張英嘉，李積鵬，王德勇
( 酒鋼集團(tuán)宏興鋼鐵股份有限公司碳鋼薄板廠，甘肅嘉峪關(guān)735100)
摘要:轉(zhuǎn)爐尾渣經(jīng)過(guò)處理后具有CaO、MgO 及FeO 含量高、熔點(diǎn)低、孔隙度大的特性。分析了尾渣造渣機(jī)理并研究了其在120 t 轉(zhuǎn)爐煉鋼中的應(yīng)用。試驗(yàn)中分兩批將尾渣加入轉(zhuǎn)爐，首批500 kg 尾渣通過(guò)頂倉(cāng)在加廢鋼前加入爐內(nèi)，第二批500 kg 尾渣在冶煉中期加入。試驗(yàn)結(jié)果表明，加料方案能夠滿足轉(zhuǎn)爐煉鋼的要求，并縮短吹煉周期11 s，同時(shí)能夠更好地維護(hù)爐襯，延長(zhǎng)轉(zhuǎn)爐壽命; 加入轉(zhuǎn)爐尾渣可以替代部分造渣料，降低鋼鐵料消耗，增加金屬鐵的收得率。
關(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)爐尾渣; 吹煉周期; 爐襯維護(hù); 鐵收得率
0 引言
隨著鋼鐵行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇，從原料生產(chǎn)到冶煉工藝再到回收利用技術(shù)都反映了鋼鐵企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力［1］。我國(guó)是鋼鐵大國(guó)，大部分煉鋼設(shè)備為轉(zhuǎn)爐，轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中由于高溫不可預(yù)見(jiàn)的因素較多，給吹煉過(guò)程控制帶來(lái)諸多困難，所以不可避免地會(huì)產(chǎn)生噴濺、返干、吹煉耗氧高、終渣含鐵高等不利現(xiàn)象，最終造成鋼鐵料消耗升高，煉鋼成本增加［2］。轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生大量的尾渣，目前這些尾渣被回收后部分應(yīng)用于道路填筑、水泥生產(chǎn)等行業(yè)，而大部分尾渣被堆放廢棄，不僅浪費(fèi)資源還污染環(huán)境［3］。本文對(duì)轉(zhuǎn)爐尾渣回收處理后在120 t 轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明轉(zhuǎn)爐尾渣的回收利用具有較好的應(yīng)用前景。
1 轉(zhuǎn)爐尾渣造渣機(jī)理分析
對(duì)于轉(zhuǎn)爐煉鋼產(chǎn)生的爐渣，進(jìn)行熱燜及冷卻處理，并磁選出金屬鐵，將剩余的含鐵較低的爐渣做混合處理，制備成尾渣。對(duì)尾渣樣品進(jìn)行抽樣分析，主要成分見(jiàn)表1。
由表1 可以看出，尾渣中含有較高的難以磁選的含鐵成分，以氧化鐵的形式存在于尾渣中。同時(shí)尾渣中有轉(zhuǎn)爐造合適堿度渣時(shí)所需的47． 42%CaO，且含有起保護(hù)爐襯作用的7． 91% MgO。
尾渣在吹煉過(guò)程中發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)如下:
( FeO) =［Fe］+［O］ (1)
2［O］+［Si］= ( SiO2) (2)
( FeO) + CaO + ( SiO2) = ( CaO·FeO·SiO2) (3)
( CaO) + ( MgO) + ( SiO2) = ( CaO·MgO·SiO2) (4)
( CaO) + 2［P］+ 5［O］= ( CaO·P2O5) (5)
( FeO) +［C］=［Fe］+ CO (6)
轉(zhuǎn)爐尾渣與終點(diǎn)渣具有同向性，即較低的熔點(diǎn)及較高的孔隙度，因此可以在高溫鐵水中快速熔化制造合適的爐渣。轉(zhuǎn)爐吹煉前期，加入的尾渣中FeO 分解出的［O］與鐵水中的［Si］反應(yīng)，脫除鐵水中的( Si) ，繼而發(fā)生反應(yīng)( 3) 、( 4) ，生成熔點(diǎn)較低的化合物，從而快速化渣，縮短吹煉造渣的時(shí)間。加入的尾渣中CaO 快速熔化后參與脫磷反應(yīng)( 5) ，達(dá)到脫磷的目的。到轉(zhuǎn)爐吹煉中期時(shí)，主要發(fā)生脫碳反應(yīng)( 6) ，產(chǎn)生的CO 氣體攪拌熔池，為熔池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)提供良好的動(dòng)力學(xué)條件，同時(shí)促進(jìn)尾渣中的鐵被還原進(jìn)入熔池中，增加鐵的收得率。
