首鋼京唐300 t 轉(zhuǎn)爐少氟煉鋼技術(shù)研究

付景慧，李 勇，郭佳寧，范立新，王晨亮

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200）

0 引言

煉鋼過(guò)程使用螢石作為造渣劑，它可以使較稠的爐渣變稀，增加爐渣的流動(dòng)性，使之易于脫硫、脫磷，而轉(zhuǎn)爐渣中氟化鈣是侵蝕爐襯、包襯的重要因素。此外，螢石的使用還產(chǎn)生大量氟離子，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生污染，導(dǎo)致地球大氣層中臭氧層空洞擴(kuò)大；氟離子還對(duì)水資源產(chǎn)生污染，間接導(dǎo)致人體骨質(zhì)硬化和骨質(zhì)疏松，對(duì)人類(lèi)健康帶來(lái)極大的危害。長(zhǎng)期以來(lái)，使用的礦石、螢石質(zhì)量不穩(wěn)定，造成化渣困難，加入量大，增加了消耗，也加劇了對(duì)爐襯、包襯等的侵蝕及對(duì)環(huán)境的污染。因此，在全社會(huì)保護(hù)環(huán)境的呼聲日益高漲的今天，進(jìn)行少氟化煉鋼技術(shù)的研究具有明顯的社會(huì)效益。

首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司（全文簡(jiǎn)稱(chēng)“首鋼京唐”）采用轉(zhuǎn)爐脫碳冶煉和半鋼冶煉工藝冶煉高品質(zhì)鋼種，由于高品質(zhì)鋼種對(duì)脫碳轉(zhuǎn)爐脫磷、回硫量的高要求，脫碳轉(zhuǎn)爐在無(wú)氟條件下的化渣則變得至關(guān)重要，建廠初期曾對(duì)無(wú)氟化煉鋼進(jìn)行過(guò)階段性試驗(yàn)，由于試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題較多而暫停了試驗(yàn)。近些年通過(guò)使用新技術(shù)、新設(shè)備，如高效化冶煉生產(chǎn)、鋼包加蓋的投入等，使得出鋼溫度和鐵水成分有了很大改觀，為無(wú)氟化煉鋼提供了有利條件，可以保證高的煉成率，減少成分出格情況，特別是磷含量出格導(dǎo)致鋼種改判造成的損失，為此，團(tuán)隊(duì)成員展開(kāi)對(duì)少氟化煉鋼工藝的工業(yè)試驗(yàn)[1-2]。

1 試驗(yàn)條件與方法

1.1 試驗(yàn)條件

首鋼京唐有5 座300 t 轉(zhuǎn)爐，采取頂?shù)讖?fù)合吹煉技術(shù)，其中包括2 座脫磷轉(zhuǎn)爐和3 座脫碳轉(zhuǎn)爐，根據(jù)生產(chǎn)的需要，現(xiàn)在冶煉高端品種產(chǎn)量穩(wěn)步上升，脫碳轉(zhuǎn)爐冶煉超低碳鋼種時(shí)，以高級(jí)汽車(chē)板為例，要求出鋼w（C）=0.03%～0.05%，w（P）＜0.01%，出鋼溫度在1 645～1 675 ℃。

首鋼京唐高爐鐵水條件如表1 所示，鐵水中磷含量相對(duì)較穩(wěn)定，為采用無(wú)氟煉鋼穩(wěn)定生產(chǎn)提供了先決條件。表2 為高級(jí)汽車(chē)板出鋼要求。

表1 鐵水溫度及成分

表2 汽車(chē)板脫碳轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水主要成分及溫度要求

1.2 試驗(yàn)方法

脫磷反應(yīng)方程式如反應(yīng)式（1）—反應(yīng)式（4）所示，由（2）（4）可以看出，脫磷反應(yīng)為放熱反應(yīng)，根據(jù)化學(xué)平衡移動(dòng)的原理，通過(guò)脫磷反應(yīng)式可以看出，提高反應(yīng)物FeO 和CaO 濃度、降低生成物磷酸鈣濃度有利于平衡向右移動(dòng)，適當(dāng)?shù)蜏赜欣谄胶庀蚍艧岱磻?yīng)方向移動(dòng)，這些條件都對(duì)脫磷有益[3]。故脫磷條件是：高氧化性、高堿度、適當(dāng)?shù)臓t溫和渣量、良好流動(dòng)性的熔渣以及充分的熔池?cái)嚢琛?/p>

