富強(qiáng)  劉真海  姚志龍  孫才權(quán)  曹連平富

(本鋼集團(tuán)北營(yíng)煉鋼廠，遼寧 本溪 117017)

摘 要:通過(guò)研究爐渣渣系及爐內(nèi)反應(yīng)動(dòng)力學(xué),實(shí)施留渣及全留渣工藝達(dá)50%以上,優(yōu)化了爐渣渣組元濃度(如 MgO、R)、加料方式等,形成了具有“快速成渣,維持低熔點(diǎn)及良好流動(dòng)性”的全新加料操作模式。結(jié)果表明:采用少渣冶煉工藝后爐渣堿度2.80,石灰單耗降低了13.48%,脫磷率提升2.02百分點(diǎn);冶煉過(guò)程爐渣“噴濺”、“返干”頻次明顯減少,供氧時(shí)間縮短(降低氧耗),該工藝具有可觀的降成本潛力,具備廣泛的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)爐煉鋼;少渣冶煉;脫磷效果;節(jié)能降耗

目前,鋼鐵工業(yè)普遍面臨著能源浪費(fèi)、煙塵和爐渣等固體廢棄物排放嚴(yán)重的問(wèn)題,在綠色、高效、低能耗、輕排放的發(fā)展目標(biāo)下,如何減少冶金固體廢棄物排放成了行業(yè)內(nèi)亟需解決的重點(diǎn)難題^[1]。煉鋼作為冶金流程工藝中的重要一環(huán),若能在煉鋼工藝環(huán)節(jié)中減少冶金固廢排放，顯然能夠有效地實(shí)現(xiàn)綠色、輕排放的發(fā)展目標(biāo)^[2]。

在當(dāng)前鋼鐵產(chǎn)能過(guò)剩、鋼鐵行業(yè)效益普遍下滑^[3]的形勢(shì)下,國(guó)內(nèi)各大鋼鐵企業(yè)紛紛結(jié)合自身的實(shí)際情況開展節(jié)能降耗探索，尋求降低企業(yè)生產(chǎn)成本的途徑，力求通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新改善逐漸虧損的狀況,提高自身產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。轉(zhuǎn)爐少渣煉鋼工藝不同于傳統(tǒng)“高堿度、大渣量^[4]”的轉(zhuǎn)爐冶煉方式,因具有能源消耗量少、對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)勢(shì),在煉鋼過(guò)程中得到廣泛應(yīng)用^[5]。

通過(guò)對(duì)本鋼集團(tuán)北營(yíng)煉鋼廠轉(zhuǎn)爐治煉過(guò)程的爐渣渣系及爐內(nèi)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，采用改變留渣操作、調(diào)整爐渣渣組元濃度、優(yōu)化加料方式等方法,構(gòu)建了具有“快速成渣、維持低熔點(diǎn)及良好流動(dòng)性爐渣”特點(diǎn)的全新操作模式,縮短了轉(zhuǎn)爐吹煉周期、降低了渣料單耗、提高了冶金效果

1轉(zhuǎn)爐少渣煉鋼工藝

轉(zhuǎn)爐少渣冶煉工藝中的“少渣”是相對(duì)于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐煉鋼而言的^[6]。20 世紀(jì) 90年代,“少渣冶煉”這一名詞在日本^[7]提出并在世界范圍內(nèi)迅速得到推廣,該工藝經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,形成了各種不了很多不同種類的冶煉模式,但就其本質(zhì)來(lái)說(shuō)，“少渣冶煉”的核心在于“少渣”通常采用以下兩種方式實(shí)現(xiàn):一是在轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中,通過(guò)合理調(diào)整工藝模式和操作手段減少生產(chǎn)原料(包括石灰、白云石等)的消耗,從而使產(chǎn)生的爐渣減少;二是在煉鋼過(guò)程中,充分研究轉(zhuǎn)爐渣的成分、功能和轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝,通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)爐渣的循環(huán)利用,從而減少轉(zhuǎn)爐原料的消耗。從世界范圍來(lái)看,日本對(duì)此研究比較多,開發(fā)了很多不同種類的冶煉模式,如JFE的 LD-NRP雙聯(lián)法^[8],住友的 SRP 雙聯(lián)法^[9]、神戶的 H專用爐法^[10]、新日鐵的 MURC 雙渣法和 LD-ORP 雙聯(lián)法^[11]等。我國(guó)緊隨日本,根據(jù)自身情況對(duì)少渣冶煉模式進(jìn)行了探索,開發(fā)了適合白身的少渣冶煉模式,如寶鋼的 BRP 法(圖1)^[12],并不斷進(jìn)行優(yōu)化。由于轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法在產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本上的巨大優(yōu)勢(shì)以及考慮到國(guó)內(nèi)鐵礦石高硫磷含量的實(shí)際情況^[13],轉(zhuǎn)爐少渣治煉工藝逐漸受到國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)重視。

