鄧勇¹， 韓寶¹， 戴雨翔²

（1. 馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243011; 2. 鋼鐵研究總院冶金工藝研究所，北京 100081）

摘 要：針對轉(zhuǎn)爐冶煉過程石灰消耗量大，終點脫磷率不穩(wěn)定的問題，馬鞍山鋼鐵股份有限公司（簡稱馬鋼，下同）對 300 t 轉(zhuǎn)爐的操作工藝進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，通過轉(zhuǎn)爐留渣操作，提高爐渣前期的堿度和氧化亞鐵含量，促進(jìn)前期化渣和脫磷，減輕終點脫磷壓力。 當(dāng)終點溫度低于 1 680 ℃時，鋼液終點磷含量低于 0.020%，噸鋼石灰消耗量為 33.5 kg，白云石消耗量為 5.34 kg，終渣 TFe 含量為 15.2%，鋼鐵料消耗降低。 通過對轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，終點碳氧積降低至 0.001 5 以內(nèi)。 在終點成分穩(wěn)定控制的基礎(chǔ)上，最終實現(xiàn)了低成本轉(zhuǎn)爐冶煉。

關(guān)鍵詞：低成本煉鋼；終點控制；轉(zhuǎn)爐脫磷

0 引 言

轉(zhuǎn)爐冶煉成本主要包括可變成本、固定成本和綜合回收成本，可變成本包括鋼鐵料消耗、合金料、輔料、動力等，其中，鋼鐵料消耗約占煉鋼總成本的 86%。 隨著近年來我國鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)能過剩，產(chǎn)品競爭加劇，對轉(zhuǎn)爐冶煉終點的控制提出了更高的要求， 如何在低成本冶煉的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐冶煉終點的精準(zhǔn)控制，是大部分冶金工作者面臨的嚴(yán)峻問題^[1-4]。 已有大量文獻(xiàn)表明， 轉(zhuǎn)爐的底吹可以促進(jìn)鋼液動力學(xué)反應(yīng)，使鋼液反應(yīng)趨于平衡，降低鋼液終點的過氧化程度，從而減少脫氧劑和合金的消耗，最終降低成本^[5-11]。

馬鋼通過對 300 t 轉(zhuǎn)爐的操作工藝進(jìn)行不斷優(yōu)化與改進(jìn)， 形成了轉(zhuǎn)爐低成本留渣冶煉工藝，不僅降低了冶煉過程渣料消耗量， 還減少渣中帶鐵量，從而降低了鋼鐵料消耗。結(jié)合冶煉實際情況，通過優(yōu)化轉(zhuǎn)爐的頂?shù)讖?fù)吹參數(shù)， 降低終點碳氧積，最終實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐終點低成本精準(zhǔn)控制。

1 工藝情況

馬鋼第四鋼軋廠有3座 300 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，在溫度為1 300~1 350 ℃的冶煉工藝下，鐵水成分如表 1 所列。

鐵水中硅含量一般控制在 0.5%以內(nèi)，鐵水溫度控制在 1 300 ℃以上，熔池?zé)崃枯^為充足，采用適當(dāng)?shù)牧粼a(chǎn)工藝。 留渣有利于前期快速成渣，形成高堿度的前期渣，在低溫條件下，更有利于前期脫磷，同時也能在一定程度上降低渣料消耗，減少鐵耗。

1.1 鋼鐵料裝入

鋼鐵料裝入情況如表 2 所列。

由表 2 可以看出，馬鋼第四鋼軋廠鐵水的裝入量為 260~280 t，廢鋼主要分為重型廢鋼、污泥、自循環(huán)重型廢鋼、中包鑄余、地面渣鋼、巴掌鐵等，依據(jù)實際情況的不同， 各種廢鋼的配比也有所不同，總裝入量約為 330 t，廢鋼裝入量最多可達(dá) 80 t，廢鋼比約為 25%。

1.2 過程槍位及加料

依據(jù)上一爐終點的冶煉情況，以及下一爐的冶煉計劃，采用留渣操作工藝。 如果上一爐進(jìn)行了補(bǔ)吹，或爐渣溫度偏低，導(dǎo)致渣中磷含量偏高，可以采用不留渣或少留渣操作。下一爐的爐渣消耗量主要依據(jù)鐵水裝入量及鐵水成分進(jìn)行調(diào)整，以滿足冶煉的要求。

槍位及加料過程如圖 1 所示。

由圖 1 中可以看出，槍位采用“高低高低”的控制模式，前期槍位控制在 1.8~2.0 m 之間，過程槍位降低至 1.5 m 左右，終點槍位在 1.0 m 左右。 下槍 3 min 內(nèi)將 70%的造渣料加入爐中，剩余的 30%渣料在供氧量為 50%前加完， 以保證前期快速成渣。 底吹采用環(huán)縫式供氣原件， 供氣強(qiáng)度為 0.03~0.20 m³ /（min·t）。

1.3 終點控制

馬鋼采用靜態(tài)結(jié)合副槍的動態(tài)模型進(jìn)行控制，終點采用高拉補(bǔ)吹的方法進(jìn)行冶煉， 當(dāng)供氧量達(dá)到靜態(tài)計算值時，利用副槍測量熔池的溫度、碳含量，從而確定繼續(xù)吹入的氧含量及熔池溫度。 副槍測量時的碳含量約為 0.35%，熔池溫度在 1 580~1 620 ℃之間，終點碳含量約為 0.03%，溫度約為 1 650 ℃。

