转炉低铁耗工艺优化及生产实践

2022-09-26王连全李德帅冯克亮

山西冶金 2022年4期

王连全，李德帅，冯克亮

（天津市新天钢联合特钢有限公司，天津 301500）

新天钢联合特钢炼钢厂装备情况：有3 座120 t顶底复吹转炉，3 台120 t LF 钢包精炼炉，1 台120 t VD 真空精炼炉，5 台方、矩形坯连铸机。产品结构包括碳素结构钢、优质碳素结构钢、低合金高强度结构钢等，拥有一个集转炉、LF 精炼、真空处理、连铸四位一体的特钢生产线，采用顶低复吹转炉→LF 精炼炉→连铸的生产流程。

铁水消耗作为转炉一个关键工艺技术指标，不仅决定转炉冶炼消耗废钢的能力，也反映转炉冶炼过程热量利用效率，随着钢铁市场形势变化，铁水与废钢价格的差距较大，降低铁水消耗，提高废钢比，可降低生产成本[1]。铁水日产维持在12 000～13 000 t，综合考虑转炉冶炼热平衡、温度控制、供氧制度、钢坯质量等各种因素的条件下，策划降铁增钢实施方案，以达到降低铁耗、提高钢产量目的。炼钢厂以转炉冶炼热量平衡和优化生产组织作为基础，采用优化转炉工艺的方法，增加精炼温度补偿时间，保证精炼进站温度高于钢种液相线温度20 ℃以上。精炼调整后确保出站温度符合连铸工序的要求。

1 存在的问题

我国作为世界工业强国，为应对近年来气候变化所引发的一系列经济、社会和环境问题，提出了2030年前实现“碳达峰”和2060 年前实现“碳中和”的目标，钢铁行业作为碳排放的大户，实现钢铁行业的低碳发展是必然之势。随着废钢价格的降低，铁水成本的上升，降低铁水消耗不仅能够减少碳排放量，也能够带来显著的经济效益[2]。但在推行低铁耗模式下，出现以下几点问题：

1）转炉冶炼过程需使用多种造渣料来完成脱磷、脱硫任务，若渣料较多，炉内温损增加，不仅影响终点温度，还会增加工业废料量，造成环境污染。若渣料较少，则会影响磷、硫分配比，且高氧化性、低碱度炉渣会加剧对炉衬镁碳砖的侵蚀。

2）低铁耗生产会使转炉内废钢堆积密度增加，开吹时易引起前期打不着火或氧枪头碰触废钢导致烧枪情况。

3）为提高转炉终点命中率，增加后吹炉次，延长供氧时间，增强终点氧化性，增加了钢铁料和合金消耗，影响生产周期。

4）由于打破冶炼热平衡，炉内温度较低，出钢过程废钢不能完全熔化，黏附在炉底和炉壁，造成炉底上涨，影响吹炼过程的枪位稳定性；出钢温度低加上炉后加废钢，致使LF 精炼炉送电时间长，增加精炼电耗。

2 工艺及设备参数改进

2.1 优化造渣料

2.1.1 少渣冶炼提高热量利用率

炼钢造渣料原采用石灰、轻烧白云石、镁球、石灰石、矿石、烧结矿等多种物料，石灰石等具有较强的冷却效果，在炉内反应过程中不仅会吸收大量的热能，同时会生成较多的二氧化碳气体带走热量。采用低铁耗操作，需充分利用现有物料的物理热与化学热，减少温度损耗，针对此，结合各种造渣料的冷却效果进行重新梳理。停用了冷却效果较强的石灰石、矿石、烧结矿，为保证适宜的渣中w（MgO），使用镁球（w（MgO）≥65%）替代部分轻烧（w（MgO）≥34%），1 t 镁球w（MgO）等同于2 t 轻烧，降低渣料加入量，降低了8～10 ℃的温度损失，最终固化造渣料种类为石灰、轻烧白云石和镁球。造渣料调整前后对比情况如表1 所示。

表1 造渣料调整前后对比 kg/t

在一定条件下加入1 kg 冷却剂所消耗的热量，就是冷却剂的冷却效应，单位是kJ/kg，由于各种冷却剂的成分不同，且存在成分波动，为了便于生产中的使用，规定废钢的冷却效应值为1，其他冷却剂冷却效应与废钢冷却效应的比值为冷却效应换算值。为了减少造渣料带走的热量，应使用冷却效应较低的造渣料。常用冷却剂效应换算值如表2 所示。