2 少渣煉鋼工藝生產(chǎn)實(shí)踐

通過(guò)研究爐渣渣系及爐內(nèi)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，采用留渣操作、調(diào)整爐渣組元濃度(如 MgO、R)、加料方式等,創(chuàng)建了全新的加料和造渣方法,有效地降低了渣料消耗,提高了冶金效果。

2.1 轉(zhuǎn)爐渣組分研究與設(shè)計(jì)

通過(guò)調(diào)整爐渣堿度 R(w(CaO)/w(SiO₂),下同)至2.8、控制渣中 MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)至8%,改善爐渣流動(dòng)性,確保合理的渣組元濃度、良好的流動(dòng)性及冶金效果,降低渣料消耗。對(duì)其爐渣組分的具體分析如下:

爐渣中存在較多的高熔點(diǎn)組元如 2CaO.SiO₂(熔點(diǎn)2130 ℃)MgO時(shí),吹煉過(guò)程易造成爐渣流動(dòng)性不好。通過(guò)研究 CaO-SiO₂-FeO 三元相圖(圖2)和 CaO-SiO₂-FeO 黏度圖(圖3),爐渣基礎(chǔ)成分選取避開了硅酸二鈣(2CaO·SiO₂)的初晶區(qū)并選取低黏度(η_1600℃=0.02~0.1 Pa·s)區(qū)域，由此來(lái)減少高熔點(diǎn)組元的出現(xiàn)，避免爐渣流動(dòng)性不好的現(xiàn)象發(fā)生。

2)爐渣堿度:P0;屬酸性氧化物,CaO、MgO等堿性氧化物能降低它的活度,堿度越高,渣中CaO 有效濃度越高 L,越大(見式(1)~(2)),脫磷越完全。但并非爐渣堿度R越高越好,加入過(guò)多石灰,化渣不好,爐渣變黏,影響流動(dòng)性,對(duì)脫磷反而不利。改進(jìn)后的脫磷工藝將終點(diǎn)爐渣堿度從R>3.0適當(dāng)降低,減少石灰加入量,有利于提高石灰的成渣速率和石灰成渣率，避免未成渣的石灰顆粒影響爐渣流動(dòng)性，降低脫磷效果。本文設(shè)計(jì)爐渣堿度 R為2.8。

離子理論的脫磷反應(yīng)可以表示為^[14]：

式中:L_p定義為磷的分配系數(shù),用于衡量爐渣的脫磷能力。

3) CaO:堿性渣中,CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到40 %~50 %后,黏度隨CaO含量增加而增加。

4)SiO₂:SiO₂含量在一定范圍內(nèi)增加,能降低堿性渣的黏度,但 SiO₂過(guò)量添加會(huì)形成高熔點(diǎn)相2CaO·SiO₂,使熔渣變黏,惡化渣的流動(dòng)性。

5)MgO:在堿性渣中 MgO含量對(duì)黏度影響很大，當(dāng)渣中 MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)10 %時(shí),會(huì)破壞渣的均勻性,使熔渣變黏。在保證渣中有足夠的(FeO),渣中 w(MgO)不超過(guò)6 %的條件下,增加初期渣中MgO含量,有利于早化渣并推遲石灰石表面形成高熔點(diǎn)致密的 2CaO·SiO₂殼層。本文控制渣中 MgO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8 %。

6)FeO(熔點(diǎn)1370℃)、Fe₂O₃(熔 點(diǎn)1 457 ℃):FeO、Fe₂O₃可明顯降低渣熔點(diǎn),FeO含量增加,渣黏度顯著降低。冶煉過(guò)程通過(guò)調(diào)整槍位,合理控制渣中w(FeO)=13 %~18 %,避免爐渣“返干”(w(FeO)<13 %)與噴濺(w(FeO)18 %)。

2.2 冶煉制度控制

1)吹氧制度。轉(zhuǎn)爐前期冶煉主要任務(wù)是化渣、脫硅、脫磷。開吹后采用“高-低高-低”四段式槍位模式,加速成渣,實(shí)現(xiàn)早期脫硅、脫磷;冶煉前期供氧量占總供氧量的30 %左右。

2)造渣制度。采用留渣、全留渣操作。留渣中含有較高的 FeO、MnO 和 MgO,且具備一定的堿度和溫度,有利于開吹后第一批渣料(石灰、白云石等)的熔化。渣料分小批量多次加入,初渣堿度按照1.5~2.0控制,終渣堿度控制在2.8左右:加料制度變化如表1所示。

