富強 劉真海 姚志龍 孫才權 曹連平富
(本鋼集團北營煉鋼廠，遼寧 本溪 117017)
摘 要:通過研究爐渣渣系及爐內反應動力學,實施留渣及全留渣工藝達50%以上,優化了爐渣渣組元濃度(如 MgO、R)、加料方式等,形成了具有“快速成渣,維持低熔點及良好流動性”的全新加料操作模式。結果表明:采用少渣冶煉工藝后爐渣堿度2.80,石灰單耗降低了13.48%,脫磷率提升2.02百分點;冶煉過程爐渣“噴濺”、“返干”頻次明顯減少,供氧時間縮短(降低氧耗),該工藝具有可觀的降成本潛力,具備廣泛的推廣價值。
關鍵詞:轉爐煉鋼;少渣冶煉;脫磷效果;節能降耗
目前,鋼鐵工業普遍面臨著能源浪費、煙塵和爐渣等固體廢棄物排放嚴重的問題,在綠色、高效、低能耗、輕排放的發展目標下,如何減少冶金固體廢棄物排放成了行業內亟需解決的重點難題[1]。煉鋼作為冶金流程工藝中的重要一環,若能在煉鋼工藝環節中減少冶金固廢排放，顯然能夠有效地實現綠色、輕排放的發展目標[2]。
在當前鋼鐵產能過剩、鋼鐵行業效益普遍下滑[3]的形勢下,國內各大鋼鐵企業紛紛結合自身的實際情況開展節能降耗探索，尋求降低企業生產成本的途徑，力求通過技術創新改善逐漸虧損的狀況,提高自身產品的競爭力。轉爐少渣煉鋼工藝不同于傳統“高堿度、大渣量[4]”的轉爐冶煉方式,因具有能源消耗量少、對環境污染小等優勢,在煉鋼過程中得到廣泛應用[5]。
通過對本鋼集團北營煉鋼廠轉爐治煉過程的爐渣渣系及爐內反應動力學進行研究，采用改變留渣操作、調整爐渣渣組元濃度、優化加料方式等方法,構建了具有“快速成渣、維持低熔點及良好流動性爐渣”特點的全新操作模式,縮短了轉爐吹煉周期、降低了渣料單耗、提高了冶金效果
1轉爐少渣煉鋼工藝
轉爐少渣冶煉工藝中的“少渣”是相對于傳統轉爐煉鋼而言的[6]。20 世紀 90年代,“少渣冶煉”這一名詞在日本[7]提出并在世界范圍內迅速得到推廣,該工藝經過多年的發展,形成了各種不了很多不同種類的冶煉模式,但就其本質來說，“少渣冶煉”的核心在于“少渣”通常采用以下兩種方式實現:一是在轉爐煉鋼過程中,通過合理調整工藝模式和操作手段減少生產原料(包括石灰、白云石等)的消耗,從而使產生的爐渣減少;二是在煉鋼過程中,充分研究轉爐渣的成分、功能和轉爐煉鋼工藝,通過對轉爐渣的循環利用,從而減少轉爐原料的消耗。從世界范圍來看,日本對此研究比較多,開發了很多不同種類的冶煉模式,如JFE的 LD-NRP雙聯法[8],住友的 SRP 雙聯法[9]、神戶的 H專用爐法[10]、新日鐵的 MURC 雙渣法和 LD-ORP 雙聯法[11]等。我國緊隨日本,根據自身情況對少渣冶煉模式進行了探索,開發了適合白身的少渣冶煉模式,如寶鋼的 BRP 法(圖1)[12],并不斷進行優化。由于轉爐雙聯法在產品質量和生產成本上的巨大優勢以及考慮到國內鐵礦石高硫磷含量的實際情況[13],轉爐少渣治煉工藝逐漸受到國內鋼鐵企業重視。
2 少渣煉鋼工藝生產實踐
通過研究爐渣渣系及爐內反應動力學，采用留渣操作、調整爐渣組元濃度(如 MgO、R)、加料方式等,創建了全新的加料和造渣方法,有效地降低了渣料消耗,提高了冶金效果。
2.1 轉爐渣組分研究與設計
通過調整爐渣堿度 R(w(CaO)/w(SiO2),下同)至2.8、控制渣中 MgO質量分數至8%,改善爐渣流動性,確保合理的渣組元濃度、良好的流動性及冶金效果,降低渣料消耗。對其爐渣組分的具體分析如下:
