留渣雙渣法冶煉工藝研究

邵 華,晏 武,趙 斌

(1.日照鋼鐵控股集團有限公司,山東 日照 276806)

氧氣頂吹轉爐的供氧時間僅僅十幾分鐘,在此期間要完成脫碳、脫硅、脫磷、升溫以及去除夾雜等冶煉任務,而絕大部分的冶金反應都是通過鋼渣界面完成的,為能夠高效、低成本的冶煉出優質鋼水,就需要對轉爐造渣工藝進行充分研究,正所謂“煉鋼就是煉渣”。煉鋼造渣工藝有單渣法、留渣法及留渣雙渣法等。單渣法就是濺渣護爐后將熔渣全部倒掉,吹煉過程只造一次渣,中途不倒渣,適用于對磷要求不嚴格的鋼種;留渣法是將上爐終點熔渣的一部分或者全部留下給本爐使用,減少本爐次的渣料消耗,吹煉過程不倒渣;留渣雙渣法則是將上爐終點熔渣的一部分或者全部留下給本爐使用,在吹煉至4～5 min倒爐倒除30 %～60 %的熔渣,然后加入新渣料重新造渣。各種造渣工藝的優缺點見表1。

表1 不同造渣工藝的優缺點

留渣雙渣法可利用上一爐終點熔渣的高溫、高堿度以及高氧化鐵含量等特點,促進轉爐前期渣的形成,并且能有效的提高前期脫磷效果。待硅錳氧化期結束后,倒爐將磷容量接近飽和的熔渣倒一部分,重新加入石灰、白云石等渣料,大大了提高了后期渣的堿度,提高了脫磷的熱力學條件。同時因爐內渣量低,吹煉過程平穩無噴濺,氧槍及底吹可實現大流量攪拌,進一步提高脫磷的動力學條件。張旭等人[1]早在馬鋼70 t轉爐采用留渣雙渣法后,前期脫磷率達到了45.57 %,磷分配比達到了65.23的效果,此外首鋼遷安公司在采用留渣雙渣法后,轉爐石灰消耗降低了47 %,輕燒白云石消耗降低了55 %,總渣量降低了30 %,取得了顯著的經濟效益[2]。

1 留渣雙渣法對冶煉的影響

山東某鋼廠有2座120 t頂底復吹轉爐,年設計產能200萬噸,均采用濕法除塵。為研究不同造渣工藝對冶煉的影響,特進行對比試驗,其中A爐座采用留渣雙渣法冶煉,B爐座采用常規單渣法冶煉,通過脫磷率、石灰消耗、鋼鐵料消耗、氧耗、冶煉周期等方面來分析留渣雙渣法對冶煉的影響。

1.1 留渣雙渣法對脫磷的影響分析

對于絕大多數鋼種來說,磷為有害元素,轉爐脫磷技術也成為煉鋼過程中的重要環節。為實現低磷鋼的冶煉,2001年日本新日鐵開發了MURC工藝技術路線[3],對轉爐分段冶煉的工藝進行了詳細的分析與研究,此后國內轉爐鋼廠積極探索采用“留渣+雙渣”工藝技術使脫硅、脫磷與脫碳分段冶煉的方法[4]。

1.1.1 轉爐脫磷的熱力學分析

轉爐脫磷最高效的階段主要集中在硅錳氧化期結束與碳氧反應之前,根據分子理論脫磷機理,脫磷是渣鋼界面反應,其主要反應由以下環節組成:

5(FeO)=5[O]+5[Fe]

(1)

2[P]+5[O]=(P2O5)

(2)

(P2O5)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)

(3)

2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5[Fe]

(4)

(5)

由式(5)可知,高堿度、高氧化性爐渣以及低溫有利于脫磷反應的進行。馬鞍山鋼鐵對轉爐前期渣鋼磷分配比進行回歸,結果如下:

(6)

在此,需對式(6)進行說明,式中TFe應表征為渣中Fe2+、Fe3+所對應的鐵元素的TFe含量,而不應該包括渣中金屬鐵珠(單質鐵)。因此,低溫、高堿度以及高氧化性可提高渣鋼的磷分配比,而留渣雙渣法在吹煉前期恰恰滿足了這些要求,因此能獲得更好的脫磷效果。

1.1.2 留渣雙渣法脫磷實踐

A爐座采用留渣雙渣法,留渣量控制在30～40 kg/t,開吹后頭批渣料加入總渣料的40 %,吹煉4～5 min后提槍倒爐倒掉總渣量的50 %,之后加入剩余渣料。B爐座采用單渣法,開吹后頭批料加入總渣料的70 %,吹煉4～5 min后加入剩余渣料。分別對兩種造渣工藝吹煉4～5 min及吹煉終點取渣樣,結果如表2。

