130 t转炉低铁耗生产工艺实践

廖广府，陈敏，廖纲

（宝武集团鄂城钢铁有限公司，湖北 鄂州 436002）

中国正在大力推进生态文明建设，推动绿色低碳、气候适应型和可持续发展，加快制度创新，强化政策行动，力争于2030年前二氧化碳排放达到峰值，2060年前实现碳中和。废钢作为转炉炼钢的主要原材料，对减少能耗、降低碳排放具有重要意义。据行业统计分析［1］，2019年国内产生废钢量达2.4亿t，预计2030年产生废钢3.18亿t。国内外钢铁企业对转炉高废钢比冶炼技术进行了很多研究［2］，德国 Klockner公司开发出 KMS/KS 工艺，其中KMS工艺废钢比达到50%，KS工艺可以实现100%废钢操作。国内受废钢市场因素影响，高废钢比冶炼工艺研究较少，主要采取废钢预热，增加补燃剂等措施，废钢比可实现30%。自2019年开始，宝武集团鄂城钢铁有限公司炼钢厂（以下简称“鄂钢炼钢厂”）积极探索降低铁水消耗和炼钢能耗的工艺，2020年转炉铁耗平均为823 kg/t。为进一步降低铁水消耗，该厂开展“铁钢比750”（铁耗≤750 kg/t）项目攻关，全流程降耗，取得较好效果。本文对此做一介绍。

1 工艺概况

鄂钢炼钢厂工艺装备与铁水条件分别见表 1、2。

表1 工艺装备Table 1 Technological Equipment

表2 铁水条件Table 2 Requirements for Molten Iron

2 降低铁耗生产工艺措施

2.1 提高铁水入炉温度

转炉炼钢工序热量来源于铁水物理热和化学热，其中物理热占比53%，化学热占比47%，铁水物理热效率高，对提高铁水入炉温度最有效。通过采取铁水包加盖和“一罐到底”的措施减少运输过程中铁水热量的损失。统计了不同铁水罐周转次数下的铁水平均入炉温度，如图1所示。

图1 不同铁水罐周转次数下的铁水平均入炉温度Fig.1 Average Temperature of Molten Iron Charged into Converter under Different Numbers of Times for Hot Metal Ladle Turnover

由图1看出，铁水平均入炉温度随着铁水罐周转次数的提高而提高。因此，优化生产模式，提高铁水罐周转次数，减半出铁罐数，缩短转运时间，进而提高铁水罐温度，减少出铁温降。同时，降低了铁水脱硫比例，根据所生产钢种的工艺要求，调整铁水入炉硫含量，脱硫率由35.0%降至17.2%，提高铁水入炉温度5.4℃，平均降低铁耗3.2 kg/t（铁耗=铁水/合格坯产量）。

2.2 铁水罐加烘烤废钢

废钢作为最环保、最洁净的冷却剂被应用于转炉炼钢工序中，废钢熔化速度直接影响废钢利用率。目前，钢铁行业长流程主要在铁水罐、转炉、氩站、精炼炉等工序加废钢，鄂钢炼钢厂主要采取了铁水罐加烘烤废钢来提高废钢比，降低铁耗。因受铁水温度和冲击能量所限，废钢入罐后不能完全熔化，通过烘烤废钢来提高其在铁水罐中的熔化比率。具体工艺流程是：铁水兑入转炉后，铁水罐吊运至废钢工位加入废钢，在烘烤位烘烤至600～800℃，再快速运至高炉出铁口对位受铁。生产实践表明，铁水罐加烘烤废钢工艺最高可降低铁耗 50 kg/t。

2.3 优化废钢结构

据有关文献报道［3］，废钢熔化过程可以分为4个阶段：生成凝固层→凝固层快速熔化→渗碳阶段→渗碳+母体废钢快速熔化。提高熔池温度、熔池搅拌能密度、废钢比表面积、废钢碳含量均能促进废钢熔化。回归分析废钢平均直径熔化速率（y1）、平均质量熔化速度（y2）、传质系数（y3）与熔池温度（x1）、熔池搅拌能密度（x2）、废钢比表面积（x3）、废钢碳含量（x4）的定量关系如下：

通过参考上述废钢熔化速率回归方程，设计了四种废钢结构模型，如表3所示。

表3 废钢结构模型Table 3 Model for Scrap Composition t

统计1 281炉生产数据得出结论，模型中生铁块超过10 t时易粘炉底，吹炼终点不稳定，倒炉或出钢过程中熔化掉，造成转炉终点碳含量高，钢水成分不合格；内转坯头废钢碳含量较低且致密，重量≥1 t左右时较难熔化，易降低终点温度，中断生产。对比结果认为，模型四的废钢结构效果较好，转炉吹炼过程较平稳，最早达到吹炼返干期，终点控制稳定。

2.4 采用补燃剂提温

铁水热量不富余时，可以向转炉加入补燃剂提温。转炉使用的补燃剂有碳质和硅质两类，主要有焦炭、类石墨球、硅碳球、硅铁等，其反应热效应如表 4 所示［4］。

表4 补燃剂反应热效应Table 4 Thermal Effect of Supplementary Combustion Agent in Reaction

由表4可见，鄂钢炼钢厂的碳质补燃剂在转炉内不能完全氧化成CO2，大部分氧化成CO。生产实践也表明，采用的硅质提温效果优于碳质，但硅质氧化后会增加渣中SiO2，需要提高石灰平衡碱度，同时渣量增加会减少金属收得率，因此，综合考虑后选择硅碳球和类石墨球作为补燃剂开展研究。补燃剂理化指标如表5所示。