表2 常用冷却剂效应换算值

2.1.2 采用高钙石灰替代传统石灰

使用冶金88 石灰（w（CaO）＞88%）代替冶金85石灰（w（CaO）＞85%），活性度提升39.96 mL，冶金石灰活性度增加，在转炉冶炼过程中能够加快熔化速度，尽早成渣，加快脱除钢水中杂质元素的速度，从而提升冶炼节奏，稳定钢水质量。w（S）降低0.08%，硫元素对于冶炼钢种来说是有害元素，转炉脱硫效率较低，仅为30%～40%，降低入炉物料的硫含量，能够降低终点钢水的硫含量，减轻转炉和精炼炉的脱硫任务，尤其对冶炼低硫钢种更加有利。w（CaO）上升3.15%，w（SiO2）下降0.395%，从而提高了石灰的有效氧化钙含量，降低了冶金石灰的单耗。冶金石灰成分及活性度如表3 所示。

表3 冶金石灰成分及活性度

2.1.3 留渣操作及终点调渣

转炉采取留渣操作，以降低造渣料的加入量。通过造渣料调整前后对比，不考虑矿石和烧结矿，石灰石按照50%折算，调整后渣料降低10.5 kg/t，上一炉剩余的炉渣中含有一定量的FeO，能够加快石灰的溶解，促使初期炉渣的快速形成，脱除钢水中有害元素。同时留渣比入炉的造渣料温度高，能够降低造渣过程消耗的热量。转炉内初期渣量偏大时，渣层较厚，应适当降低氧枪枪位，增加供氧强度，将供氧强度由3.6m3/（t·min）提高至4.0 m3/（t·min），以加强氧气流股对炉内铁水与废钢的搅拌作用。在转炉溅渣前，根据终点炉渣的情况，加入50～200 kg 焦炭粉或镁球进行调渣，以增强炉渣的黏度，确保溅渣护炉效果。同时确保炉渣溅干，避免由于炉渣包裹废钢造成的大型喷溅事故。

2.2 改进供氧制度

2.2.1 改进氧枪参数

将氧枪喉口直径由Φ39 mm 调整到Φ38 mm，氧枪夹角由12.5°调整到12°，其余参数不变。计算所得冲击半径较调整前减小0.7%，冲击深度提高1.5%。

新4 孔喷头设计参数为喉口直径Φ38.6 mm，马赫数Ma=2.0，出口直径Φ50.1mm，夹角α=12°。

新4 孔喷头枪位h=1 400 mm 时，氧气射流对熔池的冲击直径计算：D=htan（α+8.5）×2=1 400×tan（12+8.5）×2=1 046.9 mm。

原氧枪头的冲击直径为1 074.8 mm，炉膛直径为4 290 mm，调整后的冲击面积缩小5.12%。

新4 孔喷头枪位在1 400 mm 时，压力为0.95 MPa，流量27 200 m3/h，调整前的流量为27 400 m3/h，计算冲击深度的变化。所采用的氧枪冲击深度计算公式为：

式中：H 为氧枪枪位，mm；n 为孔数，个；K 为常数，取1.0；Q 为喷头供氧流量，m3/h；Lh0为在枪位H=0 时的冲击深度，mm；L 为穿透深度，mm；D喉为喉口直径，mm。

熔池深度为1 500 mm，对比调整前后氧气流股的冲击深度占熔池液面深度的比值，增加了1.5%。

2.2.2 调整吹炼过程枪位及氧压

由于入炉废钢量的增加，开吹时要缓慢降枪，注意观察炉口的火焰，避免氧枪触碰到废钢造成烧枪。为了快速打火，前期氧压增加到1.0 MPa，增强氧气流股的穿透力，如果还是不能打火，需要及时提枪，补充少量铁水或者进行前后摇炉，确保打火成功。吹炼中期氧气压力调整到0.8～0.9 MPa，低铁耗枪位较高铁耗枪位降低100～200 mm，低枪位有利于控制初期炉渣FeO 含量增长过快造成的喷溅。转炉操作人员同时考虑转炉的装入量以及铁水和废钢的配比，避免由于前期枪位太低导致烧枪事故。在吹炼的中后期，根据炉口火焰适当提高枪位到1 600～2 000 mm，可以控制炉渣的返干情况，同时关注废钢在中后期熔化的现象，避免钢水液面剧烈波动，造成钢水粘枪头情况。终点脱碳时，氧压提高到1.0 MPa，枪位降低到800～1 000 mm，压枪时间控制在30 s 以上，强化氧气流股对钢水的搅拌，促进废钢熔化，同时确保脱碳效果，降低渣中全铁含量。吹炼过程氧枪枪位图如图1 所示。

