魏春新，劉文飛，李超，趙雷

（鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧營(yíng)口115007）

近年來(lái)，鋼鐵產(chǎn)品銷售不暢，價(jià)格持續(xù)下滑，給鋼鐵企業(yè)帶來(lái)了巨大的壓力。因此，利用廢料回收或廉價(jià)經(jīng)濟(jì)料替代模式煉鋼，降低煉鋼生產(chǎn)成本，拓寬產(chǎn)品效益空間，是鋼鐵企業(yè)在嚴(yán)峻的市場(chǎng)形勢(shì)下生存的重要技術(shù)措施。鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司通過研制開發(fā)260 t轉(zhuǎn)爐尾渣回收利用技術(shù)、經(jīng)濟(jì)型含鐵物料替代廢鋼的利用技術(shù)等，解決了廢鋼資源緊缺對(duì)生產(chǎn)的影響，降低了煉鋼生產(chǎn)成本。

1 經(jīng)濟(jì)模式煉鋼技術(shù)的開發(fā)前提

轉(zhuǎn)爐渣經(jīng)悶渣池?zé)釔灪?，送到礦渣廠進(jìn)行磁選分離，約有40%的渣鋼得以回收利用，60%的渣鋼成為尾渣塊和尾渣粉。大量的尾渣不僅占用土地，同時(shí)也造成了資源的浪費(fèi)。研究尾渣在轉(zhuǎn)爐的回收利用，制定有效的加入方案，對(duì)于降低轉(zhuǎn)爐熔劑單耗、提高轉(zhuǎn)爐化渣去磷效果意義重大，不僅解決了大量尾渣占用土地問題，更重要的是實(shí)現(xiàn)了資源可持續(xù)循環(huán)利用。

轉(zhuǎn)爐渣道返回渣為冶煉過程中的爐渣噴濺物、扒爐口產(chǎn)生的渣塊、倒渣時(shí)從渣罐內(nèi)噴濺出的爐渣、出鋼分罐操作時(shí)的鋼渣混合物、兌鐵過程中灑落的鐵水以及和渣道返回渣理化性能相同的鐵水罐、鋼水罐拆扒產(chǎn)生的含鐵廢物等的統(tǒng)稱。渣道返回渣經(jīng)裝車直接外排到礦渣磁選線，磁選后的渣鋼返回?zé)掍撘睙捠褂茫庸こ杀?70元/t），增加了煉鋼生產(chǎn)成本。因此，研究渣道返回渣的直接入爐使用是降低轉(zhuǎn)爐冶煉成本的有效措施之一。

目前，市場(chǎng)上廢鋼資源短缺，采購(gòu)成本高。為了穩(wěn)定轉(zhuǎn)爐冶煉工藝，必須尋找經(jīng)濟(jì)、滿足冶煉要求的資源來(lái)替代廢鋼。鐵礦石、燒結(jié)礦中含有鐵元素，可以降低鋼鐵料消耗，這兩種物質(zhì)冷卻效應(yīng)大，可以減少降溫使用的渣料，降低渣料消耗。而且，這兩種物質(zhì)價(jià)格低廉且供應(yīng)穩(wěn)定，所以鐵礦石、燒結(jié)礦是替代廢鋼資源的最佳經(jīng)濟(jì)冶煉物料。

氧槍是轉(zhuǎn)爐煉鋼的關(guān)鍵設(shè)備，供氧制度的好壞直接關(guān)系到煉鋼指標(biāo)的高低，對(duì)供氧制度進(jìn)行優(yōu)化，提高氧氣利用率，縮短供氧時(shí)間、降低氧耗是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)模式冶煉的有效措施。

2 經(jīng)濟(jì)模式煉鋼所用物料的反應(yīng)機(jī)理

2.1 尾渣及渣道返回渣在爐內(nèi)的反應(yīng)機(jī)理

由于尾渣及渣道返回渣中均含有大量的FeO、Fe2O3，使轉(zhuǎn)爐前期爐渣中的FeO含量迅速提高，促進(jìn)了石灰的熔化，對(duì)成渣非常有利，可促使初期渣的形成，有利于脫磷反應(yīng)的進(jìn)行。吹煉中期隨著溫度的升高，碳開始大量氧化，使FeO還原進(jìn)入鋼水中，有利于減少鋼鐵料的使用。尾渣及渣道返回渣中CaO、MgO、SiO2含量高，有足夠的堿度，有利于濺渣護(hù)爐。

