劉 佳，崔 猛
（天津天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津301500）
[摘 要] 為降低煉鋼工序成本，實現(xiàn)轉爐渣料成本最優(yōu)，進行了轉爐低成本造渣技術的研究與試驗。以“留渣 +雙渣”為基礎冶煉模式，確定了石灰石、鐵礦石在轉爐少渣冶煉中的使用方案，使石灰消耗由 42.4 kg/t 降低至 26.5kg/t，鐵礦石用量由 0 kg/t 增加至 23.5 kg/t，轉爐渣料成本降低 4.8 元 / 噸鋼，金屬料成本降低 7.05 元 / 噸鋼。
[關鍵詞] 轉爐；低成本；造渣工藝；少渣
0 引言
天津天鋼聯(lián)合特鋼有限公司（以下簡稱聯(lián)合特鋼），是集燒結、煉鐵、煉鋼、連鑄、軋鋼生產工藝為一體的現(xiàn)代化大中型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，鋼鐵企業(yè)大力推行結構優(yōu)化，煉鋼生產正在向實現(xiàn)緊湊式連續(xù)化的專業(yè)生產線、實現(xiàn)高效率快節(jié)奏的生產工藝、降低消耗和成本的方向發(fā)展。如何在保證產品質量的前期下實現(xiàn)冶煉成本的最低，成為工藝技術人員的重要研究課題，因此聯(lián)合特鋼開展了轉爐低成本造渣技術的專項研究與試驗，在轉爐內部熱源條件充裕，冶煉普通碳素結構鋼過程中，利用石灰石、鐵礦石等成本低廉的渣料進行轉爐冶煉，實現(xiàn)成本的最優(yōu)化控制[1]。
1 轉爐低成本造渣技術
轉爐低成本造渣技術的核心是循環(huán)利用富含CaO 的冶煉終渣作為前期脫磷渣的一部分，使用石灰石代替部分冶金石灰，同時配加部分鐵礦石，加快轉爐前期成渣速度，降低轉爐造渣成本、和金屬料消耗成本。
1.1 轉爐配加石灰石快速脫磷技術
石灰是煉鋼過程中的主要造渣材料之一，但其生產、運輸、儲存成本高，同時其生產、運輸、儲存過程容易對環(huán)境造成境污染。由于石灰石成本僅為石灰成本的 1/3 左右，其開采、運輸、儲存對環(huán)境影響較小，而轉爐內溫度顯著高于石灰石分解溫度，因此，轉爐冶煉可以采用石灰石替代部分冶金石灰，實現(xiàn)轉爐快速成渣，提高轉爐前期脫磷效率，同時降低造渣成本。
轉爐吹煉前期的冶金條件有利于脫磷反應的進行，脫磷效率是受轉爐冶煉前期的渣量、溫度、爐渣堿度和爐渣氧化鐵含量影響。因此轉爐吹煉前期快速成渣、適宜的爐渣堿度和氧化鐵含量是前期脫磷的重要環(huán)節(jié)。
1.1.1 轉爐配加石灰石對成渣溫度的影響
石灰石在高溫下是極不穩(wěn)定的物質，在高溫下的反應為：
CaCO3=CaO+CO2
△G0 =170 577-144.19T J/mol
石灰石分解時間與塊度基本呈正比的線性關系，溫度對這種由表及里的分解反應的影響較大。當溫度較達到 1 400 ℃時，石灰石塊表面的導熱受阻，產生了較明顯的 CaO-CaCO3 的分解界面，當溫度較低時，呈現(xiàn)了體積預熱的現(xiàn)象，較長時間的預熱效果減小了石灰石塊的當量直徑。當溫度達到 1400～1 450 ℃時，石灰石分解反應加劇，2～3 min 內分解 70%左右，而石灰石快速分解過程中會吸收大量的熱量，由于石灰石分解融化吸熱能力約是石灰的 2.48 倍，因此，其可以降低初期渣溫度，有利于脫磷反應的進行，同時避免出現(xiàn)劇烈的 C-O 反應形成的噴濺。
