100 t转炉高Si铁水炼钢工艺

2018-03-31伍从应杨昌涛杨龙飞高长益

四川冶金 2018年2期

伍从应，王劼，杨昌涛，杨龙飞，谢祥，高长益

(1.首钢水城钢铁(集团)有限责任公司炼钢厂，贵州六盘水 553028；2.首钢水城钢铁(集团)有限责任公司技术中心，贵州六盘水 553028)

1 引言

在高炉大修后的开炉初期，由于焦炭加入量大，炉温高，矿石中的SiO2还原量大，铁水中[Si]高，通常把[Si]≥0.8%的铁水称为高硅铁水。转炉用高[Si]铁水炼钢，容易出现喷溅等问题。硅对氧具有很强的亲和力，在转炉吹氧初期即开始进行氧化并放出大量的热量，导致转炉吹炼过程中升温过快。由于渣料加入过多，渣量大，且炉渣泡沫化严重，极易造成转炉发生爆发性喷溅，增加金属损失，甚至烧坏炉下设备，造成严重的环境污染[1-3]。有条件的钢铁厂，主要通过铁水预处理降低铁水中[Si]含量，实现少渣或无渣操作，减少转炉喷溅。铁水预处理一般采用烧结矿、球团矿、富矿粉和氧化铁皮等作为脱硅剂，通过喷吹和搅拌，使Si氧化形成熔渣，并最终将熔渣捞出。把Si降低到能够吹炼范围，再进行转炉的冶炼操作；另一种处理方法是把高Si铁水浇铸成生铁，再与废钢搭配入炉。就水钢来说，以上两种方法都不具备条件。因此我们根据水钢实际，从操作上入手，通过精心地制定方案和组织实施，成功地解决了高Si铁水的转炉炼钢问题。

2 硅氧化的基本原理

硅与氧的结合力很强，硅的氧化是放热反应，尤其在转炉吹炼初期，在温度较低的情况下，更有利于硅的氧化。硅在炼钢过程的氧化特点如下：

(1)硅在熔炼的最初阶段被氧化；(2)在碱性炉渣下，氧化完全彻底；(3)是一个强放热反应，是转炉冶炼的重要热量来源。

炼钢过程硅的氧化反应为：

[Si]+{O2}=(SiO2)

(1)

[Si]+2[O]=(SiO2)

(2)

[Si]+2(FeO)=(SiO2)+2[Fe]

(3)

(SiO2)+2(FeO)=2(FeO·SiO2)

(4)

3 硅氧化反应的升温及热平衡

(1)以水钢4#高炉的铁水成分为例:[C]=4.0%～4.3%，[Si]=2.5%～3.5%，[Mn]=0.8%～1.0%，[P]=0.08%～0.10%，[S]=0.03%～0.05%。铁水[Si]取中线3.0%，100 t转炉炼钢的铁水装入量按80 t计算，炼钢温度下，[Si]+O2=SiO2反应的热效应△H为29 177 kJ/kg[Si]，硅氧化放热=80×1000×3.0%×29 177=70 024 800(kJ)。选用磁选铁作为冷却剂，磁选铁的冷却效应和废钢相当，为1454 kJ/kg，为了达到热平衡，需要加入的磁选铁=70 024 800/1454=48 160(kg)。

(2)对于水钢100 t转炉，1%的[Si]含量在1400 ℃氧化时的升温为178 ℃，入炉铁水3.0 %[Si]的升温=3.0×178=534(℃)。

4 爆发性喷溅产生的原因

熔池内C-O反应不均衡发展，瞬时产生大量CO气体，这是发生爆发性喷溅的根本原因。熔池中[C]与渣中(FeO)的反应([C]+(FeO)={CO}+[Fe])是吸热反应，反应速度受熔池碳含量、渣中(FeO)含量、熔池温度的共同影响。由于操作上的原因，熔池骤然受到冷却，抑制了正在激烈进行的[C]与渣中(FeO)的反应；供入的氧气生成了大量(FeO)并聚集；当熔池温度再度升高到一定程度(一般在1470 ℃以上)，渣中(FeO)聚集到20%以上时，[C]与(FeO)的反应重新以猛烈的速度进行，瞬间排出大量的CO气体从炉口夺路而出，同时还挟带着一定量的钢水和熔渣，形成了大的喷溅[4-7]。例如，因二批渣料加入时间不当，在加入二批料之后不久，随之而来的大喷溅，就是由于上述原因造成的。在熔渣氧化性过高，熔池温度突然冷却后又升高的情况下，就有可能发生爆发性喷溅。高硅铁水炼钢容易产生爆发性喷溅，主要原因是前期硅迅速氧化，升温速度明显加快，提前进入[C]与(FeO)的反应，这是第一原因；其次加入的渣料多，形成了大渣量，这是另一原因。高Si铁水的冶炼特点是：前期升温过快，加入的渣料多，渣量大，过大的渣量容易造成喷溅，尤其加料的时机和加料的数量没有掌握好，就会发生爆发性喷溅，加大金属损失的同时还会烧坏设备，造成环境污染。另外，初期渣SiO2含量高，渣的碱度低，影响了P、S的去除，延长了冶炼时间。

5 高硅铁水的转炉炼钢措施

5.1 原材料的准备

除了通常的造渣材料外，还要再空出两个高位料仓。一个仓装磁选铁，另一个仓装污泥球。首先根据高Si铁水前期升温过快，加入的渣料多的特点，及时准确加入渣料，保证前期均匀升温，抵消前期Si氧化产生的热量，使反应能平稳进行；其次要准备重型废钢，保证热平衡。

