李鐵，張海華
( 秦皇島首秦金屬材料有限公司，河北秦皇島066326)
摘要: 石灰消耗量大、綜合成本高一直是限制首秦公司煉鋼廠經(jīng)濟效益的瓶頸。針對原有冶煉、精煉工藝，提出了“留渣+ 雙渣”和LF 精煉石灰替代合成渣的冶煉工藝。實踐表明，在新工藝條件下，冶煉成本大幅降低的同時，石灰總消耗僅為原轉(zhuǎn)爐冶煉石灰消耗的50%，噸鋼成車降低了3． 85 元。
關(guān)鍵詞: 留渣+ 雙渣工藝; 煉鋼成本; 控制
0 引言
轉(zhuǎn)爐冶煉石灰消耗和LF 精煉渣消耗一直是煉鋼成本控制的核心指標(biāo)，其表征了煉鋼廠的整體技術(shù)水平［1］。近年來，鋼鐵市場處于劇烈的波動期，降低噸鋼石灰和精煉渣消耗始終是煉鋼廠冶煉的基本原則和重要出發(fā)點之一。首秦?zé)掍搹S2004 年投產(chǎn)，年產(chǎn)鋼260 萬t; 擁有3 座100 t 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，其中包括3 套鐵水預(yù)處理系統(tǒng)、3 座單工位LF 爐、1 座雙工位RH 爐和3 臺寬厚板坯連鑄機。石灰制備系統(tǒng)為1 座500 t 套筒窯。首秦?zé)掍搹S投產(chǎn)初期轉(zhuǎn)爐石灰消耗高，噸鋼消耗超過80 kg。由于公司內(nèi)部套筒窯生產(chǎn)石灰產(chǎn)能嚴(yán)重不足，只供應(yīng)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)，還需外購石灰。外購石灰品質(zhì)不易把控，使得煉鋼灰耗進一步增加。與此同時，LF 精煉長期使用高價合成渣，這些原因?qū)е聼掍摮杀疽恢本痈卟幌隆?/p>
首秦?zé)掍搹S專門成立了石灰降耗攻關(guān)項目組，以熱力學(xué)機制分析為出發(fā)點，借鑒同行經(jīng)驗，提出利用“留渣+ 雙渣”法降低石灰消耗。經(jīng)過近兩年的實踐，轉(zhuǎn)爐噸鋼石灰消耗大幅降低，同時LF 精煉也用石灰替代合成渣，實現(xiàn)了煉鋼成本的大幅降低。截至目前，公司現(xiàn)有套筒石灰窯不僅能夠滿足轉(zhuǎn)爐、精煉石灰消耗，而且產(chǎn)能有富余，可在保證石灰品質(zhì)的前提下還可以外銷石灰。
1 轉(zhuǎn)爐煉鋼過程石灰作用的熱力學(xué)機制
石灰作為鋼渣的核心組成部分，其添加量主要由轉(zhuǎn)爐的脫磷要求決定。理論上講，在保證爐渣堿度的前提下增加石灰也會增加渣量，對轉(zhuǎn)爐脫磷有利; 從成本角度看，增加渣量不僅會提高石灰消耗，還會增加鐵損，導(dǎo)致噸鋼成本提高。因此，在保證脫磷效率的基礎(chǔ)上降低石灰消耗是關(guān)鍵，有必要分析石灰脫磷的熱力學(xué)機制。
式( 1) ～ ( 5) 為分子理論下石灰脫磷的熱力學(xué)機制［2 ～ 4］。
脫磷反應(yīng)實質(zhì)為典型的放熱反應(yīng)，煉鋼過程中相對低的溫度有利于脫磷反應(yīng)向右進行，而且高CaO 含量、高FeO 含量的渣有利于鋼水的脫磷。由式( 5) 可知，渣—鋼界面上發(fā)生的脫磷反應(yīng)是強放熱反應(yīng)。對于放熱反應(yīng)而言，低反應(yīng)溫度可以提高反應(yīng)的平衡常數(shù)，即低溫有利于脫磷。但脫磷的前提轉(zhuǎn)爐前期渣得到較好的熔化，而升高溫度是降低爐渣黏度，提高石灰熔解率的重要渠道，因此轉(zhuǎn)爐脫磷的適宜溫度應(yīng)該存在一個最佳區(qū)間，多控制在1 460 ℃以下［3，5］。
對于γ( P2O5) 而言，CaO 是降低γ( P2O5) 的主要因素。CaO 含量的提高可以有效固化脫磷反應(yīng)已生成的P2O5，因此增加CaO 含量可以同時增加α( CaO) 、降低α( P2O5) 。但如果CaO 含量過高，則爐渣堿度大幅增加，爐渣中會產(chǎn)生大量的固態(tài)純CaO 懸浮微粒。這些微粒會使?fàn)t渣變黏，導(dǎo)致其流動性變差，進而影響爐渣的脫磷效果。因此，煉鋼過程中渣中CaO 的含量應(yīng)保證在合理的范圍內(nèi)，以保證最佳的脫磷效果。通常條件下，前期渣的堿度大多控制在1． 5以下［6］。
