轉爐低鐵耗高效率冶煉技術研究

崔 猛

（天津天鋼聯合特鋼有限公司，301500）

0 引言

隨著國家鋼鐵冶金行業的快速發展，國內廢鋼資源逐漸增多，在市場供需調節作用的發揮下，廢鋼價格與鐵水的價差會逐步拉大[1]，充分利用國內廢鋼資源進行轉爐冶煉，可進一步發揮轉爐生產能力。研究低鐵耗高效率的轉爐冶煉技術是非常必要的。

天鋼聯合特鋼有限公司（以下簡稱聯合特鋼）煉鋼廠主要生產設備包括三座120 噸轉爐、三座120 噸 LF 精煉爐、一臺 120 噸 VD 爐、四臺全弧形連鑄機，轉爐流程以生產碳素結構鋼、優質碳素結構鋼、低合金結構鋼為主。通過全面解析轉爐流程節奏控制因素，并輔以設備改造與工藝創新，開發出一整套轉爐高效冶煉技術，在降低鐵水消耗的同時，實現轉爐生產效率的大幅提升。

1 影響轉爐生產效率的分析

轉爐生產效率主要由轉爐的冶煉周期、轉爐輔助時間（補爐、日常檢修）以及轉爐爐齡決定。除正常檢修外，提高轉爐生產效率主要依靠縮短冶煉時間，減少輔助時間來實現[2]。

1.1 轉爐加料時間

轉爐加料主要為兌鐵水、加廢鋼，均需利用到天車裝置，聯合特鋼是三吹三冶煉模式，轉爐兌鐵、加廢鋼經常會因行車干擾造成轉爐加料的等待，影響轉爐加料時間，這是提高轉爐冶煉節奏亟待解決問題。同時隨著降鐵耗工作的不斷開展，轉爐加入廢鋼的重量不斷增多，當輕薄廢鋼偏多時，單斗廢鋼重量不足，有時甚至需要加入2 斗廢鋼，生產周期進一步加長，對轉爐高效冶煉產生更加不利的影響。

1.2 供氧時間

聯合特鋼在開展專項攻關研究前，轉爐每爐鋼供氧時間為13～15 min，供氧時間偏長，影響轉爐冶煉周期。主要原因是氧槍結構存在一些不足，致使氧槍供氧強度偏低（國內80～150 t 中型轉爐供氧強度3.0～4.0 m3/（min·t），供氧時間偏長，成渣速度慢，嚴重制約轉爐的產能。

1.3 出鋼時間

轉爐出鋼過程中卷入和流入鋼包的高氧化性熔渣會造成很多不利影響。因此要減少出鋼時間就要配以有效的擋渣設施，減少轉爐出鋼下渣量，保證鋼水的潔凈度。根據聯合特鋼公司的品種冶煉結構，認為出鋼口內徑過小，出鋼時間長，制約高效率高質量冶煉。

2 低鐵耗模式下提高冶煉效率的研究

2.1 縮短轉爐廢鋼加料時間

針對低鐵耗模式下轉爐鋼料加入量大、加料時間長這個問題，公司采取了一系列縮短鋼料加料時間的措施。

2.1.1 建立專用廢鋼料堆場

為保證轉爐高效加入廢鋼，聯合特鋼改造和新建了廢鋼分類、檢驗與倉儲管理系統，保證全公司具有60×104 m2廢鋼的倉儲能力。

（1）外購廢鋼首先進入40×104 m2露天廢鋼堆場和1×104 m2的廢鋼集裝箱集散站，對外購廢鋼進行初步分級檢驗、晾曬、篩分和分檢，挑除各種有害物質。

（2）另外新建 11×104 m2和 5×104 m2密閉廢鋼料場。前者主要用于存儲社會雜廢鋼，如大包料、壓塊等，后者主要用于存儲清潔廢鋼和大型重廢鋼。并在料場內增設16 臺適合相應種類的廢鋼裝卸機械手，如圖1 所示。

圖1 廢鋼封閉料場

2.1.2 完善廢鋼加工與配送體系

（1）廢鋼的破碎。廢鋼料場在線配備5 臺廢鋼破碎機，總破碎能力為7 320 t/d。破碎機布置在11×104 m2廢鋼封閉料場內，具備廢鋼破碎、磁選、篩分等功能，破碎后的廢鋼用皮帶輸送到廠內廢鋼運輸站，裝車送至各廢鋼用戶。