5.2 装入制度

由于水钢4#高炉铁水Si最高达3.59%，而且持续时间长。虽然增加废钢比和减少装入量都能有效控制喷溅，但考虑到我厂废钢斗容积有限，同时还要考虑装入量的稳定和生产工序的衔接，我们确定合理的装入制度为铁水80 t，废钢15.5 t，每斗废钢搭配3 t磁选铁，尽量使用重型废钢。我们还采取高、低硅铁水搭配进混铁炉，降低炉前的操作难度。

5.3 吹炼前的准备

混铁炉工人必须提前通知炉前工人将吹炼高硅铁水，同时报告高、低硅铁水成分和搭配情况。摇炉工必须电话通知渣车人员和风机房人员，为双渣操作做准备。

5.4 根据铁水硅含量准备渣料

摇炉工必须估算铁水硅含量，根据硅含量准备渣料，第一批白云石加入量必须按规定加入，轻烧白云石含CaO按40%计算，1000kg轻烧白云石相当于400 kg石灰；终渣碱度R按2.8计算，前期渣碱度R按1.5～2计算；同时还要考虑渣料加入总量，渣量越大，则脱磷总量越大，反之则小。表1列出了不同的铁水[Si]含量对应的石灰量及白云石加入量。

前期含铁冷料加入量视热量情况而定，可加入1000～6000 kg。

5.5 低、高硅铁水吹炼操作曲线对比

低硅铁水采用单渣操作模式，高硅铁水采用双渣操作模式。低硅铁水吹炼操作曲线见图1，高硅铁水吹炼操作曲线见图2。

5.6 双渣操作

高硅铁水炼钢的吹炼过程采用双渣操作，开吹下枪到1.8 m加料，加完料30 s内降枪到1.3 m，起渣就提枪倒渣，目的是让Si、Mn充分氧化，在C-O反应来临之前，倒出酸性渣，减少渣量。

5.7 供氧制度

开吹氧气流量为18 500 m3/h，吹炼到3 min时，将氧气流量调到13 500 m3/h。倒完初期渣后，下枪到1.5 m，氧气压力手动开度设定为10%，流量设定为13 500 m3/h，流量正常后恢复氧气压力到1.5 MPa，8 min以后，缓慢恢复流量，后期流量控制为18 500 m3/h。

5.8 温度制度

(1)控制好熔池温度。前期温度不要过低，中期温度不宜过高，均匀升温，使碳氧反应得以均衡的进行；严禁突然冷却熔池，消除发生碳氧剧烈反应的条件。

(2)控制(FeO)不出现聚积现象，以避免熔渣过分发泡或引起爆发性的碳氧反应。具体地讲，要注意的是：若初期渣形成过早，应及时降枪以控制渣中(FeO)；同时促进熔池升温，使碳得以均衡氧化。避免碳焰上来后的大喷。

5.9 造渣制度

双渣冶炼的炉渣成分见表2，从表2可见，前期按规定加入渣料，可以达到第一次倒渣的碱度要求。全铁水冶炼或热量富余的情况下，前期污泥球和磁选铁可最大限度加入5000～6000 kg，二批料第一次石灰加入量为1000 kg，剩余石灰、轻烧白云石每次加500 kg，匀速加料，均匀升温，一定要控制好过程温度，第二批料在点火正常后开始加入，如果升温过快，立即加入磁选铁，每次500 kg，过程少加污泥球，尽量多用磁选铁调温，因为污泥球和磁选铁的成分不同，作用和用法应有所区别。

5.10 枪位控制

开吹降枪到1.8 m加料，加完料30 s内降枪到1.3 m，双渣倒渣后降枪到1.5 m加料，加完料后迅速降枪到1.1 m，防止高枪位低流量的双软吹，流量起来后缓慢提枪。控制住喷溅之后的主要任务是防止返干，火焰稳定后立即开始提枪(炉渣不好化时在喷溅期过后立即将枪位提到1.6 m)，当停留在某一枪位20 s以上，只要火焰不发软，就可以进一步提枪，特别是溅金属时必须立即提枪，如火焰发软就小幅度降枪，找准平衡枪位(约1.6～1.8 m)，吹炼过程一旦发生喷溅就不要轻易降枪，因为降枪以后，碳氧反应更加激烈，反而会加剧喷溅。此时可适当的提枪，这样，一方面可以缓和碳氧反应和降低熔池升温速度，另一方面也可以借助于氧气射流的冲击作用吹开熔渣，利于气体的排出。在炉温很高时，可以在提枪的同时适当加一些石灰，稠化熔渣，有时对抑制喷溅也有作用，但加入量不宜过多。最重要的是确保FeO的生成和消耗达到平衡，使反应平稳进行。

5.11 终点控制

吹炼到11～12 min之间，点动提炉罩判断温度，温度高时可根据炉型控制要求适当提高枪位，补加白云石或矿石调温。降枪前必须把枪位吊到1.8～2 m，让炉渣最大限度熔化。根据上一炉的冶炼时间，分2～3次把枪位降到1.2 m的基本枪位，如果火焰发硬或碳比较高时，可以先降到1.3 m，待火焰发软后再降到1.2 m，防止烧抢事故，确保降枪时间大于50 s，降枪时间从降到1.3 m开始计算。倒炉温度控制在1620～1660 ℃，倒炉[C](用碳硫仪分析)为0.13%～0.30%，倒炉[P]≤0.030%。