转炉低成本造渣技术研究与实践

刘 佳，崔 猛

（天津天钢联合特钢有限公司，天津301500）

0 引言

天津天钢联合特钢有限公司（以下简称联合特钢），是集烧结、炼铁、炼钢、连铸、轧钢生产工艺为一体的现代化大中型钢铁联合企业。随着现代科学技术的发展，钢铁企业大力推行结构优化，炼钢生产正在向实现紧凑式连续化的专业生产线、实现高效率快节奏的生产工艺、降低消耗和成本的方向发展。如何在保证产品质量的前期下实现冶炼成本的最低，成为工艺技术人员的重要研究课题，因此联合特钢开展了转炉低成本造渣技术的专项研究与试验，在转炉内部热源条件充裕，冶炼普通碳素结构钢过程中，利用石灰石、铁矿石等成本低廉的渣料进行转炉冶炼，实现成本的最优化控制[1]。

1 转炉低成本造渣技术

转炉低成本造渣技术的核心是循环利用富含CaO的冶炼终渣作为前期脱磷渣的一部分，使用石灰石代替部分冶金石灰，同时配加部分铁矿石，加快转炉前期成渣速度，降低转炉造渣成本、和金属料消耗成本。

1.1 转炉配加石灰石快速脱磷技术

石灰是炼钢过程中的主要造渣材料之一，但其生产、运输、储存成本高，同时其生产、运输、储存过程容易对环境造成境污染。由于石灰石成本仅为石灰成本的1/3左右，其开采、运输、储存对环境影响较小，而转炉内温度显著高于石灰石分解温度，因此，转炉冶炼可以采用石灰石替代部分冶金石灰，实现转炉快速成渣，提高转炉前期脱磷效率，同时降低造渣成本。

转炉吹炼前期的冶金条件有利于脱磷反应的进行，脱磷效率是受转炉冶炼前期的渣量、温度、炉渣碱度和炉渣氧化铁含量影响。因此转炉吹炼前期快速成渣、适宜的炉渣碱度和氧化铁含量是前期脱磷的重要环节。

1.1.1 转炉配加石灰石对成渣温度的影响

石灰石在高温下是极不稳定的物质，在高温下的反应为：

石灰石分解时间与块度基本呈正比的线性关系，温度对这种由表及里的分解反应的影响较大。当温度较达到1 400℃时，石灰石块表面的导热受阻，产生了较明显的CaO-CaCO3的分解界面，当温度较低时，呈现了体积预热的现象，较长时间的预热效果减小了石灰石块的当量直径。当温度达到1 400～1 450℃时，石灰石分解反应加剧，2～3 min内分解70%左右，而石灰石快速分解过程中会吸收大量的热量，由于石灰石分解融化吸热能力约是石灰的2.48倍，因此，其可以降低初期渣温度，有利于脱磷反应的进行，同时避免出现剧烈的C-O反应形成的喷溅。

1.1.2 转炉配加石灰石对成渣过程的影响

用石灰石造渣的第一步必然是石灰石的分解。其分解反应就由表至里地进行，先是表面的CaO与酸性氧化物或铁的氧化物进行成渣反应，然后逐渐向里渗透。由于受到内层CaCO3的分解反应的限制，没有更多的CaO参与造渣，这就可以避免高熔点的硅酸二钙的生成[2]，而较多的生成了熔点相对较低的硅酸钙，又由于CO2的增加使铁水氧化性增强，铁的氧化物增加，也就较多的生成铁酸钙、正铁酸钙和橄榄石形态等低熔点化合物。因此可以使转炉吹炼前期快速形成碱度适宜、氧化性较高的前期渣，有利于前期快速脱磷。砖炉渣中主要矿物质熔点见表1。