1.1.2 轉爐配加石灰石對成渣過程的影響
用石灰石造渣的第一步必然是石灰石的分解。其分解反應就由表至里地進行，先是表面的 CaO 與酸性氧化物或鐵的氧化物進行成渣反應，然后逐漸向里滲透。由于受到內層 CaCO3 的分解反應的限制，沒有更多的 CaO 參與造渣，這就可以避免高熔點的硅酸二鈣的生成[2]，而較多的生成了熔點相對較低的硅酸鈣，又由于 CO2 的增加使鐵水氧化性增強，鐵的氧化物增加，也就較多的生成鐵酸鈣、正鐵酸鈣和橄欖石形態(tài)等低熔點化合物。因此可以使轉爐吹煉前期快速形成堿度適宜、氧化性較高的前期渣，有利于前期快速脫磷。磚爐渣中主要礦物質熔點見表 1。
1.2 轉爐配加鐵礦石技術
1.2.1 轉爐配加鐵礦石的主要作用
轉爐內直接實現(xiàn)部分鐵礦石的熔融還原，可使得一部分鐵礦石在轉爐內被直接還原為鐵，充分發(fā)揮轉爐煉鋼的優(yōu)勢，降低排放，減少金屬料成本。
（1）在轉爐冶煉中期加入鐵礦石首先發(fā)生還原反應，鐵礦石還原是吸熱反應，起到調節(jié)熔池溫度的作用，可以防止脫碳反應太過激烈，同時可以減少熔渣向鋼水返 P。
（2）大部分鐵礦石被鐵水中的[C]還原成單質鐵，提高鋼水收得率，同時鐵礦石中帶入的（O）參與脫碳反應，增加轉爐供氧強度，降低氧氣消耗量，縮短吹煉周期。
（3）鐵礦石部分還原生成（FeO）參與成渣反應，（FeO）可以有效降低爐渣粘度，緩解熔池“返干”現(xiàn)象，避免金屬噴濺或粘槍事故發(fā)生。
在轉爐熔池溫度較高時，鐵礦石加入后在很短時間內就可以完成反應，需注意加入批次和數(shù)量，槍位不得大幅調整，避免發(fā)生噴濺，影響金屬收得率。
1.2.2 影響鐵礦石熔融還原的因素
（1）溫度對鐵礦石還原率的影響。研究表明在1 550 ℃以下時，鐵礦石的還原率隨溫度的升高而隨之提高，在高于 1 550 ℃以后，隨著溫度的升高，還原率有所下降。
（2）鐵礦石密度對還原率的影響。研究發(fā)現(xiàn)，密度較大的鐵礦石在熔化過程中保持原顆粒狀層層熔化，完全熔化時間相對較長；密度較小的鐵礦石在熔化過程中會裂解成小顆粒，熔化時間大大縮短。
2 生產試驗數(shù)據(jù)分析
2.1 前期脫磷數(shù)據(jù)分析
圖 1 給出了冶煉前期脫磷率的影響因素。從圖1-a 可以看出在吹煉前期隨著供氧時間的延長呈現(xiàn)有助于脫磷的趨勢，最佳的脫磷期冶煉供氧時間的控制在 350～400 s 為宜。從圖 1-b 可以看出，隨著轉爐熔池溫度升高，前期脫磷率呈現(xiàn)下降趨勢，說明在低溫條件下有利于鐵水磷的高效脫除，此階段轉爐熔池溫度控制在 1 350～1 400 ℃。從圖 1-c 可以看出，前期爐渣堿度 1.8～2.0 范圍內具有最優(yōu)的脫磷效率[3]。
2.2 石灰石與鐵礦石協(xié)同配加方案
2.2.1 基礎操作標準
