韓 宇 張明博 袁 娜 申澤亮 劉 虹

(河鋼股份有限公司承德分公司，河北承德 067002)

100 t轉(zhuǎn)爐應(yīng)用石灰石造渣半鋼煉鋼工業(yè)實(shí)踐

韓 宇 張明博 袁 娜 申澤亮 劉 虹

(河鋼股份有限公司承德分公司，河北承德 067002)

根據(jù)石灰石造渣制度的理論探討和成渣機(jī)理分析，對(duì)轉(zhuǎn)爐半鋼煉鋼應(yīng)用石灰石造渣工藝進(jìn)行工業(yè)實(shí)踐研究。結(jié)果表明：采用石灰石造渣工藝冶煉半鋼可使脫碳速率穩(wěn)定在0.087%/100 Nm3～0.117%/100 Nm3之間，且拉碳成功率高達(dá)91.68%，此工藝具有較好的脫磷效果，可使終點(diǎn)鋼液中[P]質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低至0.013%～0.017%；石灰石造渣工藝終渣成分與單純加入石灰造渣相比，其堿度較為相近，終渣MgO含量稍高，但是TFe含量較低，提高了金屬收得率；該工藝能夠顯著降低石灰消耗7.0～19.0 kg/t，可降低冶煉成本。

轉(zhuǎn)爐 半鋼煉鋼 石灰石 造渣工藝

目前國(guó)家對(duì)于鋼鐵企業(yè)的環(huán)保和節(jié)能減排要求越發(fā)重視，作為煉鋼產(chǎn)業(yè)中心環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)爐工序，如何更好地?fù)?dān)負(fù)低能耗和低污染任務(wù)成為企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)[1- 3]。基于節(jié)能減排理念，北京科技大學(xué)李宏研究了“轉(zhuǎn)爐石灰石替代石灰造渣煉鋼”的工藝，此工藝技術(shù)滿足了低成本、低能耗、低排放的冶煉訴求[4- 5]。國(guó)內(nèi)已有數(shù)十家鋼鐵公司應(yīng)用此方法煉鋼，并取得了良好的冶煉效果和經(jīng)濟(jì)效益。此外，在國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)增速放緩的形勢(shì)下，鋼鐵行業(yè)低迷運(yùn)行，如何既滿足冶煉工藝需求又能降低煉鋼成本，成為鋼鐵企業(yè)發(fā)展的生命力。

國(guó)內(nèi)將石灰石造渣工藝主要應(yīng)用在鐵水煉鋼方面，在半鋼煉鋼過(guò)程中采用石灰石替代石灰的研究應(yīng)用較少。因此河鋼集團(tuán)承德分公司(以下簡(jiǎn)稱“承鋼”)根據(jù)半鋼煉鋼生產(chǎn)特點(diǎn)，提出了轉(zhuǎn)爐半鋼煉鋼應(yīng)用石灰石造渣工藝的技術(shù)，并在100 t轉(zhuǎn)爐上進(jìn)行石灰石代替部分石灰造渣冶煉的工業(yè)實(shí)踐；采用單渣法對(duì)石灰石造渣冶煉工藝效果進(jìn)行初步研究，分析和探討采用石灰石半鋼煉鋼對(duì)脫碳速率、終點(diǎn)[C]含量、脫磷率、石灰消耗和爐渣成分的影響，明確了該工藝半鋼煉鋼的可行性和先進(jìn)性。

1 石灰石造渣工藝熱力學(xué)與機(jī)理分析

1.1 石灰石造渣工藝熱力學(xué)基礎(chǔ)

石灰石與石灰兩種造渣工藝的顯著區(qū)別在于石灰石分解吸收熱量并釋放出大量的CO2參與鐵水反應(yīng)，當(dāng)溫度在630～930 ℃之間時(shí)，石灰石發(fā)生分解反應(yīng)，該反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化與溫度的關(guān)系如式(1)所示。

CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)

(1)

CO2(g)+[C](l)=2CO(g)

(2)

CO2(g)+[Si](l)=1/2SiO2(s)

(3)

CO2(g)+[Mn](l)=MnO(s)

(4)

CO2(g)+[Fe](l)=FeO(s)

(5)

1.2 石灰石造渣工藝機(jī)理分析

石灰石造渣在轉(zhuǎn)爐內(nèi)需要經(jīng)歷一個(gè)由預(yù)熱、加熱到分解，進(jìn)而生成石灰的過(guò)程，進(jìn)一步參與脫磷、脫硫反應(yīng)，主要化學(xué)過(guò)程是一個(gè)吸熱反應(yīng)過(guò)程，具體反應(yīng)如式(1)所示。

