轉爐單渣留渣高效冶煉技術的研究與應用

劉忠建，王忠剛，寧 偉

(萊蕪鋼鐵集團銀山型鋼有限公司 煉鋼廠，山東 濟南 271104)

近年來隨著鋼鐵行業各項技術的飛速發展以及石灰石、低磷鐵礦等自然資源的逐步減少，加之鋼鐵業低消耗、低排放、低成本、高質量的發展大方向，傳統的轉爐冶煉方式已經跟不上時代的發展。為適應鋼鐵形勢的發展，國內外各大鋼廠均在研究轉爐留渣冶煉工藝技術的應用，并取得了初步成效。為跟上鋼鐵行業的發展需求，某公司煉鋼廠于2016年12月起結合120 t頂底復吹轉爐各項工藝參數和生產情況進行留渣冶煉技術的試驗研究。通過系統學習轉爐留渣工藝原理，并根據留渣試驗爐次冶煉過程控制和終點控制實際狀態對120 t轉爐留渣工藝進行研究分析，不斷摸索優化留渣模式。成功開發了120 t復吹轉爐單渣留渣高效冶煉技術，并結合此項技術研發出適合其生產節奏和工藝裝備條件下的轉爐單渣留渣自動控制技術、高效開吹打火技術、快速精準留渣技術以及低堿度終渣循環冶煉技術等。

1 轉爐單渣留渣冶煉工藝流程

由于煉鋼廠鐵水硅≤0.50%的比例在85%以上，轉爐采用雙渣留渣工藝因前期起渣時機不好把握，不利于自動煉鋼模型的研究，且不利于生產節奏和爐體維護。為此，煉鋼廠在鐵水硅≤0.50%的條件下確定轉爐留渣工藝流程為單渣留渣循環工藝流程，并開發了120 t轉爐單渣留渣冶煉工藝技術，其工藝流程圖見圖1。

圖1 120 t轉爐單渣留渣冶煉工藝流程圖

2 工藝原理

由于轉爐留渣工藝與傳統工藝有所區別，為掌握轉爐單渣留渣工藝的規律和特點，針對轉爐單渣留渣工藝脫磷機理進行熱力學和動力學分析。

2.1 脫磷反應熱力學分析

1)溫度影響

脫磷反應是強放熱反應，降低反應溫度使KP增大，所以較低的熔池溫度更有利于脫磷。而采用轉爐留渣工藝由于前期低溫爐渣的存在降低了前期溫度，因此更有利于脫磷反應。

2)堿度影響

增加CaO有效含量有利于脫磷反應的進行，但從圖2(爐渣堿度和FeO對平衡磷的影響)可以看出，當爐渣堿度大于3.0后，脫磷指數隨FeO增加而增大，隨堿度的增加變化不大。

圖2 堿度和FeO對平衡[P]的影響

3)FeO的影響

FeO于脫磷過程中起到雙重作用，一是起到氧化磷的作用，二是充當把P2O5結合成3CaO·P2O5的基礎化合物的作用，所以可認為渣中存有FeO是脫磷反應的必要條件。留渣工藝中由于終渣中存有部分FeO參與下一爐的反應，更利于脫磷。

4)渣量的影響

增加渣量可在LP一定時降低[P]，因為增加渣量意味著稀釋P2O5的濃度，從而使Ca3P2O8也相應減小，所以多次換渣是脫磷的有效措施。

2.2 脫磷反應動力學分析

單渣留渣工藝冶煉前期爐內渣量相對較多，為獲得良好的動力學條件，萊鋼銀山煉鋼廠在留渣爐次冶煉過程中采用低槍位、高氧壓進行吹煉，同時底吹采用大流量對鋼水進行攪拌。

3 單渣留渣工藝高效冶煉關鍵技術

3.1 快速精準留渣技術

轉爐留渣數量以及渣中FeO含量直接關系到冶煉過程的化渣速度，并關系到過程冷料的加入量。轉爐采用單渣留渣工藝其留渣量過少不利于前期化渣，且不利于濺渣護爐；而留渣量過多，不僅冶煉過程難以控制噴濺，且冶煉終點難以控制，后期提溫和脫碳速度明顯變緩，不利于終點一次命中。為此，煉鋼廠根據實際生產節奏和單渣留渣工藝過程化渣情況和終點控制情況來確定留渣量。經各方面綜合考慮，確定留渣量為38～54 kg/t。采用出鋼后倒渣留渣，并根據終渣黏度來確定倒渣搖爐角度，以此來控制留渣量。

