120 t转炉高磷铁水单转炉双联法研究

2020-08-03供稿傅余东赵傲南龙海山张立强周志勇聂志斌张汉山张超杰甘俊杰

金属世界 2020年4期

供稿|傅余东，赵傲南，龙海山，张立强，周志勇，聂志斌，张汉山，张超杰，甘俊杰

作者单位：1. 湘钢集团阳春新钢铁有限公司，广东阳春 529600；2. 安徽工业大学冶金工程学院，安徽马鞍山 243002

内容导读

本文针对某厂120 t转炉单转炉双联法工艺进行了研究，讨论了某厂单转炉双联法冶炼工艺供氧制度、造渣制度、冶炼终点脱磷情况等技术特点，实现了某厂终点磷质量分数达到0.01707%，脱磷率达到86.52%，使用相关性分析得出石灰消耗和冶炼终点温度对转炉脱磷率呈显著负相关关系，与工业实验结论一致，石灰消耗和冶炼终点温度是影响脱磷率的重要因素。通过单转炉双联法工艺缩短了供氧时间1.16 min，平均每炉石灰节约540 kg，石灰消耗和钢铁料消耗均有明显降低，实现钢铁厂稳定生产并取得了显著的经济效益。

为适应钢铁市场变化，国内外各个钢铁企业一直在探索转炉冶炼工艺，寻找提高钢水质量、节约冶炼成本的方法[1]。研究人员[2-3]在工业生产初期对转炉冶炼工艺进行了研究，认为优质的冶炼工艺流程不但可以提高转炉钢水质量，而且还能加快冶炼效率降低成本，所以冶炼工艺的选择对转炉生产具有重大意义。朱英雄等[4]通过转炉加入石灰熔化成渣机理分析得出石灰加入量对冶炼温度产生很大影响。王忠刚等[5]研究了复吹转炉双渣法冶炼中高磷铁水的冶炼工艺方案解决了半钢配加硅铁等发热元素的问题。刘建龙等[6]优化转炉冶炼工艺顶底复吹转炉进行少渣低温高效冶炼实验得出前期碱度1.5～2.0，熔池温度1350～1400 ℃更有利于铁水中磷的脱除。Messler等[7]通过对冶炼不锈钢钢种的生产工艺中发现磷元素对钢种裂纹的产生有明显影响并进行元素分析，取得了一定的经济效益。然而，目前关于能稳定钢铁厂生产，降低造渣料和钢铁料消耗的工艺路线还并不完善。

本文针对某钢铁厂120 t转炉冶炼工艺进行实验研究，通过单转炉双联法冶炼工艺进行脱磷冶炼，并用SPSS统计分析脱磷率影响因素的相关性。研究发现新工艺能够提高钢水的质量，脱磷率达到86.52%，同原工艺相比提高了2.69%。相关性分析结果与工业实验结论一致，石灰消耗和冶炼终点温度是影响脱磷率的重要因素。其次，新工艺发现供氧时间缩短，而且每炉中造渣剂石灰节约了540 kg/炉，降低了钢铁料消耗、石灰消耗，实现钢铁厂稳定生产，使喷溅事故率减少到27.5%，取得了显著的经济效益。

单转炉双联法冶炼机理

转炉脱磷机理

石灰脱磷实验中熔渣离子溶液模型如下式：

脱磷反应是渣钢界面反应，前期成渣工艺对脱磷反应的促进作用是提高渣钢间磷的系数分配[8]。所以得出：

磷在渣钢间的分配比

式中，Ls为分配系数，Kp为平衡常数，a为含量，为钢水的成分，为渣系的组成。

从式(3)和式(4)可以看出温度降低使脱磷反应的平衡常数急剧增大，脱磷能力大大增强。脱磷反应为放热反应，当温度升高分配系数减小脱磷率下降。若增加碱度更高的Na2O、SiO2等会抑制磷化物的破坏，提高炉渣的脱磷能力。但是如果炉渣中含有太多，会导致炉渣粘度和熔点增加，流动性变差，所以控制好炉渣的碱度是影响脱磷的重要因素。使炉渣中磷的分配比显著增加炉渣碱度、(FeO)含量增加都有利于脱磷。所以，在转炉冶炼过程中，应该控制适宜的熔池温度，避免中后期回磷，才能生产出的优质炉渣。

