半鋼煉鋼快速造渣工藝的研究與應(yīng)用

李亞厚

（河鋼集團(tuán)承鋼公司技術(shù)質(zhì)量部，河北 承德 067002）

在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程，通過加入造渣料獲得具有一定流動性、堿度的泡沫渣是去除鋼水中硫、磷等有害元素的關(guān)鍵，所以我們經(jīng)常說“煉鋼就是煉渣”。轉(zhuǎn)爐吹煉前期熔池溫度較低，有利于脫磷反應(yīng)的進(jìn)行。所以吹煉過程中化渣速度的快慢直接影響轉(zhuǎn)爐脫磷效率。吹煉前期能夠快速形成高堿度泡沫渣，可以大大提高脫磷效率。

河鋼集團(tuán)承鋼公司（以下簡稱承鋼）某事業(yè)部根據(jù)自身的釩鈦資源優(yōu)勢，采用特殊的鐵水雙聯(lián)工藝煉鋼，即含釩鐵水先經(jīng)提釩處理再進(jìn)行煉鋼。鐵水提釩后，半鋼中的Si、Ti、Mn等元素含量幾乎為零，從而使轉(zhuǎn)爐渣渣系單一，不利于快速化渣。在半鋼煉鋼過程中，吹煉前期化渣占比約20%，吹煉中期化渣占比約70%，吹煉過程中全程返干占比約10%。所以需要對轉(zhuǎn)爐半鋼煉鋼快速化渣工藝技術(shù)進(jìn)行研究。

1 現(xiàn)有工藝及設(shè)備參數(shù)

承鋼某事業(yè)部煉鋼工藝流程：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐提釩→轉(zhuǎn)爐煉鋼→LF爐精煉→方坯連鑄機(jī)。根據(jù)鐵水實(shí)際硫、磷含量和所煉鋼種的要求，選擇是否進(jìn)行脫硫、脫磷預(yù)處理。然后將鐵水兌入轉(zhuǎn)爐進(jìn)行提釩處理，提釩后的半鋼兌入轉(zhuǎn)爐煉鋼，轉(zhuǎn)爐冶煉完畢進(jìn)入LF精煉爐處理，待鋼水溫度、成分進(jìn)行調(diào)整至合格，最后去往連鑄平臺進(jìn)行澆鑄。

某事業(yè)部設(shè)備參數(shù)如表1、表2所示。

表1 氧槍工藝參數(shù)

表2 轉(zhuǎn)爐工藝參數(shù)

2 轉(zhuǎn)爐化渣機(jī)理

2.1 動力學(xué)機(jī)理

根據(jù)冶金動力學(xué)的模型，多相反應(yīng)發(fā)生在體系的相界面上，一般包含以下三個環(huán)節(jié)：

1）反應(yīng)物對流擴(kuò)散到反應(yīng)界面上。

2）在反應(yīng)界面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。

3）反應(yīng)產(chǎn)物離開反應(yīng)界面向相內(nèi)擴(kuò)散。

在轉(zhuǎn)爐內(nèi)，利用石灰造渣的過程是一個復(fù)雜的多相化學(xué)反應(yīng)。石灰加入轉(zhuǎn)爐后，石灰表面與液態(tài)爐渣接觸形成一個過渡反應(yīng)區(qū)域，整個石灰熔化的化學(xué)反應(yīng)基本都發(fā)生在這個區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。

2.2 FeO化渣機(jī)理

轉(zhuǎn)爐爐渣渣系為單一的CaO-SiO2二元渣系。在此渣系中存在兩種狀態(tài)穩(wěn)定物質(zhì)：即正硅酸鈣2CaO·SiO2用（C2S表示）和偏硅酸鈣CaO·SiO2(用CS表示)；兩種狀態(tài)不穩(wěn)定物質(zhì)：即硅酸三鈣3CaO·SiO2用（C3S表示）和二硅酸三鈣3CaO·2SiO2（C3S2表示）。

由于C2S和CS是轉(zhuǎn)爐渣系的主要組成部分，所以從C2S和CS垂直線處將轉(zhuǎn)爐爐渣二元相圖分為了CaO-C2S系、C2S-CS系和CS-SiO2系三個子相圖來分析[1]。轉(zhuǎn)爐爐渣CaO-SiO2二元相圖如下頁圖1所示。

由圖1可知：在轉(zhuǎn)爐吹煉過程中，石灰與爐渣中的SiO2反應(yīng)生成了高熔點(diǎn)的C2S并附著在石灰塊表面阻止了反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行。

圖1 CaO-SiO2二元相圖

轉(zhuǎn)爐吹煉前期，在Si，Mn，Ti等元素氧化的同時，金屬溶液中的Fe也有部分被氧化生成的FeO。由于Fe2+、O2-離子半徑比較小，可以直接穿過附著在石灰表面的C2S與并CaO反應(yīng)生成低熔點(diǎn)的共晶體。所以爐渣中FeO含量越高，化渣速度越快。

3 化渣限制性環(huán)節(jié)

