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        轉(zhuǎn)爐“留渣-雙渣”少渣煉鋼工藝實(shí)踐

        2015-12-22 06:21:26項(xiàng)有兵劉善喜李雙武
        河南冶金 2015年3期
        關(guān)鍵詞:渣量造渣渣中

        項(xiàng)有兵 劉善喜 李雙武

        (河北鋼鐵集團(tuán)唐鋼長(zhǎng)材部)

        0 前言

        20 世紀(jì)50 ~70年代,國(guó)內(nèi)一些轉(zhuǎn)爐煉鋼廠鐵水條件較差,在使用高硅、高磷鐵水時(shí),采用“留渣-雙渣”操作方法,隨著高爐工藝的進(jìn)步,鐵水質(zhì)量逐步提高,留渣或“留渣-雙渣”操作在國(guó)內(nèi)沒有大范圍推廣。近年來(lái),“雙聯(lián)”操作在國(guó)內(nèi)大型鋼廠冶煉低磷鋼時(shí)普遍采用,由兩座轉(zhuǎn)爐使用的“雙聯(lián)”操作逐步演變?yōu)閱巫D(zhuǎn)爐的“留渣-雙渣”操作,也取得了較好的效果,并逐漸在國(guó)內(nèi)擴(kuò)大推廣應(yīng)用[1]。

        唐鋼長(zhǎng)材部轉(zhuǎn)爐由20 世紀(jì)70年代的30 t 逐步擴(kuò)容為50 t,目前爐容比0.75 t/m3,氧槍供氧強(qiáng)度為4.2 Nm3/(t·min),吹氧時(shí)間12 min,每爐鋼冶煉周期25 min。自2012年以來(lái),逐步摸索開展“留渣-雙渣”少渣煉鋼操作,降低轉(zhuǎn)爐煉鋼成本。

        1 轉(zhuǎn)爐“留渣-雙渣”操作過程及工藝原理

        1.1 操作過程

        上爐出鋼后,進(jìn)行爐渣改質(zhì),濺渣護(hù)爐,直接加部分造渣料、加廢鋼固化爐渣,裝鐵,吹煉3.5 min ~4.5 min,提槍倒低堿度富磷渣,加造渣料二次造渣吹煉至終點(diǎn),出鋼。

        1.2 “留渣-雙渣”脫磷原理

        在煉鋼溫度下,磷在鋼中以最穩(wěn)定的Fe2P 形式存在,P2O5在堿性轉(zhuǎn)爐渣中以3CaO·P2O5或4CaO·P2O5形式存在。

        2[P]+5(FeO)+4(CaO)=4CaO·P2O5+5[Fe]

        脫磷反應(yīng)平衡常數(shù)如下:

        式中:K—脫磷反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù);

        a4CaO·P2O5、ap、aFeO、aCaO—4CaO·P2O5、P、FeO、CaO 的活度;

        (% CaO · P2O5)、(% P)、(% FeO)、(%CaO)—4CaO · P2O5、P、FeO、CaO的百分含量,%;

        rCaO·P2O5、fp、rFeO、rCaO、—P、FeO、CaO、CaO·P2O5的活度系數(shù)。

        爐渣的脫磷能力由分配比Lp=(%P2O5)/[%P]表示[2]:

        式中:Lp—P 在金屬液和熔渣中的分配常數(shù);

        Kp—反應(yīng)的平衡常數(shù)。

        “留渣-雙渣”操作具備脫磷的有力條件,即利用上一爐終點(diǎn)高氧化亞鐵、高堿度爐渣,在吹煉前期較低溫度條件下,調(diào)整吹煉工藝參數(shù),迅速化渣脫磷。

        2 “留渣-雙渣”工藝實(shí)踐情況

        實(shí)施“留渣-雙渣”操作不僅受原料條件影響,還與留渣條件、雙渣操作時(shí)溫度、終點(diǎn)控制等影響。

        2.1 長(zhǎng)材部煉鋼原料條件

        長(zhǎng)材部鐵水由3200 m3和2800 m3高爐供應(yīng),鐵水成分比較穩(wěn)定;造渣料石灰由麥爾茲窯燒成,受石料含鈣量影響,石灰中CaO 含量不是很高。具體原料條件見表1 和表2。