3.2 單渣留渣冶煉工藝自動化技術

煉鋼廠原有的自動煉鋼模型是不留渣常規自動煉鋼模型，因原有模型計算未考慮留渣工藝中所留渣中參與反應的FeO對氧平衡參數的影響以及留渣量對熱平衡參數影響，導致采用單渣留渣冶煉工藝二級模型冷料計算加入量偏差較大，二級模型的自學習功能無法發揮作用，熱平衡、氧平衡參數發生混亂。因此，煉鋼廠在原二級系統的基礎上進行了升級改造，增設了留渣量一項，并將爐渣成分與留渣量納入模型計算，提高了二級系統計算的準確性。根據前期留渣生產實際分析與總結，成功開發了單渣留渣冶煉工藝自動吹煉模型和自動加料模型，目前該冶煉工藝的自動煉鋼比例已達到92%以上。

3.3 留渣高效打火技術

留渣工藝采用爐渣濺渣護爐后，再將廢鋼和鐵水加入爐內進行冶煉，此時的爐渣溫度低、黏度高、易結成塊狀物漂浮于在熔池表面阻止氧氣與金屬接觸，不能產生化學反應，易造成打不著火或者打火不良，加之萊鋼銀山煉鋼廠采用干法除塵，打火不良極易導致電除塵泄爆事故。為此，煉鋼廠開發留渣高效打火技術。即裝完爐料后將轉爐向后搖至一定角度后搖至零位，使爐內爐渣均勻散開在熔池液面上方；降槍槍位至爐口以下位置時打開氮氣(氮氣壓力控制在1.3～1.6 MPa)直至氧槍降到開吹打火位置恒定后繼續用氮氣吹掃10～20 s關閉氮氣，關閉氮氣的同時立即開氧打火，氧壓控制在0.38～0.45 MPa；待爐口火焰正常、煙氣中氧含量降至16%以下且呈下降趨勢后再緩慢將氧壓提升至正常吹煉氧壓，槍位同時恢復至正常冶煉槍位。降槍吹掃氮氣的目的之一是稀釋煙道中的煙氣，二是將熔池液面上方的爐渣吹散至周圍，利于氧氣與金屬直接反應。本技術的開發提升了轉爐留渣開吹打火效果，減少了轉爐干法除塵開吹泄爆事故的發生概率，給轉爐安全留渣作業和設備穩定順行提供了保障。

3.4 低堿度終渣循環冶煉技術

轉爐采用單渣留渣工藝因所留渣中含有大量的FeO，且爐內渣量相對較多，同樣條件下，冶煉前期溫度控制明顯較常規冶煉工藝要低。由于前期溫度低，石灰加入量偏多反而影響化渣速度，且前期爐渣堿度過高會導致爐渣流動性變差、返干期提前，而中后期加入石灰量過多易造成爐渣返干、終渣過黏，影響脫磷效果，故煉鋼廠研發了低堿度終渣循環冶煉技術。石灰加入總量按照堿度2.0～2.5計算加入。這就要求冶煉前期充分利用所留渣中的FeO快速成渣，充分利用冶煉前期低溫優勢進行高效脫磷。但前期渣不必控制過于泡沫化，否則前期低溫泡沫渣噴濺現象難以控制。

1)供氧制度

轉爐單渣留渣冶煉工藝氧槍槍位采用“高一低一低”模式。高槍位開吹利于快速化渣，前期起泡沫渣后槍位成梯度緩慢降低，以減緩FeO生成速度，防止爐渣泡沫化噴濺。由于轉爐單渣留渣操作冶煉過程渣量偏大，渣層較厚，常規冶煉槍位、氧壓難以使反應均衡，為強化熔池攪拌，留渣工藝氧氣壓力較常規冶煉氧壓提高0.05～0.10 MPa，過程槍位較常規冶煉槍位降低100～200 mm。終點壓槍時間保證在1.5 min以上，均勻鋼水終點成分、溫度，降低終渣泡沫化程度。

2)溫度制度

單渣留渣工藝的溫度控制關鍵在于留渣量以及所留渣中的(FeO)含量。留渣量偏多則前期溫度上升較慢，冷料不宜過多攝入。若所留渣中的FeO含量偏大，則前期化渣較早，前期冷料加入量可適當減少。熱值低的爐次前期可不加冷料。冷料易在返干期分批次加入，以提高渣中w(FeO)，利于中后期溫度均勻上升。

