項有兵 劉善喜 李雙武

(河北鋼鐵集團唐鋼長材部)

0 前言

20 世紀50 ～70年代，國內(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，采用“留渣－雙渣”操作方法，隨著高爐工藝的進步，鐵水質(zhì)量逐步提高，留渣或“留渣－雙渣”操作在國內(nèi)沒有大范圍推廣。近年來，“雙聯(lián)”操作在國內(nèi)大型鋼廠冶煉低磷鋼時普遍采用，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，并逐漸在國內(nèi)擴大推廣應用［1］。

唐鋼長材部轉(zhuǎn)爐由20 世紀70年代的30 t 逐步擴容為50 t，目前爐容比0．75 t/m3，氧槍供氧強度為4．2 Nm3/(t·min)，吹氧時間12 min，每爐鋼冶煉周期25 min。自2012年以來，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，進行爐渣改質(zhì)，濺渣護爐，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，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］

脫磷反應平衡常數(shù)如下:

式中:K—脫磷反應的化學平衡常數(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”工藝實踐情況

實施“留渣－雙渣”操作不僅受原料條件影響，還與留渣條件、雙渣操作時溫度、終點控制等影響。

2．1 長材部煉鋼原料條件

長材部鐵水由3200 m3和2800 m3高爐供應，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 造渣料化學成分

2．2 留渣條件

是否留渣要根據(jù)上一爐終點情況，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。

上一爐終點最高溫度大于1700 ℃，終點碳含量小于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 雙渣時半鋼溫度與脫磷率

轉(zhuǎn)爐根據(jù)終點情況，對過氧化的爐渣進行脫氧改質(zhì)處理，濺渣及加廢鋼后，裝鐵時爐內(nèi)余渣溫度1395 ℃，遠低于1510 ℃我廠條件下的碳優(yōu)先反應溫度，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，待明顯碳氧反應開始時，停吹提槍吹氮氣攪拌造渣。對雙渣操作時的20 爐鋼進行半鋼倒渣溫度、半鋼磷含量、脫磷率以及終點一次拉碳磷情況進行分析，具體情況如圖1 所示。

圖1 雙渣時半鋼溫度與半鋼脫磷率、終點一次拉碳磷含量關系

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，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。主要因為在相對較短的前期吹氧時間內(nèi)(3．5 min ～4．5 min)，若相同吹氧時間內(nèi)，溫度控制低，反應時間較短，爐內(nèi)反應不充分，脫磷效果反而不明顯;若半鋼溫度控制過高，升溫速度過快，脫磷反應速率降低。終點一次拉碳磷含量受雙渣時半鋼脫磷率影響，控制較合適的半鋼溫度，倒渣時倒去較多量的富磷渣，則脫碳期去磷任務相對容易。

2．4 雙渣法半鋼與終點Lp 以及單渣法終點Lp

對雙渣倒渣和終點時爐渣磷分配比Lp與常規(guī)單渣工藝終渣Lp進行對比分析，如圖2 所示。

圖2 雙渣法半鋼、終點以及單渣法終點渣金磷分配比

由圖2 可以看出，雙渣法倒渣時Lp平均只有60．83，R 及FeO 較低，脫磷熱力學條件較差，雙渣法終點Lp平均226．27，明顯高于單渣法終點Lp。

2．5 雙渣MgO 含量與脫磷關系

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

圖3 雙渣MgO 含量與渣中P2O5 關系

由圖3 可以看出，雙渣MgO 含量超過約10．5%時，對應渣中P2O5呈下降趨勢，MgO 對轉(zhuǎn)爐煉鋼造渣的影響可以從CaO －FeO －MgO －SiO2四元相圖解釋，當渣中MgO 含量小于10%時，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性較好的液渣，而不析出固相C2S，從動力學條件上有利于脫磷。

3 操作過程存在的問題

3．1 轉(zhuǎn)爐冶煉周期延長

實施“留渣－雙渣”操作會延長轉(zhuǎn)爐冶煉周期約5 min，主要增加時間為雙渣時開氮氣吹渣及倒渣時間。主要時間差異見表3。

兌鐵時間:動力學條件表明，控制兌鐵水速度不要過快，可以避免C－O 反應產(chǎn)生CO 氣泡而導致裝鐵大噴。從安全角度出發(fā)，留渣爐次如果上一爐次終點溫度高或終點過氧化，在爐渣改質(zhì)后裝鐵，應適當減緩兌鐵水速度，避免大噴。

雙渣操作時間:雙渣采用氮氣吹渣可以有效促進前期爐渣和鐵水分離，對爐內(nèi)鋼渣混沖起較好的攪拌效果，氮氣剎渣時間控制在1．5 min ～2 min，較為經(jīng)濟和實用;倒渣時間則根據(jù)爐渣發(fā)泡情況、帶鐵情況，緩慢進行，不得一次搖爐過快，鐵損較多。

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

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)爐與連鑄無法達到有序匹配;目前情況下，受鐵水供應總量限制，可以使用“留渣－雙渣”法，對于50 t 轉(zhuǎn)爐而言，冶煉周期延長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，導致轉(zhuǎn)爐終點P 過高，達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，主要原因為終點溫度過高，脫磷反應速率較慢?？捎靡韵旅摿追磻胶獬?shù)來分析。

