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(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)固體資源合理利用，基于理論分析得到用于轉(zhuǎn)爐煉鋼化渣及脫磷的冶金功能性輔助材料的必備條件，結(jié)合渣鋼粉來源及成分的特殊性，在壓球產(chǎn)線將其制備成一種冶金功能性輔助材料，將其應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)實(shí)踐后，在促進(jìn)化渣、脫磷、鐵元素回收利用上取得一定成效。評(píng)估了該產(chǎn)品應(yīng)用后的效益，并從平衡相同熱量的角度對(duì)比了該產(chǎn)品與高爐返礦的經(jīng)濟(jì)性差別。針對(duì)產(chǎn)品現(xiàn)狀，提出了該冶金功能性材料質(zhì)量提升的關(guān)鍵要素。

關(guān)鍵字：渣鋼粉；冷壓球；轉(zhuǎn)爐煉鋼；冶金功能性材料

隨著煉鋼技術(shù)的發(fā)展，前沿綠色低碳共性技術(shù)開發(fā)不斷從理論走向?qū)嵺`，鋼鐵工業(yè)正積極推進(jìn)以極致資源利用為代表的節(jié)能降碳行動(dòng)。推動(dòng)鋼鐵二次資源高效回收利用是鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)降碳減排、綠色發(fā)展的關(guān)鍵攻關(guān)技術(shù)之一^[1-8]。

近年來，高校、科研院所及國內(nèi)外大型鋼鐵企業(yè)在固體二次資源利用理論與實(shí)踐方面開展了諸多工作^[1-8]。其中，首鋼股份始終堅(jiān)持綠色是高質(zhì)量發(fā)展的底色，圍繞企業(yè)內(nèi)二次資源綜合利用，建設(shè)資源循環(huán)產(chǎn)業(yè)園區(qū)，以加工處理企業(yè)內(nèi)固體資源。園區(qū)產(chǎn)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(chǎn)線等。煉鋼工序產(chǎn)生的脫硫渣、轉(zhuǎn)爐渣、鑄余渣等作為園區(qū)的主原料，脫硫渣、轉(zhuǎn)爐渣分別在脫硫渣處理線及鋼渣處理線經(jīng)破碎、篩分、棒磨、磁選等環(huán)節(jié)生產(chǎn)各型號(hào)脫硫渣鐵、煉鋼渣鋼、渣鐵粉、渣鋼粉。各型號(hào)脫硫渣鐵、煉鋼渣鋼在煉鐵及煉鋼工序進(jìn)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(chǎn)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(chǎn)線生產(chǎn)冷壓球用于煉鐵、煉鋼工序配加，以實(shí)現(xiàn)固體資源中鐵元素的極致回收利用。

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

1 轉(zhuǎn)爐煉鋼用冶金功能性材料的理論分析

轉(zhuǎn)爐煉鋼的主要任務(wù)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(wù)的完成基本都與熔渣有關(guān)，因此，在煉鋼過程中必須控制和調(diào)整好熔渣的物理和化學(xué)性質(zhì)。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(diǎn)都較高。如CaO熔點(diǎn)2600℃，MgO熔點(diǎn)2800℃。吹煉前期，鐵水中Si快速氧化形成SiO₂，此時(shí)要求盡快形成FeO（熔點(diǎn)1370℃）以促進(jìn)爐內(nèi)的石灰熔化，在前期低溫的有利熱力學(xué)條件下，促進(jìn)脫磷反應(yīng)的高效進(jìn)行，同時(shí)減少酸性渣對(duì)爐襯的侵蝕。由于SiO₂與CaO結(jié)合能力強(qiáng)，石灰熔解后形成高熔點(diǎn)的2CaO.SiO₂（熔點(diǎn)2130℃），因此熔渣中必須保證適量的FeO，進(jìn)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(wù)之一的脫磷反應(yīng)為渣鋼界面反應(yīng)，其反應(yīng)式如下，筆者基于共存理論計(jì)算爐渣成分對(duì)鋼渣反應(yīng)平衡磷的影響^[9]，其結(jié)果如圖1所示。

2[P]+5(FeO)+3(CaO)=(3CaO·P₂O₅)+[Fe]