爐渣中存在較多的高熔點組元如 2CaO.SiO2(熔點2130 ℃)MgO時,吹煉過程易造成爐渣流動性不好。通過研究 CaO-SiO2-FeO 三元相圖(圖2)和 CaO-SiO2-FeO 黏度圖(圖3),爐渣基礎成分選取避開了硅酸二鈣(2CaO·SiO2)的初晶區并選取低黏度(η1600℃=0.02~0.1 Pa·s)區域，由此來減少高熔點組元的出現，避免爐渣流動性不好的現象發生。
2)爐渣堿度:P0;屬酸性氧化物,CaO、MgO等堿性氧化物能降低它的活度,堿度越高,渣中CaO 有效濃度越高 L,越大(見式(1)~(2)),脫磷越完全。但并非爐渣堿度R越高越好,加入過多石灰,化渣不好,爐渣變黏,影響流動性,對脫磷反而不利。改進后的脫磷工藝將終點爐渣堿度從R>3.0適當降低,減少石灰加入量,有利于提高石灰的成渣速率和石灰成渣率，避免未成渣的石灰顆粒影響爐渣流動性，降低脫磷效果。本文設計爐渣堿度 R為2.8。
離子理論的脫磷反應可以表示為[14]：
式中:Lp定義為磷的分配系數,用于衡量爐渣的脫磷能力。
3) CaO:堿性渣中,CaO質量分數達到40 %~50 %后,黏度隨CaO含量增加而增加。
4)SiO2:SiO2含量在一定范圍內增加,能降低堿性渣的黏度,但 SiO2過量添加會形成高熔點相2CaO·SiO2,使熔渣變黏,惡化渣的流動性。
5)MgO:在堿性渣中 MgO含量對黏度影響很大，當渣中 MgO質量分數超過10 %時,會破壞渣的均勻性,使熔渣變黏。在保證渣中有足夠的(FeO),渣中 w(MgO)不超過6 %的條件下,增加初期渣中MgO含量,有利于早化渣并推遲石灰石表面形成高熔點致密的 2CaO·SiO2殼層。本文控制渣中 MgO 質量分數為8 %。
6)FeO(熔點1370℃)、Fe2O3(熔 點1 457 ℃):FeO、Fe2O3可明顯降低渣熔點,FeO含量增加,渣黏度顯著降低。冶煉過程通過調整槍位,合理控制渣中w(FeO)=13 %~18 %,避免爐渣“返干”(w(FeO)<13 %)與噴濺(w(FeO)18 %)。
2.2 冶煉制度控制
1)吹氧制度。轉爐前期冶煉主要任務是化渣、脫硅、脫磷。開吹后采用“高-低高-低”四段式槍位模式,加速成渣,實現早期脫硅、脫磷;冶煉前期供氧量占總供氧量的30 %左右。
2)造渣制度。采用留渣、全留渣操作。留渣中含有較高的 FeO、MnO 和 MgO,且具備一定的堿度和溫度,有利于開吹后第一批渣料(石灰、白云石等)的熔化。渣料分小批量多次加入,初渣堿度按照1.5~2.0控制,終渣堿度控制在2.8左右:加料制度變化如表1所示。
3)冶煉終點控制。在保證冶煉鋼種成分合格基礎上,為提高金屬收得率、降低鋼水氧活度,實行終點高拉碳。
4)留渣制度。隨著留渣次數的增多,爐渣中磷負荷逐漸增大,脫磷效果變差;此外,留渣過多會造成轉爐渣量過大,易造成異常爐況的波動，加大冶煉的控制難度。為保證前期脫磷及轉爐的安全冶煉,推行“留渣工藝”“提高全留渣比例”達50 %以上,利用轉爐終渣熱量及 CaO、FeO,促進轉爐快速成渣、爐內反應快速進行、提高脫磷率等,降低渣料消耗。
3實施效果
3.1 石灰單耗與冶金效果
表2為不同班組次石灰單耗量與脫磷率間的對應關系,可以看出,隨石灰單耗的增加(30.8~36.1 kg/t),脫磷率未發生顯著變化,推測在該工藝條件下,石灰的加入量已經達到飽和,繼續增加石灰對提升脫磷效果無益。其中，石灰單耗較低的班組(2#丁:30.8kg/t),冶金效果相對較好，脫磷率高達82.8%。
3.2 造渣工藝對石灰單耗和脫磷率的影響
