韓少偉 李景超 李保海 亢小敏 鄭志輝 于志剛 楊俊峰 楊麗麗

（北京首鋼股份有限公司）

摘要：為實現鋼鐵企業(yè)固體資源合理利用，基于理論分析得到用于轉爐煉鋼化渣及脫磷的冶金功能性輔助材料的必備條件，結合渣鋼粉來源及成分的特殊性，在壓球產線將其制備成一種冶金功能性輔助材料，將其應用于轉爐煉鋼生產實踐后，在促進化渣、脫磷、鐵元素回收利用上取得一定成效。評估了該產品應用后的效益，并從平衡相同熱量的角度對比了該產品與高爐返礦的經濟性差別。針對產品現狀，提出了該冶金功能性材料質量提升的關鍵要素。

關鍵字：渣鋼粉；冷壓球；轉爐煉鋼；冶金功能性材料

隨著煉鋼技術的發(fā)展，前沿綠色低碳共性技術開發(fā)不斷從理論走向實踐，鋼鐵工業(yè)正積極推進以極致資源利用為代表的節(jié)能降碳行動。推動鋼鐵二次資源高效回收利用是鋼鐵企業(yè)實現降碳減排、綠色發(fā)展的關鍵攻關技術之一^[1-8]。

近年來，高校、科研院所及國內外大型鋼鐵企業(yè)在固體二次資源利用理論與實踐方面開展了諸多工作^[1-8]。其中，首鋼股份始終堅持綠色是高質量發(fā)展的底色，圍繞企業(yè)內二次資源綜合利用，建設資源循環(huán)產業(yè)園區(qū)，以加工處理企業(yè)內固體資源。園區(qū)產線主要包括脫硫渣處理線、鋼渣處理線、球磨水洗線、冷壓球產線等。煉鋼工序產生的脫硫渣、轉爐渣、鑄余渣等作為園區(qū)的主原料，脫硫渣、轉爐渣分別在脫硫渣處理線及鋼渣處理線經破碎、篩分、棒磨、磁選等環(huán)節(jié)生產各型號脫硫渣鐵、煉鋼渣鋼、渣鐵粉、渣鋼粉。各型號脫硫渣鐵、煉鋼渣鋼在煉鐵及煉鋼工序進行配加以回收固體資源中鐵元素。渣鐵粉、渣鋼粉作為球磨水洗線原料，生產球磨鐵粉及球磨鋼粉，球磨鐵粉及球磨鋼粉作為主原料在冷壓球產線生產冷壓球用于煉鐵、煉鋼工序配加，以實現固體資源中鐵元素的極致回收利用。

循環(huán)產業(yè)園區(qū)的諸多產品中，渣鋼粉因其來源及成分的特殊性，具有制成轉爐煉鋼用功能性冶金材料的潛能。在轉爐煉鋼化渣、脫磷過程中起到關鍵支撐作用，具有良好的應用價值與應用前景。

1 轉爐煉鋼用冶金功能性材料的理論分析

轉爐煉鋼的主要任務為脫碳、脫磷，為精煉提供合適的成分、溫度的鋼水，煉鋼即煉渣，所有煉鋼任務的完成基本都與熔渣有關，因此，在煉鋼過程中必須控制和調整好熔渣的物理和化學性質。煉鋼常見的氧化物中，除FeO和CaF₂之外，其他簡單氧化物的熔點都較高。如CaO熔點2600℃，MgO熔點2800℃。吹煉前期，鐵水中Si快速氧化形成SiO₂，此時要求盡快形成FeO（熔點1370℃）以促進爐內的石灰熔化，在前期低溫的有利熱力學條件下，促進脫磷反應的高效進行，同時減少酸性渣對爐襯的侵蝕。由于SiO₂與CaO結合能力強，石灰熔解后形成高熔點的2CaO.SiO₂（熔點2130℃），因此熔渣中必須保證適量的FeO，進而使熔渣黏度降低，以保證熔渣不返干。作為煉鋼的主要任務之一的脫磷反應為渣鋼界面反應，其反應式如下，筆者基于共存理論計算爐渣成分對鋼渣反應平衡磷的影響^[9]，其結果如圖1所示。

