切割渣在鐵水預處理脫硅中的應用

吳躍鵬，喬冠男，宋吉鎖，王洪濤，高洪濤，王巒濤

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

目前，鞍鋼高爐產出的鐵水中硅含量波動較大，為0.2%～0.9%。硅含量為0.5%～0.9%的鐵水稱為高硅鐵水。高硅鐵水直接入轉爐會增加轉爐冶煉的熔劑成本，而且操作困難、易噴濺。另外，從脫磷的角度而言，由于硅氧的親合力更強［1］，鐵水脫磷必須先脫硅，因此鐵水脫硅是鐵水預處理的一個重要環節。

切割渣（包括旋流井鐵皮、火焰清理產生的鐵皮等）是連鑄工藝生產的副產品。鞍鋼的切割渣產量較大，約4 000 t/a，通常作為廢棄品閑置，不僅浪費資源、占用場地，而且不利于環保。據了解，國內其它鋼廠目前沒有將切割渣用于鐵水預處理脫硅的先例。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠研究一種利用切割渣進行鐵水預處理脫硅的方法，可以穩定脫硅平均達0.23%，脫硅效果明顯，而且入爐后轉爐冶煉平穩。

1 切割渣脫硅可行性分析

1.1 熱力學分析

以往的鐵水預處理模式中，都是先脫硅后脫硫，至少是同時進行。通常作法是在高爐出鐵時，在鐵水溝中加入氧化鐵皮或是燒結礦粉脫硅。但是，高爐出鐵溫度較高并且處于還原性氣氛，均不利于脫硅。另外，脫硅后產生的酸性渣不利于脫硫，脫硫前還要進行扒渣。相反，如果鐵水先脫硫后脫硅，由于脫硫反應放熱，并且伴隨著脫硫劑的加入鐵水會有較大的溫降（30～50℃），在相對溫度降低的條件下，脫硅效果會更好。脫硅反應的平衡常數與鐵水溫度的關系如下［2］：

式中，KSi為脫硅反應的平衡常數；T為鐵水溫度，℃。

由式（1）可知，脫硅反應的平衡常數與鐵水溫度成反比，鐵水溫度低對鐵水脫硅有利。另外，為了避免在脫硅的同時碳被氧化，脫硅反應也應該在低溫下進行。可見，先脫硫，再降溫，后脫硅是具備良好熱力學條件的。

1.2 動力學分析

從動力學觀點看，渣鐵脫硅反應可分為如下步驟：

（1）鐵水中的Si通過鐵水邊界層擴散到渣-鐵界面；

（2）熔渣中的FeO通過熔渣邊界層擴散到渣-鐵界面；

（3）到達渣-鐵界面的Si和FeO通過化學反應生成SiO2和Fe；

（4）界面上生成的SiO2通過熔渣邊界層擴散到熔渣中；

（5）界面上生成的Fe通過鐵水邊界層擴散到鐵水中。

動力學研究結果表明，鐵水中的硅通過鐵水邊界層向渣-鐵界面的擴散是脫硅反應全過程的控制環節［3］。提高鐵水中硅的傳質系數和渣-鐵界面的面積均有利于促進脫硅反應的進行。

鞍鋼采用KR法進行鐵水預處理，其原理是澆鑄耐火材料并經過烘烤的“十字型”或“三葉型”攪拌槳插入到鐵水液面下一定深度，通過攪拌槳的機械旋轉攪動鐵水，鐵水在外力作用下產生“V”字形漩渦，具有攪拌強度大、反應無死區的特點，完全滿足脫硅的動力學條件要求。

2 切割渣作為脫硅劑的工業背景

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠有13臺鑄機，1臺火焰清理機。通常是將一部分切割殘渣經煤氣烘烤后加入白灰、黏結劑等物料，再經過壓制工藝制成球狀含鐵料，作為冷料供轉爐降溫使用，但加工成本較高，達200～300元/t鋼，并且轉爐工序鐵的收得率較低（20%左右）。其余部分切割渣都作為廢物閑置，造成大量的資源浪費。