圖1 基于共存理論計(jì)算得出的爐渣成分對(duì)脫磷的影響^[9]

因此，用于促進(jìn)煉鋼化渣、脫磷、減少耐材侵蝕的冶金性功能材料應(yīng)具有促進(jìn)化渣或者低熔點(diǎn)的物質(zhì)、適當(dāng)?shù)腞及MgO，即要求適當(dāng)?shù)腇eO、R、MgO。

2 渣鋼粉的物理化學(xué)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(jì)算方法，本次渣鋼粉的平均粒徑為3.43mm。可以看到，<0.125mm（120目）比例為5.52%，0.125mm-5mm占比68.62%，>5mm占25.86%。

經(jīng)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(zhuǎn)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(nèi)可增加渣中FeO含量，促進(jìn)煉鋼早化渣，改善爐渣熔化性和流動(dòng)性，促進(jìn)石灰熔解及脫磷反應(yīng)的進(jìn)行。該材料在促進(jìn)化渣的同時(shí)，帶入的CaO可參與渣鋼脫磷反應(yīng)，帶入的MgO可保護(hù)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(duì)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(zhuǎn)爐煉鋼終渣成分，轉(zhuǎn)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(chǎn)冶金功能性材料，同時(shí)以轉(zhuǎn)爐高位料倉的形式加入，該材料應(yīng)具有一定的強(qiáng)度，且粉化較少，因此，在冷壓球產(chǎn)線進(jìn)行該材料的生產(chǎn)。

3 渣鋼粉壓球生產(chǎn)實(shí)踐

表2 渣鋼粉壓球生產(chǎn)主要指標(biāo)

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

圖3渣鋼粉壓球

生產(chǎn)出的渣鋼粉壓球的實(shí)物如圖3所示，其平均抗壓強(qiáng)度達(dá)到1200N，基本滿足料倉加入的要求，其化學(xué)成分如表3所示，R方面，冶煉前期石灰逐漸熔化時(shí)，本次試驗(yàn)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(zhuǎn)爐煉鋼高位料倉上倉后，可結(jié)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(xué)成分

4 渣鋼粉壓球煉鋼應(yīng)用效果

將500t渣鋼粉壓球用于220t轉(zhuǎn)爐工業(yè)實(shí)踐，按照控制變量設(shè)計(jì)對(duì)比試驗(yàn)方案，從金屬收得率、脫磷率、實(shí)際增S量、實(shí)際溫降影響等方面進(jìn)行了比較，其結(jié)果如下：

（1）金屬收得率：試驗(yàn)爐次及對(duì)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(yàn)爐次加入約10t渣鋼粉壓球，剩余熱量由石灰石平衡。對(duì)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(zhuǎn)爐終點(diǎn)氧控制在500-600ppm之間的爐次進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如圖4所示。即試驗(yàn)爐次出鋼量較對(duì)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(duì)比

（2）脫磷率：在相同鋼種上，開展了脫磷效果對(duì)比試驗(yàn)，根據(jù)鐵水Si計(jì)算白灰加入量以確保終渣R控制在3.5±0.2，選取轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氧500-600ppm，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度1630±10℃的爐次進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)爐次平均渣鋼球加入量為4.23t，對(duì)比爐次未加入渣鋼球，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 配吃渣鋼粉壓球出鋼量對(duì)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)控制，其結(jié)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(duì)比

（4）實(shí)際溫降效果：通過生產(chǎn)實(shí)踐對(duì)比，對(duì)220t轉(zhuǎn)爐，1t渣鋼粉壓球溫降約11℃。

綜上所述，利用渣鋼粉生產(chǎn)的冶金功能性輔助材料在金屬收得率、脫磷率、實(shí)際增S量穩(wěn)定性控制等方面均體現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到了預(yù)期的試驗(yàn)效果。

5 經(jīng)濟(jì)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(qiáng)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(jià)格3027元/噸價(jià)格進(jìn)行計(jì)算，轉(zhuǎn)爐渣中的金屬含量按27%進(jìn)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(dāng)前，渣鋼球價(jià)格每噸320元進(jìn)行計(jì)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(jì)算，預(yù)計(jì)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(jì)算，其效益貢獻(xiàn)如表4所示，使用渣鋼球的經(jīng)濟(jì)效益貢獻(xiàn)較高爐返礦增加548元。