表2 不同造渣工藝吹煉前期及終點渣樣

分別在吹煉4～5 min及吹煉終點取成分樣,對比不同造渣工藝、不同吹煉期的脫磷效果,結果如圖1、圖2。

圖1 不同造渣工藝吹煉前期脫磷率對比

圖2 不同造渣工藝吹煉終點脫磷率對比

對比不同造渣工藝的前期渣,留渣雙渣法因降低了頭批渣料加入,且相應的提高了前期槍位,使得前期渣堿度低、渣中FeO高。結合國內外不同專家學者對轉爐前期高效脫磷開展的研究以及提供的轉爐前期脫磷窗口:熔池溫度為1370～1420 ℃,爐渣堿度為1.5～2.2,渣中FeO含量為≥18 %[5,6,7],可以看出留渣雙渣法的堿度及渣中FeO含量均控制在窗口內,有利于前期脫磷。高堿度熔渣理論上是有利于脫磷,但是為保證前期溫度在高效脫磷窗口內,熔池前期溫度偏低,不利于高堿度渣的熔化,且從現場取樣分析來看,渣中存在大量的未熔化的石灰顆粒,因此前期高堿度渣不利于化渣脫磷。由圖1可以看出,留渣雙渣法的前期脫磷率較單渣法高4 %～9 %。

對比不同造渣工藝的終點渣,留渣雙渣法因中途倒爐倒出50 %的前期渣,后補充剩余新的渣料,導致終點堿度高,且后期爐內總渣量較單渣法低10～15 kg/t,吹煉過程平穩,槍位控制相對更加靈活,可提供更好的脫磷所需的動力學條件,同時由圖2可以看出,留渣雙渣法的終點脫磷率較單渣法高10 %。

1.2 留渣雙渣法對轉爐成本的影響

除提高鋼水質量外,轉爐冶煉還在節約成本等方面面臨巨大的壓力及挑戰。而影響轉爐冶煉成本主要包括造渣料、鋼鐵料及能源三方面,而留渣雙渣法在這三方面均有較大的優勢。八一鋼鐵在采用留渣雙渣法后石灰及白云石消耗分別降低了8.94 kg/t和7.77 kg/t[8]。天鐵熱軋板公司迫于降本壓力開始著力于干法靜電除塵下的留渣雙渣法的冶煉工藝研究,每年降本超187.56萬元[9]。因此,留渣雙渣法工藝在轉爐冶煉具有不可替代的經濟性。

1.2.1 留渣雙渣法對石灰消耗的影響分析

采用留渣雙渣法后,轉爐吹煉前期及中后期脫磷率均有所提高,在保證產品質量要求的前提下可減少轉爐渣料消耗。對比不同造渣工藝的石灰消耗如圖3所示。

圖3 不同造渣工藝的石灰消耗

從圖3可以看出,留渣雙渣法的石灰消耗較單渣法石灰消耗平均低15 %,尤其是鐵水硅大于0.4 %后表現的更為明顯。主要原因為鐵水硅高后,單渣法為保證終渣具有一定的堿度,石灰需求量大,而留渣雙渣法則可利用前一爐次剩余的高堿度渣來平衡下爐次前期硅氧化后所需的石灰,且吹煉3～5 min后可通過倒爐倒渣工藝將多余的前期低堿度渣去除,減少中后期石灰加入量。

其次,鐵水硅高后因爐內渣量大,當渣量≥100 kg/t時采用單渣法吹煉過程非常容易發生噴濺,而操作者往往是通過加料的方式來打通氣道促進CO排出來抑制噴濺的,這就導致了爐內的渣量的進一步增加,不利于正常冶煉進行。而雙渣法則可保證爐內渣量時刻≤80 kg/t,甚至更低,同一爐容比的條件下噴濺率大大降低。

此外,噴濺的發生往往伴隨著渣料的損失,尤其是前期渣還未完成脫磷任務,渣中磷未飽和就損失,甚至部分石灰仍未完全融化就隨噴濺帶出爐外,為保證終點磷合格,需要補充新的石灰完成脫磷任務,導致石灰消耗量急劇增加。