转炉造渣制度分析

转炉冶炼开始时，铁水中的硅、锰、磷、铁等元素生产氧化产物进入炉渣，同时加入的造渣材料石灰或白云石等也逐渐溶解，初期炉渣中(FeO)、(SiO2)、(MnO)等成分含量相对较高，(CaO)含量相对较低，炉渣为低碱度的酸性渣。铁水中磷含量较高，通过增加熔渣中(FeO)的含量，加快铁水中磷的氧化，增大溶池搅拌，改善动力学条件，便于磷的传质，完成前期脱磷任务而铁水中硅、锰等元素氧化放热使炉温不断上升，更好地保证入炉的石灰、白云石等造渣料的溶解。同时到达冶炼中期后，炉渣中(MgO)含量增加，炉渣碱度提高。炉温进一步升高，入炉石灰进一步熔化，炉渣碱度升高，炉渣中将有硅酸三钙生成，炉渣脱硫、脱磷能力增强，转炉冶炼过程熔池温度低。冶炼后期，铁水中磷含量降低，提高炉渣碱度，成为后期脱磷的关键所在。

转炉双联实验内容

工艺流程及实验条件

本文以某厂120 t转炉工业生产线为研究平台，该厂生产流程为：1280 m3高炉—120 t氧气顶吹转炉—连铸。某厂组织了单转炉双联法模式冶炼高[P]铁水生产实验(厂内定义[P]>0.085%为高[P]铁水)，工艺流程如图1所示，生产目标如表1所示。

图1 单转炉双联法冶炼工艺流程

单转炉双联法实验方案

(1) 单转炉双联法冶炼采用分阶段加造渣料方式，造渣剂主要为石灰、白云石等。达到目标快速成渣，并保证终渣碱度为2.8～3.5，终点碳质量分数按照0.06%～0.12%控制。

表1 原始铁水成分及冶炼目标成分(质量分数，%)

(2) 冶炼开始进行下枪打火成功后加第一批料，石灰加入量1 t，白云石加入量为总量的全部，剩余石灰分2～3批，造渣剂在吹炼8 min之前加完。

(3) 氧枪喷头为5孔拉瓦尔型，出口压力0.88 MPa，开吹氧气流量设定为25000～27000 m3/h，氧枪按照“低-高-低”操作规范。在转炉冶炼前期为了更好造前期渣，进行低枪位操作枪位距离液面约1.2 m，冶炼至90 s提高枪位至2.3 m，在冶炼中期防止炉渣返干，冶炼约9 min至终点压枪操作，保证后期熔池搅拌，保证终点枪位液面高度约0.9 m。

实验结果与分析

单转炉双联法对终渣影响分析

经过某厂80炉次的冶炼实验，发现单转炉双联法炉渣流动性好，表2为原工艺和双联法终渣分析对比，表3为造渣料等加入量冶炼结果对比。其中(CaO)质量分数降低到46.31%，终渣(TFe)质量分数相比原工艺降低了0.22%。同时冶炼终点温度降低说明单转炉双联法冶炼效果明显，提高了转炉的寿命。根据实际生产铁水条件，其中平均每炉次造渣料中白云石加入量没有太大变化，石灰加入量减少540 kg，石灰消耗降低4.58 kg/t，钢铁料消耗由1062.99 kg/t减少到1060.42 kg/t，钢铁料消耗降低了2.57 kg/t。

表2 终渣对比(80炉次平均值)(质量分数，%)

表3 造渣料加入量冶炼结果对比(80炉次平均值)