表4 轉(zhuǎn)爐配吃效益測算（平衡24℃熱量）

當(dāng)前，渣鋼粉壓球的抗壓強(qiáng)度、粉化率、粘結(jié)劑比例、烘干產(chǎn)線的烘干制度控制仍存在優(yōu)化空間，后續(xù)需進(jìn)一步從原料粒級(jí)匹配、專用粘結(jié)劑研究及開發(fā)、粘結(jié)劑降本、烘干制度與冷壓球強(qiáng)度提升的關(guān)系等方面開展相關(guān)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(zhì)量，助力低碳排放、綠色冶金，實(shí)現(xiàn)固廢資源高價(jià)值利用。

6 結(jié)論

1、為實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)固體資源合理利用，從理論分析得到用于轉(zhuǎn)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(yīng)具備適當(dāng)?shù)腇eO、R、MgO。

2、結(jié)合渣鋼粉來源及成分的特殊性，在壓球產(chǎn)線將其制備成一種冶金功能性輔助材料，將其應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)實(shí)踐后，達(dá)到鐵元素收得率85.12%，脫磷率提升2.11%的冶金效果。

3、評(píng)估了配吃渣鋼粉壓球配吃的經(jīng)濟(jì)效益，并從平衡相同熱量的角度對(duì)比了渣鋼粉壓球與高爐返礦的差別，實(shí)際渣鋼粉壓球的降本增效效果更佳。針對(duì)渣鋼粉壓球現(xiàn)狀，為實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品更高質(zhì)量應(yīng)用，應(yīng)從原料粒級(jí)匹配、專用粘結(jié)劑開發(fā)、烘干制度研究等方面開展系列工作。

參考文獻(xiàn)

[1]  蒼大強(qiáng),張玲玲,劉洋等.國內(nèi)外鋼鐵工業(yè)固相二次資源利用現(xiàn)狀、存在問題與對(duì)策[J].過程工程學(xué)報(bào),2022,22(10):1418-1424.

[2]  劉清梅,張福明,李海波等.鋼鐵流程固廢資源化利用逆向供應(yīng)鏈體系探討[J].鋼鐵,2019,54(10):117-124.

[3]  郭家林,趙俊學(xué),黃敏.鋼渣綜合利用技術(shù)綜述及建議[J].中國冶金,2009,19(02):35-38.

[4]  王德永,李勇,劉建等.鋼渣中同時(shí)回收鐵和磷的資源化利用新思路[J].中國冶金,2011,21(08):50-54.

[5]  張俊,嚴(yán)定鎏,齊淵洪等.鋼鐵冶煉渣的處理利用難點(diǎn)分析[J].鋼鐵,2020,55(01):1-5.

[6]  何延波,吳照金,高志芳等.鋼渣有價(jià)組分的分部高附加值利用[J].過程工程學(xué)報(bào),2017,17(05):1028-1034.

[7]  李葆生.唐鋼鋼渣資源化利用工程設(shè)計(jì)[J].中國冶金,2004(10):11-14.

[8]  董繼亮,李碩,盧彬等.轉(zhuǎn)爐渣高效處理工藝的應(yīng)用[J].河北冶金,2022, 319(07):75-78.

[9]  韓凱峰,韓少偉,朱良等.基于共存理論的轉(zhuǎn)爐脫磷熱力學(xué)分析[J].中國冶金,2021,31(10):17-22.

[10]  宋昕,楊建平,趙志成等.冷壓球團(tuán)—節(jié)能減排的重要手段[J].鐵合金,2008, 202(05):32-34.

[11]  邱偉堅(jiān).鐵合金礦粉冷壓球團(tuán)成球機(jī)理及固結(jié)[J].鐵合金,2003(03):7-9.

[12]  邱偉堅(jiān),黃道棟.提高錳礦粉冷壓球團(tuán)強(qiáng)度的研究[J].鐵合金,1987(05):15-21.

[13]  趙劍紅,宋昕,趙志成.冷壓球團(tuán)生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].鐵合金,2008, 200(03):25-26.