2 現(xiàn)有操作工藝冶煉效果分析

2.1 留渣操作對前期造渣的影響

轉(zhuǎn)爐終渣具有較高的堿度，含有一定量的氧化亞鐵，不僅有利于前期化渣，更可以起到去磷效果。鐵液中 P 會被渣中（FeO）氧化，采用留渣操作，可以保證前期渣中具有較高的（FeO），更有利于前期 脫磷反應(yīng)的進(jìn)行。 （FeO）·（P₂O₅）不穩(wěn)定，將會發(fā)生如下反應(yīng)[12-13]：

4（CaO）+3（FeO）·（P₂O₅）=4（CaO）·（P₂O₅）+3（FeO） （1）

根據(jù)化學(xué)平衡原理分析，渣中（FeO）、（CaO）越高，生成的 4（CaO）·（P₂O₅）越多，則渣中（P）越高，鋼中[P]越低。 同時，堿度越高，渣中自由氧化鈣越多，鋼中[P]越低。 渣中（CaO）含量的高低受成渣速度的影響，而成渣速度主要取決于石灰塊的熔解速度， 石灰塊的熔解速度又與初期渣的液相組成有關(guān)，特別是與渣中的（FeO）含量有關(guān)。 初期渣中的（FeO）不但能提高石灰熔解速度，而且所組成的二元系鐵酸氧化物的熔點均比二元系硅酸氧化物的熔點低。 由于初期渣中存在（MnO）、（MgO），尤其是（FeO），加入返回渣能使石灰的熔解速度加快。

通過熱力學(xué)軟件 Factsage，計算了不同 FeO 含量的兩種渣隨著溫度升高過程，渣成分的改變情況如圖 2 所示，在轉(zhuǎn)爐前期氧化過程中（1 350~1 500 ℃），其他條件不變的情況下， 渣中氧化鐵含量增高，會顯著提高渣中液相的生成量， 有利于前期快速成渣。

2.2 留渣操作對前期脫磷的影響

脫磷反應(yīng)如下^[14]：

2[P]+5（FeO）=（P₂O₅）+5（Fe） （2）

其中，磷氧絡(luò)離子活度的計算為：

α（P₂O₅）=γ ² （P⁵⁺） ·[x（P ⁵⁺）] ² （3）

式（3）中：α（P₂O₅）為 P₂O₅ 的活度；γ ² （P⁵⁺）為渣中磷離子的活度系數(shù)；x（P ⁵⁺）為渣中磷離子的摩爾分?jǐn)?shù)。

氧化亞鐵活度為：

α（FeO）=γ（Fe²⁺）·x（Fe²⁺） （4）

式（4）中：α（FeO）為氧化亞鐵活度；γ（Fe²⁺）為渣中亞鐵離子活度系數(shù)；x（Fe²⁺）為渣中亞鐵離子的摩爾分?jǐn)?shù)。

磷分配比計算公式如下：

式（5）中：L（P）為磷分配比；ω（P）為熔池中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；K 為反應(yīng)平衡常數(shù)。

利用正規(guī)離子溶液模型，計算對平衡磷的影響如圖 3 所示。

通過正規(guī)離子溶液模型計算了渣中 （FeO）含量和堿度變化對鋼液平衡磷含量的影響。 由圖 3 可以看出，1 400 ℃時，當(dāng)（FeO）含量從 10%提高到 15% ， 鋼液平衡磷含量從 0.008 4% 降低到0.005 6%，當(dāng)堿度從 0.8 提高到 1.4，鋼液平衡磷含量從 0.012 0%降低到 0.001 6%。

馬鋼 300 t 轉(zhuǎn)爐前期渣成分對鋼液脫磷率的影響如圖 4 所示。

由圖 4 可以看出，半鋼脫磷率受堿度和渣中（FeO）含量的影響，當(dāng)（FeO）控制在 15%，堿度高于 1.5 時，前期脫磷率可達(dá)到 50%以上。 采用留渣操作， 可以提高爐渣前期的 （FeO） 含量和堿度，更好地促進(jìn)前期脫磷，減輕終點高溫脫磷的壓力。

2.3 終點成分控制

現(xiàn)有工藝轉(zhuǎn)爐終點的成分控制如圖 5 所示。

由圖 5 可以看出，隨著溫度升高，鋼液磷含量相應(yīng)提高，溫度低于 1 680 ℃時，大部分爐次的終點磷含量可控制在 0.020%以內(nèi)。 爐次的終點碳含量約為0.03%，碳氧積在 0.002 0 以下，平均約為0.001 5。

2.4 渣料消耗情況

現(xiàn)有工藝的渣料消耗情況如圖 6 所示。

由圖 6 可以看出， 目前噸鋼石灰消耗量為33.5 kg，較優(yōu)化前降低了 1.5 kg，白云石消耗量為5.34 kg，較優(yōu)化前降低了 2 kg，燒結(jié)礦的加入量為2.65 kg，渣鋼的加入量為 16.8 kg。 終點渣成分如表 3 所列。

終渣 CaO 含量平均值為 37.90%，TFe 含量為15.20%，P2O5 含量平均值為 3.36%，堿度平均值為 2.50。

3 結(jié) 論

1） 半鋼脫磷率受堿度和渣中（FeO）含量的影響，當(dāng)條件控制合適時，前期脫磷率可達(dá)到 50%以上。

2） 留渣工藝可以減輕終點的脫磷壓力， 在終點溫度低于 1 680 ℃時 ， 鋼液終點磷含量低于 0.020%。

3） 噸鋼石灰消耗量為 33.5 kg，白云石消耗量為 5.34 kg，燒結(jié)礦的加入量為 2.65 kg，渣鋼的加入量為 16.8 kg。

4）終渣 CaO 含量平均值為 37.90%，TFe 含量為15.20%，P₂O₅ 含量平均值為 3.36%， 堿度平均值為2.50。

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