加入螢石的目的是為了促進(jìn)化渣，為了找到替代螢石的措施，需要將石灰在吹煉過(guò)程中快速溶解[4]，影響石灰溶解速度的因素有以下方面：

1）熔渣成分：FeO 含量對(duì)石灰溶解速度影響最大，它是石灰溶解的基本溶劑。FeO 可以顯著降低熔渣黏度；改善熔渣對(duì)石灰的潤(rùn)濕和向石灰中的滲透；FeO 與CaO 同屬立方晶系，而且Fe2+、Fe3+、O2-離子半徑皆不大，有利于氧化鐵向石灰晶格中遷移，并與CaO 生成低熔點(diǎn)的化合物，促進(jìn)石灰的熔化；減少石灰表面C2S 的生成。

2）溫度：熔池溫度高，高于熔渣熔點(diǎn)以上，可以使熔渣黏度降低，加速石灰熔化。

3）熔池的攪拌：加快熔池的攪拌，可以顯著改善石灰溶解的傳質(zhì)過(guò)程，擴(kuò)大反應(yīng)界面，提高石灰溶解速度。

4）石灰質(zhì)量：表面疏松、氣孔率高、反應(yīng)能力強(qiáng)的活性石灰，有利于熔渣向石灰塊內(nèi)滲透，擴(kuò)大了反應(yīng)界面，加速了石灰溶解過(guò)程。

5）助熔劑：助熔劑的加入可以降低C2S 熔點(diǎn)的組元，使C2S 的形態(tài)發(fā)生改變。

6）渣料的加入方式：根據(jù)爐內(nèi)溫度和化渣情況，確定合理的渣料批量和加入時(shí)間[5]。

為了保證良好的去磷效果，需要早化渣、化好渣，根據(jù)化渣所需條件，從留渣操作、槍位控制、輔料比例、熔渣劑替代螢石幾個(gè)方面對(duì)京唐公司無(wú)氟造渣工藝進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。

2 制定螢石替代的措施

2.1 控制好過(guò)程槍位

煉鋼過(guò)程中，鋼中溶解氧含量主要受爐渣中FeO含量控制，同時(shí)氧化生成的P2O5能夠被爐渣中的CaO俘獲，在渣鋼界面，鋼中溶解氧含量主要受爐渣中FeO 含量控制，同時(shí)氧化生成的P2O5能夠被爐渣中的CaO 俘獲，形成穩(wěn)定的4CaO·P2O5相。轉(zhuǎn)爐吹煉前期要想獲得良好的脫磷效果，控制前期階段的溫度、爐渣堿度以及FeO 含量尤為關(guān)鍵[6]。

采用高槍位操作，氧氣射流對(duì)鋼液面的沖擊減弱，氧化鐵的消耗較少，減少了氧氣與鋼液面的直接接觸，同時(shí)對(duì)爐渣的沖擊面增大，這樣鋼液升溫速度變慢，碳氧反應(yīng)不會(huì)劇增，同時(shí)渣中液滴被氧化，渣中FeO 含量升高促進(jìn)化渣，過(guò)程槍位控制如圖1 所示，終點(diǎn)槍位按1.7 m 控制，為保證終點(diǎn)渣中FeO 含量不會(huì)過(guò)高，終點(diǎn)槍位時(shí)間按不低于2 min 控制。

圖1 吹煉槍位控制

2.2 合理控制吹煉溫度

低溫對(duì)脫磷有利，提高熔池溫度，會(huì)使磷的分配比降低，不利于磷從金屬向爐渣的轉(zhuǎn)移。但溫度升高降低了爐渣的黏度，加速了石灰的熔解，從而有利于磷從金屬向爐渣的轉(zhuǎn)移。理論研究證明，最有效的脫磷有一個(gè)最佳的溫度范圍，即1 450～1 500 ℃。冶煉初期要根據(jù)鐵水溫度采用不同的操作制度。鐵水溫度低時(shí)（1 300 ℃以下），要采用低槍位操作，以提高熔池溫度，加速石灰的熔解，迅速形成初期渣，充分利用前期爐渣FeO 含量高、爐溫低的優(yōu)勢(shì)，快速脫磷；若鐵水溫度特別高（大于1 350 ℃），冶煉初期要適當(dāng)采用高槍位操作，并加入部分礦石，抑制爐溫的快速升高，同時(shí)也有利于石灰的溶解，延長(zhǎng)冶煉在低溫區(qū)（1 500 ℃以下）的運(yùn)行時(shí)間。