        表1 鐵水成分及溫度

        表2 造渣料化學(xué)成分

        2.2 留渣條件

        是否留渣要根據(jù)上一爐終點(diǎn)情況,本爐生產(chǎn)節(jié)奏,冶煉鋼種的需要,鐵水廢鋼條件等選擇性留渣。

        上一爐終點(diǎn)最高溫度大于1700 ℃,終點(diǎn)碳含量小于0.03%,即高溫后吹鋼水,終渣FeO 過高,轉(zhuǎn)爐在爐渣改質(zhì)、固化后如果處理不好進(jìn)行留渣,則極有可能發(fā)生裝鐵大噴,存在較大的安全隱患。鐵水Si大于0.70%,不宜留渣,因渣量較大,R 偏低,這種渣留渣后脫磷效果較差。

        2.3 雙渣時(shí)半鋼溫度與脫磷率

        轉(zhuǎn)爐根據(jù)終點(diǎn)情況,對(duì)過氧化的爐渣進(jìn)行脫氧改質(zhì)處理,濺渣及加廢鋼后,裝鐵時(shí)爐內(nèi)余渣溫度1395 ℃,遠(yuǎn)低于1510 ℃我廠條件下的碳優(yōu)先反應(yīng)溫度,而是硅優(yōu)先氧化,從而可以避免裝鐵噴濺情況。

        根據(jù)入爐鐵水物理熱、化學(xué)熱情況,控制每爐廢鋼加入量,開吹加石灰300 kg/爐,吹氧3.5 min ~4.5 min,耗氧量為550 m3~750 m3,待明顯碳氧反應(yīng)開始時(shí),停吹提槍吹氮?dú)鈹嚢柙煸?duì)雙渣操作時(shí)的20 爐鋼進(jìn)行半鋼倒渣溫度、半鋼磷含量、脫磷率以及終點(diǎn)一次拉碳磷情況進(jìn)行分析,具體情況如圖1 所示。

        圖1 雙渣時(shí)半鋼溫度與半鋼脫磷率、終點(diǎn)一次拉碳磷含量關(guān)系

        由圖1 可以看出,由于雙渣操作控制溫度差異較大,在1350 ℃~1470 ℃之間,半鋼溫度在1410 ℃左右時(shí),半鋼脫磷率最大,較低的半鋼溫度和較高的半鋼溫度脫磷率不為最低。主要因?yàn)樵谙鄬?duì)較短的前期吹氧時(shí)間內(nèi)(3.5 min ~4.5 min),若相同吹氧時(shí)間內(nèi),溫度控制低,反應(yīng)時(shí)間較短,爐內(nèi)反應(yīng)不充分,脫磷效果反而不明顯;若半鋼溫度控制過高,升溫速度過快,脫磷反應(yīng)速率降低。終點(diǎn)一次拉碳磷含量受雙渣時(shí)半鋼脫磷率影響,控制較合適的半鋼溫度,倒渣時(shí)倒去較多量的富磷渣,則脫碳期去磷任務(wù)相對(duì)容易。

        2.4 雙渣法半鋼與終點(diǎn)Lp 以及單渣法終點(diǎn)Lp

        對(duì)雙渣倒渣和終點(diǎn)時(shí)爐渣磷分配比Lp與常規(guī)單渣工藝終渣Lp進(jìn)行對(duì)比分析,如圖2 所示。

        圖2 雙渣法半鋼、終點(diǎn)以及單渣法終點(diǎn)渣金磷分配比

        由圖2 可以看出,雙渣法倒渣時(shí)Lp平均只有60.83,R 及FeO 較低,脫磷熱力學(xué)條件較差,雙渣法終點(diǎn)Lp平均226.27,明顯高于單渣法終點(diǎn)Lp。

        2.5 雙渣MgO 含量與脫磷關(guān)系

        渣中MgO 是爐襯維護(hù)重要組成,不同轉(zhuǎn)爐一般都控制在8% ~11%。通過對(duì)雙渣渣中MgO 含量與P2O5的研究,其關(guān)系如圖3 所示。

