項有兵 劉善喜 李雙武
(河北鋼鐵集團唐鋼長材部)
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
“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。
“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)。
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。
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。
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
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)。
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。
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。
(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.