2.3 熔渣劑替代螢石使用

目前國(guó)內(nèi)無(wú)氟復(fù)合造渣劑的研究主要包括以下幾個(gè)方向[1]：硼酸鹽、CaO-Fe2O3基、Al2O3基和MnO基。實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，硼酸鹽基B2O5基助熔劑的資源有限、價(jià)格較高；CaO-Fe2O3基的制備過(guò)程需要高溫設(shè)備，工藝較為復(fù)雜，且不符合節(jié)能減排的總體要求；而Al2O3基助熔劑的主要礦物鐵礬土和MnO 基助熔劑的主要礦物錳礦均為國(guó)內(nèi)分布廣泛的普通礦物，因而具有供應(yīng)充足、價(jià)格穩(wěn)定的特點(diǎn)，這兩種助熔劑投入工業(yè)試驗(yàn)及應(yīng)用也是較為成功的。京唐公司熔渣劑的主要成分如表3 所示。

表3 熔渣劑成分

利用熔渣劑中的Al2O3等元素與渣中CaO、FeO等元素的共同作用，可以降低爐渣的熔點(diǎn)，形成更低熔點(diǎn)的化合物，達(dá)到快速化渣的目的。冶煉初期，石灰塊表面會(huì)形成硅酸二鈣層（C2S），C2S 的生成造成石灰溶解緩慢，為了加速石灰溶解，必須設(shè)法破壞并去除C2S 殼層。熔渣劑中的Al2O3能夠促使C2S 的形態(tài)發(fā)生改變，形成CaO-Al2O3-SiO2和CaO-SiO2-Fe2O3兩個(gè)主要的三元渣系[2]。在1 500 ℃時(shí)，前一個(gè)三元渣系中w（CaO）約為55%、w（SiO2）為38%，當(dāng)w（Al2O3）為5%～12%時(shí)，爐渣黏度最低，約0.3 Pa·s，此處三元渣系的熔點(diǎn)在1 310～1 400 ℃。后一個(gè)三元渣系，在保證與前者渣系的堿度相同，w（TFe）在15%～20%時(shí)，爐渣熔點(diǎn)在1 300～1 400 ℃?？梢?jiàn)無(wú)氟化渣劑的加入可以促進(jìn)C2S 殼層解體，促進(jìn)冶煉前期早化渣[3]。

2.4 采用雙渣留渣方式

采用雙渣留渣法操作，在出鋼后將上一爐冶煉的終渣留一部分在轉(zhuǎn)爐內(nèi)，作為部分初期渣供下一爐冶煉使用，由于終渣堿度高，渣溫高，F(xiàn)eO 含量較高，流動(dòng)性好，有助于前期石灰熔化，加速初期渣的形成，有利于減少螢石的使用。首鋼京唐公司少氟冶煉具體操作為：

1）常規(guī)連續(xù)冶煉：采取全濺渣后留渣操作方式，即第一爐冶煉結(jié)束后直接進(jìn)行濺渣操作，濺渣結(jié)束后將爐渣倒入渣罐，最后留部分爐渣在爐內(nèi)，供下?tīng)t冶煉使用，倒渣角度也是根據(jù)爐齡、爐嘴的不同而有所區(qū)別，一般倒渣角度160°～180°，原則上下?tīng)t冶煉鐵水w（Si）大于0.45%時(shí)不進(jìn)行留渣操作。

2）半鋼連續(xù)冶煉：第一爐半鋼冶煉結(jié)束后，如果后續(xù)繼續(xù)冶煉半鋼，對(duì)爐渣進(jìn)行全留渣操作，即第一爐出鋼完成后，不進(jìn)行倒渣，直接進(jìn)行濺渣操作。濺渣過(guò)程中根據(jù)爐內(nèi)渣量多少加入500～1 000 kg 制劑，500～2 000 kg 輕燒白云石，如果終點(diǎn)w（C）偏低也可加入部分焦炭，根據(jù)爐底測(cè)厚情況加入300～1 000 kg生白云石。濺渣槍位一般在1～2 m，原則上先高再低，濺渣過(guò)程也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整槍位，一般將濺渣時(shí)間控制在2～5 min，要求爐渣濺干，不能有未濺干的液態(tài)渣存在，濺渣提槍以爐口無(wú)明顯渣粒蹦出為準(zhǔn)。濺渣結(jié)束后，必須由搖爐煉鋼工檢查爐渣狀態(tài)，符合留渣標(biāo)準(zhǔn)后可不進(jìn)行倒渣，全部留渣在爐內(nèi)，繼續(xù)裝半鋼冶煉下?tīng)t鋼，第3 爐冶煉結(jié)束后采用先倒后留方式，即冶煉完畢后先不濺渣，先向前搖爐（搖爐角度根據(jù)爐齡和爐嘴積渣情況而有所不同，一般在110°～120°倒出一半爐渣后再搖直濺渣，濺渣結(jié)束后不倒渣，需要檢查爐渣狀態(tài)，繼續(xù)進(jìn)行留渣操作，如此重復(fù)之前操作。