2[P]+5(FeO)+3(CaO)=(3CaO·P₂O₅)+[Fe]

圖1 基于共存理論計算得出的爐渣成分對脫磷的影響^[9]

因此，用于促進煉鋼化渣、脫磷、減少耐材侵蝕的冶金性功能材料應具有促進化渣或者低熔點的物質、適當的R及MgO，即要求適當的FeO、R、MgO。

2 渣鋼粉的物理化學檢測分析

圖2 渣鋼粉粒徑分布

渣鋼粉的粒徑分布如上圖2所示，按照平均粒徑的常規(guī)計算方法，本次渣鋼粉的平均粒徑為3.43mm?？梢钥吹?，<0.125mm（120目）比例為5.52%，0.125mm-5mm占比68.62%，>5mm占25.86%。

經球磨水洗線洗出的渣鋼粉的成分如表1所示，可以看到，由于其來源的特殊性，其成分與轉爐煉鋼用冶金功能性材料的要求較為相符。將其制備成球加入爐內可增加渣中FeO含量，促進煉鋼早化渣，改善爐渣熔化性和流動性，促進石灰熔解及脫磷反應的進行。該材料在促進化渣的同時，帶入的CaO可參與渣鋼脫磷反應，帶入的MgO可保護爐襯，帶入的約30%-40%的MFe可降低鋼鐵料消耗。

表1 渣鋼粉、煉鋼渣成分對比

注：渣鋼粉*為包含MFe的所有成分，渣鋼粉為將MFe刨除后的成分，煉鋼終渣為轉爐煉鋼終渣成分，轉爐終渣的檢測成分為刨除MFe之后的成分。

為利用渣鋼粉生產冶金功能性材料，同時以轉爐高位料倉的形式加入，該材料應具有一定的強度，且粉化較少，因此，在冷壓球產線進行該材料的生產。

3 渣鋼粉壓球生產實踐

表2 渣鋼粉壓球生產主要指標

冷壓球已成功用于生產錳礦球、鉻礦粉等冷壓球，前人在冷壓球質量提升方面開展了一系列相關工作^[10-13]。在冷壓球產線組織生產渣鋼粉壓球，其主要指標如表2所示，主原料采用100%渣鋼粉，粘結劑控制在2-5%，結合原料的水分情況動態(tài)調整配水量，以將濕球水分控制在4-8%，進而更好地發(fā)揮粘結劑功效，提高成球效果，同時，因采用轉爐高位料倉配加，為確保冶煉安全性，需要嚴格控制該產品的水分，因此，烘干線烘干溫度控制在90-130℃，烘干時間60-150min，以將其水分降低至0-1%水平。

圖3渣鋼粉壓球

生產出的渣鋼粉壓球的實物如圖3所示，其平均抗壓強度達到1200N，基本滿足料倉加入的要求，其化學成分如表3所示，R方面，冶煉前期石灰逐漸熔化時，本次試驗所用渣鋼球R已滿足要求；增S方面，1t渣鋼球理論增S量5ppm，轉爐煉鋼高位料倉上倉后，可結合增S量在RH品種鋼上適量配吃，在LF造渣工藝品種鋼上大量配吃。

表3 渣鋼粉壓球化學成分

4 渣鋼粉壓球煉鋼應用效果

將500t渣鋼粉壓球用于220t轉爐工業(yè)實踐，按照控制變量設計對比試驗方案，從金屬收得率、脫磷率、實際增S量、實際溫降影響等方面進行了比較，其結果如下：

（1）金屬收得率：試驗爐次及對比爐次確保鐵水量、廢鋼量相同，廢鋼為純汽車板打包廢鋼，試驗爐次加入約10t渣鋼粉壓球，剩余熱量由石灰石平衡。對比爐次未加入渣鋼粉壓球，全部熱量平衡采用石灰石，即確保無其他Fe元素來源，選取轉爐終點氧控制在500-600ppm之間的爐次進行對比，其結果如圖4所示。即試驗爐次出鋼量較對比爐次出鋼量平均增加3.66t，理論10t渣鋼粉壓球含鐵元素4.3t，渣鋼粉壓球的金屬收得率為85.12%。