圖4為造渣工藝與石灰單耗對比圖,可以看出,采用部分留渣及全留渣造渣工藝的石灰單耗量均低于未留渣工藝,其中,全留渣工藝石灰單耗量最低,噸鋼消耗量為26.17kg,證實了轉爐冶煉過程采用留渣操作(尤其是全留渣)能夠降低石灰造渣料消耗,降低生產成本。究其原因是留渣中含有余量的 CaO,具備一定的初始堿度,可減少造渣過程的 CaO 加入量。圖5為造渣工藝與脫磷率對比圖,可以看出,部分留渣及全留渣法造渣工藝的脫磷率均高于未留渣工藝,其中全留渣工藝脫磷率最高,達83.96%。采用留渣操作(尤其是全留渣),轉爐冶煉過程的爐渣脫磷率較未留渣提高了2.02百分點;推測原因為留渣具備一定的初始熱量且渣中含有余量 FeO、MgO 和 MnO,能夠促使轉爐冶煉前期快速成渣、爐渣流動性好,改善了脫硫反應的動力學條件5515,促進爐內反應快速進行,提高了脫硫效率。
3.3 爐渣組分的合理控制
表3統計了2020-2022年間轉爐少渣冶煉過程渣中 MgO含量與爐渣堿度的變化情況,推行少渣冶煉后，實現了轉爐煉鋼渣中 MgO 含量和堿度的逐年降低。2022年實際控制 MgO質量分數為8.70 %、爐渣堿度 R為2.72,較 2020年分別降低了1.05百分點和0.19。
堿度和 MgO含量對爐渣的流動性有著直接的影響,若渣控制得比較少,則爐渣流動性較好，渣料充分熔化且能夠加強攪拌的動力學條件，從而實現有效地脫磷并提高脫磷率。從各班組石灰單耗、爐渣組分控制以及造渣工藝情況上來看，采用留渣、全留渣工藝，可明顯降低石灰單耗約5kg/t,同時爐渣流動性明顯改善,冶金效果相對較好。綜上所述,轉爐少渣冶煉技術的應用，打破了“高堿度、大渣量”的傳統冶金觀念,實現了全新的加料、造渣方法,即按照吹煉前期、中期、后期精準的分批加料方式,有效降低渣料消耗、降低了生產成本、提高了脫磷效率。優化前后爐渣組分見表4,脫磷率由優化前的82.03%提高到優化后的84.15 %。
3.4 少渣冶煉效益分析
通過優化造渣工藝、提高了留渣率及全留渣比例,明顯改善了爐渣流動性,增強了冶金效果同時有效降低石灰單耗至31.46kg/t(2022年7月份最佳達28.30 kg/t),較原單耗36.36 kg/t降低約4.90 kg/t,降幅為13.48 %,節省了轉爐成渣、倒渣時間,促進了轉爐反應的快速進行。與國內同行業2021年比較,達到先進水平。該工藝在北營煉鋼廠實現了技術應用，其少渣冶煉的效益如表5所示。按照2020年新區產量438.01萬t粗鋼產量計算,引入少渣冶煉技術后,生產成本較 2019年降低1137.07萬元，統計的降本項目為白產石灰、白云石、渣量鐵損(留渣帶來氧氣消耗降低未進行效益測算)。可以看出，轉爐少渣冶煉工藝具有可觀的降成本潛力，具備廣泛的推廣價值。
4結論
1)少渣冶煉能夠減少造渣料消耗,減少熱損失,促進快速成渣,確保渣系良好流動性及脫磷效果。通過實施留渣及全留渣工藝達50%以上，提高了留渣爐次比例并降低爐渣堿度至2.80,改善了爐渣流動性,脫磷率提高了2.02百分點。
2)實現了“少渣冶煉”,其轉爐石灰單耗由原36.36 kg/t降至31.46 kg/t,降低了4.90 kg/t(降幅為13.48%),達到歷史最好水平。
3)轉爐少渣冶煉工藝實現了高效、低成本、輕排放煉鋼,符合鋼鐵行業的發展需求,具有可觀的降成本潛力,具備廣泛的推廣價值。
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