a)給出石灰石造渣工藝對脫碳速率的影響。由圖1(a)可以看出，采用石灰石造渣工藝冶煉半鋼脫碳速率在0.087%/100 Nm3～0.117%/100 Nm3之間，平均脫碳速率為0.097 %/100 Nm3。通過上述數據可以看出，采用石灰石的脫碳速率波動較小，表明脫碳反應平穩進行，有利于熔池溫度的平穩上升。

(2)石灰石造渣對終點碳的影響

圖1 石灰石造渣工藝對脫碳速率和的終點碳影響

圖1(b)給出了石灰石造渣工藝對終點碳含量的影響。由圖1(b)可以看出， 終點[C]質量分數在0.05% ～ 0.20%之間，波動范圍較大，平均終點[C]質量分數為0.096%。此外，本工業試驗爐次中僅有2爐終點[C]質量分數為0.05%，按照終點0.06%即為拉碳成功，則拉碳成功率為91.68%。因此采用石灰石造渣工藝冶煉半鋼有利于拉碳，應用石灰石造渣工藝冶煉高碳鋼更具優勢。

(3)石灰石造渣對脫磷率的影響

圖2(a)給出了石灰石造渣工藝對終點碳含量的影響。由圖2(a)可以看出，采用石灰石造渣工藝冶煉半鋼脫磷率在73.72%～94.67%之間，平均脫磷率為88.59%。其中僅有2爐脫磷率低于80%，11爐次的脫磷率均在80.0%～90.0%之間，有11爐脫磷率在90%以上，表明采用石灰石具有較好的脫磷效果。對于承鋼半鋼條件[P]質量分數在0.116%～0.150%之間，根據上述平均脫磷率計算，可將終點鋼水[P]質量分數控制在0.013%～0.017%之間，表明采用石灰石冶煉非超低磷鋼種完全可以滿足其[P]含量的要求。

(4)石灰石造渣對噸鋼石灰消耗的影響

圖2(b)給出了石灰石造渣工藝對噸鋼石灰消耗的影響。由圖2(b)可以看出，采用石灰石造渣工藝冶煉半鋼噸鋼石灰消耗為8.0～20.0 kg/t，平均灰耗為14.75 kg/t，目前單純采用石灰冶煉半鋼平均石灰消耗為27.0 kg/t。通過上述分析可以看出，石灰石冶煉半鋼對灰耗的影響較大，可降低灰耗在7.0～19.0 kg/t之間，顯著降低噸鋼石灰消耗，但是存在石灰消耗波動較大的問題。產生這種現象的主要原因是采用石灰石冶煉半鋼爐次較少，缺乏全面的經驗和總結，應提高石灰石冶煉半鋼的爐次比例，為優化石灰石與石灰的最佳配比奠定工業試驗基礎。

圖2 石灰石造渣工藝對脫磷率和石灰消耗的影響

(5)石灰石造渣對終點爐渣成分的影響

圖3給出了石灰石造渣工藝對冶煉半鋼終渣成分的影響，由圖3可以看出，終渣MgO的質量分數在11.55%～17.87%之間，MgO的平均質量分數為14.55%。爐渣中MgO含量比單純加入石灰煉鋼略高，可以適當降低白云石的噸鋼消耗量，以穩定終渣MgO的質量分數在10.0%～15.0%之間，且不會影響濺渣護爐效果；終渣TFe的質量分數在11.36%～20.97%之間，TFe的平均質量分數為17.22%，其質量分數比單純加入石灰煉鋼降低3.78%，因此采用石灰石造渣工藝冶煉半鋼可以提高金屬收得率；終渣二元堿度CaO%/SiO2%在3.15～4.21之間，二元堿度CaO%/SiO2%平均值為3.6，其值與單純加入石灰時基本相同。

圖3 石灰石造渣工藝對終渣成分的影響

綜上所述，采用轉爐半鋼煉鋼石灰石造渣工藝可以穩定脫碳速率，有助于熔池溫度平穩上升，使轉爐操作過程更加穩定。石灰石造渣工藝具有較高的拉碳成功率和脫磷率，此工藝適合冶煉普碳鋼或非超低磷鋼鋼種，并且能夠顯著降低石灰消耗和降低冶煉成本。但是由于試驗和工業生產爐次較少，所降灰耗波動較大，應盡快在普碳鋼或非低磷鋼種進行推廣，進一步提高石灰石在造渣工藝中的應用。