對切割渣檢驗分析發現，切割渣中全鐵含量約為70%，主要成分為FeO。

鐵水脫硅的反應式為：

由此看來，切割渣不僅滿足鐵水脫硅反應的需求，還可以最大程度的回收切割渣中的鐵，實現廢物利用，降低冶煉成本并提高鋼產量。因此，開展了高硅鐵水預處理脫硫后加入一定量切割渣進行脫硅的試驗。

3 切割渣用于鐵水脫硅試驗

3.1 鐵水選擇

試驗鐵水條件要求：Si含量≥0.5%，T≥1 290℃。

3.2 試驗過程

（1）根據高爐預報的鐵水成分選鐵；

（2）魚雷罐折鐵后測溫、取樣化驗，確認脫硅試驗的鐵水成分是否符合要求；

（3）鐵水罐進站后，鐵水進行扒渣作業,將高爐渣扒除；

（4）高爐渣扒除后進行脫硫作業，要求按二級計算模型確定脫硫劑加入量及攪拌槳攪拌時間；

（5）脫硫結束，不抬攪拌槳進行扒渣操作；

（6）扒除脫硫渣后，進行脫硅。

3.3 脫硅工藝

脫硅工藝步驟如下：

（1）扒除脫硫渣后，將攪拌槳自動模式改為手動模式，待攪拌槳加速至70轉/min時,加入1 t切割渣；

（2）加料過程中觀察鐵水面狀態，如發生渣子泡沫化反應,立即加入300 kg脫硫劑,防止渣子反應劇烈，溢出鋼水罐；

（3）待一切正常后手動加速至高速（100～120轉/min）,并將剩余的切割渣加入，根據鐵水硅含量范圍值選擇切割渣的加入量及攪拌時間；

（4）脫硅完成后,將渣子扒凈；

（5）測溫、取樣檢驗。

4 試驗效果及效益

鐵水硅含量的范圍值與切割渣加入量及攪拌時間的關系見表1。統計9組數據，取平均值，分析切割渣使用前后鐵水成分變化情況，見表2。

表1 鐵水硅含量與切割渣加入量及攪拌時間的關系Table 1 Relationship among Content of Si in Hot Metal,Adding Quantity of Residues Resulted in Cutting and Stirring Time

表2 切割渣脫硅試驗前后鐵水成分變化Table 2 Variation of Compositions in Hot Metal before and after Experiment for Desiliconization of Residues Resulted in Cutting %

由表1可以看出，每爐鋼水切割渣加入量為3～5 t時，硅含量降低至0.3%～0.5%；鐵水溫降為25～35℃。由表2看出，脫硅后鐵水中碳含量有所降低，均值在4%左右，實測轉爐冶煉時間平均為13 min，完全能夠滿足轉爐的冶煉需求。脫硅前后鐵水硅含量平均下降了0.230%，硅含量及鐵水溫降非常穩定，脫硅工序時間穩定，平均為10～12 min，這些都有利于轉爐工序進行廢鋼準備。另外，脫硅后的鐵水兌入轉爐后有利于氧槍操作，冶煉過程中噴濺現象明顯減少，同時降低了熔劑消耗，有效降低了轉爐冶煉鐵損和熔劑成本。

按目前日產70爐鋼水，高硅鐵水占比40%，每爐加入切割渣4 t進行效益計算,綜合產生效益為7.18元/t鋼。

5 結語

（1）分析高硅鐵水先脫硫后脫硅的熱力學條件和動力學條件后認為，鞍鋼采用KR法進行鐵水預處理攪拌時加入切割渣脫硅的方法可行。

（2）采用切割渣脫硅，可以將0.5%～0.9%硅含量的高硅鐵水穩定脫硅0.20%～0.25%。脫硅后的鐵水兌入轉爐后有利于氧槍操作，冶煉過程中噴濺現象明顯減少，同時降低了熔劑消耗，有效降低了轉爐冶煉鐵損和熔劑成本，綜合效益達到7.18元/t鋼。