圖4配吃渣鋼粉壓球出鋼量對比

（2）脫磷率：在相同鋼種上，開展了脫磷效果對比試驗，根據鐵水Si計算白灰加入量以確保終渣R控制在3.5±0.2，選取轉爐終點氧500-600ppm，轉爐終點溫度1630±10℃的爐次進行對比，試驗爐次平均渣鋼球加入量為4.23t，對比爐次未加入渣鋼球，其結果如圖5所示。

圖5 配吃渣鋼粉壓球出鋼量對比

可以看到，配加渣鋼球爐次脫磷率為91.72%，未配加渣鋼球爐次脫磷率為89.63%，配加渣鋼球爐次較未配加渣鋼球爐次脫磷率增加2.09%。

（3）實際增S量：選取相同鋼種，廢鋼量及廢鋼種類相同，確保KR扒渣亮面均按照≥90%相同標準控制，其結果如圖6所示，配加渣鋼球爐次平均配加5.21t，增S量平均77ppm，未配加渣鋼球爐次平均增S量47ppm，即渣鋼球增S量約5.79ppm/t，與理論增S量5ppm/t基本一致。

圖6 配吃渣鋼粉壓球出鋼量對比

（4）實際溫降效果：通過生產實踐對比，對220t轉爐，1t渣鋼粉壓球溫降約11℃。

綜上所述，利用渣鋼粉生產的冶金功能性輔助材料在金屬收得率、脫磷率、實際增S量穩(wěn)定性控制等方面均體現出一定的優(yōu)勢，達到了預期的試驗效果。

5 經濟性分析及下一步工作展望

渣鋼粉壓球主要用于發(fā)揮其冶金作用，為提高脫磷效果提供強有力支撐，其附帶收益為增加金屬鐵的回收。按照渣鋼球全鐵含量43%，金屬料價格3027元/噸價格進行計算，轉爐渣中的金屬含量按27%進行考慮，則配吃1噸渣鋼球獲得的金屬收益為：

3027*（1000*43%*85%-1000*（1-43%）*27%）=640元。

當前，渣鋼球價格每噸320元進行計算，則配吃1噸渣鋼球煉鋼增效320元/t，按照煉鋼工序每月配吃2000t計算，預計年效益768萬元。

從平衡熱量的角度考慮，1t高爐返礦降低鋼水溫度24℃，1t渣鋼粉壓球降低11℃。按照平衡24℃的相同熱量計算，其效益貢獻如表4所示，使用渣鋼球的經濟效益貢獻較高爐返礦增加548元。

表4 轉爐配吃效益測算（平衡24℃熱量）

當前，渣鋼粉壓球的抗壓強度、粉化率、粘結劑比例、烘干產線的烘干制度控制仍存在優(yōu)化空間，后續(xù)需進一步從原料粒級匹配、專用粘結劑研究及開發(fā)、粘結劑降本、烘干制度與冷壓球強度提升的關系等方面開展相關工作，系統(tǒng)提升基于渣鋼粉壓球的冶金功能性輔助材料的質量，助力低碳排放、綠色冶金，實現固廢資源高價值利用。

6 結論

1、為實現鋼鐵企業(yè)固體資源合理利用，從理論分析得到用于轉爐煉鋼化渣、脫磷、減少爐襯侵蝕的冶金功能性輔助材料的必備條件，即該材料應具備適當的FeO、R、MgO。

2、結合渣鋼粉來源及成分的特殊性，在壓球產線將其制備成一種冶金功能性輔助材料，將其應用于轉爐煉鋼生產實踐后，達到鐵元素收得率85.12%，脫磷率提升2.11%的冶金效果。

3、評估了配吃渣鋼粉壓球配吃的經濟效益，并從平衡相同熱量的角度對比了渣鋼粉壓球與高爐返礦的差別，實際渣鋼粉壓球的降本增效效果更佳。針對渣鋼粉壓球現狀，為實現該產品更高質量應用，應從原料粒級匹配、專用粘結劑開發(fā)、烘干制度研究等方面開展系列工作。

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