增加石灰用量的主要目的是降低鋼水中的磷含量。除鋼渣前期的脫磷效果外，控制鋼渣回磷是降低鋼水磷含量的重要因素。轉(zhuǎn)爐冶煉后期，隨著脫碳效率的提高，如果渣中FeO 含量大幅降低，會引起渣中部分磷元素返回到鋼中; 特別是出鋼后下渣會引起更大幅度的鋼水回磷。如果將前期脫磷渣倒出，即采用雙渣工藝，能有效地降低鋼中磷含量。相比單渣法，雙渣工藝的前期渣沒有回磷的顧慮，因此渣量也可以大幅的降低，進而降低石灰消耗［7，8］。
對于冶煉前期化渣困難的問題，項目組在雙渣法的基礎(chǔ)上，擬采用留渣操作，即采用“留渣+ 雙渣”工藝進行轉(zhuǎn)爐煉鋼，以降低轉(zhuǎn)爐石灰消耗［6］。
2 工藝優(yōu)化措施
2． 1 轉(zhuǎn)爐“留渣+ 雙渣”工藝
結(jié)合其他鋼鐵企業(yè)已有經(jīng)驗［9］，首秦?zé)掍搹S制定了基于自身條件的“留渣+ 雙渣”轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝，如圖1 所示，主要內(nèi)容包括以下幾個方面。
(1) 濺渣護爐時，液態(tài)終渣固化，固化狀態(tài)還需進行人工確認。
(2) 脫磷率必須大于50%。
3) 前期渣快速倒出，倒出量不低于60%。
(4) 脫碳階段采用普通工藝吹煉，出鋼時采用滑板擋渣。出鋼結(jié)束后，將本爐終渣全部留入下一爐使用。
2． 2 LF 精煉渣替代工藝
套筒窯原來未加篩分，有石灰中粉面進入轉(zhuǎn)爐會被風(fēng)機抽走，既增加損耗，也加大了OG 泥量。為進一步提高轉(zhuǎn)爐用石灰質(zhì)量，增加了石灰篩分裝置。篩分裝置主要有2 個振動篩，石灰首先過100 t 振動篩，篩眼尺寸為25 mm; 篩上物進轉(zhuǎn)爐料倉，篩下物進第2 道40 t 振動篩，篩眼尺寸為5 mm; 篩上物為5 ～ 25 mm 小粒度，篩下物為小于5 mm 灰面。篩分后石灰分類使用: 25 mm 以上大顆粒石灰供轉(zhuǎn)爐; 5mm 以下灰面，供應(yīng)燒結(jié); 小顆粒石灰，粒度合適，可以在LF 爐當(dāng)作渣料使用，見圖2。
首秦公司有3 座LF 精煉爐，因鋼種、工藝因素，鋼水全部實行LF 精煉工藝，且精煉脫硫任務(wù)較大，渣料消耗高，單耗在11 kg /t 鋼左右。投產(chǎn)初期使用渣料為合成渣，大部分為外購，價格約為900 元/t，渣料成本較高，降低渣料費用成為精煉降成本重點。石灰篩分后產(chǎn)生大量小顆粒石灰，為替代渣料打下了基礎(chǔ)。試驗逐步使用小顆粒石灰替代合成渣，最后實現(xiàn)完全替代，另外配加部分螢石，大幅度降低了精煉成本。
3 優(yōu)化結(jié)果
3． 1 “留渣+ 雙渣”工藝應(yīng)用效果
截止到2013 年底，“留渣+ 雙渣”轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝應(yīng)用比例達到81． 5%，轉(zhuǎn)爐噸鋼石灰消耗降至32． 1 kg。同時，因石灰量減少，渣量減少，使得輕燒白云石消耗降低，鋼鐵料損失消耗降低8． 25 kg /t鋼。至2017 年底，持續(xù)使用“留渣+ 雙渣”工藝，石灰消耗降低至30 kg /t 鋼以下，轉(zhuǎn)爐冶煉取得了顯著經(jīng)濟效益。
通過大規(guī)模的“留渣+ 雙渣”冶煉工藝實踐，項目組發(fā)現(xiàn): 由于終點爐渣可循環(huán)再利用，因此石灰、輕燒等轉(zhuǎn)爐冶煉渣料的消耗大幅降低; 煉鋼終點爐渣FeO 含量通常在14% ～ 30% 內(nèi)( 平均在18%) ，脫磷期爐渣FeO 含量控制小于15%，爐渣量減少30． 7%，F(xiàn)eO 大損耗降低約4%，兩項合計降低鋼鐵料消耗8． 25 kg /t 鋼。對于轉(zhuǎn)爐的常規(guī)冶煉，其終渣爐渣堿度多高于3． 0，此時爐渣自由CaO 含量高，當(dāng)采用“留渣+ 雙渣”冶煉工藝時，外排渣為雙渣前期渣，其堿度低，渣處理相對容易。此外，由于采用留渣操作，轉(zhuǎn)爐冶煉終點拉碳可以不倒渣，配合滑板擋渣，鋼水收得率亦可大幅提高。
