鐵水物理溫度和化學溫度對煉鋼生產的影響

劉林剛 陳達雙 皮忠權 鄒應春

（武昆股份制造管理部）

1 引言

鋼鐵企業生產過程以熱量控制為主線，燒結、球團、高爐以還原吸熱反應為主，過程需要消耗大量的熱量，目前大多數鋼廠熱量來源的基礎以煤、焦為主，還原出Fe含量在94 %左右并含有Si、Mn、P、Cr、V、Ti等非金屬元素的高溫鐵水并成為煉鋼原料和熱源。轉爐冶煉過程以氧化放熱反應為主，熱量的主要來源以鐵水物理熱和鐵水中非金屬元素及部分鐵的氧化放熱為主[5]。當轉爐冶煉熱量不足時，將增加金屬Fe的氧化放熱量，金屬Fe氧化后進入爐渣造成鐵損增加。同時，由于氧的加入將造成合金元素收得率低脫氧合金化成本升高、耐材損耗增加、鋼中夾雜物含量增加影響鋼材使用性能。而造成轉爐冶煉熱量富余的主要原因及現象有：鐵水溫度高（物理溫度和以Si含量為代表的化學溫度）、轉爐冶煉冷料（廢鋼、氧化鐵皮、礦石等）加入量不足、轉爐冶煉過程爆發性噴濺、造渣材料加入量大等。通過不斷完善鐵-鋼界面管理、降低鐵-鋼界面生產過程熱量損失，有利于降低高爐冶煉燃料消耗的同時穩定轉爐冶煉操作達到降低界面生產成本的目的。

2 鐵水物理溫度和化學溫度對鐵-鋼界面的影響

2.1 高爐熱制度控制

高爐爐溫控制水平不僅影響到高爐順行與指標的改善，而且對后道轉爐煉鋼的生產與指標起到關鍵性作用。高爐生產中大多以鐵水Si含量來反應高爐的熱狀態，近年來隨著高爐的大型化和精料方針的開展，生鐵含Si量一般在0.3 %-0.5 %。Si在高爐內是難還原元素，還原1 kgSi消耗的熱量為還原1 kgFe的8倍[1]～[3]。生鐵Si含量升高，表明高爐冶煉單位生鐵熱量的消耗增加。生產實踐表明，生鐵Si含量升高0.1 %，則高爐焦比升高4-6 kg，生鐵Si含量的控制對高爐成本影響較大[4]。鐵水的物理熱也是高爐熱狀態的反應，一般與鐵水Si含量相對應，但隨著高爐用料的穩定性、用料質量的提高，高爐為進一步降低燃料消耗將生鐵含Si量控制更低，在高爐操作過程中堅持“降硅不降熱”的原則，提高對鐵水物理熱的重視程度。

2.2 高爐鐵水溫度對轉爐冶煉操作的影響

2.2.1 鐵水Si含量對轉爐冶煉操作的影響

（1）造渣材料的影響：鐵水Si含量增加或降低0.1 %，石灰加入量增加或降低7-9 kg/t；

（2）冷料廢鋼加入量的影響：

①鐵水Si含量增加或降低0.1 %，熔池氧化放熱增加或降低1 994 KJ；

②1 t廢鋼融化吸熱=0.7×（1 500-25）+272+0.837×（1 640-1 500）=1 421.68 KJ。其中，0.7、0.837為固體廢鋼和鋼液的比熱；1 500為鋼的熔點；272為鋼的潛熱；1 640為鋼水終點溫度。

③Si含量增加或降低0.1 %，應增加或降低廢鋼量=1 994/1 421.68=14 kg/t。

（3）渣料及冷料的綜合影響：

①鐵水Si含量增加0.1 %時，熱量可增加14 kg/t冷料、但造渣石灰量增加7-9 kg/t產生冷卻效果，最終冷料增加量為5-7 kg/t；

②鐵水Si含量降低0.1 %時，按熱平衡應降低14 kg/t，但隨著渣料加入量的減少最終冷料降低量也僅為5-7 kg/t。

（4）鐵水Si含量增加或降低0.1 %，增加轉爐冶煉化學吹損、爐渣金屬損失約0.11 %，即增加或降低金屬損耗1.1 kg/t。

（5）鐵水Si含量過低，鐵水粘罐嚴重、S含量升高，轉爐冶煉金屬損耗、合金收得率降低、耐材損耗大；同樣，鐵水Si含量過高后還原的Ti含量也相應增加，造成鐵水運送至煉鋼后表面結殼、處理難度加大，廢鋼比增加后廢鋼配裝難度加大、冶煉過程點火困難、轉爐廢鋼入爐機械傷害增加、出鋼量波動等問題接踵而至。

2.2.2 鐵水物理溫度對轉爐冶煉的影響

目前大多數高爐出鐵溫度控制在1 400-1 550 ℃，而鐵水到達煉鋼后的入轉爐的鐵水溫度層次不齊，鐵水溫降在80-200 ℃之間。其中，高爐出鐵口至鐵包內溫降在4-5 ℃/min，鐵水等待及運輸過程溫降在0.6-1.5 ℃/min，兌鐵及翻罐過程溫降3-4 ℃/min。針對于使用鐵水罐承裝鐵水的高爐，造成各控制點溫降差異較大的原因主要有：