渣系中 FeO、Fe2O3、SiO2、MgO、MnO 等氧化物由石灰表面滲透到石灰內(nèi)部時(shí)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生了低熔點(diǎn)的物質(zhì)，促進(jìn)了石灰的熔化。吹煉前期的脫磷反應(yīng)如下：

由于加入的造渣劑中含有一定數(shù)量的FeO和Fe2O3，提高了初期爐渣中的FeO含量，有利于脫磷反應(yīng)的進(jìn)行。

吹煉中期渣中發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)為：

由于碳的氧化使鐵的氧化物還原成金屬鐵而進(jìn)入到鋼液中。

2.2 鐵礦石、燒結(jié)礦在爐內(nèi)的反應(yīng)機(jī)理

鐵礦石、燒結(jié)礦加入爐內(nèi)發(fā)生一系列復(fù)雜的物質(zhì)分解、化學(xué)還原反應(yīng)，吸收大量的熱量。

鐵礦石、燒結(jié)礦的分解反應(yīng)如下：

鐵礦石、燒結(jié)礦分解后與鐵水中的 Si、Mn反應(yīng)如下：

鐵礦石、燒結(jié)礦與鐵水中的C反應(yīng)如下：

鐵礦石、燒結(jié)礦與CO的反應(yīng)如下：

上述反應(yīng)中，式（4）、（5）伴隨著鐵礦石、燒結(jié)礦的加入發(fā)生反應(yīng)。 式（6）、（7）、（8）、（9）在反應(yīng)的初期占主導(dǎo)地位，式（10）、（11）在反應(yīng)的中后期占主導(dǎo)地位，式（8）、（9）反應(yīng)在中后期次之。除了式（6）和（7）反應(yīng)外，其余反應(yīng)均是吸熱反應(yīng)，所以鐵礦石、燒結(jié)礦降溫大。此外，鐵礦石、燒結(jié)礦的加入反應(yīng)分解生成大量的FeO，促進(jìn)了化渣，反應(yīng)生成的CO和CO2氣泡加強(qiáng)了熔池?cái)嚢?，改善了熔池的?dòng)力學(xué)條件，這些均有利于化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。同時(shí)，鐵礦石、燒結(jié)礦帶入的O與鐵水中的C、Si、Mn、P等元素均發(fā)生反應(yīng)，節(jié)約了氧氣用量，減少了吹氧時(shí)間，降低了成本。

3 經(jīng)濟(jì)模式煉鋼所用物料的實(shí)際應(yīng)用

3.1 尾渣在轉(zhuǎn)爐的實(shí)際應(yīng)用

3.1.1 加入方法

尾渣通過轉(zhuǎn)爐高位料倉(cāng)及水冷溜槽加入轉(zhuǎn)爐，為保證爐渣中MgO含量和堿度，活性白灰、輕燒白云石及尾渣的加入量根據(jù)堿度進(jìn)行配加。尾渣分兩批加入，第一批在吹氧2 min內(nèi)加入；第二批根據(jù)爐渣的實(shí)際情況，當(dāng)爐渣出現(xiàn)返干時(shí)加入，加入量≤1 t/次，在吹氧10 min之內(nèi)加完。

3.1.2 尾渣對(duì)熔劑消耗的影響

統(tǒng)計(jì)2013年1～5月份轉(zhuǎn)爐尾渣加入量與熔劑單耗的關(guān)系見圖1。

從圖1可以看出，隨著尾渣單耗的增加，轉(zhuǎn)爐熔劑單耗呈明顯降低趨勢(shì)，尾渣單耗增加了7.2 kg/t，轉(zhuǎn)爐熔劑單耗降低了12.65 kg/t，參照2013年熔劑均價(jià)420元/t，則噸鋼可取得效益5.3元。

3.1.3 冶煉過程脫磷效果

統(tǒng)計(jì)使用尾渣后的磷分配比和脫磷效率的情況見表1。

表1 脫磷效率與磷分配比的比較

3.1.4 尾渣對(duì)爐襯的影響

為了研究尾渣對(duì)爐襯侵蝕的影響，利用LaCam激光測(cè)厚儀對(duì)爐襯侵蝕狀況進(jìn)行了測(cè)量，每50爐測(cè)量一次爐襯厚度，爐襯侵蝕情況如表2所示。