開吹后轉(zhuǎn)爐內(nèi)熔池溫度一般在1 300～1 400 ℃之間，石灰石加入轉(zhuǎn)爐后瞬間承受如此高溫，急劇升溫后將促使石灰石表面碳酸鈣的分解激烈進(jìn)行，原本需要在爐外煅燒3～5 h的石灰石分解反應(yīng)在轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)由于內(nèi)外表面巨大的溫度差，使石灰石煅燒成為石灰的速度急劇加快。另外，由于石灰石分解生成大量的CO2氣體，會(huì)使得爐內(nèi)熔渣泡沫化程度提高，有利于增加石灰與熔渣反應(yīng)的表面積，同時(shí)CO2氣體的逸出會(huì)在石灰石煅燒生成的石灰表面形成諸多氣孔，石灰高氣孔率的形成會(huì)更有效地促進(jìn)石灰的快速熔化，有利于高堿度轉(zhuǎn)爐熔渣的快速形成。石灰造渣工藝吹煉初期Si、Mn的快速氧化所生產(chǎn)的SiO2與石灰中CaO在其表面形成高熔點(diǎn)物質(zhì)2CaO·SiO2，進(jìn)而影響石灰的熔化速度，而采用石灰石作為造渣材料，由于煅燒反應(yīng)不斷生成的CO2氣體的逸出，可有效地限制SiO2進(jìn)入石灰內(nèi)部，避免了高熔點(diǎn)物質(zhì)2CaO·SiO2的生成，從而有利于石灰的熔化。CO2氣體的排出以及石灰的快速熔化是相互促進(jìn)的，從化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)角度分析，這兩種生成物的排出和熔化促進(jìn)石灰石煅燒反應(yīng)的進(jìn)行，因此在保證了轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)溫度的前提下，石灰石的熱分解熔化速度并不低于石灰在爐內(nèi)的熔化速度。

2 石灰石造渣工業(yè)實(shí)踐

2.1 半鋼及原料成分

承鋼煉鋼工序流程為：鐵水預(yù)脫硫→提釩轉(zhuǎn)爐→煉鋼轉(zhuǎn)爐→(LF或RH)精煉→連鑄。含釩鐵水經(jīng)過(guò)吹氧提釩后，將鐵水中硅、錳、鈦、釩等其他易氧化元素的氧化物一起進(jìn)入爐渣，此爐渣稱為釩渣(釩渣用于制作釩鐵或釩化學(xué)制劑)。提釩后的鋼水稱為半鋼，半鋼具有較高的含碳量和一定的過(guò)熱度，保證半鋼煉鋼仍有足夠的化學(xué)反應(yīng)熱和物理熱，其具體化學(xué)成分如表1所示，溫度為1 340～1 370 ℃。本鋼廠所用石灰石粒度均勻，一般為15～35 mm，其化學(xué)成分平均值及其他造渣物料一并列于表2。

表1 半鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 造渣物料的平均成分及水分

2.2 石灰石造渣煉鋼操作過(guò)程簡(jiǎn)述

為了驗(yàn)證采用石灰石替代部分石灰工藝后轉(zhuǎn)爐造渣的效果，石灰石造渣加料順序及冶煉過(guò)程簡(jiǎn)述：

(1)在煉鋼生產(chǎn)中濺渣后不加渣料直接兌鐵，開吹著火后將石灰500 kg、白云石500 kg、包渣500 kg作為頭批渣料加入，槍位控制在2.2～2.4 m、氧壓0.81 MPa，加速氧化鐵的生成確保爐內(nèi)著火充分。

(2)觀察爐口火焰判斷化渣情況，頭批料化好后加入石灰石、石灰、輕燒白云石和生白云石，在冶煉中期根據(jù)爐內(nèi)反應(yīng)情況及時(shí)合理地控制氧槍槍位，保證氧氣射流對(duì)熔池的攪拌能力。

(3)同時(shí)密切觀察爐口火焰情況，并根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)合理配加石灰石作為降溫材料，但要注意爐內(nèi)出現(xiàn)返干時(shí)則禁止加人石灰石降溫，倒?fàn)t后測(cè)取終點(diǎn)溫度及成分并取渣樣分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

本次石灰石造渣工藝實(shí)踐共進(jìn)行有效試驗(yàn)爐次24爐，現(xiàn)將代表試驗(yàn)爐次半鋼、終點(diǎn)主要成分及各試驗(yàn)爐次造渣物料加入量一并列于表3。