        圖3 雙渣MgO 含量與渣中P2O5 關(guān)系

        由圖3 可以看出,雙渣MgO 含量超過約10.5%時(shí),對(duì)應(yīng)渣中P2O5呈下降趨勢(shì),MgO 對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼造渣的影響可以從CaO -FeO -MgO -SiO2四元相圖解釋,當(dāng)渣中MgO 含量小于10%時(shí),可以增加C2S在液態(tài)渣中飽和溶解度,使渣在較高堿度的情況下也可以保持流動(dòng)性較好的液渣,而不析出固相C2S,從動(dòng)力學(xué)條件上有利于脫磷。

        3 操作過程存在的問題

        3.1 轉(zhuǎn)爐冶煉周期延長(zhǎng)

        實(shí)施“留渣-雙渣”操作會(huì)延長(zhǎng)轉(zhuǎn)爐冶煉周期約5 min,主要增加時(shí)間為雙渣時(shí)開氮?dú)獯翟暗乖鼤r(shí)間。主要時(shí)間差異見表3。

        兌鐵時(shí)間:動(dòng)力學(xué)條件表明,控制兌鐵水速度不要過快,可以避免C-O 反應(yīng)產(chǎn)生CO 氣泡而導(dǎo)致裝鐵大噴。從安全角度出發(fā),留渣爐次如果上一爐次終點(diǎn)溫度高或終點(diǎn)過氧化,在爐渣改質(zhì)后裝鐵,應(yīng)適當(dāng)減緩兌鐵水速度,避免大噴。

        雙渣操作時(shí)間:雙渣采用氮?dú)獯翟梢杂行Т龠M(jìn)前期爐渣和鐵水分離,對(duì)爐內(nèi)鋼渣混沖起較好的攪拌效果,氮?dú)鈩x渣時(shí)間控制在1.5 min ~2 min,較為經(jīng)濟(jì)和實(shí)用;倒渣時(shí)間則根據(jù)爐渣發(fā)泡情況、帶鐵情況,緩慢進(jìn)行,不得一次搖爐過快,鐵損較多。

        濺渣時(shí)間:出鋼后由于“留渣-雙渣”法終點(diǎn)總渣量比常規(guī)單渣法少20%,且經(jīng)過終點(diǎn)爐渣改質(zhì),濺渣時(shí)間短于單渣法。

        由于后續(xù)連鑄澆鑄周期為20 min,單渣法冶煉周期為25 min,轉(zhuǎn)爐與連鑄無(wú)法達(dá)到有序匹配;目前情況下,受鐵水供應(yīng)總量限制,可以使用“留渣-雙渣”法,對(duì)于50 t 轉(zhuǎn)爐而言,冶煉周期延長(zhǎng)20%,產(chǎn)量影響較大。

        3.2 吹煉后期脫磷困難

        部分“留渣-雙渣”爐次操作過程控制失誤,導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)P 過高,達(dá)0.030% ~0.040%,且處理比較困難,分析主要原因如下:

        (1)雙渣倒渣效果不好。包括雙渣前吹煉升溫速度過快、倒渣量較少等,前期脫磷效果不好。處理終點(diǎn)一次拉碳磷高爐次,采用常規(guī)方法,脫磷比較困難,主要原因?yàn)榻K點(diǎn)溫度過高,脫磷反應(yīng)速率較慢。可用以下脫磷反應(yīng)平衡常數(shù)來(lái)分析。

        式中:△G0——脫磷反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能,J/mol;

        T——溫度,K;

        Log K——脫磷反應(yīng)的平衡常數(shù);

        aP2O5、aP、aO——P2O5、P、O 的活度。

        吹煉過程不同溫度時(shí)脫磷平衡常數(shù)見表4。

        表4 不同溫度時(shí)脫磷反應(yīng)平衡常數(shù)

        在終點(diǎn)1680 ℃條件下,脫磷反應(yīng)平衡常數(shù)僅為1400 ℃下的1/5283,因此處理終點(diǎn)P 高需要迅速降低溫度,1650 ℃脫磷反應(yīng)平衡常數(shù)為1680 ℃的2.22 倍,同時(shí)采用氧化鐵皮增加渣中FeO,加入石灰增加CaO、渣量等條件;