（1）高爐鐵水溝較長，出鐵過程無保溫措施；

（2）高爐第一爐出鐵時，鐵水溝溫度較低吸熱大；

（3）鐵罐周轉時間長，散熱嚴重。表1為某廠120噸鐵水包不同空包時間空包內壁溫度。

（4）上次承裝后鐵水未翻盡，罐內殘余冷鐵較多；

（5）罐沿、罐口、罐底等部位積渣未及時處理；

（6）新罐投入后連續使用次數不足后下線；

（7）鐵水承裝量波動大，鐵水罐容積利用率低，使用時折罐率高。

鐵水物理溫度升高，帶來的益處主要有：

①增加轉爐廢鋼比提高產量；

②縮短轉爐冶煉周期；

③提高轉爐終點終點控制水平，減少金屬損失、提高合金元素回收率；

④減少鐵罐粘罐，提高鐵水罐周轉率；

⑤鐵水預處理過程中提高渣鐵分離效果、減少脫硫鐵損；

⑥為煉鐵降低燃料比創造條件。

3 合理控制鐵-鋼界面鐵水物理溫度和化學溫度的措施

3.1 減少出鐵及鐵水運輸過程物理熱的損失

（1）出鐵場安裝保溫罩、出鐵溝使用保溫耐材、鐵水罐加蓋，減少鐵水溫降20-30 ℃。

（2）提高鐵水重量穩定率以滿足煉鋼“一罐到底”生產組織需求，減少折罐過程熱量損失10-20 ℃。

（3）提高鐵水罐周轉率，減少鐵水罐在鐵區和鋼區擺放時間。某廠轉爐正常冶煉周期在28-36 min之間，鐵水預脫硫處理時間在15-25 min之間，50 %左右的鐵水預處理，則單罐鐵水在煉鋼平均擺放時間=轉爐平均冶煉周期+鐵水預處理周期×鐵水預處理比例，該廠有轉爐2座，即每42 min內必須有2罐鐵水在煉鋼廠現場才能滿足連續生產需求，正常情況下每次鐵水拉運數量≤2罐可達到提高鐵水罐周轉率、減少鐵水罐在煉鋼擺放時間的目的。

（4）鐵水罐進行加蓋保溫，澆注（砌筑）過程中加絕熱保溫層減少鐵水過程溫降約10-15 ℃。

（5）加強鐵水罐清理管理工作，超出新罐投入時重量5噸時下線進行清理；罐口、罐底積渣時及時清理。

（6）針對出鐵過程中渣前鐵水S含量偏高、鐵溝溫度偏低的情況，出鐵時相應鐵水罐應避開使用次數＜4次、兌鐵后擺放時間＞1 h、鐵水罐積渣和冷鐵量大等引起鐵水熱量損失大的特殊情況。

3.2 控制合適的化學溫度

高爐鐵水Si含量是高爐熱狀況的反應，也是轉爐冶煉熱量的重要來源。目前大多數鋼廠在控制鐵鋼界面熱量損失上做出了很多努力。但在轉爐冶煉過程中熱量不足或“節鐵增鋼”時主要還是以提高鐵水Si含量來補充熱量。過高的Si含量造成轉爐廢鋼配比量增大引起配裝難度大、生產節奏減慢、甚至鐵水表面結蓋嚴重、轉爐冶煉噴濺比例增加、渣料消耗上升等，造成Si含量的升高后帶來的熱量與實際熱量相差較大。因此，合理的Si含量控制才是效益最大化的關鍵，目前大多數鋼廠以鐵水消耗的目標指標來進行調節，某廠120噸轉爐鐵水Si含量、鐵水物理溫度、鐵水消耗的控制情況如表2所示。

表2 120噸轉爐鐵水Si含量、鐵水物理溫度、鐵水消耗

（1）相同鐵水Si含量的情況下，鐵水物理溫度升高30 ℃鐵水消耗指標下降12-17 kg/t，約每10 ℃影響鐵鋼比4-6 kg/t；

（2）相同物理溫度、鐵水Si含量0.3 -0.5 %時，鐵水Si含量每升高或降低0.1 %鐵水消耗指標升高或降低8-10 kg/t。而鐵水Si含量降低至0.3%以下時，鐵水S含量增加導致預處理鐵水量增加27 %、鐵水在煉鋼等待及預處理平均時間較未處理爐次增加9 min、鐵水溫降增加29 ℃；

（3）按鐵水消耗實際完成情況物理溫度每30 ℃影響鐵鋼比12-17 kg/t與鐵水Si含量每0.1%影響8-10 kg/t的測算，物理溫度變化±10 ℃對應鐵水Si含量變化約±0.05 %。

4 結論

（1）通過出鐵場保溫措施、加強鐵水罐周轉速率、提高一罐到底比例、鐵水罐保溫及清理等措施的應用可降低鐵水至煉鋼轉爐物理溫度損失50 ℃以上；

（2）鐵水物理溫度與鐵水Si含量是轉爐冶煉主要熱源，正常情況下物理溫度損失降低10 ℃對應可減少高爐硅還原0.05 %所需燃料消耗；

（3）降低鐵-鋼界面熱量損失與控制鐵水Si含量相輔相成，以提高鐵水物理溫度為基礎來降低鐵水Si含量是鋼鐵企業降低生產成本的有效手段。