采用留渣操作后，各種副原料消耗大幅降低，加大了爐渣的循環(huán)利用率，減少了爐渣的外排，減少了對(duì)環(huán)境的污染。

2.5 確定合理的副原料加入方式

根據(jù)爐內(nèi)溫度和化渣情況，確定合理的渣料批量和加入時(shí)間，渣料加的過(guò)早或批量過(guò)大，都影響爐溫，不利于化渣。輔原料加入方式具體為：

1）加料操作仍選用分批加料操作，原則上輔原料分2 批或3 批加入，第1 批料根據(jù)鐵水w（Si）可以配加適當(dāng)?shù)娜墼鼊?、礦石、除塵球，以利于初期渣形成，采用留渣操作時(shí)，化渣速度較未留渣快，化渣時(shí)間也適當(dāng)提前，因此第1 批料和第2 批料可適當(dāng)較未留渣提前500～800 m3氧耗時(shí)加入。

2）留渣時(shí)白灰加入量可較未留渣適當(dāng)減少1～2 t，參考留渣2 t 減少1 t 白灰，留渣2 t 減少0.5 t 輕燒白云石，參考本爐爐渣中氧化鎂和爐渣堿度，適當(dāng)調(diào)整白灰輕燒白云石加入量。

3）采用了留渣操作，整個(gè)化渣速度提前，爐渣化渣好、化渣快，返干期縮短，甚至基本沒(méi)有返干期，留渣爐次吹煉過(guò)程不加入螢石化渣，也可以確保終點(diǎn)磷、氮含量滿足要求。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 留渣爐次與未留渣爐次TSC 樣中w（P）的對(duì)比情況

留渣爐次與未留渣爐次TSC 樣中w（P）對(duì)比情況如圖2 所示。

圖2 TSC 樣中w（P）對(duì)比情況

從圖2 可看出，留渣爐次TSC 樣中的磷含量明顯低于未留渣爐次，采用留渣操作可以提高渣量，加快吹煉前期爐渣熔化速度，脫磷效果明顯大于未留渣爐次。由于留渣會(huì)帶來(lái)部分溫度損失，不能因?yàn)榱粼斐商釡貏┑睦速M(fèi)，因此留渣時(shí)要選擇鐵水條件滿足生產(chǎn)條件的爐次。

3.2 熔渣劑用量

2022 年1—3 月螢石消耗量為0.3 kg/t，4 月份后逐步進(jìn)入少氟煉鋼試驗(yàn)，冶煉低硅鐵水時(shí)化渣相對(duì)困難，6—10 月針對(duì)鐵水條件較差和終點(diǎn)要求高的鋼種適當(dāng)增加熔渣劑用量以促進(jìn)化渣，熔渣劑用量有所增加，具體使用量如圖3 所示。

圖3 熔渣劑使用量

3.3 1—10 月TSC 和TSO 中磷情況

1—10 月TSC 與TSO 中磷含量情況如圖4 所示。

圖4 1—10 月份TSC 與TSO 中磷含量

從圖4 可以看出，2022 年4—5 月TSC 和TSO 中磷含量偏高，6 月份后對(duì)操作進(jìn)行調(diào)整，終點(diǎn)平均磷含量逐步降低，脫磷率明顯提高。

3.4 1—10 月螢石消耗情況

1—10 月螢石的平均使用量如圖5 所示。

圖5 螢石平均使用量

從圖5 可以看出，螢石使用量逐步降低，2022 年9、10 月均保持在0.1 kg/t 以下，少氟冶煉取得了很好的試驗(yàn)效果。

4 結(jié)論

1）轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)采用留渣操作、合理的槍位控制、熔渣劑替代、優(yōu)化輔原料等措施可以減少螢石的使用量，同樣能達(dá)到很好的化渣效果。

2）試驗(yàn)結(jié)果證明，在減少螢石使用量的同時(shí)，依然可以穩(wěn)定控制所需鋼種磷含量。

3）少氟煉鋼后可節(jié)省螢石消耗0.2 kg/t，每年降低生產(chǎn)成本500 萬(wàn)元。