转炉低铁耗高废钢比冶炼技术的研究与应用

2022-06-04孟义春午亿土苗国平吴丽波

山西冶金 2022年2期

孟义春，午亿土，苗国平，吴丽波

（首钢长治钢铁有限公司，山西长治 046031）

废钢和铁矿石是钢铁行业长流程冶炼的重要原料。近年来，废钢资源持续增多，根据《黑色金属矿产资源强国战略研究报告》估算，中国废钢资源总量将持续增多，到2030 年预计达到33 420 万t[1]。相对于铁矿石来说，废钢是一种不需要还原能的铁资源，提高废钢的使用量不仅可以节省能源，还可以减少CO2的生成。据估算，利用好废钢使得CO2排放量较长流程冶炼降低73%，粉尘排放降低90%，能耗降低59%[2]。

理论上，降低铁耗、提高废钢比的技术措施主要有两方面：转炉内增加载热材料和不增加载热材料。其中，转炉在自供热达到一定限度后，要进一步提高废钢比，就应考虑外补供热源。目前增加载热材料主要的方法有：向熔池添加煤块或焦丁、喷吹煤粉、废钢预热等。既要提高废钢比，又不向转炉增加载热材料的技术措施主要有：采用双流氧枪、少渣冶炼、铁水保温和降低钢水温度等方式。

本文以首钢长治钢铁有限公司（以下简称“长钢”）炼钢厂降铁耗实践为研究对象，对降低铁耗、提高废钢比冶炼技术进行研究。

1 工艺装备条件

首钢长钢公司有2 座1 080 m3高炉和3 座80 t转炉，设计铁产能270 万t，钢产能330 万t。炼钢产能略大于炼铁，为进一步提高产能，自2017 年下半年，长钢炼钢厂持续开展降低铁耗、提高废钢比课题攻关，通过不断降低铁耗、提高废钢比来降低炼钢工序成本，而且能为企业创造更好的经济效益，同时也具有较好的环境效益和社会效益，且可落实国家碳达峰、碳中和的要求。

2 降低铁耗的措施

长钢公司基于自身铁水条件以及设备条件，在降铁耗、提高废钢比方面进行了较为深入的技术研究及生产实践。

2.1 低硅低温铁水低铁耗、高废钢比技术研究

低硅铁水的冶炼一直是转炉生产的难题，操作不当就容易引起金属喷溅、粘枪、烧枪等事故。在转炉多“吃”废钢、增加产量的大背景下，长钢根据自身的条件，将w（Si）＜0.30%、铁水温度＜1 300 ℃的铁水判定为低硅低温铁水。低硅铁水具体成分范围：w（C）=3.85%～4.5%，w（Si）＜0.30%，w（Mn）=0.19%～0.39%，w（S）＜0.05%，w（P）=0.10%～0.14%。

2.1.1 冶炼工艺参数调整

低温低硅铁水比高温低硅铁水吹炼难度更大，很容易造成全程返干，给生产和设备带来损坏，针对低温铁水的特点，采取相关改进措施。

2.1.1.1 调整铁料结构

由于低硅低温铁水的物理、化学热量不足，为了提高废钢比、降低铁耗，首先要充分利用仅有的热量，将原铁料结构铁水+废钢+含铁冷料改变为“零”冷料模式，图1 为从2017 年度到2019 年度平均含铁冷料消耗量。

图1 2017—2019 年含铁冷料消耗量

经理论测算，零冷料模式情况下，低硅低温铁水废钢比控制情况如表1 所示。

表1 不同温度情况下的废钢比

根据上述测算情况，铁水w（Si）为0.30%时，铁水温度每降低20 ℃，废钢比降低1.0%左右。此外，铁水w（Si）在0.30%基础上每降低0.10%，相同铁水温度下相应铁水量将增加2 t，废钢量降低2 t，废钢比降低2.8%。