表2 爐襯侵蝕情況比較 mm/爐次

由表2的對(duì)比結(jié)果可知，加尾渣爐次的轉(zhuǎn)爐大面和渣線部位的侵蝕情況總體上有一定改善，從爐底控制可以看出，未出現(xiàn)爐底明顯侵蝕跡象。

3.2 渣道返回渣在轉(zhuǎn)爐的實(shí)際應(yīng)用

3.2.1 渣道返回渣的回收

（1）先在鉤機(jī)抓出的渣堆上打水降塵，然后用鏟車裝車翻到煉鋼作業(yè)區(qū)廢鋼坑。

（2）用20 t吊車懸掛磁盤進(jìn)行磁選作業(yè)，期間用鏟車進(jìn)行翻倒作業(yè)，磁選過程中打水降塵，將磁選后的廢渣裝運(yùn)至礦渣處理廠，廠內(nèi)拆罐渣直接送至磁選后的渣道返回渣中。

3.2.2 渣道返回渣的加入方法

回收后的渣道返回渣隨同廢鋼加入轉(zhuǎn)爐，要求先加廢鋼后兌鐵水，每槽加入渣道返回渣3～5 t。為防止潮濕成團(tuán)引起水蒸氣聚集造成噴爆，要求含渣道返回渣的廢鋼加入轉(zhuǎn)爐后，前后搖爐，先向后搖爐至﹣40°，再向前至110°，然后兌鐵。兌鐵時(shí)鐵水要小流慢兌，兌入50至80 t停止兌鐵，先后搖爐至-40°，再前搖爐至80°，平穩(wěn)后再緩慢兌鐵。吹煉前要再次后搖爐至-40°，然后轉(zhuǎn)爐回到零位吹煉。

長(zhǎng)垣縣位于河南省東北部，土質(zhì)肥沃，農(nóng)用價(jià)值高，種植作物以小麥、玉米、花生等為主。近年來(lái)，為順應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展要求，實(shí)現(xiàn)農(nóng)民增收、農(nóng)業(yè)增效的目的，長(zhǎng)垣縣堅(jiān)持以綠色理念引領(lǐng)農(nóng)業(yè)發(fā)展，大力調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，積極推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展區(qū)域布局規(guī)劃，完善涉農(nóng)優(yōu)惠扶持政策，大力發(fā)展現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)，持續(xù)提高農(nóng)業(yè)板塊比較效益。

3.2.3 加渣道返回渣爐次的供氧制度

加轉(zhuǎn)爐渣道返回渣冶煉，前期爐渣形成更迅速，如果依照正常的供氧槍位進(jìn)行吹煉，前期容易產(chǎn)生低溫泡沫噴濺，因此，冶煉前期氧槍槍位比正常槍位低100 mm，抑制低溫泡沫渣過快形成，這是加轉(zhuǎn)爐渣道返回渣冶煉供氧操作的關(guān)鍵。

3.2.4 渣道返回渣對(duì)鋼鐵料的影響

渣道返回渣的主要組成為廢鋼和廢渣，因此物化性質(zhì)與尾渣相似，但是含鐵量為30%～50%，因此渣道返回渣對(duì)鋼鐵料的影響與尾渣不同。SPHC鋼種使用渣道返回渣轉(zhuǎn)爐的吹損情況見表3。

表3 SPHC鋼種使用渣道返回渣轉(zhuǎn)爐的吹損情況

從表3中可以看出，隨著渣道返回渣加入量的增加，轉(zhuǎn)爐吹損有降低的趨勢(shì)，說(shuō)明渣道返回渣的回收利用改善了轉(zhuǎn)爐化渣效果，有利于轉(zhuǎn)爐脫磷和降低熔劑消耗，同時(shí)還回收了豐富的鐵資源。經(jīng)計(jì)算，渣道返回渣可降低鋼鐵料1.68 kg/t，節(jié)約成本4.7元/t鋼。