3.5 低熱值鐵水高效低能耗冶煉技術

隨著高爐的大型化發展以及選礦技術、煉鐵技術(噴煤量增加、焦比下降和利用系數提高等)的進步，使鐵水硅的質量分數和出鐵溫度逐步降低成為大型高爐煉鐵技術的發展趨勢，由于鐵水硅含量和溫度的降低給傳統的轉爐冶煉方式帶來了一定的影響。采用傳統的轉爐冶煉方式易造成化渣不良、粘槍、粘煙道、脫磷效果差等現象。目前轉爐冶煉低硅鐵水主要采用全鐵法、轉爐吹煉過程加入助溶劑(螢石、鐵礬土等)以及冶煉過程加入發熱劑等方法進行冶煉，這些方法隨著社會廢鋼的逐步增多以及煉鋼成本的壓力增大已不適應當前的形勢發展。為此，煉鋼廠開發了一種低熱值鐵水高效低能耗的冶煉技術。本技術開發的主要目的是在不影響廢鋼比的情況下解決低熱值鐵水轉爐冶煉過程中化渣困難、粘槍、粘煙罩以及脫磷率低等問題。該技術采用轉爐單渣留渣工藝，通過調整單渣留渣轉爐冶煉供氧參數、溫度制度和終點控制制度來實現。該技術在不添加任何助溶劑的情況下解決了低熱值鐵水轉爐冶煉過程中化渣困難、粘槍、粘煙罩等一系列問題，實現了少渣料煉鋼，石灰消耗可控制在25 kg/t以下，白云石消耗可控制在12 kg/t以下；礦石消耗可控制在5 kg/t之內。

4 應用效果

轉爐單渣留渣冶煉工藝改變了傳統的冶煉模式，為萊鋼銀山煉鋼廠120 t復吹轉爐降低冶煉成本、提高經濟指標打下了良好的基礎。

4.1 散裝料、鋼鐵料消耗

單渣留渣工藝與常規冶煉工藝部分指標對比如表1所示。采用單渣留渣工藝散裝料和鋼鐵料消耗顯著降低。石灰消耗降低15.67 kg/t，白云石消耗降低1.60 kg/t，燒結礦消耗降低10.07 kg/t，鋼鐵料消耗減少18 kg/t。

表1 單渣留渣冶煉工藝與傳統冶煉工藝指標對比 kg/t

4.2 終點命中率和脫磷率

隨機抽取采用單渣留渣冶煉工藝與常規冶煉工藝各一個月的終點碳溫命中率和脫磷率進行對比，常規冶煉工藝平均脫磷率為88.56%，單渣留渣冶煉工藝脫磷率為90.12%(見表2)。由于轉爐單渣留渣冶煉工藝充分利用上一爐所留的爐渣進行快速化渣脫磷，且冶煉過程采取提高氧壓等措施改善了動力學條件，利于脫磷反應進行。單渣留渣冶煉工藝脫磷率的提高使終點命中率和一次拉碳率得以大幅度提高，避免了終點過氧化現象。

表2 脫磷率、終點命中率和一次拉碳率對比 %

4.3 為提高轉爐廢鋼比創造了有利條件

由于單渣留渣冶煉工藝充分利用轉爐預留的上一爐終渣快速化渣脫磷，避免了過程加入大量燒結礦進行化渣的現象，該工藝過程不倒爐溫度損失相對較小，故利于提高轉爐廢鋼比。

4.4 渣 量

采用單渣留渣冶煉工藝后，由于散裝料加入量的降低以及終點命中率的提高等使轉爐渣量大幅度降低。傳統冶煉工藝與單渣留渣冶煉工藝渣量對比情況見表3。

表3 噴濺渣量和總渣量對比 kg/t

5 結 語

(1)通過轉爐單渣留渣工藝的研究，掌握了該工藝的規律和特點，建立了一套適合轉爐煉鋼發展的低消耗、低排放的工藝制度。

(2)建立了適合轉爐單渣留渣工藝的自動煉鋼模型并開發了留渣高效開吹打火技術與低堿度終渣循環冶煉技術等。

(3)轉爐采用單渣留渣工藝可降低石灰消耗15.67 kg/t，白云石消耗降低1.60 kg/t，燒結礦消耗降低10.07 kg/t，鋼鐵料消耗減少18 kg/t，渣量降低25.16 kg/t。