1.2.2 留渣雙渣法對鋼鐵料消耗的影響分析

鋼鐵料消耗是影響轉爐成本的最主要因素,其計算方法為:鋼鐵料消耗(kg/t)=[鐵水(kg)+廢鋼(kg)]/合格出鋼量(t)。根據鐵元素守恒可以分析影響出鋼量的主要因素包括渣中鐵損失、煙塵鐵損失以及噴濺鐵損失三部分。因渣中含有較高的FeO及金屬鐵珠,因此渣量大必然帶來較大的鐵元素損失;而噴濺會直接將爐渣及金屬液帶出爐外,也會帶來較大的鐵元素損失;除此之外,由于氧槍周圍一次燃燒區溫度高,部分鐵水形成鐵蒸氣隨爐氣進入除塵管道,以煙塵的形式損失掉,最終被除塵所捕獲。兩種造渣工藝所對應的總渣量、除塵所產生的污泥、噴濺率以及對鋼鐵料消耗的影響如表3所示。

表3 不同造渣工藝對鋼鐵料消耗的影響

如表3所示,采用留渣雙渣法后,總渣量降低了27 kg/t,噴濺率降低6 %,均有利于鋼鐵料消耗的降低。而產生的污泥增加了1.7 kg/t,主要原因為轉爐渣量減少后,覆蓋在鋼水表面的渣層變薄,有利于鐵蒸氣外溢進入爐氣,導致除塵污泥量增加。不考慮污泥的二次回收,采用留渣雙渣法后整體鋼鐵料消耗降低11 kg/t。

1.2.3 留渣雙渣法對能源的影響分析

轉爐工序消耗的能源主要包括氧氣、氮氣及氬氣。因氮氣及氬氣消耗受濺渣護爐及底吹工藝的影響較大,本文只對主吹氧氣進行對比分析。

如圖4所示,采用留渣雙渣法后氧氣消耗降低1 m3/t,但整體消耗偏差不大。氧氣消耗主要受元素氧化耗氧、鋼水終點氧及渣中氧化鐵耗氧影響。因氧化鐵中的氧來源于氧氣,在鐵水成分及冶煉終點無明顯變化的前提下,渣量降低可減少氧化鐵生成,進而減少氧氣消耗。如表3所示,采用留渣雙渣法噸鋼總渣量降低27 kg,渣中FeO近似取23 %進行計算,對應減少的耗氧量為VO2,則:

圖4 不同造渣工藝氧耗對比

(7)

式(7)計算結果與實際氧耗變化量相符,進一步說明留渣雙渣法在節約轉爐能源消耗方面也能取得一定的效果。

1.3 留渣雙渣法對轉爐冶煉周期的影響

采用留渣雙渣法工藝后,對比常規冶煉工藝,增加了一次中途搖爐倒渣的時間,影響了轉爐作業周期。遷鋼采用優化槍位、提高供氧強度來縮短冶煉周期,同時借助生產組織調度系統來減緩冶煉周期對產量的影響[2];南鋼在采用留渣雙渣法后對濺渣工藝進行優化,通過先倒渣后濺渣縮短了濺渣周期0.8 min,對比常規工藝冶煉周期增加控制在4 min以內[10]。通過學習先進鋼企的成功經驗,同時結合本廠的實際情況對留渣雙渣法的工藝進行優化,表4為優化后留渣雙渣法的冶煉周期與單渣法冶煉周期的對比。

表4 不同造渣工藝的冶煉周期

由表4可知,留渣雙渣法因中途搖爐倒渣多消耗了5 min,但是通過優化槍位及提高供氧強度,吹煉時間縮短了1.1 min。同時通過采取先倒渣后濺渣的方式將濺渣護爐時間縮短了0.5 min,整個冶煉周期增加了3.4 min。因轉爐能力大于連鑄能力,小幅度的冶煉周期增加對生產幾乎無影響。

2 結論

(1)留渣雙渣法在脫磷方面具有很大的優勢,前期脫磷率較單渣法高4 %～9 %,終點脫磷率較單渣法高10 %,極大的緩解了因鐵水磷高帶來的低磷鋼冶煉困難的問題。

(2)留渣雙渣法冶煉工藝可同時降低轉爐渣料、鋼鐵料以及能源方面的消耗,在低碳節能、少渣冶煉、低成本煉鋼等方面有著不可替代的作用。

(3)留渣雙渣法因多一次搖爐倒渣操作增加倒渣時間5 min,但可憑借渣量少、吹煉平穩的優勢提高供氧強度來縮短吹煉時間,此外還可通過優化濺渣護爐工藝進一步節約時間,整體對冶煉周期的影響可控制在4 min以內,對生產影響不大。