转炉“留渣－双渣”少渣炼钢工艺实践

2015-12-22项有兵刘善喜李双武

河南冶金 2015年3期

项有兵刘善喜李双武

(河北钢铁集团唐钢长材部)

0 前言

20 世纪50 ～70年代，国内一些转炉炼钢厂铁水条件较差，在使用高硅、高磷铁水时，采用“留渣－双渣”操作方法，随着高炉工艺的进步，铁水质量逐步提高，留渣或“留渣－双渣”操作在国内没有大范围推广。近年来，“双联”操作在国内大型钢厂冶炼低磷钢时普遍采用，由两座转炉使用的“双联”操作逐步演变为单座转炉的“留渣－双渣”操作，也取得了较好的效果，并逐渐在国内扩大推广应用［1］。

唐钢长材部转炉由20 世纪70年代的30 t 逐步扩容为50 t，目前炉容比0．75 t/m3，氧枪供氧强度为4．2 Nm3/(t·min)，吹氧时间12 min，每炉钢冶炼周期25 min。自2012年以来，逐步摸索开展“留渣－双渣”少渣炼钢操作，降低转炉炼钢成本。

1 转炉“留渣－双渣”操作过程及工艺原理

1．1 操作过程

上炉出钢后，进行炉渣改质，溅渣护炉，直接加部分造渣料、加废钢固化炉渣，装铁，吹炼3．5 min ～4．5 min，提枪倒低碱度富磷渣，加造渣料二次造渣吹炼至终点，出钢。

1．2 “留渣－双渣”脱磷原理

在炼钢温度下，磷在钢中以最稳定的Fe2P 形式存在，P2O5在碱性转炉渣中以3CaO·P2O5或4CaO·P2O5形式存在。

2［P］+5(FeO)+4(CaO)=4CaO·P2O5+5［Fe］

脱磷反应平衡常数如下:

式中:K—脱磷反应的化学平衡常数;

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的活度系数。

炉渣的脱磷能力由分配比Lp=(%P2O5)/［%P］表示［2］:

式中:Lp—P 在金属液和熔渣中的分配常数;

Kp—反应的平衡常数。

“留渣－双渣”操作具备脱磷的有力条件，即利用上一炉终点高氧化亚铁、高碱度炉渣，在吹炼前期较低温度条件下，调整吹炼工艺参数，迅速化渣脱磷。

2 “留渣－双渣”工艺实践情况

实施“留渣－双渣”操作不仅受原料条件影响，还与留渣条件、双渣操作时温度、终点控制等影响。

2．1 长材部炼钢原料条件

长材部铁水由3200 m3和2800 m3高炉供应，铁水成分比较稳定;造渣料石灰由麦尔兹窑烧成，受石料含钙量影响，石灰中CaO 含量不是很高。具体原料条件见表1 和表2。

表1 铁水成分及温度

表2 造渣料化学成分

2．2 留渣条件

是否留渣要根据上一炉终点情况，本炉生产节奏，冶炼钢种的需要，铁水废钢条件等选择性留渣。

上一炉终点最高温度大于1700 ℃，终点碳含量小于0．03%，即高温后吹钢水，终渣FeO 过高，转炉在炉渣改质、固化后如果处理不好进行留渣，则极有可能发生装铁大喷，存在较大的安全隐患。铁水Si大于0．70%，不宜留渣，因渣量较大，R 偏低，这种渣留渣后脱磷效果较差。

2．3 双渣时半钢温度与脱磷率

转炉根据终点情况，对过氧化的炉渣进行脱氧改质处理，溅渣及加废钢后，装铁时炉内余渣温度1395 ℃，远低于1510 ℃我厂条件下的碳优先反应温度，而是硅优先氧化，从而可以避免装铁喷溅情况。

根据入炉铁水物理热、化学热情况，控制每炉废钢加入量，开吹加石灰300 kg/炉，吹氧3．5 min ～4．5 min，耗氧量为550 m3～750 m3，待明显碳氧反应开始时，停吹提枪吹氮气搅拌造渣。对双渣操作时的20 炉钢进行半钢倒渣温度、半钢磷含量、脱磷率以及终点一次拉碳磷情况进行分析，具体情况如图1 所示。

图1 双渣时半钢温度与半钢脱磷率、终点一次拉碳磷含量关系

由图1 可以看出，由于双渣操作控制温度差异较大，在1350 ℃～1470 ℃之间，半钢温度在1410 ℃左右时，半钢脱磷率最大，较低的半钢温度和较高的半钢温度脱磷率不为最低。主要因为在相对较短的前期吹氧时间内(3．5 min ～4．5 min)，若相同吹氧时间内，温度控制低，反应时间较短，炉内反应不充分，脱磷效果反而不明显;若半钢温度控制过高，升温速度过快，脱磷反应速率降低。终点一次拉碳磷含量受双渣时半钢脱磷率影响，控制较合适的半钢温度，倒渣时倒去较多量的富磷渣，则脱碳期去磷任务相对容易。

