轉爐高廢鋼比的渣鋼平衡計算

邵 華，劉峻鍇，王 震

（日照鋼鐵控股集團有限公司，山東 日照 276806）

目前隨著鐵礦石市場的變化和國家碳中和概念的提出，各鋼廠都在通過提高廢鋼比來達到增加產量的目的，但隨著廢鋼比的提高，轉爐的熱量不足，渣中（FeO）含量明顯升高，對轉爐終點的控制和鋼鐵料消耗影響較大；在高廢鋼比的情況，轉爐終點鋼渣的平衡如何變化，以120 t 轉爐為例，根據現場實際條件，運用熱平衡和物料平均進行理論計算，通過理論計算，梳理出爐渣氧化性和終點控制情況與廢鋼加入量的相對定量關系，對比現場實際數據，對現場實際控制情況進行對比參考，為后續改進提供理論依據。

1 理論平衡計算

1.1 碳氧平衡

鋼液中[C]，[O]與氣相中的CO 的反應平衡關系如下：

式中：KΦ為平衡常數；T 為溫度，K；Pco為爐內CO 分壓，Pa；PΦ為標準大氣壓，Pa；αO為鋼水中氧活度；αC為鋼水中碳活度。

在轉爐反應中：Pco/PΦ=1，[C]，[O]的活度系數近似為1[1]。

則：αO·αC≈w[C]w[O]。

在溫度1 600 ℃條件下可求出：

加強底吹攪拌，可降低CO 分壓，反應更趨于正向進行，可降低碳氧積。

1.2 鐵氧平衡

鋼液中[O]，[Fe]與渣中的（FeO）的反應平衡關系如下：

式中：αFeO=fFeO·w（FeO）；αFe=fFe·w[Fe]；αO=fO·w[O]。

在轉爐反應中鐵液及渣中氧化鐵可視為理想溶液，即：fFe=fFeO=1，鐵液中[O]的活度系數fO近似為1[2]。則公式可寫為：

在溫度1 600 ℃條件下可求出：

在w（FeO）為17.9%時，求出w[O]為410×10-6。

1.3 碳與渣中（FeO）的平衡

鋼液中的[C]與渣中（FeO）的反應平衡關系如下[3，4]：

評析 此題以翻折中的四種特殊位置關系為研究對象.第(Ⅰ)問求點的坐標利用軸對稱的全等性質、勾股定理可得；第(Ⅱ)問求邊的長度利用直角三角形斜邊的中線性質、等邊三角的判定和性質，注意等邊、等角的轉換即能解決；第(Ⅲ)以第(Ⅱ)問為起點，發現當點P由AB邊中點向點B移動且點A′在第一象限時，有30°<∠BPA′≤60°；當點A′在y軸上時，∠BPA′=30°；當點A′在第二象限時，∠BPA′由30°降至0°又由0°增至30°再到趨近60°.在歷經想象、嘗試、比對、分類中“勾畫”出滿足條件的圖3與圖4兩種情況.

在轉爐反應中爐內CO 分壓可視為1，即：PCO/PΦ=1[2]。

則鋼水中[C]與渣中（FeO）的反應平衡公式可寫為：

在溫度1 600 ℃的條件下可求出

當轉爐終點w[C]為0.059%時，渣中w（FeO）為17.9%。

加強底吹攪拌，可降低CO 分壓，反應更趨于正向進行，在終點[C]含量相同的情況下，可降低渣中（FeO）含量。

2 熱平衡計算

2.1 熱平衡計算條件

鐵水和廢鋼情況見表1。

表1 鐵水和廢鋼情況

根據現場實際鋼渣脫磷平衡，終渣堿度2.9、w（FeO）為17.9%時可滿足脫磷任務。

即在無外來熱源且保證同樣的出鋼溫度（1 600℃）的條件下，廢鋼加入量小于23.8 t 時熱量富余；廢鋼加入量超過23.8 t 時熱量不足，需要鋼水過氧化放熱，導致渣中（FeO）含量升高，單耗升高。

2.2 不同廢鋼加入量的平均計算

固定鐵水110 t，總廢鋼加入從23.8 t 至35 t，計算出鋼鐵料消耗，根據理論平衡計算，終點溫度在1 600 ℃的情況下，不同終點[C]計算出終點[O]和渣中（FeO），見表2、圖1、圖2。

表2 廢鋼加入量平衡計算表

圖1 廢鋼加入量與單耗的關系圖

圖2 廢鋼加入量與終點w[C]的關系圖

在終點溫度及鐵水條件相同的情況下隨著廢鋼量的增加，轉爐鋼鐵料消耗增大。

在終點溫度及鐵水條件相同的情況下，隨著廢鋼量的增加，終點w[C]呈下降趨勢，當w[C]下降至0.03%時，下降趨勢變的緩慢。

在終點溫度及鐵水條件相同的情況下，隨著廢鋼量的增加，終渣（FeO）含量隨之增加。

在終點溫度及鐵水條件相同的情況下，隨著廢鋼量的增加，鋼水終點[O]含量隨之增加。

2.3 終渣（FeO）含量與冶煉終點的關系

設定鐵水、廢鋼、終點條件見表3。

表3 鐵水、廢鋼、終點條件

堿度設定：2.9（輕燒加入1.9 t、石灰加入3.38 t），同樣為保證脫[P]效果，終渣w（FeO）下限為18%，通過熱平衡計算，不同的終渣（FeO）含量情況下，終點[C]、鋼鐵料消耗及終點溫度見表4。

表4 不同的終渣（FeO）含量對冶煉終點的影響

圖3 渣中w（FeO）與終點w[C]的關系圖

圖4 渣中（FeO）與鋼鐵料消耗的關系圖

圖5 渣中（FeO）與終點溫度的關系圖

在廢鋼和鐵水條件相同的情況下，終點[C]隨著終渣（FeO）的升高而降低，當[C]含量下降至0.03%時，下降趨勢變的緩慢。

在廢鋼和鐵水條件相同的情況下，隨著終渣（FeO）的升高，鋼鐵料消耗增加。

在廢鋼和鐵水條件相同的情況下，隨著終渣（FeO）的升高，終點溫度升高。

3 結論

1）在終點溫度及鐵水條件相同的情況下，隨著廢鋼量的增加，終渣w（FeO）隨之增加，廢鋼每增加0.5 t，終渣w（FeO）增加0.8%～2%。

2）在終點溫度及鐵水條件相同的情況下，隨著廢鋼量的增加，終點[C]呈下降趨勢，當w[C]下降至0.03%時，下降趨勢變的緩慢，甚至出現去[Fe]保[C]現象。

3）在終點溫度及鐵水條件相同的情況下隨著廢鋼量的增加，轉爐鋼鐵料消耗增大，廢鋼每增加0.5 t，鋼鐵料消耗增加0.85～1.23 kg/t。

4）在終點溫度及鐵水條件相同的情況下，隨著廢鋼量的增加，鋼水終點[O]含量隨之增加，廢鋼每增加0.5 t，終點氧增加37×10-6～20×10-6。

5）在廢鋼和鐵水條件相同的情況下，隨著終渣（FeO）的升高，終點溫度升高，終渣w（FeO）提高1%，終點溫度提高了3～5 ℃。

6）在廢鋼和鐵水條件相同的情況下，終點[C]隨著終渣（FeO）的升高而降低，當w[C]下降至0.03%時，下降趨勢變的緩慢。

7）在廢鋼和鐵水條件相同的情況下，隨著終渣w（FeO）的升高，鋼鐵料消耗增加，終渣w（FeO）提高1%，鋼鐵料消耗增加了0.70～1.38 kg/t。