图1 吹炼过程氧枪枪位图

2.3 缩短冶炼周期，降低温度损失

对生产流程进行梳理，从设备运行参数到人员操作细节都需进行优化，以缩短转炉的整个冶炼周期。做好入炉铁水、废钢的供应，不仅需确保铁水重量符合要求，达到铁耗的目标值，而且要保证入炉物料按时吊运到转炉平台，做好生产过程的衔接；规范钢筋压块的尺寸为800 mm×800 mm×（1 800±200）mm，减少钢筋压块卡炉口的情况。氧气支管压力由0.70～0.85 MPa 提升至0.80～1.0 MPa，根据碳氧不同反应期的供氧要求，采取分阶段供氧的措施，配合氧枪枪位的调节，从而达到加快脱碳速度、缩短供氧时间的效果；调整出钢口内径尺寸，由Φ170 mm 调整为Φ190 mm，在确保挡渣效果的前提下，缩短出钢时间。根据反应过程中溅渣情况，判断渣量大小，选择留半渣或者留全渣操作，缩短倒渣时间。优化调整后，平均冶炼周期由26.5 min/炉降低至20.8 min/炉，生产过程的温降减少5～10 ℃。调整前后的冶炼周期情况如表4 所示。

表4 冶炼周期对比 min

2.4 利用合金烘烤与钢包加盖进行温度补偿

新增合金烘烤与钢包加盖设备，对于转炉炉后使用的合金与废钢进行预热，合金加热10 min 后，温度能达到400～500 ℃。钢包采用全程加盖，不仅对钢包热量流失起到良好作用，钢包内残余温度提高130 ℃以上，还能在钢包运输过程中降低各环节温度损失，使钢包周转过程热量趋于稳定，通过以上设备的投入，可降低出钢温度30 ℃以上，为低铁耗快节奏创造良好条件。

2.5 充分发挥LF 精炼炉冶金功能，合理分配炼钢任务

2.5.1 分析钢水中P 元素

低铁耗时转炉的终点温度降低了35 ℃，终点炉渣的w（∑FeO）升高了1.8%，w（CaO）降低了0.82%，计算P 的分配系数LP，提高了101，对比实际钢水成分，w（P）降低了0.003%，与理论计算值一致。具体计算公式为：lgLP=22 350/T-21.876+5.6lgw（CaO）+2.5lgw（∑FeO）。

调整前：lgLP=22 350/T-21.876+5.6lg48.63+2.5lg16.14，LP=173；

调整后：lgLP=22 350/ T -21.876+5.6lg46.11+2.5lg17.94，LP=274。

2.5.2 分析钢水中S 元素

2.5.3 精炼升温效果

随着铁水装入量的减少，转炉终点钢水温度降低，为达到连铸钢水的目标温度，可以增加LF 精炼炉的送电时间来提升温度，通过钢包内造白渣，实现高效脱硫。通过石墨电极的埋弧加热，其热辐射小，减轻了对钢包耐材的侵蚀，根据精炼钢水条件，调整弧流、弧压、氩气搅拌强度，加快成渣速度，提高热效率，升温幅度达到4～6 ℃/min，而且石墨电极参与钢包内的反应，提高了钢包渣的还原性，生成的CO 强化了LF炉内的还原性气氛，提高合金收得率。相关的化学反应式为：C+FeO=Fe+CO；C+MnO=Mn+CO。精炼温度控制情况、转炉炉渣成分以及钢水成分对比如表5—表7 所示。

表5 精炼温度控制

表6 转炉炉渣成分

表7 钢水成分对比

2.6 做好炉况维护工作

当转炉终点温度低时，容易造成后吹的情况，终点炉渣氧化性变强，加剧对炉衬的侵蚀，因此需要加强对炉况的维护，减少因补炉操作增加的辅助时间，否则会影响生产连续性。通过每个班次对炉壳的渣线、耳轴区域进行测温，发现温度偏高时，及时安排补炉。对薄弱部位采取贴镁碳砖进行维护[3]。使用水基大面料，实现缩短补炉料的烧结时间、增加补炉料的抗侵蚀时间的效果。加强对炉底的维护，每个班组接班后，对炉底高度进行测量，炉底过高时，采取洗炉底的操作，保证炉底维持在适宜的高度。合理的炉形能够稳定装入量，减轻吹炼过程中炉渣对炉帽部位的侵蚀，达到延长炉衬寿命、均衡炉衬损毁、降低生产成本的目标。对转炉渣进行抽检，根据炉渣成分，调整轻烧白云石和镁球的加入量，确保炉渣w（MgO）在7%～8%，避免因炉况问题而影响低铁耗目标的完成。