（2）廢鋼篩分。配備廢鋼篩分設備1 套，對鋼渣水洗料進行篩分，保證不劃傷運輸皮帶和不堵料倉。廢鋼篩分機底篩孔50～80 mm，由原料倉、輸送廢鋼皮帶機、振動給料機、振篩等設備組成，篩分能力50 t/h，如果篩分水洗鋼粒可以達到120 t/h。

2.1.3 優化廢鋼入爐模式

廢鋼主要采用規格為500 mm×500 mm×2 000 mm 打包塊，經專用設備加入轉爐內部，減少了低鐵耗模式下的廢鋼裝入時間，解決了天車行車交叉作業互相影響的問題，在轉爐出完鋼和濺渣后即可進行加廢鋼作業，一般25 噸廢鋼在1.5 min 即可加完，大大節約轉爐的加料時間。

2.1.4 多元化廢鋼加入工藝

為實現低鐵耗冶煉，解決廢鋼裝入困難的問題，建立多元化廢鋼裝入制度：分別在鐵水罐、轉爐爐前、轉爐高位料倉和爐后鋼包內按規程加入適量廢鋼[3]，縮短廢鋼裝入時間，解決廢鋼裝入困難的技術難題。120 t 轉爐廢鋼種類與加入方法見表1。

表1 120 t 轉爐廢鋼種類與加入方法

通過表1 可以看出，對于120 t 轉爐，采用多元化廢鋼加入工藝，廢鋼加入量可控制在30～47 t/爐范圍內，可以保證低鐵耗冶煉的廢鋼加入量要求，同時不會延長轉爐冶煉周期。

2.2 縮短轉爐供氧時間

2.2.1 設定供氧參考模型

低鐵耗模式下，廢鋼加入量大，根據轉爐吹煉前、中、后期不同的反應特點，為保證快速平穩吹煉，建立了供氧參照模型，氧槍槍位采用高-低-高-低模式，并輔以流量調整。開吹時廢鋼多導致轉爐熔池液面高，采用高槍位初步熔化廢鋼，氧氣流量控制在22 000 m3/h；開吹60 秒后，氧槍逐步下降至1.5 米，促進硅錳快速氧化，升高熔池溫度，快速起渣；中期適當緩槍，保證爐渣活躍，氧氣流量控制在24 000～26 000 m3/h，調整爐渣 FeO 含量；后期碳氧反應劇烈程度減緩，可將氧氣流量調整至26 000～28 000m3/h，終點前保證60s 以上拉碳槍位及時間。供氧參照模型如圖2 所示。

圖2 轉爐供氧參考模型

2.2.2 優化氧槍參數

通過對氧槍的數學模擬和水模試驗，發現氧槍喉口夾角從12°調整為12.5°，氧槍吹煉效果較好，氧槍可以在保持有效沖擊深度的同時，將沖擊面積提高，相較于原槍，在1.3 m 和1.5 m 槍位下，氧射流對熔池的作用效果分別提高6.5%和8.2%。生產實踐表明，氧槍參數的優化是合理有效的，優化后供氧時間控制在＜12 min。

2.3 縮短轉爐出鋼時間

縮短出鋼時間主要是通過優化出鋼口尺寸、出鋼口耐材結構來實現。

2.3.1 出鋼口內孔尺寸優化

原出鋼口的主要問題：原出鋼口內徑為150/160 mm，出鋼時間6～8 min，出鋼時間過長。過長的出鋼時間還會造成以下不利影響：

（1）對轉爐出鋼側爐襯的蝕損具有不利的影響；

報告表示，各國已在加速實施相關措施，最大限度地減少甚至消除可用于武器的核材料，并加強這些材料和可能被破壞的核設施的安保。但是，風險環境的惡化可能會危及核材料和核設施的安全。各國在2016—2018年期間的重要發展趨勢主要有四項。

（2）導致鋼水的溫度損失較大，因而對出鋼溫度的要求更高，這將直接影響到轉爐的冶煉效率；

（3）出鋼過程鋼水與空氣的接觸時間變長，加大了鋼水氧化和增氮的風險。

出鋼口的優化措施：經分析論證后，將出鋼口內徑尺寸調整為150/180 mm，增大了內孔的錐度，如圖3 所示。

圖3 出鋼口設計的改變（上：原出鋼口；下：現出鋼口）

實踐表明，出鋼口尺寸調整后，出鋼時間縮短到3～5 min，降低了出鋼過程的溫度損失，提高了轉爐的生產效率。另外由于出鋼口尺寸的優化還減少了出鋼過程的湍流現象、改善了后期卷渣問題、對滑板板面的侵蝕降低、滑板和內外水口的擴孔速率降低。