當鐵水硅大于 0.6%可以使用留渣少渣操作，前期倒渣時間控制在開吹 360～400s 之間，開吹 100s之后氧壓控制在 0.5～0.6MPa 之間，根據(jù)鐵水和渣況可做適當調整，中期及后期采用正常吹煉 0.78～0.85MPa，終點適當提高氧壓、降低槍位進行高拉碳操作。
2.2.2 倒前期渣處理
根據(jù)具體情況選擇倒渣時機和倒渣量，其倒渣時半鋼 C 需要大于 0.3%，溫度在 1 350～1400 ℃之間。
2.2.3 前期布料方式
少渣雙渣操作模式下，需考慮不同鐵水狀況下的石灰石與鐵礦石協(xié)同配加方案，如表 2 所示。
2.2.4 中后期控制
倒渣結束后，再次下槍開吹，槍位下至基本槍位后開始進行二次布料，布料使用石灰、石灰石、鐵礦石，分批次加入，保證煙氣中 CO 濃度不持續(xù)遞增，每批次加入量小于 500 Kg，避免加料過于集中，造成溫度集中降低引發(fā)噴濺，冶煉過程關注爐口火焰以及 CO 變化情況，槍位控制在基本槍位±200mm 范圍內，出現(xiàn)返干跡象可適當提槍，并加入鐵礦石，吹煉 600 s 內所有造渣料必須加入完畢，終點拉碳前必須將槍位降至拉碳槍位，保持拉碳時間大于60s 以上[4]。
3 實施效果
（1）在鐵水[P]≥0.13%的條件下，增加石灰石、鐵礦石用量后，通過分析發(fā)現(xiàn)，轉爐冶煉前期脫磷效率達到 65%以上，終點脫磷率平均達到 90.5%，實現(xiàn)了低消耗成本情況下的高效脫磷。
（2） 使用石灰石替代部分冶金石灰的造渣工藝，轉爐渣料成本降低了 4.8 元/噸。具體情況如表 3 所示。
（3） 新工藝實施后，鐵礦石使用量增加了 23.5kg/噸鋼，按照每加入 1 kg/噸鋼的鐵礦石的效益為0.3 元測算，則鋼鐵料成本降低約 7.05 元/噸鋼。
（4） 石灰石在轉爐內分解生產大量的 CO2 氣體，增加了轉爐冶煉的動力學條件[5]，同時石灰石分解生產的 CO2 氣體可以自發(fā)參與轉爐內的氧化反應而轉化為 CO 氣體，增加煤氣發(fā)生量。
4 結論
聯(lián)合特鋼公司開展轉爐低成本造渣工藝的開發(fā)，實現(xiàn)了石灰石部分替代冶金石灰協(xié)同鐵礦石配加的技術應用。通過規(guī)范基礎操作標準、少渣雙渣操作、調整中前期吹煉和造渣操作等措施，達到了轉爐快速成渣和快速脫磷的目的。渣料成本降低了 4.8元/噸鋼，金屬料成本降低了 7.05 元/噸鋼，終點脫磷率平均達到 90.5%實現(xiàn)了低成本情況下的高效脫磷，同時對轉爐煤氣回收起到了一定的促進作用。
參考文獻
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[2] 楊利彬，劉瀏，莊輝，等，轉爐少渣冶煉的試驗研究及工藝控制 ［J］，煉鋼，2013，29（3），28- 31.
[3] 邢建森、崔猛、靳東興，“留渣 + 雙渣”高效脫磷工藝的研究［J］， 天津冶金，2015（04），27- 29.
[4] 陳志平，王多剛，虞大俊，左康林，轉爐煉鋼少渣冶煉技術的探索實踐[J]，寶鋼技術，2014（6），17- 20.
[5] 張良明，吳發(fā)達，王愛民，石知機；馬鋼 120t 轉爐少渣冶煉工藝應用實踐[J]，鋼鐵，2014，49（6），26- 29.