表1 砖炉渣中主要矿物质熔点

1.2 转炉配加铁矿石技术

1.2.1 转炉配加铁矿石的主要作用

转炉内直接实现部分铁矿石的熔融还原，可使得一部分铁矿石在转炉内被直接还原为铁，充分发挥转炉炼钢的优势，降低排放，减少金属料成本。

（1）在转炉冶炼中期加入铁矿石首先发生还原反应，铁矿石还原是吸热反应，起到调节熔池温度的作用，可以防止脱碳反应太过激烈，同时可以减少熔渣向钢水返P。

（2）大部分铁矿石被铁水中的[C]还原成单质铁，提高钢水收得率，同时铁矿石中带入的（O）参与脱碳反应，增加转炉供氧强度，降低氧气消耗量，缩短吹炼周期。

（3）铁矿石部分还原生成（FeO）参与成渣反应，（FeO）可以有效降低炉渣粘度，缓解熔池“返干”现象，避免金属喷溅或粘枪事故发生。

在转炉熔池温度较高时，铁矿石加入后在很短时间内就可以完成反应，需注意加入批次和数量，枪位不得大幅调整，避免发生喷溅，影响金属收得率。

1.2.2 影响铁矿石熔融还原的因素

（1）温度对铁矿石还原率的影响。研究表明在1 550℃以下时，铁矿石的还原率随温度的升高而随之提高，在高于1 550℃以后，随着温度的升高，还原率有所下降。

（2）铁矿石密度对还原率的影响。研究发现，密度较大的铁矿石在熔化过程中保持原颗粒状层层熔化，完全熔化时间相对较长；密度较小的铁矿石在熔化过程中会裂解成小颗粒，熔化时间大大缩短。

2 生产试验数据分析

2.1 前期脱磷数据分析

图1给出了冶炼前期脱磷率的影响因素。从图1-a可以看出在吹炼前期随着供氧时间的延长呈现有助于脱磷的趋势，最佳的脱磷期冶炼供氧时间的控制在350～400 s为宜。从图1-b可以看出，随着转炉熔池温度升高，前期脱磷率呈现下降趋势，说明在低温条件下有利于铁水磷的高效脱除，此阶段转炉熔池温度控制在1 350～1 400℃。从图1-c可以看出，前期炉渣碱度1.8～2.0范围内具有最优的脱磷效率[3]。

2.2 石灰石与铁矿石协同配加方案

2.2.1 基础操作标准

当铁水硅大于0.6%可以使用留渣少渣操作，前期倒渣时间控制在开吹360～400s之间，开吹100s之后氧压控制在0.5～0.6MPa之间，根据铁水和渣况可做适当调整，中期及后期采用正常吹炼0.78～0.85MPa，终点适当提高氧压、降低枪位进行高拉碳操作。

2.2.2 倒前期渣处理

根据具体情况选择倒渣时机和倒渣量，其倒渣时半钢C需要大于0.3%，温度在1 350～1400℃之间。

2.2.3 前期布料方式

少渣双渣操作模式下，需考虑不同铁水状况下的石灰石与铁矿石协同配加方案，如表2所示。

2.2.4 中后期控制

图1 前期脱磷率的影响因素

表2 前期布料石灰石与铁矿石配加

倒渣结束后，再次下枪开吹，枪位下至基本枪位后开始进行二次布料，布料使用石灰、石灰石、铁矿石，分批次加入，保证烟气中CO浓度不持续递增，每批次加入量小于500 Kg，避免加料过于集中，造成温度集中降低引发喷溅，冶炼过程关注炉口火焰以及CO变化情况，枪位控制在基本枪位±200 mm范围内，出现返干迹象可适当提枪，并加入铁矿石，吹炼600 s内所有造渣料必须加入完毕，终点拉碳前必须将枪位降至拉碳枪位，保持拉碳时间大于60s以上[4]。

3 实施效果

（1）在铁水[P]≥0.13%的条件下，增加石灰石、铁矿石用量后，通过分析发现，转炉冶炼前期脱磷效率达到65%以上，终点脱磷率平均达到90.5%，实现了低消耗成本情况下的高效脱磷。

（2）使用石灰石替代部分冶金石灰的造渣工艺，转炉渣料成本降低了4.8元/吨。具体情况如表3所示。

（3）新工艺实施后，铁矿石使用量增加了23.5 kg/吨钢，按照每加入1 kg/吨钢的铁矿石的效益为0.3元测算，则钢铁料成本降低约7.05元/吨钢。

（4）石灰石在转炉内分解生产大量的CO2气体，增加了转炉冶炼的动力学条件[5]，同时石灰石分解生产的CO2气体可以自发参与转炉内的氧化反应而转化为CO气体，增加煤气发生量。

表3 转炉渣料成本对比

4 结论

联合特钢公司开展转炉低成本造渣工艺的开发，实现了石灰石部分替代冶金石灰协同铁矿石配加的技术应用。通过规范基础操作标准、少渣双渣操作、调整中前期吹炼和造渣操作等措施，达到了转炉快速成渣和快速脱磷的目的。渣料成本降低了4.8元/吨钢，金属料成本降低了7.05元/吨钢，终点脱磷率平均达到90.5%实现了低成本情况下的高效脱磷，同时对转炉煤气回收起到了一定的促进作用。