表3 石灰石造渣工藝半鋼、終點(diǎn)主要成分和造渣料加入量

3.2 試驗(yàn)分析

(1)石灰石造渣對(duì)脫碳速率的影響

目前以時(shí)間結(jié)點(diǎn)判斷脫碳速率的較多，即時(shí)間單位脫碳速率為：%/min。由于受到初始碳含量、操作人員過(guò)程控制氧槍流量和槍位會(huì)有差別，因此為了準(zhǔn)確客觀評(píng)價(jià)脫碳速率，本試驗(yàn)脫碳速率的單位改為：%/100 Nm3，即供氧100標(biāo)準(zhǔn)立方米所脫除的C含量。

圖1(a)給出石灰石造渣工藝對(duì)脫碳速率的影響。由圖1(a)可以看出，采用石灰石造渣工藝冶煉半鋼脫碳速率在0.087%/100 Nm3～0.117%/100 Nm3之間，平均脫碳速率為0.097 %/100 Nm3。通過(guò)上述數(shù)據(jù)可以看出，采用石灰石的脫碳速率波動(dòng)較小，表明脫碳反應(yīng)平穩(wěn)進(jìn)行，有利于熔池溫度的平穩(wěn)上升。

(2)石灰石造渣對(duì)終點(diǎn)碳的影響

圖1 石灰石造渣工藝對(duì)脫碳速率和的終點(diǎn)碳影響

圖1(b)給出了石灰石造渣工藝對(duì)終點(diǎn)碳含量的影響。由圖1(b)可以看出， 終點(diǎn)[C]質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.05% ～ 0.20%之間，波動(dòng)范圍較大，平均終點(diǎn)[C]質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.096%。此外，本工業(yè)試驗(yàn)爐次中僅有2爐終點(diǎn)[C]質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%，按照終點(diǎn)0.06%即為拉碳成功，則拉碳成功率為91.68%。因此采用石灰石造渣工藝冶煉半鋼有利于拉碳，應(yīng)用石灰石造渣工藝冶煉高碳鋼更具優(yōu)勢(shì)。

(3)石灰石造渣對(duì)脫磷率的影響

圖2(a)給出了石灰石造渣工藝對(duì)終點(diǎn)碳含量的影響。由圖2(a)可以看出，采用石灰石造渣工藝冶煉半鋼脫磷率在73.72%～94.67%之間，平均脫磷率為88.59%。其中僅有2爐脫磷率低于80%，11爐次的脫磷率均在80.0%～90.0%之間，有11爐脫磷率在90%以上，表明采用石灰石具有較好的脫磷效果。對(duì)于承鋼半鋼條件[P]質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.116%～0.150%之間，根據(jù)上述平均脫磷率計(jì)算，可將終點(diǎn)鋼水[P]質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.013%～0.017%之間，表明采用石灰石冶煉非超低磷鋼種完全可以滿足其[P]含量的要求。

(4)石灰石造渣對(duì)噸鋼石灰消耗的影響

圖2(b)給出了石灰石造渣工藝對(duì)噸鋼石灰消耗的影響。由圖2(b)可以看出，采用石灰石造渣工藝冶煉半鋼噸鋼石灰消耗為8.0～20.0 kg/t，平均灰耗為14.75 kg/t，目前單純采用石灰冶煉半鋼平均石灰消耗為27.0 kg/t。通過(guò)上述分析可以看出，石灰石冶煉半鋼對(duì)灰耗的影響較大，可降低灰耗在7.0～19.0 kg/t之間，顯著降低噸鋼石灰消耗，但是存在石灰消耗波動(dòng)較大的問(wèn)題。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是采用石灰石冶煉半鋼爐次較少，缺乏全面的經(jīng)驗(yàn)和總結(jié)，應(yīng)提高石灰石冶煉半鋼的爐次比例，為優(yōu)化石灰石與石灰的最佳配比奠定工業(yè)試驗(yàn)基礎(chǔ)。

圖2 石灰石造渣工藝對(duì)脫磷率和石灰消耗的影響

(5)石灰石造渣對(duì)終點(diǎn)爐渣成分的影響

圖3給出了石灰石造渣工藝對(duì)冶煉半鋼終渣成分的影響，由圖3可以看出，終渣MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在11.55%～17.87%之間，MgO的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.55%。爐渣中MgO含量比單純加入石灰煉鋼略高，可以適當(dāng)降低白云石的噸鋼消耗量，以穩(wěn)定終渣MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10.0%～15.0%之間，且不會(huì)影響濺渣護(hù)爐效果；終渣TFe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在11.36%～20.97%之間，TFe的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.22%，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)比單純加入石灰煉鋼降低3.78%，因此采用石灰石造渣工藝冶煉半鋼可以提高金屬收得率；終渣二元堿度CaO%/SiO2%在3.15～4.21之間，二元堿度CaO%/SiO2%平均值為3.6，其值與單純加入石灰時(shí)基本相同。