“留渣+ 雙渣”工藝易產(chǎn)生安全問題，留渣工藝的最大困擾是兌鐵噴濺問題，當(dāng)高溫、氧化性強鋼渣遇見鐵水時，容易產(chǎn)生劇烈反應(yīng)，造成兌鐵大噴。因此，出鋼過程要將鋼水出凈，留鋼情況下不留渣; 濺渣過程加輕燒等料稠化爐渣，濺渣結(jié)束煉鋼工搖爐觀察爐渣，稀渣較多，倒掉稀渣兌鐵; 在冶煉低碳、低磷鋼種時，轉(zhuǎn)爐冶煉終點氧化性強，稀渣較多時不留渣; 轉(zhuǎn)爐加料時先加廢鋼，再兌鐵。通過采取以上措施，首秦公司實施留渣操作以來未出現(xiàn)較大的噴濺事故。
對于雙渣倒渣溢渣問題，在雙渣開發(fā)初期，由于轉(zhuǎn)爐爐口距離擋火門較近，影響脫磷結(jié)束倒渣的搖爐速度。為此將轉(zhuǎn)爐擋火門外移500 mm，轉(zhuǎn)爐最大回轉(zhuǎn)半徑距平臺邊緣由373 mm 提高至873 mm。倒渣開始后，采用6° /s 的搖爐速度，一次搖爐至75°～ 80°，轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)潮汐現(xiàn)象持續(xù)時間在3 s 左右，再緩慢搖爐至近于水平位置，保證爐渣順利從爐口流出，避免鋼水隨渣流帶出。
3． 2 LF 精煉石灰替代合成渣的效果
石灰篩分是后期改造設(shè)備，小顆粒石灰儲存、運輸成為難點。儲存小顆粒石灰料倉較小，每倉僅能存10 t 左右，但LF 精煉生產(chǎn)每天用量在100 t 左右?？紤]到套筒窯設(shè)備需定期檢修、維護，需保證檢修期間生產(chǎn)供應(yīng)，因此設(shè)置了石灰存儲間。LF 精煉石灰替代合成渣采用了逐步改進方案，方案分為三個階段:
第一階段: LF 爐部分使用石灰時，使用料斗接料運至現(xiàn)場。
第二階段: LF 爐全部使用時，1座LF 爐石灰直接接料運送現(xiàn)場，其他的用汽車接料倒運至儲存間堆放，保證正常使用及檢修期間石灰儲備量，需用時由存儲間裝車運至生產(chǎn)現(xiàn)場。
第三階段: 因小顆粒石灰在存儲間露天堆放吸潮粉化嚴(yán)重，產(chǎn)生灰面，對小顆粒石灰料倉設(shè)備進行多次改造，適合多種運送車輛接料。石灰運送方式改為直送現(xiàn)場，減少小顆粒石灰露天堆放，石灰粉化消耗進一步降低。
通過石灰替代合成渣，LF 精煉噸鋼成本降低3． 85 元，如表1 所示。
因煉鋼石灰總量大幅降低，轉(zhuǎn)爐日需僅200 t，這使得LF 可以利用石灰來代替合成渣，進一步降低LF 精煉的噸鋼成本。篩分下來的灰面供應(yīng)燒結(jié)做燒結(jié)石灰使用，做到了物盡其用，可以作為煉鋼回收降低成本。截至目前，LF 爐日均需石灰80 t，加上轉(zhuǎn)爐的消耗200 t，煉鋼廠總計消耗石灰280 t，其總量為原轉(zhuǎn)爐消耗石灰總量的50%，每天可以銷售70 t 灰面，降低成本。
4 結(jié)論
首秦公司煉鋼廠自轉(zhuǎn)爐采用“留渣+ 雙渣”冶煉工藝和石灰篩分改造后，新的冶煉工藝組合大幅度降低了石灰消耗，轉(zhuǎn)爐石灰消耗降低至30 kg /t 鋼以下，鋼鐵料消耗也相應(yīng)降低。LF 精煉使用小顆粒石灰替代合成渣，冶煉成本大幅降低，噸鋼成本降低了3． 85 元; 產(chǎn)生的灰面供應(yīng)燒結(jié)，回收利用降低成本。目前，首秦公司內(nèi)部套筒石灰窯每天350 t 的產(chǎn)能完全能滿足現(xiàn)有石灰消耗，在石灰質(zhì)量得到保證的同時，還可以外銷石灰實現(xiàn)盈利。
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