        (2)渣量減少?!傲粼p渣”爐次實(shí)施雙渣倒渣后,至終點(diǎn)爐內(nèi)渣量為70 kg/t 鋼~80 kg/t 鋼,常規(guī)單渣工藝終點(diǎn)爐內(nèi)渣量為100 kg/t 鋼~110 kg/t鋼,渣量減少,渣中磷含量增加,實(shí)測(cè)“留渣-雙渣”法終點(diǎn)渣中P2O5 為3.68%,單渣法終點(diǎn)渣中P2O5為3.14%,渣中P2O5濃度增加導(dǎo)致4CaO·P2O5也增加,在終點(diǎn)溫度較高,渣量較少的條件下,易導(dǎo)致脫磷困難。

        3.3 雙渣時(shí)渣鐵分離效果不穩(wěn)定

        “留渣-雙渣”倒渣渣樣和終點(diǎn)爐渣帶鐵量測(cè)定具體方法如下:分別取雙渣和終點(diǎn)爐渣,將渣樣破碎后稱量重量,用磁鐵吸附渣樣中的鐵珠,磁選后再稱重,計(jì)算出磁選鐵珠在整個(gè)渣中的比例;磁選后的渣樣由熒光儀分析渣樣成分組成,分析出的FeO 再折算成Fe 元素,整個(gè)渣樣中的帶鐵量即由鐵珠和FeO 折算出的鐵組成。

        前期倒渣時(shí)爐內(nèi)渣量按50 kg/t,終點(diǎn)爐內(nèi)渣量按80 kg/t,實(shí)際雙渣倒渣量按30 kg/t,拉碳及出鋼過程倒渣40 kg/t 計(jì),磁選物主要為鐵珠及極少量Fe2O3(FeO 不帶磁性),估算雙渣倒渣和終點(diǎn)渣帶走鐵量,數(shù)據(jù)見表5。

        表5 雙渣及終點(diǎn)渣帶走鐵量估算

        由表5 可以看出,雙渣倒渣時(shí)鐵珠重量比例最高達(dá)48.13%,最低17.28%,終點(diǎn)渣帶鐵珠重量比例最高18.98%,最低2.48%,對(duì)應(yīng)爐次雙渣帶鐵珠重量比例比終點(diǎn)渣高13.95% ~38.94%;雙渣渣樣中FeO 帶走鐵量最高14.13%,最低7.14%,終點(diǎn)渣FeO 帶走鐵量最高23.35%,最低15.27%,對(duì)應(yīng)爐次雙渣帶鐵珠重量比例比終點(diǎn)渣低5. 12% ~15.52%;可見雙渣時(shí)帶鐵以鐵珠為主,終點(diǎn)渣帶鐵以FeO 為主。

        綜合雙渣倒渣及終點(diǎn)倒渣帶鐵總量比例:雙渣倒渣帶鐵最高50.28%,終點(diǎn)倒渣最高38.0%;折算倒渣帶鐵量最高達(dá)32.40 kg/t 鋼,對(duì)轉(zhuǎn)爐鋼鐵料消耗影響較大。

        4 改進(jìn)措施

        4.1 冶煉周期控制

        “留渣-雙渣”操作不可避免延長(zhǎng)冶煉周期,主要集中在雙渣吹氮?dú)夂偷乖^程,控制合理的倒渣時(shí)機(jī)尤為重要,因此需要根據(jù)鐵水、廢鋼條件、上爐留渣條件以及吹煉前期的C 火焰,選擇較好的倒渣時(shí)機(jī),因此,隨著操作過程的熟練,提高一次倒渣時(shí)的成渣效果可縮短氮?dú)獯翟鼤r(shí)間和倒渣時(shí)間,綜合控制冶煉周期在合理范圍內(nèi)。