圖3 石灰石造渣工藝對(duì)終渣成分的影響

綜上所述，采用轉(zhuǎn)爐半鋼煉鋼石灰石造渣工藝可以穩(wěn)定脫碳速率，有助于熔池溫度平穩(wěn)上升，使轉(zhuǎn)爐操作過(guò)程更加穩(wěn)定。石灰石造渣工藝具有較高的拉碳成功率和脫磷率，此工藝適合冶煉普碳鋼或非超低磷鋼鋼種，并且能夠顯著降低石灰消耗和降低冶煉成本。但是由于試驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)爐次較少，所降灰耗波動(dòng)較大，應(yīng)盡快在普碳鋼或非低磷鋼種進(jìn)行推廣，進(jìn)一步提高石灰石在造渣工藝中的應(yīng)用。

4 結(jié)論

(1)石灰石造渣工藝可以穩(wěn)定轉(zhuǎn)爐脫碳速率在0.087%/100 Nm3～0.117%/100 Nm3之間，使脫碳速率和熔池平穩(wěn)進(jìn)行；此工藝可將終點(diǎn)[C]質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.05%- 0.20%之間，拉碳成功率為91.68%；并具有較高的脫磷率，可將終點(diǎn) [P]質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.013%～0.017%之間，石灰石造渣工藝更有利于半鋼冶煉普碳鋼或非超低磷鋼。

(2)石灰石造渣工藝能夠顯著降低轉(zhuǎn)爐灰耗，采用此工藝后轉(zhuǎn)爐半鋼灰耗在8.0～20.0 kg/t，平均灰耗僅為14.75 kg/t，使灰耗降低量在7.0～19.0 kg/t之間，降低冶煉成本。

(3)終渣MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)在11.55%～17.87%之間，比單純加入石灰煉鋼略高，可以適當(dāng)降低白云石的噸鋼消耗量，以穩(wěn)定終渣MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10.0%～15.0%之間，且不會(huì)影響濺渣護(hù)爐效果；終渣TFe質(zhì)量分?jǐn)?shù)在11.36%～20.97%之間，比單純加入石灰煉鋼降低3.78%；終渣二元堿度CaO%/SiO2%在3.15～4.21之間，其值與單純加入石灰時(shí)基本相同。

[1] 王新華，朱國(guó)森，李海波，等． 氧氣轉(zhuǎn)爐“留渣+雙渣”煉鋼工藝技術(shù)研究[J]. 中國(guó)冶金,2013, 23(4):40- 46.

[2] 丁瑞鋒，馮士超，王艷紅．轉(zhuǎn)爐雙渣法少渣煉鋼工藝新進(jìn)展及操作優(yōu)化[J]. 上海金屬, 2015, 37(5):57- 61.

[3] 曲余玲，毛艷麗，景馨，等．生物質(zhì)能在鋼鐵生產(chǎn)中的應(yīng)用研究及前景分析[J]. 上海金屬, 2015, 37(5):70- 74.

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[8] 李宏，馮佳，李永卿，等．轉(zhuǎn)爐煉鋼前期石灰石分解及CO2氧化作用的熱力學(xué)分析[J]．北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33(增刊1)：83- 87．

收修改稿日期：2016- 06- 23

Industrial Practice on using Limestone as the Semi- steel Steelmaking Slagging Material in 100 t Converter

Han Yu Zhang Mingbo Yuan Na Shen Zeliang Liu Hong

(Chengde Branch, Hesteel Co., Ltd., Chengde Hebei 067002, China)

According to the forming mechanism of limestone- slagging, industrial practice and research were conducted in the converter with semi- steel and limestone slagging process. The results showed that by using limestone slagging process, the decarburization speed can reach stability between 0.087%/100 Nm3and 0.117%/100 Nm3, and the pull carbon success rate was as high as 91.68%; The process had better dephosphorization effect, which can reduce the end- point mass fraction of [P] in molten steel to 0.013%～0.017%. Compared to the lime- slagging process, slag alkalinity was similar, the MgO content of final slag was slightly higher, but the TFe content was lower by using limestone- slag process, which improved the metal yield. This process can significantly reduce the lime consumption of 7.0～19.0 kg/t and cut smelting cost.

converter, semi- steel steelmaking, limestone, slagging process

韓宇，男，主要從事轉(zhuǎn)爐提釩與煉鋼工藝研究，Email：xx_xg_hany@cdvt.com.cn

張明博，男，博士，主要從事冶金工藝及資源綜合利用研究，Email：zhangmingbo45@163.com