4 結論

(1)石灰石造渣工藝可以穩定轉爐脫碳速率在0.087%/100 Nm3～0.117%/100 Nm3之間，使脫碳速率和熔池平穩進行；此工藝可將終點[C]質量分數控制在0.05%- 0.20%之間，拉碳成功率為91.68%；并具有較高的脫磷率，可將終點 [P]質量分數控制在0.013%～0.017%之間，石灰石造渣工藝更有利于半鋼冶煉普碳鋼或非超低磷鋼。

(2)石灰石造渣工藝能夠顯著降低轉爐灰耗，采用此工藝后轉爐半鋼灰耗在8.0～20.0 kg/t，平均灰耗僅為14.75 kg/t，使灰耗降低量在7.0～19.0 kg/t之間，降低冶煉成本。

(3)終渣MgO質量分數在11.55%～17.87%之間，比單純加入石灰煉鋼略高，可以適當降低白云石的噸鋼消耗量，以穩定終渣MgO質量分數在10.0%～15.0%之間，且不會影響濺渣護爐效果；終渣TFe質量分數在11.36%～20.97%之間，比單純加入石灰煉鋼降低3.78%；終渣二元堿度CaO%/SiO2%在3.15～4.21之間，其值與單純加入石灰時基本相同。

[1] 王新華，朱國森，李海波，等． 氧氣轉爐“留渣+雙渣”煉鋼工藝技術研究[J]. 中國冶金,2013, 23(4):40- 46.

[2] 丁瑞鋒，馮士超，王艷紅．轉爐雙渣法少渣煉鋼工藝新進展及操作優化[J]. 上海金屬, 2015, 37(5):57- 61.

[3] 曲余玲，毛艷麗，景馨，等．生物質能在鋼鐵生產中的應用研究及前景分析[J]. 上海金屬, 2015, 37(5):70- 74.

[4] 李宏,曲英.一種在氧氣頂吹轉爐中用石灰石代替石灰造渣煉鋼的方法：中國，101525678 [P]. 2009- 04- 21 [2009- 09- 09 ].

[5] 李宏，曲英．氧氣轉爐煉鋼用石灰石代替石灰節能減排初探[J].中國冶金,2010, 20(9):45- 47.

[6] 王新華．鋼鐵冶煉- 煉鋼學[M]．北京：高等教育出版社，2007．

[7] 郭漢杰．冶金物理化學教程[M]．北京：冶金工業出版社，2004．

[8] 李宏，馮佳，李永卿，等．轉爐煉鋼前期石灰石分解及CO2氧化作用的熱力學分析[J]．北京科技大學學報，2011，33(增刊1)：83- 87．

收修改稿日期：2016- 06- 23

Industrial Practice on using Limestone as the Semi- steel Steelmaking Slagging Material in 100 t Converter

Han Yu Zhang Mingbo Yuan Na Shen Zeliang Liu Hong

(Chengde Branch, Hesteel Co., Ltd., Chengde Hebei 067002, China)

According to the forming mechanism of limestone- slagging, industrial practice and research were conducted in the converter with semi- steel and limestone slagging process. The results showed that by using limestone slagging process, the decarburization speed can reach stability between 0.087%/100 Nm3and 0.117%/100 Nm3, and the pull carbon success rate was as high as 91.68%; The process had better dephosphorization effect, which can reduce the end- point mass fraction of [P] in molten steel to 0.013%～0.017%. Compared to the lime- slagging process, slag alkalinity was similar, the MgO content of final slag was slightly higher, but the TFe content was lower by using limestone- slag process, which improved the metal yield. This process can significantly reduce the lime consumption of 7.0～19.0 kg/t and cut smelting cost.

converter, semi- steel steelmaking, limestone, slagging process

韓宇，男，主要從事轉爐提釩與煉鋼工藝研究，Email：xx_xg_hany@cdvt.com.cn

張明博，男，博士，主要從事冶金工藝及資源綜合利用研究，Email：zhangmingbo45@163.com