3.3 鐵礦石、燒結(jié)礦在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用

3.3.1 對(duì)噴濺的影響

鐵礦石、燒結(jié)礦加入爐內(nèi)生成大量的FeO，促進(jìn)了化渣的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件，渣子比較活躍，泡沫渣形成較好。但鐵礦石、燒結(jié)礦加入過多會(huì)造成冶煉前期爐溫低，易發(fā)生低溫爐渣噴濺。冶煉中后期要注意避免鐵礦石、燒結(jié)礦集中加入，應(yīng)分批次少量加入，防止突然降低熔池溫度，抑制碳氧反應(yīng)，使FeO積聚，導(dǎo)致爆發(fā)性噴濺。所以，應(yīng)綜合考慮鐵水溫度、廢鋼加入量以及選擇合適的加入時(shí)機(jī)、加入量等因素。

3.3.2 對(duì)鋼鐵料的影響

加入鐵礦石、燒結(jié)礦后，取終點(diǎn)氧含量相近爐次的終渣分析發(fā)現(xiàn)，渣中的TFe沒有增加，維持在17%～20%，說(shuō)明鐵礦石、燒結(jié)礦中的鐵進(jìn)入了鋼中，而不是渣中。經(jīng)對(duì)比統(tǒng)計(jì)，鐵礦石、燒結(jié)礦中的金屬鐵回收率為68.76%。此外，鐵礦石、燒結(jié)礦作為冷卻劑減少了總渣量，減少了渣中的鐵珠損失和TFe含量，增加了出鋼量，有利于降低鋼鐵料消耗。目前，經(jīng)濟(jì)性含鐵物料鐵礦石、燒結(jié)礦平均每爐加入量5.14 t，折合入爐單耗20 k/t鋼，鋼鐵料指標(biāo)降低8.46 k/t鋼。

3.3.3 對(duì)終點(diǎn)磷的影響

鐵礦石、燒結(jié)礦因?yàn)楹蠪eO可作為化渣劑，有利于轉(zhuǎn)爐成渣，并且由于它們的冷卻效應(yīng)大，控制住了冶煉前期熔池溫度，也有利于脫磷反應(yīng)的進(jìn)行，在碳氧反應(yīng)激烈的冶煉中后期加入鐵礦石、燒結(jié)礦也可緩解返干。因此，鐵礦石、燒結(jié)礦在生產(chǎn)高附加值的低磷鋼中，發(fā)揮了重要的作用。實(shí)際生產(chǎn)中，加入礦石大于1.5 t可使終點(diǎn)磷含量達(dá)到0.009%～0.012%。

3.3.4 對(duì)吹氧時(shí)間和氧消耗的影響

鐵礦石、燒結(jié)礦帶入的氧與鐵水中的C、Si、Mn、P等元素發(fā)生反應(yīng)，節(jié)約了氧氣用量，減少了吹氧時(shí)間。表4為礦石加入量對(duì)吹氧時(shí)間的影響。由表4可以看出，加入鐵礦石縮短了冶煉時(shí)間，加入量越多，提供的氧越多，吹氧時(shí)間越短。加入鐵礦石 1～3 t，平均吹氧時(shí)間縮短 13 s，加入 3～6 t，平均吹氧時(shí)間縮短34 s。

表4 礦石加入量對(duì)吹氧時(shí)間的影響

3.3.5 替代廢鋼在全鐵水冶煉的應(yīng)用

在廢鋼資源緊缺或廢鋼吊車檢修的情況下，鐵礦石、燒結(jié)礦可以全部替代廢鋼，進(jìn)行全鐵水冶煉操作。由于加入鐵礦石、燒結(jié)礦數(shù)量大，爐渣活躍，控制難度較大。這種情況下應(yīng)采取先加入部分鐵礦石、燒結(jié)礦，然后兌入少量鐵水，再進(jìn)行搖爐預(yù)混，使鐵礦石、燒結(jié)礦中的FeO與鐵水中碳等元素發(fā)生反應(yīng)，降低氧化性，降低冶煉中后期爐渣控制難度，減少噴濺。另外，由于鐵礦石、燒結(jié)礦加入量較大，鐵礦石、燒結(jié)礦中的FeO與鐵水中的碳、硅等元素發(fā)生反應(yīng)，吹氧時(shí)間縮短約1min。

統(tǒng)計(jì)2011年1到8月份，鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司共產(chǎn)鋼量410.35萬(wàn)t，因進(jìn)行轉(zhuǎn)爐尾渣回收和使用經(jīng)濟(jì)型含鐵物料共降成本1 666萬(wàn)元，折合冶煉成本降低4.06元/t鋼。

4 供氧制度的優(yōu)化

4.1 新型5孔氧槍噴頭的開發(fā)

鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司原使用6孔噴頭，噴頭夾角15.5°，由于轉(zhuǎn)爐加入大量的冷料替代廢鋼降溫，如鐵礦石、熱壓鐵等，轉(zhuǎn)爐渣量大，前期渣不容易控制，極易發(fā)生噴濺事故，對(duì)鋼鐵料指標(biāo)影響較大。同時(shí)6孔氧槍噴頭使用過程中存在吹氧耗時(shí)長(zhǎng)、氧氣利用率低，爐襯侵蝕嚴(yán)重等問題。為了進(jìn)行轉(zhuǎn)爐經(jīng)濟(jì)模式煉鋼，開發(fā)出了一款高效5孔氧槍噴頭，氧槍噴頭參數(shù)見表5。

表5 優(yōu)化前后氧槍噴頭參數(shù)對(duì)比

4.2 規(guī)范氧槍操作

根據(jù)弗林公式［1］，氧槍射流的沖擊深度與氧槍槍位的關(guān)系如下：

式中，L 為穿透深度，cm；Dt為喉口直徑，cm;P0為氧氣壓力，MPa；H為槍位高度，cm。

對(duì)優(yōu)化后氧槍射流的沖擊深度與氧槍槍位的控制進(jìn)行了理論計(jì)算，得出合理的熔池穿透深度與熔池深度比為0.4～0.6，氧槍槍位控制為1.9～2.8 m。根據(jù)理論計(jì)算并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，總結(jié)出了不同鐵水Si含量的槍位控制圖，見圖2。

全程槍位控制主要分四步。第一步，開吹打火后加入第一批物料，槍位降至2.2 m；第二步，吹氧至8 min左右，加完第三批活性石灰后槍位抬至2.5 m，吹氧11 min左右至過程測(cè)試期間，槍位抬至2.6 m；第三步，TSC測(cè)試后，若碳含量較高或者鋼種對(duì)磷含量要求嚴(yán)格，槍位可在2.6 m停留適當(dāng)時(shí)間；第四步，根據(jù)火焰及鋼水碳含量，降槍至拉碳槍位，保證拉碳1.5 min以上，使終點(diǎn)鋼水成分均勻，火焰穩(wěn)定，降低渣中TFe含量。

新型5孔氧槍噴頭應(yīng)用后，吹煉效果穩(wěn)定，轉(zhuǎn)爐各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)明顯提升，吹氧時(shí)間平均縮短1 min，轉(zhuǎn)爐作業(yè)率提高了2%～3%，提高了氧氣利用率，氧耗平均降低3.2 m3/t鋼，煤氣回收水平提高6.12 m3/t，同時(shí)由于噴頭射流參數(shù)合理，氧槍噴頭壽命大幅提高，平均壽命達(dá)到351爐，較原氧槍噴頭壽命提高了177爐。

5 結(jié)論

（1）轉(zhuǎn)爐尾渣的回收利用技術(shù)縮短了轉(zhuǎn)爐煉鋼的來(lái)渣時(shí)間，提高了轉(zhuǎn)爐脫磷效率，轉(zhuǎn)爐脫磷率達(dá)到了90%，比未加尾渣爐次的熔劑單耗降低12.65 kg/t。

（2）渣道返回渣的回收再利用了廢鋼資源，降低鋼鐵料1.68 kg/t鋼，節(jié)約成本4.7元/t鋼。

（3）鐵礦石、燒結(jié)礦替代廢鋼的降溫效果顯著，脫磷效果好，金屬鐵回收率達(dá)到68.76%，解決了廢鋼資源短缺對(duì)生產(chǎn)造成的影響，加入鐵礦石大于1.5 t可使終點(diǎn)磷含量達(dá)到0.009%～0.012%。目前平均耗量達(dá)到20 kg/t鋼，鋼鐵料指標(biāo)降低8.46 kg/t鋼。

（4）鞍鋼自主研制開發(fā)的5孔低能高效氧槍噴頭平均壽命351爐，轉(zhuǎn)爐吹煉時(shí)間平均縮短1 min，氧耗降低3.2 m3/t鋼，煤氣回收水平提高6.12 m3/t。

［1］ 劉玉生，孫曉娟.轉(zhuǎn)爐氧槍噴頭工藝參數(shù)的優(yōu)化與改進(jìn)［J］.山西冶金，2006，102（2）:64-66.