3)冶煉終點(diǎn)控制。在保證冶煉鋼種成分合格基礎(chǔ)上,為提高金屬收得率、降低鋼水氧活度,實(shí)行終點(diǎn)高拉碳。

4)留渣制度。隨著留渣次數(shù)的增多,爐渣中磷負(fù)荷逐漸增大,脫磷效果變差;此外,留渣過(guò)多會(huì)造成轉(zhuǎn)爐渣量過(guò)大,易造成異常爐況的波動(dòng)，加大冶煉的控制難度。為保證前期脫磷及轉(zhuǎn)爐的安全冶煉,推行“留渣工藝”“提高全留渣比例”達(dá)50 %以上,利用轉(zhuǎn)爐終渣熱量及 CaO、FeO,促進(jìn)轉(zhuǎn)爐快速成渣、爐內(nèi)反應(yīng)快速進(jìn)行、提高脫磷率等,降低渣料消耗。

3實(shí)施效果

3.1 石灰單耗與冶金效果

表2為不同班組次石灰單耗量與脫磷率間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,可以看出,隨石灰單耗的增加(30.8~36.1 kg/t),脫磷率未發(fā)生顯著變化,推測(cè)在該工藝條件下,石灰的加入量已經(jīng)達(dá)到飽和,繼續(xù)增加石灰對(duì)提升脫磷效果無(wú)益。其中，石灰單耗較低的班組(2#丁:30.8kg/t),冶金效果相對(duì)較好，脫磷率高達(dá)82.8%。

3.2 造渣工藝對(duì)石灰單耗和脫磷率的影響

圖4為造渣工藝與石灰單耗對(duì)比圖,可以看出,采用部分留渣及全留渣造渣工藝的石灰單耗量均低于未留渣工藝,其中,全留渣工藝石灰單耗量最低,噸鋼消耗量為26.17kg,證實(shí)了轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程采用留渣操作(尤其是全留渣)能夠降低石灰造渣料消耗,降低生產(chǎn)成本。究其原因是留渣中含有余量的 CaO,具備一定的初始?jí)A度,可減少造渣過(guò)程的 CaO 加入量。圖5為造渣工藝與脫磷率對(duì)比圖,可以看出,部分留渣及全留渣法造渣工藝的脫磷率均高于未留渣工藝,其中全留渣工藝脫磷率最高,達(dá)83.96%。采用留渣操作(尤其是全留渣),轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程的爐渣脫磷率較未留渣提高了2.02百分點(diǎn);推測(cè)原因?yàn)榱粼邆湟欢ǖ某跏紵崃壳以泻杏嗔?FeO、MgO 和 MnO,能夠促使轉(zhuǎn)爐冶煉前期快速成渣、爐渣流動(dòng)性好,改善了脫硫反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件5515,促進(jìn)爐內(nèi)反應(yīng)快速進(jìn)行,提高了脫硫效率。

3.3 爐渣組分的合理控制

表3統(tǒng)計(jì)了2020-2022年間轉(zhuǎn)爐少渣冶煉過(guò)程渣中 MgO含量與爐渣堿度的變化情況,推行少渣冶煉后，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐煉鋼渣中 MgO 含量和堿度的逐年降低。2022年實(shí)際控制 MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.70 %、爐渣堿度 R為2.72,較 2020年分別降低了1.05百分點(diǎn)和0.19。

堿度和 MgO含量對(duì)爐渣的流動(dòng)性有著直接的影響,若渣控制得比較少,則爐渣流動(dòng)性較好，渣料充分熔化且能夠加強(qiáng)攪拌的動(dòng)力學(xué)條件，從而實(shí)現(xiàn)有效地脫磷并提高脫磷率。從各班組石灰單耗、爐渣組分控制以及造渣工藝情況上來(lái)看，采用留渣、全留渣工藝，可明顯降低石灰單耗約5kg/t,同時(shí)爐渣流動(dòng)性明顯改善,冶金效果相對(duì)較好。綜上所述,轉(zhuǎn)爐少渣冶煉技術(shù)的應(yīng)用，打破了“高堿度、大渣量”的傳統(tǒng)冶金觀念,實(shí)現(xiàn)了全新的加料、造渣方法,即按照吹煉前期、中期、后期精準(zhǔn)的分批加料方式,有效降低渣料消耗、降低了生產(chǎn)成本、提高了脫磷效率。優(yōu)化前后爐渣組分見表4,脫磷率由優(yōu)化前的82.03%提高到優(yōu)化后的84.15 %。