2 轉(zhuǎn)爐尾渣實(shí)際應(yīng)用
2． 1 應(yīng)用方案
轉(zhuǎn)爐尾渣經(jīng)篩分處理后，將粒度合適的尾渣經(jīng)皮帶運(yùn)輸至轉(zhuǎn)爐頂部高位料倉(cāng)，在濺渣護(hù)爐結(jié)束后，將備好的500 kg 尾渣加入爐內(nèi)，加入廢鋼。利用爐內(nèi)的溫度提前將尾渣預(yù)熱，前后2 次搖動(dòng)轉(zhuǎn)爐除去爐內(nèi)水分，然后加入鐵水，開(kāi)始吹煉［4］。吹煉5 min后，根據(jù)吹煉情況，加入500 kg 尾渣進(jìn)行快速化渣并預(yù)防返干，由于尾渣加入可以替代部分造渣料，故吹煉過(guò)程可適當(dāng)減小石灰、螢石、白云石及鐵皮球的加入量［5］。
2． 2 尾渣對(duì)轉(zhuǎn)爐吹煉周期的影響
尾渣試驗(yàn)共進(jìn)行596 爐，平均每爐加入1 053kg 尾渣，終點(diǎn)鋼水成分見(jiàn)表2。
從表2 可以看出，加入尾渣與常規(guī)吹煉，終點(diǎn)成分幾乎一致，均可達(dá)到鋼種要求。這主要是由于尾渣中含有轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程造渣所需的FeO 與CaO，尾渣熔化后同樣參與常規(guī)吹煉熔池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，最終達(dá)到去除有害元素的目的。
統(tǒng)計(jì)596 爐的常規(guī)冶煉爐次與實(shí)驗(yàn)爐次的吹煉時(shí)間，結(jié)果如圖1 所示。
從圖1 的吹煉時(shí)間可以看出，加入尾渣進(jìn)行吹煉時(shí)，平均吹煉周期縮短了11 s，完全可以滿足轉(zhuǎn)爐煉鋼的正常進(jìn)程。這是由于轉(zhuǎn)爐尾渣比常規(guī)造渣料具有較高的孔隙度，在熔池中能夠增加化學(xué)反應(yīng)的比表面積，熔池中發(fā)生的固液反應(yīng)，液態(tài)向固態(tài)的內(nèi)擴(kuò)散為限制性環(huán)節(jié)［6］，而尾渣的孔隙度遠(yuǎn)大于常規(guī)造渣料，有利于液態(tài)分子向固態(tài)尾渣內(nèi)部擴(kuò)散，反應(yīng)速率加快。同時(shí)較低的熔點(diǎn)特性使得尾渣能夠快速熔化［7］，造渣速度提升，縮短造渣時(shí)間，所以加入尾渣吹煉能夠縮短轉(zhuǎn)爐吹煉時(shí)間，但是實(shí)際情況中，加入過(guò)量的尾渣容易使?fàn)t內(nèi)渣量過(guò)大而容易引發(fā)噴濺降低金屬收得率［8］，所以尾渣加入量不可過(guò)多。
2． 3 尾渣對(duì)爐襯的影響
試驗(yàn)過(guò)程中，使用紅外測(cè)厚儀每20 爐測(cè)量一次轉(zhuǎn)爐爐襯厚度，5 500 爐次至6 096 爐次為常規(guī)吹煉，6097 爐次至6 693 爐次為實(shí)驗(yàn)爐次，爐襯測(cè)量結(jié)果如圖2 所示。
從圖2 中可以看出，隨著吹煉爐次的增加，鋼水的攪拌及對(duì)爐襯的沖刷，常規(guī)吹煉爐次，爐襯均有所侵蝕，厚度有所減小，尤其是渣線附近的爐襯厚度，減小的速度大于其他位置的侵蝕程度，而爐底厚度有略微的上漲，這與操作手法有關(guān)，爐底的厚度相對(duì)爐壁來(lái)說(shuō)，較好控制［9］。添加尾渣代替部分造渣料的爐次，隨著吹煉爐次的累積，爐襯厚度大致可以維持不變，甚至略有增加1 ～ 2 mm。
爐襯變化曲線圖中可以反映出，在常規(guī)冶煉過(guò)程中，隨著機(jī)械沖擊、鋼液攪拌沖刷、煙氣沖刷、急冷急熱、化學(xué)反應(yīng)等作用，爐襯是在逐漸被侵蝕磨損的。以目前的手段，物理作用的沖擊磨損情況難以避免，可以從化學(xué)反應(yīng)的角度降低其侵蝕程度。試驗(yàn)中，轉(zhuǎn)爐吹煉加入尾渣代替原有造渣料，由于尾渣中含有7． 91%的MgO，與爐襯部分成分相同，尾渣熔化后附著在爐襯磚表面，代替爐襯與鋼液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，減少爐襯的化學(xué)侵蝕。此外，由于吹煉時(shí)間的縮短，減少了物理沖刷的時(shí)間，進(jìn)而較好地維護(hù)爐襯。
2． 4 尾渣對(duì)金屬收得率的影響