式中:△G0——脫磷反應的標準吉布斯自由能，J/mol;

T——溫度，K;

Log K——脫磷反應的平衡常數(shù);

aP2O5、aP、aO——P2O5、P、O 的活度。

吹煉過程不同溫度時脫磷平衡常數(shù)見表4。

表4 不同溫度時脫磷反應平衡常數(shù)

在終點1680 ℃條件下，脫磷反應平衡常數(shù)僅為1400 ℃下的1/5283，因此處理終點P 高需要迅速降低溫度，1650 ℃脫磷反應平衡常數(shù)為1680 ℃的2．22 倍，同時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。“留渣－雙渣”爐次實施雙渣倒渣后，至終點爐內(nèi)渣量為70 kg/t 鋼～80 kg/t 鋼，常規(guī)單渣工藝終點爐內(nèi)渣量為100 kg/t 鋼～110 kg/t鋼，渣量減少，渣中磷含量增加，實測“留渣－雙渣”法終點渣中P2O5 為3．68%，單渣法終點渣中P2O5為3．14%，渣中P2O5濃度增加導致4CaO·P2O5也增加，在終點溫度較高，渣量較少的條件下，易導致脫磷困難。

3．3 雙渣時渣鐵分離效果不穩(wěn)定

“留渣－雙渣”倒渣渣樣和終點爐渣帶鐵量測定具體方法如下:分別取雙渣和終點爐渣，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，計算出磁選鐵珠在整個渣中的比例;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。

前期倒渣時爐內(nèi)渣量按50 kg/t，終點爐內(nèi)渣量按80 kg/t，實際雙渣倒渣量按30 kg/t，拉碳及出鋼過程倒渣40 kg/t 計，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渣帶走鐵量，數(shù)據(jù)見表5。

表5 雙渣及終點渣帶走鐵量估算

由表5 可以看出，雙渣倒渣時鐵珠重量比例最高達48．13%，最低17．28%，終點渣帶鐵珠重量比例最高18．98%，最低2．48%，對應爐次雙渣帶鐵珠重量比例比終點渣高13．95% ～38．94%;雙渣渣樣中FeO 帶走鐵量最高14．13%，最低7．14%，終點渣FeO 帶走鐵量最高23．35%，最低15．27%，對應爐次雙渣帶鐵珠重量比例比終點渣低5． 12% ～15．52%;可見雙渣時帶鐵以鐵珠為主，終點渣帶鐵以FeO 為主。

綜合雙渣倒渣及終點倒渣帶鐵總量比例:雙渣倒渣帶鐵最高50．28%，終點倒渣最高38．0%;折算倒渣帶鐵量最高達32．40 kg/t 鋼，對轉(zhuǎn)爐鋼鐵料消耗影響較大。

4 改進措施

4．1 冶煉周期控制

“留渣－雙渣”操作不可避免延長冶煉周期，主要集中在雙渣吹氮氣和倒渣過程，控制合理的倒渣時機尤為重要，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，選擇較好的倒渣時機，因此，隨著操作過程的熟練，提高一次倒渣時的成渣效果可縮短氮氣吹渣時間和倒渣時間，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P 高難于處理，應盡量提高前期脫磷效果。應根據(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，避免溫度上來慢，后期返干;其次提高前期爐內(nèi)攪拌效果，可以通過復吹系統(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

由于前期倒渣時為碳－氧反應初期，鋼渣混沖比較嚴重，渣中FeO 含量低，溫度低導致渣中鐵珠比例高，因此關氧提槍時，采用氮氣吹渣為有效降低渣中帶鐵的措施，通過采用槍位“高－低－高”的氮氣吹渣方式，可有效減少渣中鐵珠量。

5 “留渣－雙渣”對經(jīng)濟技術指標的影響

2013年11月，唐鋼長材部通過全面推廣應用“留渣－雙渣”少渣煉鋼工藝，終點渣量由110 kg/t降至80 kg/t。2013年7 ～11月各月造渣料、氮氣消耗及“留渣－雙渣”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，全面推廣實施“留渣－雙渣”操作，留渣比例達94．05%，雙渣比例達53．71%，造渣料合計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

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

同時從雙渣倒渣時帶鐵量數(shù)據(jù)看，部分爐次雙渣時渣鐵分離不好，雙渣倒渣及終點倒渣累計最高帶鐵量32．40 kg/t，平均雙渣時爐渣帶鐵30．72%，后期通過對倒渣溫度控制，雙渣時氮氣槍位及時間控制，雙渣爐渣帶鐵控制到平均22%左右，進一步減少了倒渣時的金屬料損失。

綜合對比“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 氮氣消耗增加

實施“留渣－雙渣”操作對能源介質(zhì)影響最大的為雙渣時氮氣消耗增加。從表6 可以看出，2013年7 ～9月份常規(guī)冶煉操作氮氣消耗為41 m3/t ～44 m3/t，11月份全面實施留渣－雙渣操作，氮氣消耗增加到61．93 m3/t，氮氣消耗增加約20 m3/t。

6 結(jié)語

(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，需要從多方面進一步摸索實踐;

(3)“留渣－雙渣”操作對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)奏相對緩和時，可以較好的推廣應用。

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

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