鐵礬土代替螢石造LF精煉渣的研究與應用

丁勝利，房志琦，溫春普，吳雨辰，韓春良

(河鋼集團承鋼公司 棒材事業部，河北 承德 067000)

由于螢石的主要成分是CaF2，使其具有熔點低且與CaO、CaSiO3生成低熔點共晶物質的特征，故傳統的LF爐外精煉工藝大多采用螢石作為助熔劑進行造渣。但是，螢石會與渣中的多種氧化物反應，生成含氟氣體，嚴重污染環境、侵蝕設備和損害人員健康[1-2]。螢石的化渣助熔作用會隨著含氟氣體的揮發而逐漸失效，因而螢石的化渣助熔作用時間短，不利于爐渣穩定，影響冶煉順利進行。此外，含CaF2的爐渣會對鋼包耐材產生嚴重的侵蝕，降低鋼包的使用壽命，增加鋼鐵企業的成本負擔[3-6]。

為了降低生產成本，提高鋼包使用壽命，減少對環境和人身健康的危害，河鋼承鋼改進了現行的造渣工藝，在100 t LF爐上進行了鐵礬土代替螢石造渣的試驗，經過多爐次的試驗研究，獲得了較好的效果，現已成功投入使用。

1 渣系的設計

通過相關文獻和CaO-Al2O3相圖可知(見圖1)，增加爐渣中的Al2O3含量可以促使Al2O3與CaO形成低熔點化合物12CaO·7 Al2O3促進化渣[7-8]。鐵礬土Al2O3的含量較高，可達到45%以上，且鐵礬土中所含有的SiO2和Fe3O4成分都具有很好的助熔效果，所以本實驗選用鐵礬土代替螢石作為助熔劑，通過調節鐵礬土的加入量，將渣中的CaO與Al2O3控制在以低熔點的鋁酸鈣12CaO·7 Al2O3為主體相范圍內。12CaO·7 Al2O3在CaO-Al2O3相圖中的位置如圖1所示。由圖1可知，12CaO·7 Al2O3的熔點為1 362℃比螢石的熔點1 371℃要低，且這種化合物所具有的多孔疏松結構，使其更易于熔解，同時可作為促進渣中其它組分熔化的熔劑，使精煉渣的總體熔點下降。因此用本方法造的精煉渣具有熔點低的特性，有利于精煉渣的快速形成，提高冶煉效率和效果。

圖1 CaO-Al2O3相圖

1.1 渣成分與脫硫能力間的定量關系

CaO-Al2O3-SiO2-MgO渣系的硫的分配系數和硫容量之間存在下列關系[7,9]：

lgω((S))/ω([S])=-770/T+1.30+lgCS-

lga[o]

(1)

爐渣的脫硫能力可以根據式(1)進行計算，爐渣的硫容量CS可以根據式(2)～(4)渣鋼間的平衡反應來計算。

[S]+(O2-)=(S2-)+[O]

(2)

lgCS=12.6Λ-12.3

(3)

Λ=XAΛA+XBΛB+…

(4)

可知渣的硫容量取決于渣的組成，渣的脫硫能力是光學堿度Λ、溫度和鋼水氧化性a[o]的函數。

1.2 渣成分與脫氧能力間的定量關系

精煉渣要具有一定的脫氧能力，不僅要考慮鋼中溶解氧，還要考慮鋼液中脫氧產物的去處。精煉渣脫氧能力的大小可用式(5)進行計算[10]。

ω(TO)=-744.17+2 138.39Λ-1 465.14Λ2

(5)

1.3 渣成分與發泡能力的關系

LF爐精煉渣的泡沫埋弧作用，不僅可以減少鋼液溫度的損失，電弧對包襯的輻射，還能降低鋼液的吸氣量。渣成分的合適配比與適宜的物性是氣-渣能夠充分乳化、增強熔渣儲泡能力的關鍵。發泡指數與光學堿度的關系式為[11-12]：

Σ=-79.56+230.50Λ-0.266ω(Al2O3)-

162.80Λ2+0.348Λω(Al2O3)+0.14×

10-3ω(Al2O3)

(6)

根據以上精煉渣的脫硫、去氧、發泡能力與光學堿度的關系，聯立式(1)～(6)，并將鋼水中的硫含量，全氧含量、白渣等作為優化條件，可建成非線性優化方程組，對方程進行求解可得到精煉渣目標成分，如表1所示。

表1 LF精煉爐渣目標成分組成 %

2 試驗過程

2.1 原料分析

用石灰作為渣料，使用鐵礬土作為助溶劑，并且輔以碳化硅、電石和硅鈣粉在LF爐中精煉造渣，所用原料的主要化學成分如表2～4所示。

2.2 工藝方案

整個精煉過程中，每噸鋼中加入石灰量為2～6 kg，加入鐵礬土量為2～4 kg，碳化硅的加入量為0.5～1.5 kg。鋼水到達LF精煉站后，先將石灰、鐵礬土和碳化硅物料向鋼包內加入總量的2/3，其余在加熱過程中視爐渣熔化情況加入；在下降電極前，每噸鋼中加入電石0.2～0.4 kg，然后下降電極進行造還原渣精煉，為了確保整個LF精煉過程爐渣發泡，每噸鋼需使用電石0.5～1.2 kg；在精煉過程中，根據當前爐次的脫硫任務和爐渣的冶煉狀況，向渣中投入0.2～0.5 kg硅鈣粉(每噸鋼)。

表2 鐵礬土和石灰主要化學成分 %

表3 硅鈣粉主要化學成分 %

表4 碳化硅和電石主要化學成分 %

3 結果與討論

3.1 應用效果

用上述方法進行LF爐精煉生產中，精煉渣表現出熔點低、化渣快，脫氧、脫硫能力強，鋼包內襯壽命長等特點，并且爐渣狀況穩定，始終處在較好狀態并能夠保障埋弧精煉的效果。為了驗證該方法造的LF爐精煉渣是否滿足預設的渣成分要求，選取了4個具有代表性爐次的精煉渣進行化學成分分析，結果如表5所示。

表5 LF精煉渣成分 %

從表5可以看出精煉渣的成分控制較好，均達到了表1設定的目標范圍。

3.2 效益分析

隨著人們的不斷開采，螢石資源日益短缺，價格不斷提升，當前價格均在1 200元/t以上。鐵礬土由于資源豐富，價格相對便宜(600元/t左右)。使用鐵礬土代替螢石造精煉渣，噸渣成本能降低200～300元。用鐵礬土代替螢石造渣，不僅能夠減輕螢石對鋼包耐火材料的侵蝕，提高鋼包的使用壽命，而且減少了螢石產生的氟化物對除塵設備、水質和人身健康帶來的危害，具有很大的經濟和環保效益。

4 結 論

1) 鐵礬土能有效的調整LF爐精煉渣成分，降低爐渣熔點，促進化渣。使用鐵礬土代替螢石作為助熔劑造精煉渣的方法是切實可行的。

2) 使用價格低廉的鐵礬土代替螢石造LF爐精煉渣能夠顯著降低生產成本，噸渣成本降低200～300元。

3) LF爐用鐵礬土代替螢石進行造渣，能明顯改善操作條件，提高鋼包耐材和除塵設備的使用壽命，降低對環境的危害。