3.4 少渣冶煉效益分析

通過(guò)優(yōu)化造渣工藝、提高了留渣率及全留渣比例,明顯改善了爐渣流動(dòng)性,增強(qiáng)了冶金效果同時(shí)有效降低石灰單耗至31.46kg/t(2022年7月份最佳達(dá)28.30 kg/t),較原單耗36.36 kg/t降低約4.90 kg/t,降幅為13.48 %,節(jié)省了轉(zhuǎn)爐成渣、倒渣時(shí)間,促進(jìn)了轉(zhuǎn)爐反應(yīng)的快速進(jìn)行。與國(guó)內(nèi)同行業(yè)2021年比較,達(dá)到先進(jìn)水平。該工藝在北營(yíng)煉鋼廠實(shí)現(xiàn)了技術(shù)應(yīng)用，其少渣冶煉的效益如表5所示。按照2020年新區(qū)產(chǎn)量438.01萬(wàn)t粗鋼產(chǎn)量計(jì)算,引入少渣冶煉技術(shù)后,生產(chǎn)成本較 2019年降低1137.07萬(wàn)元，統(tǒng)計(jì)的降本項(xiàng)目為白產(chǎn)石灰、白云石、渣量鐵損(留渣帶來(lái)氧氣消耗降低未進(jìn)行效益測(cè)算)?？梢钥闯觯D(zhuǎn)爐少渣冶煉工藝具有可觀的降成本潛力，具備廣泛的推廣價(jià)值。

4結(jié)論

1)少渣冶煉能夠減少造渣料消耗,減少熱損失,促進(jìn)快速成渣,確保渣系良好流動(dòng)性及脫磷效果。通過(guò)實(shí)施留渣及全留渣工藝達(dá)50%以上，提高了留渣爐次比例并降低爐渣堿度至2.80,改善了爐渣流動(dòng)性,脫磷率提高了2.02百分點(diǎn)。

2)實(shí)現(xiàn)了“少渣冶煉”,其轉(zhuǎn)爐石灰單耗由原36.36 kg/t降至31.46 kg/t,降低了4.90 kg/t(降幅為13.48%),達(dá)到歷史最好水平。

3)轉(zhuǎn)爐少渣冶煉工藝實(shí)現(xiàn)了高效、低成本、輕排放煉鋼,符合鋼鐵行業(yè)的發(fā)展需求,具有可觀的降成本潛力,具備廣泛的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 張壽榮,張衛(wèi)東,中國(guó)鋼鐵企業(yè)固體廢棄物資源化處理模式和發(fā)展方向[J].鋼鐵,2017,52(4):1-6.

[2] 柴立元,王云燕,孫竹梅,等.綠色冶金創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略研究[J].中國(guó)工程科學(xué),2022,24(2):10-21.

[3] 崔懷周.轉(zhuǎn)爐強(qiáng)化供氧與少渣冶煉的研究[D].北京:鋼鐵研究總院，2017.

[4] 趙東偉,李海波,孫亮,等.基于轉(zhuǎn)爐 CaO-SiO₂-FeO-10 %MgO 渣系脫磷行為[J].鋼鐵,2016,51(8):24-28.

[5] 張永轟.淺議少渣煉鋼工藝的進(jìn)步與展望[J].江西建材，2015(22):103.106.

[6] 趙廣諳,俞海明.120t轉(zhuǎn)爐少渣煉鋼的工藝實(shí)踐[J].新疆鋼鐵，2015(2):11-13.

[7] 小川雄司,廖建國(guó).轉(zhuǎn)爐連續(xù)脫磷脫碳工藝的開發(fā)[J].世界鋼鐵，2001,1(6):44-51.

[8] TANABE H,NAKADA M.Steel-making technologiescontributing to steel industries . NKK Technical Review(Japan),2003,88:18-27.

[9] KAWAMOTO M. Recent development of steel-making processin sumitomo metals. Journal of lrn and Steel ResearchInternational,2011(S2):28-35.

[10] 潘秀蘭,王艷紅,梁慧智,等,轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法煉鋼工藝的新進(jìn)展].鞍鋼技術(shù),2007(5):5-10.

[11] NAITO K,WAKOH M, Recent change in refining process in Nippon Steel Corporation and metallurgical phenomena in thenew pmcess.Scandinavian Journal of Metallurgy,2005,34(6):326-333.

[12] 康復(fù),陸志新,蔣曉放,等,寶鋼 BRP 技術(shù)的研究與開發(fā)[J].鋼鐵,2005,40(3):25-28.

[13] 王睿之,少渣冶煉條件下鋼水深脫磷實(shí)驗(yàn)研究[D].沈陽(yáng):東北大學(xué),2012.

[14] 朱苗勇.現(xiàn)代冶金學(xué)(鋼鐵冶金卷)[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2005.

[15] 亓海燕,李鐵,呂清山,等,轉(zhuǎn)爐少渣冶煉技術(shù)的生產(chǎn)實(shí)踐[J].山東冶金,2022,44(4):61-62.