        4.2 提高前提脫磷率

        為避免過程控制失誤,減少終點(diǎn)P 高難于處理,應(yīng)盡量提高前期脫磷效果。應(yīng)根據(jù)初始鐵水Si含量,合理搭配廢鋼加入量,制定前期造渣量加入方法,溫低Si 低爐次,控制廢鋼加入,避免溫度上來(lái)慢,后期返干;其次提高前期爐內(nèi)攪拌效果,可以通過復(fù)吹系統(tǒng)和爐內(nèi)槍位調(diào)整得以優(yōu)化。

        4.3 渣鐵分離效果改善措施

        由于前期倒渣時(shí)為碳-氧反應(yīng)初期,鋼渣混沖比較嚴(yán)重,渣中FeO 含量低,溫度低導(dǎo)致渣中鐵珠比例高,因此關(guān)氧提槍時(shí),采用氮?dú)獯翟鼮橛行Ы档驮袔цF的措施,通過采用槍位“高-低-高”的氮?dú)獯翟绞?,可有效減少渣中鐵珠量。

        5 “留渣-雙渣”對(duì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的影響

        2013年11月,唐鋼長(zhǎng)材部通過全面推廣應(yīng)用“留渣-雙渣”少渣煉鋼工藝,終點(diǎn)渣量由110 kg/t降至80 kg/t。2013年7 ~11月各月造渣料、氮?dú)庀募啊傲粼p渣”比例見表6。

        表6 2013年7 ~11月各月造渣料及留渣-雙渣比例

        5.1 造渣料單耗降低

        2013年11月,全面推廣實(shí)施“留渣-雙渣”操作,留渣比例達(dá)94.05%,雙渣比例達(dá)53.71%,造渣料合計(jì)47.82 kg/t,比7 ~9月平均降低17.47 kg/t,造渣料單耗明顯降低(見表6)。

        5.2 鋼鐵料消耗降低

        由于終點(diǎn)拉碳倒渣量少,出鋼濺渣護(hù)爐后直接加廢鋼裝鐵,減少了爐內(nèi)剩鋼的流失。

        同時(shí)從雙渣倒渣時(shí)帶鐵量數(shù)據(jù)看,部分爐次雙渣時(shí)渣鐵分離不好,雙渣倒渣及終點(diǎn)倒渣累計(jì)最高帶鐵量32.40 kg/t,平均雙渣時(shí)爐渣帶鐵30.72%,后期通過對(duì)倒渣溫度控制,雙渣時(shí)氮?dú)鈽屛患皶r(shí)間控制,雙渣爐渣帶鐵控制到平均22%左右,進(jìn)一步減少了倒渣時(shí)的金屬料損失。

        綜合對(duì)比“留渣-雙渣”爐次和常規(guī)單渣爐次可以得出,鋼鐵料降低了2.51 kg/t。

        5.3 氮?dú)庀脑黾?/h3>

        實(shí)施“留渣-雙渣”操作對(duì)能源介質(zhì)影響最大的為雙渣時(shí)氮?dú)庀脑黾印谋? 可以看出,2013年7 ~9月份常規(guī)冶煉操作氮?dú)庀臑?1 m3/t ~44 m3/t,11月份全面實(shí)施留渣-雙渣操作,氮?dú)庀脑黾拥?1.93 m3/t,氮?dú)庀脑黾蛹s20 m3/t。

        6 結(jié)語(yǔ)

        (1)“留渣-雙渣”操作可以顯著降低造渣料消耗,造渣料消耗由原來(lái)的65. 29 kg/t 降低到47.82 kg/t;

        (2)“留渣-雙渣”操作可以降低鋼鐵料消耗,雙渣帶鐵量是影響“留渣-雙渣”綜合成本的重要因素之一,需要從多方面進(jìn)一步摸索實(shí)踐;

        (3)“留渣-雙渣”操作對(duì)50 t 轉(zhuǎn)爐冶煉周期影響較大,在煉鋼-連鑄工序生產(chǎn)節(jié)奏相對(duì)緩和時(shí),可以較好的推廣應(yīng)用。

        [1]王新華,朱國(guó)森,李海波,等.氧氣轉(zhuǎn)爐“留渣+雙渣”煉鋼工藝技術(shù)研究[J].中國(guó)冶金,2013,23(4):40 -46.

        [2]曲英.煉鋼學(xué)原理.北京:冶金工業(yè)出版社[M],1994:167.

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