3.1 爐渣成分單一

根據(jù)鋼鐵冶金理論可知，轉(zhuǎn)爐爐渣中組元種類越多爐渣熔點(diǎn)越低[2]。在轉(zhuǎn)爐半鋼煉鋼過程中，由于半鋼中的Si、Mn、Ti等元素含量甚微，沒有足夠的化渣元素與CaO反應(yīng)生成低熔點(diǎn)共晶體，造成在半鋼煉鋼過程中化渣困難。半鋼成分如表3所示。

表3 某事業(yè)部鐵半鋼化學(xué)成分 %

3.2 熔池的攪拌

轉(zhuǎn)爐吹煉過程中，對熔池的攪拌主要來自碳-氧反應(yīng)生成的CO溢出和氧氣壓力對熔池的直接沖擊這兩方面。其中碳-氧反應(yīng)約占80%~90%，氧氣的直接沖擊約占10%~20%。轉(zhuǎn)爐吹煉前期，鋼液中的氧先與半鋼中殘余的硅、鈦、錳等元素先反應(yīng)，碳氧反應(yīng)較弱，生成的CO氣體較少，對熔池的攪拌作用較低。從冶金傳輸學(xué)的角度考慮，熔池的攪拌能力越強(qiáng)，石灰溶解反應(yīng)的界面越大，溶解速度越快。

4 采取的措施

通過對影響轉(zhuǎn)爐快速化渣因素的原因分析，在保證現(xiàn)有工藝流程、冶煉周期不變的情況下，制定并實(shí)施了以下措施。

4.1 留渣操作

在轉(zhuǎn)爐連續(xù)生產(chǎn)過程中，濺渣護(hù)爐結(jié)束后，爐渣不完全倒出，剩余一部分爐渣作為下一爐次的初渣即留渣操作。由于剩余爐渣中全鐵含量在20%左右，且大部分以FeO的形式存在，所以留渣操作提高了初期爐渣中FeO的含量，提高了初期的化渣速度[3]。同時，剩余的爐渣本身溫度很高，并且為均勻的多元低熔點(diǎn)渣系，可改善冶煉前期渣系成分單一的狀況，對轉(zhuǎn)爐終渣檢驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 轉(zhuǎn)爐終渣成分 %

留渣操作具體流程：根據(jù)上爐次轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)渣量、氧含量等情況，倒出渣量的1/2～2/3，在加入鎂球、白云石等物料進(jìn)行濺渣護(hù)爐操作。在兌鐵、加廢鋼之前，向轉(zhuǎn)爐內(nèi)加入石灰1 000～1 500 kg，利用留渣和兌入的鐵水對石灰進(jìn)行預(yù)熱，提高吹煉前期化渣的效果。

鋼水在連鑄機(jī)澆鑄結(jié)束后，鋼包內(nèi)剩余的鋼渣經(jīng)降溫、破碎、篩選后得到粒度合適的鋼包澆余。由于鋼包澆余主要為LF爐精煉渣、覆蓋劑等低熔點(diǎn)多元渣系[4]。在吹煉前期由高位料倉加入，可有效改善前期爐渣的成分單一的特殊條件，提高化渣速度。鋼包澆余檢驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 鋼包澆余組分 %

4.2 吹煉前期加入石灰石

石灰石的主要成分為CaCO3，其受熱分解后生成CaO與CO2。石灰石的分解溫度為900~1 100℃，半鋼平均溫度為1 250~1 350℃。吹煉前期分批次加入石灰石500~800 kg，石灰石與爐渣接觸后，表面溫度迅速達(dá)到其分解溫度，生成的CaO進(jìn)入爐渣中發(fā)生反應(yīng)，CO2在排出過程中起到了攪拌熔池的作用[5]，改善了冶金動力學(xué)條件，有利于轉(zhuǎn)爐初渣的形成。

石灰石分解化學(xué)式：CaCO3=CaO+CO2↑

5 實(shí)施效果

承鋼某事業(yè)部，采取上述技術(shù)優(yōu)化措施后，連續(xù)跟蹤并記錄210爐次半鋼煉鋼過程，具體過程數(shù)據(jù)如下頁表6所示。

由表6可知，在轉(zhuǎn)爐半鋼煉鋼生產(chǎn)過程中，通過優(yōu)化工藝操作，使得吹煉前期化渣時間縮短了2~3 min，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)w（P）降低0.005%~0.010%，石灰消耗量降低2.6 kg/t。

表6 工藝改進(jìn)前后指標(biāo)對比

6 結(jié)語

承鋼依托其特有的釩鈦磁鐵礦資源，采用鐵水雙聯(lián)煉鋼工藝。鐵水先經(jīng)轉(zhuǎn)爐提釩后，雖然使釩元素得到回收利用，但也造成了煉鋼過程中初渣渣系單一、化渣時間長等問題。河鋼承鋼技術(shù)人員以轉(zhuǎn)爐造渣理論為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際自身的實(shí)際情況，制定并實(shí)施了一系列半鋼煉鋼快速造渣措施，降低了穩(wěn)定了工藝操作，降低了生產(chǎn)成本。