2.1.1.2 调整渣料加入方式

长钢公司转炉造渣料只将粒度在7 mm 以上的石灰作为单一造渣剂，炼钢过程不加入其他冷料和助溶剂，以减少转炉热量的损失。因此，需要调整首批料加入情况，首批石灰总加入量要比正常铁水条件下有所减少，但是首批料加入不可少于总量的一半，并延迟二批料加入时间，保证前期温度不过低，减小二批料数量，每批100～200 kg 左右，保证均匀升温，避免返干、金属喷溅的发生。

石灰的加入时间要遵循“它化我加，它返我等”的原则，保证过程熔渣。如果熔池温度难以保证或者渣子返干严重，可以适当调整枪位。吹炼后期，熔渣化好后，可根据温度情况，适当加入300～500 kg 石灰，其目的一是进一步去除钢水中的磷，二是稠化炉渣，有利于溅渣护炉，提高炉衬寿命。

2.1.2 热补偿工艺

长钢公司炼钢厂借鉴同行业做法和实际资源情况，对使用焦粒来补充炉内热源进行试验。

表2 焦粒理化指标 %

要达到与硅碳球发热剂相同的效果，需要加入的焦粒量（出钢温度按1 665 ℃计算）如表3 所示。

表3 焦粒加入量计算

加焦粒与不加焦粒对转炉冶炼情况的对比影响如表4 所示。

表4 试用炉次与未加焦粒指标对比情况

在不考虑终点温度情况下，加焦粒炉次石灰消耗较未加炉次升高0.51 kg/t，氧耗升高1.91 m3/t，铁耗降低14.65 kg/t。

2.2 常规铁水低铁耗、高废钢比技术研究

2.2.1 降低铁水热量损失

为降低铁水物理热，长钢公司于2019 年9 月开始实施铁水一罐到底，截至2019 年年底，一罐到底比例达到55%左右，铁水温度比未实施时提高20 ℃左右，铁粒比未实施一罐到底炉次降低6.23 kg/t。

2.2.2 降低出钢过程温度损失

为降低出钢过程温度损失，炼钢厂进行钢包加盖与合金烘烤技术应用。

钢包全程加盖投入生产后，运行非常稳定，并取得了显著效果。目前钢包加盖率稳定在99.90%以上，采用加盖技术后，钢包内积渣、挂冷钢现象有明显改善，同时有效保证了钢包底吹效果及温降的稳定性。

为降低出钢温度，长钢公司炼钢厂也对合金由离线烘烤改为在线烘烤。在线合金烘烤在具备相关的条件下可以达到设计要求，即烘烤15～20 min、合金粒度20～70 mm、合金温度可以达到350～600 ℃（30%～40%的合金处于红热状态）。

通过降低出钢过程温度损失，达到了降低出钢温度的目的，统计结果表明，钢水终点温度从2017年的1 670.27 ℃左右逐步降低至2019 年的1 667.52 ℃左右，终点温度降低了2.75 ℃左右（见图2），降低铁耗1.96 kg/t。

图2 2017—2019 年转炉终点温度变化情况

2.2.3 多元化废钢加入工艺

为了进一步多消耗废钢，增加产能（降低铁耗1 kg/t 增产约300 t），进行了铁水罐加废钢及炉后加废钢试验应用。

2.2.3.1 铁水罐加废钢

实施一罐到底后，铁水物理热量富余，受废钢斗限制，将废钢加入方式前移至铁水罐内，并在铁水罐内每月加入废钢2 000 余t，废钢吸收率按91%测算，可降低铁耗7.11 kg/t。

2.2.3.2 炉后加废钢

在冶炼HRB400 系列产品时，采用加入废钢（钢筋切粒）调温，根据计算，钢包内每加入100 kg 钢水会降低温度3 ℃（按70 t 钢水计算），钢包吹氩1 min一般可降低温度3 ℃，按照炉后吹氩4 min，温度降低12 ℃，吹氩结束后钢包温度按1 575 ℃考虑，经过核算，废钢加入量参考如表5 所示。