表5 补燃剂理化指标Table 5 Physicochemical Indexes of Supplementary Combustion Agent

为了对比分析补燃剂加入情况，统计了539炉生产数据，结果如表6所示。结果表明，加入1 kg/t硅碳球可提高终点钢水温度5.92℃，而加入1 kg/t类石墨球可提高终点钢水温度4.98℃，硅碳球更有利于提高终点钢水温度，经计算，加入1 kg/t硅碳球可降低铁耗约3.5 kg/t。。

表6 补燃剂加入情况对比Table 6 Comparison of Supplementary Combustion Agent Addition

由于硅质补燃剂氧化后增加渣中SiO2含量，不利于提高碱度和减少渣量，因此当铁水硅含量≤0.35%时，优先使用硅碳球补燃剂，加入1 t硅碳球可以降低铁耗23.4 kg/t；当铁水硅含量＞0.35%时，优先使用类石墨球，加入1 t类石墨球可以降低铁耗19.8 kg/t。

2.5 优化炼钢工艺

为降低炼钢系统温降，减少热量损失，一方面缩短转炉冶炼周期，加快转炉冶炼节奏；另一方面铸机提速，形成炉机匹配，提高钢包周转率［5］。

（1）转炉吹炼模型优化

转炉工序通过降低铁水脱硫比例增加铁水温度，每降低1%的脱硫比例可以增加0.4℃，铁水提质后脱硫比例减少5%，铁水温度增加2℃。对转炉操作进行了优化，优化前后吹炼模型的对比如图2所示。优化后提高了供氧强度，降低了氧枪枪位。

图2 优化前后转炉吹炼模型的对比Fig.2 Comparison of Converter Blowing Models before and after Optimization

（2）缩短转炉冶炼周期

采取增加出钢口直径，提高转炉一倒率等措施，转炉平均冶炼周期较优化前下降6.2 min，逐步降低转炉出钢温度。表7为转炉冶炼周期与出钢温度的关系，冶炼周期降至32 min以内时，出钢温度降至1 630℃以下，较优化前下降26℃。优化转炉工艺共降低系统温度28℃，可以降低铁耗16.8 kg/t。

表7 转炉冶炼周期与出钢温度的关系Table 7 Relationship between Converter Smelting Cycle and Tapping Temperature

（3）优化连铸配水模式

连铸工序通过优化配水模式，加大冷却强度，由气雾冷却改为全水冷却，平均拉速由2.80 m/min提高至3.46 m/min，单流最高可达到4.18 m/min。连铸平台平均温度由1 562℃降至1 550℃，可增加转炉氩站冷料用量1.2 t，降低铁耗7.2 kg/t。

综上所述，优化炼钢工艺，降低系统温降，无成本投入，是降低铁耗最经济的措施。

2.6 提高精炼加废钢比例

精炼炉具有升温，脱硫，去除夹杂物，调整钢水成分和生产节奏的功能。精炼炉加入废钢是降低铁耗的措施之一，但存在一定的质量风险，废钢中的杂质、结晶水和有害元素对钢水的纯净度有较大影响。鄂钢炼钢厂提高精炼加废钢比例采取的措施如下：

（1）氩站采用内部钢筋废材和板材切边，通过焦炉煤气加热至600℃。

（2）废钢加入钢包熔化后，会有约8℃/t的冷却效应，加入量多时会降低钢水温度，导致钢水在透气砖附近凝固，造成底吹不通。钢水进站温度与废钢加入量的关系见表8。按表8的标准统计现场炉后加入钢包2～5 t废钢可以综合降低铁耗10.6 kg/t。

表8 钢水进站温度与废钢加入量的关系Table 8 Relationship between Molten Steel Inlet Temperature and Scrap Addition

（3）加入废钢全程底吹氩气，氩气流量为≥300 m/L，电振下料速度为1 t/min。

3 取得的效果

统计2021年优化前后各项指标对比见表9。2021年3～6月份平均铁耗约为747.5 kg/t，实现了铁耗≤750 kg/t的目标。

表9 优化前后各项指标的对比Table 9 Comparison of Various Indexes before and after Optimization

4 结论

（1）铁水罐加烘烤废钢是降低铁水消耗的最佳措施，可以降低铁耗50 kg/t。

（2）铁水热量不富余时可以向转炉加入补燃剂提温，硅质补燃剂效果优于碳质补燃剂，1 kg/t硅碳球可以提高转炉终点温度5.92℃，降低铁耗约3.5 kg/t。

（3）采取优化转炉吹炼模型，缩短转炉冶炼周期等措施，减少系统热量损失，是降低铁耗成本最低的措施。

（4）提高精炼加废钢比例是降低铁耗措施之一。

（5）采取转炉低铁耗生产优化措施后，2021年3～6月份平均铁耗约为747.5 kg/t，实现了铁耗≤750 kg/t的目标。