2．4 双渣法半钢与终点Lp 以及单渣法终点Lp

对双渣倒渣和终点时炉渣磷分配比Lp与常规单渣工艺终渣Lp进行对比分析，如图2 所示。

图2 双渣法半钢、终点以及单渣法终点渣金磷分配比

由图2 可以看出，双渣法倒渣时Lp平均只有60．83，R 及FeO 较低，脱磷热力学条件较差，双渣法终点Lp平均226．27，明显高于单渣法终点Lp。

2．5 双渣MgO 含量与脱磷关系

渣中MgO 是炉衬维护重要组成，不同转炉一般都控制在8% ～11%。通过对双渣渣中MgO 含量与P2O5的研究，其关系如图3 所示。

图3 双渣MgO 含量与渣中P2O5 关系

由图3 可以看出，双渣MgO 含量超过约10．5%时，对应渣中P2O5呈下降趋势，MgO 对转炉炼钢造渣的影响可以从CaO －FeO －MgO －SiO2四元相图解释，当渣中MgO 含量小于10%时，可以增加C2S在液态渣中饱和溶解度，使渣在较高碱度的情况下也可以保持流动性较好的液渣，而不析出固相C2S，从动力学条件上有利于脱磷。

3 操作过程存在的问题

3．1 转炉冶炼周期延长

实施“留渣－双渣”操作会延长转炉冶炼周期约5 min，主要增加时间为双渣时开氮气吹渣及倒渣时间。主要时间差异见表3。

兑铁时间:动力学条件表明，控制兑铁水速度不要过快，可以避免C－O 反应产生CO 气泡而导致装铁大喷。从安全角度出发，留渣炉次如果上一炉次终点温度高或终点过氧化，在炉渣改质后装铁，应适当减缓兑铁水速度，避免大喷。

双渣操作时间:双渣采用氮气吹渣可以有效促进前期炉渣和铁水分离，对炉内钢渣混冲起较好的搅拌效果，氮气刹渣时间控制在1．5 min ～2 min，较为经济和实用;倒渣时间则根据炉渣发泡情况、带铁情况，缓慢进行，不得一次摇炉过快，铁损较多。

溅渣时间:出钢后由于“留渣－双渣”法终点总渣量比常规单渣法少20%，且经过终点炉渣改质，溅渣时间短于单渣法。

由于后续连铸浇铸周期为20 min，单渣法冶炼周期为25 min，转炉与连铸无法达到有序匹配;目前情况下，受铁水供应总量限制，可以使用“留渣－双渣”法，对于50 t 转炉而言，冶炼周期延长20%，产量影响较大。

3．2 吹炼后期脱磷困难

部分“留渣－双渣”炉次操作过程控制失误，导致转炉终点P 过高，达0．030% ～0．040%，且处理比较困难，分析主要原因如下:

(1)双渣倒渣效果不好。包括双渣前吹炼升温速度过快、倒渣量较少等，前期脱磷效果不好。处理终点一次拉碳磷高炉次，采用常规方法，脱磷比较困难，主要原因为终点温度过高，脱磷反应速率较慢。可用以下脱磷反应平衡常数来分析。

式中:△G0——脱磷反应的标准吉布斯自由能，J/mol;

T——温度，K;

Log K——脱磷反应的平衡常数;

aP2O5、aP、aO——P2O5、P、O 的活度。

吹炼过程不同温度时脱磷平衡常数见表4。

表4 不同温度时脱磷反应平衡常数

在终点1680 ℃条件下，脱磷反应平衡常数仅为1400 ℃下的1/5283，因此处理终点P 高需要迅速降低温度，1650 ℃脱磷反应平衡常数为1680 ℃的2．22 倍，同时采用氧化铁皮增加渣中FeO，加入石灰增加CaO、渣量等条件;

(2)渣量减少。“留渣－双渣”炉次实施双渣倒渣后，至终点炉内渣量为70 kg/t 钢～80 kg/t 钢，常规单渣工艺终点炉内渣量为100 kg/t 钢～110 kg/t钢，渣量减少，渣中磷含量增加，实测“留渣－双渣”法终点渣中P2O5 为3．68%，单渣法终点渣中P2O5为3．14%，渣中P2O5浓度增加导致4CaO·P2O5也增加，在终点温度较高，渣量较少的条件下，易导致脱磷困难。

3．3 双渣时渣铁分离效果不稳定

“留渣－双渣”倒渣渣样和终点炉渣带铁量测定具体方法如下:分别取双渣和终点炉渣，将渣样破碎后称量重量，用磁铁吸附渣样中的铁珠，磁选后再称重，计算出磁选铁珠在整个渣中的比例;磁选后的渣样由荧光仪分析渣样成分组成，分析出的FeO 再折算成Fe 元素，整个渣样中的带铁量即由铁珠和FeO 折算出的铁组成。

前期倒渣时炉内渣量按50 kg/t，终点炉内渣量按80 kg/t，实际双渣倒渣量按30 kg/t，拉碳及出钢过程倒渣40 kg/t 计，磁选物主要为铁珠及极少量Fe2O3(FeO 不带磁性)，估算双渣倒渣和终点渣带走铁量，数据见表5。

表5 双渣及终点渣带走铁量估算

由表5 可以看出，双渣倒渣时铁珠重量比例最高达48．13%，最低17．28%，终点渣带铁珠重量比例最高18．98%，最低2．48%，对应炉次双渣带铁珠重量比例比终点渣高13．95% ～38．94%;双渣渣样中FeO 带走铁量最高14．13%，最低7．14%，终点渣FeO 带走铁量最高23．35%，最低15．27%，对应炉次双渣带铁珠重量比例比终点渣低5． 12% ～15．52%;可见双渣时带铁以铁珠为主，终点渣带铁以FeO 为主。

综合双渣倒渣及终点倒渣带铁总量比例:双渣倒渣带铁最高50．28%，终点倒渣最高38．0%;折算倒渣带铁量最高达32．40 kg/t 钢，对转炉钢铁料消耗影响较大。