2.3.2 出鋼口耐材結構的優化

出鋼過程中，高溫的鋼水對出鋼口內壁產生較強的沖刷，對出鋼口造成機械破壞。另外鋼水和爐渣中的氧對鎂碳質出鋼口的氧化，使耐火材料結構疏松、強度變差、壽命下降。

目前使用的出鋼口與內水口配合處容易被鋼水沖刷侵蝕，限制了出鋼口壽命，因此在此位置安裝一支可更換的碗磚（如圖4 所示），當碗磚出現嚴重的侵蝕熔損時，可以在更換內水口的同時更換一支碗磚，采用此種方法有望增加出鋼口的整體壽命。

圖4 出鋼口碗磚示意圖

實踐證明，采用在出鋼口頭部增加碗磚的分體式出鋼口結構，使出鋼口的預期壽命可達到400 爐以上，比整體出鋼口壽命增加了100 多爐。由此可以看出，分體式出鋼口相比整體式出鋼口在致密度、高溫強度、耐侵蝕性等方面具有優勢，同時還可以減少更換出鋼口次數，提高轉爐冶煉效率。

2.4 提高生產效率的輔助措施

2.4.1 縮短輔助時間

主要采用以下措施縮短轉爐輔助操作時間：（1）縮短兌鐵時間：通過提高工人操作水平，兌鐵時間穩定在2 min 以內。

（2）提高傾動速度：低速判定由±5 度調整為±2度，倒爐時間進一步縮短。

（3）提高氧槍升降速度：最高提升速度由500 rpm 提高到700 rpm。

（4）縮短濺渣時間：從4 min 縮短到3 min。

（5）縮短熱停時間：通過調整終渣成分，優化濺渣工藝，實現不補爐操作，節省了補爐耗時。

（6）加強生產調度：進一步減少冶煉過程中等天車、等渣罐、等鋼包等熱停時間，使轉爐作業率進一步提高。

2.4.2 實現不倒爐出鋼

采用轉爐高廢鋼比冶煉工藝后，為縮短轉爐冶煉時間，放寬了對終點溫度的控制：對于直上連鑄的爐次要求只控制出鋼下限溫度，當溫度偏高時在爐后加入適量廢鋼降溫，達到溫度目標要求；對后續采用LF 精煉的爐次，因在精煉中可提高溫度對溫度下限也不再嚴格要求。

由于簡化終點控制要求和減少渣量，冶煉終點根據經驗判斷碳含量達到目標要求時，可實現不倒爐出鋼。

3 提高轉爐生產效率效果分析

實施轉爐高效化冶煉取得效果：

（1）通過對轉爐氧槍的優化，轉爐冶煉供氧時間縮短了2.82 min。

（2）采用新型加廢鋼模式，相比傳統行車每爐加廢鋼模式節約時間1 min。

（3）通過對出鋼口優化，將原來出鋼口內徑150/160 mm 調整為帶大錐度內徑為150/180 mm 的出鋼口，出鋼時間從原來的6～8 min 降到3～5 min出鋼時間縮短3 min。

（4）在上述優化措施的基礎上，通過對轉爐冶煉輔助時間的進一步優化，使轉爐吹煉周期從平均35.25 min 降低到平均 23.43 min（見表 2），單座轉爐日產爐數從39.41 爐提高到53.0 爐，提高轉爐效率33.5%。

表2 項目實施前后轉爐冶煉周期時間對比/min

4 結論

聯合特鋼公司通過采取建立專用廢鋼料堆場、完善廢鋼加工與配送、使用專用設備向轉爐加入廢鋼以及多元化廢鋼加入工藝，使得低鐵耗模式下轉爐廢鋼加入時間不但沒有增加，還降低了1 min。另外通過優化氧槍設計參數、優化出鋼口內孔尺寸、優化出鋼口耐材的結構、優化輔助時間等措施，提高了轉爐供氧效率、優化了出鋼工藝、降低了冶煉輔助時間，轉爐冶煉周期從平均35.25 min 降低到平均23.43 min，提高轉爐效率33.5%，實現了低鐵耗模式下的高效冶煉，取得良好的產量效益和經濟效益。