根據(jù)轉(zhuǎn)爐加入尾渣冶煉條件下的物料平衡進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)實(shí)際吹煉情況，參考吹煉結(jié)束渣樣成分，對(duì)吹煉過(guò)程的原有造渣料加入量進(jìn)行修正，將試驗(yàn)爐次與常規(guī)吹煉爐次鐵水條件相同情況下的主要造渣料加入量進(jìn)行對(duì)比，如圖3 所示。
從圖3 可以看出，加入尾渣試驗(yàn)條件下，造渣料中的石灰、螢石、鐵皮球及輕燒白云石的使用量均有所下降。其中石灰使用量降低252 kg /爐，螢石使用量降低144 kg /爐，鐵皮球使用量降低96 kg /爐，白云石使用量降低14． 4 kg /爐。
從統(tǒng)計(jì)的鋼鐵料消耗數(shù)據(jù)可以得出，加入尾渣試驗(yàn)爐次的鋼鐵料消耗比常規(guī)加料情況下鋼鐵料消耗降低4 kg /t。試驗(yàn)過(guò)程，雖然造渣料加入量有所減少，尤其鐵皮球的每爐加入量下降了96 kg，但是每爐加入的尾渣中含有17． 2% 的全鐵，尾渣中氧化鐵部分被碳還原進(jìn)入鋼液，增加了金屬鐵的收得率。另外，由于合適的尾渣加入量有助于穩(wěn)定吹煉過(guò)程鋼渣反應(yīng)，減少噴濺，故而減少金屬鐵的浪費(fèi)。研究結(jié)果表明: 轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程，加入尾渣替代部分造渣料可以增加金屬鐵的收得率。
正常生產(chǎn)工藝螢石的加入量為每爐144 kg，試驗(yàn)過(guò)程中隨著操作的穩(wěn)定，螢石加入量降至0 kg，由于尾渣的造渣化渣效果幾乎替代了螢石的作用，螢石被取代降低了對(duì)爐襯的侵蝕速度，有益于轉(zhuǎn)爐壽命的增加，同時(shí)降低了對(duì)環(huán)境的污染，符合國(guó)家環(huán)保的要求。
3 結(jié)論
通過(guò)研究轉(zhuǎn)爐尾渣在120 t 轉(zhuǎn)爐煉鋼中的應(yīng)用，探討尾渣對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼的影響，得出如下結(jié)論:
( 1) 尾渣分兩批加入轉(zhuǎn)爐冶煉的方法是可行的，首批500 kg 尾渣通過(guò)頂倉(cāng)在加廢鋼前加入爐內(nèi)，提前預(yù)熱，達(dá)到冶煉前期快速造渣的目的; 第二批尾渣在冶煉中期加入，加快脫碳反應(yīng)，預(yù)防返干。
( 2) 尾渣加入轉(zhuǎn)爐代替部分造渣料，能夠達(dá)到轉(zhuǎn)爐煉鋼正常生產(chǎn)要求，并且能夠縮短吹煉周期。
( 3) 尾渣能夠較好地維護(hù)轉(zhuǎn)爐爐襯，增加轉(zhuǎn)爐的壽命。
( 4) 尾渣的加入可以減少石灰、白云石、鐵皮球的加入量，節(jié)省一定資源，并能夠增加金屬鐵的收得率; 尾渣取代螢石降低了爐襯的侵蝕速度，同時(shí)降低了對(duì)環(huán)境的污染。
參考文獻(xiàn)
［1］王春梅，周東東，徐科，等． 綜述鋼鐵行業(yè)智能制造的相關(guān)技術(shù)［J］． 中國(guó)冶金，2018，( 7) : 1 ～ 7．
［2］馮士超，王艷紅，丁瑞鋒． 轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)控制技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀［J］． 冶金自動(dòng)化，2016，( 2) : 1 ～ 6．
［3］王雄，吳引淳． 冶金爐渣資源化探討［J］． 河南冶金，2006，14( S1) : 21 ～ 24．
［4］謝基表，閆海龍，鮑生科，等． 轉(zhuǎn)爐石灰石直接造渣煉鋼工藝研究［J］． 河北冶金，2018，( 7) : 18 ～ 21．
［5］何凱． 100 t 轉(zhuǎn)爐半鋼煉鋼復(fù)吹工藝優(yōu)化［J］． 河北冶金，2016，( 12) : 14 ～ 18．
［6］楊利彬． 大型轉(zhuǎn)爐脫磷規(guī)律與工藝優(yōu)化研究［D］． 鋼鐵研究總院，2015．
［7］趙玉剛，彭素云，張軍國(guó)． 唐鋼150 t 轉(zhuǎn)爐煉鋼快速造渣工藝分析［J］． 河北冶金，2013，( 4) : 41 ～ 43．
［8］呂愛(ài)強(qiáng)，梁金鵬． 轉(zhuǎn)爐加燒結(jié)礦熔融還原煉鋼工藝研究［J］． 酒鋼科技，2012，( 3) : 22 ～ 24．
［9］劉書(shū)超，魏寶森． 煉鋼轉(zhuǎn)爐爐襯維護(hù)實(shí)踐［J］． 冶金能源，2013，32( 1) : 29 ～ 32．