单转炉双联法冶炼提高了钢铁料收得率，由于转炉经过冶炼初期进行脱硅、脱磷阶段并进行一次倒渣操作。结果使石灰溶化迅速，成渣速度快，吹炼中期炉渣不易返干，采取高枪位操作，使炉渣中(FeO)增加比较快时，炉渣很快具有良好的脱磷、脱硫能力。冶炼过程中，上一炉次的渣会有一部分留在炉内进行冶炼，这就是渣中含有较高的(FeO)将间接参与碳氧反应。在冶炼倒渣过程中，(FeO)含量逐渐降低。在转炉倒渣后进入脱碳阶段，在脱碳阶段，由于(FeO)的参与间接反应得到[Fe]，使[Fe]元素重新回到炉内，再次进行吹氧的情况下，由于前期硅等元素氧化完全，石灰等造渣剂已经入炉，渣量相比原工艺相对较少，所以拥有同种终渣(FeO)含量，吹炼铁水等损耗相对较小，所以钢水收得率增加。

转炉终点脱磷率影响因素的相关性分析

某厂单转炉双联法实验冶炼脱磷，充分利用了温度变化对脱磷反应的影响，在低温的情况下更容易脱磷。由于脱磷前期反应进行的比较充分吹炼前期结束后快速倒渣并留渣操作可以有效降低炉渣中的磷含量，使脱磷反应进行的更彻底。冶炼终点磷含量和脱磷率如表4所示，终点磷质量分数由0.01931%下降到0.01707%。脱磷率由原来83.83%提高到86.52%，脱磷率同原工艺相比提高了2.69%，脱磷效率明显提高。在造第一次渣的过程中，前期熔池较低的温度情况下能快速成渣，具备较好的脱磷能力。

表4 双联法和原工艺脱磷效果对比

通过SPSS统计实验80炉次转炉脱磷率的关系进行相关性分析，明确转炉脱磷率和吹氧时间、石灰消耗等因素的显著性水平，如表5所示。可以看出脱磷率与石灰消耗、终点温度等显著性(双侧)值为0.001、0.000(<0.01水平(双侧)上显著相关)，说明石灰消耗和冶炼终点温度可以较为显著的影响转炉脱磷率。而吹氧时间、出钢量则不显著即对脱磷率影响不明显。其中石灰消耗和终点温度相关性系数为-0.354、-0.419，说明石灰消耗和终点温度对转炉脱磷率有显著的负相关关系。对其进一步进行散点图趋势分析如图2和图3所示。可以明显的看出石灰消耗和冶炼终点温度对转炉脱磷率呈一定的负相关关系，综上石灰消耗和冶炼终点温度是影响脱磷率的重要因素。相关性分析结果与单转炉双联法工业实验结果相符合。

图2 终点温度与脱磷率散点图

图3 石灰消耗与脱磷率散点图

表5 脱磷率不同冶炼因素的显著性结果

单转炉双联法对供氧制度及喷溅事故分析

(1) 转炉氧枪按照“低-高-低”操作规范，前期低枪位快速成渣、中期高枪位冶炼预防返干、后期低枪位压枪进行熔池搅拌，使渣金混合均匀。在冶炼过程中为了防止温度的快速上升，可根据实际情况适当改变枪位以减缓熔池反应速度。吹氧时间和原工艺相比，从原来14.38 min缩短到13.23 min。平均减少吹氧时间1.16 min。吹氧时间减少，为转炉冶炼周期的缩短提供了参考依据。图4为供氧时间和喷溅事故对比。

(2) 转炉冶炼开始4～5 min会在瞬间产生大量的气体附带炉渣、铁水冲出，造成爆发性喷溅事故，其中喷溅率达63.3%，转炉喷溅会减少转炉寿命，同时造成粘枪、粘烟道等事故，使转炉过程中安全隐患增加，严重危害转炉工人的生命安全。在单转炉双联法工艺中，冶炼过程较为平缓，喷溅事故发生率为27.5%，同原工艺相比有明显下降。