轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中燒結(jié)返礦應(yīng)用的生產(chǎn)實踐

吳 杰，王曉晶

（天津鋼鐵集團有限公司煉鋼廠，天津 300301)

轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中燒結(jié)返礦應(yīng)用的生產(chǎn)實踐

吳 杰，王曉晶

（天津鋼鐵集團有限公司煉鋼廠，天津 300301)

通過對燒結(jié)返礦加入轉(zhuǎn)爐后發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)進行分解，充分分析了轉(zhuǎn)爐煉鋼條件下反應(yīng)的熱力學(xué)條件和動力學(xué)條件，總結(jié)了返礦有效成分分解速率以及成渣速率的影響因素，找出影響返礦使用量的限制性環(huán)節(jié);通過研究燒結(jié)返礦對轉(zhuǎn)爐渣系的影響，以及對“鐵質(zhì)渣系”向“鈣質(zhì)渣系”轉(zhuǎn)變過程的影響，制定出添加返礦時機與數(shù)量方案，經(jīng)過實踐取得了良好的效果。

燒結(jié)返礦 反應(yīng)速率 轉(zhuǎn)爐 冶煉 堿度 脫磷 供氧強度

1 引言

鋼鐵料消耗是煉鋼工序的主要成本，是關(guān)鍵的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)。鋼鐵料消耗水平的高低直接反映出煉鋼工序技術(shù)和管理水平。為了降低天津鋼鐵集團有限公司轉(zhuǎn)爐的鋼鐵料消耗，提出用燒結(jié)返礦取代部分廢鋼的思路。但是，由于添加返礦的冷卻強度大，熔池溫度波動大，降溫不均勻等特點，在冶煉過程中加入量和加入時機會直接影響轉(zhuǎn)爐化渣效果，甚至?xí)a(chǎn)生噴濺。針對燒結(jié)返礦以上特點，對轉(zhuǎn)爐加大返礦用量以取代金屬冷料的冶煉技術(shù)進行了開發(fā)和實踐。

2 燒結(jié)返礦在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中的基本反應(yīng)原理

燒結(jié)返礦主要是由含鐵礦物及脈石兩大類組成的液相粘接在一起的多種礦物的復(fù)合體，其中含鐵礦物有磁鐵礦（Fe304)、方鐵礦（FexO)和赤鐵礦（Fe203)，粘結(jié)相主要是鐵橄欖石（熔點為1 205℃)、鈣鐵橄欖石（熔點為1 093℃)、硅灰石（熔點為1 540℃)、硅酸二鈣、硅酸二鈣和鐵酸鈣（熔點為1 449℃)等，此外還有少量反應(yīng)不完全的游離石英（SiO2)和游離石灰（CaO)等[1]。

天鋼使用的燒結(jié)返礦是粒度為Φ3～5 mm的球形顆粒，強度較高，主要分成見表1。

表1 燒結(jié)返礦的具體成分

燒結(jié)返礦是一種反應(yīng)性良好且具有一定堿度的低熔點含鐵熟料，其硫磷含量低，物理化學(xué)成分穩(wěn)定，粒度均勻，而且熔點較低。天鋼轉(zhuǎn)爐入爐鐵水溫度均在1 250℃以上，在吹煉前期熔池溫度控制在1300～1 500℃之間，返礦入爐后熔化效果較好并發(fā)生分解反應(yīng)（1)和（2)：

Fe2O3分解反應(yīng)（1)產(chǎn)生（FeO)，與返礦中帶入而且包圍在其周圍的（CaO)、（SiO2)反應(yīng)，具體反應(yīng)方程式為：

根據(jù)反應(yīng)質(zhì)量作用定律，該反應(yīng)的速率表達(dá)式[2]為：

其中，K為反應(yīng)速率的比例常數(shù)，（m3·mol-1)2·s-1;C（SiO2)為反應(yīng)物 SiO2的濃度;C（FeO)為反應(yīng)物 FeO 的濃度。

根據(jù)燒結(jié)返礦的成分分析，分解反應(yīng)結(jié)束后，返礦內(nèi)部產(chǎn)物的比例為FeO:CaO:SiO2=58.72:14.06:7.84。燒結(jié)返礦分解反應(yīng)為強吸熱反應(yīng)，周圍熔池溫度會驟然降低，導(dǎo)致周圍熔渣粘度升高，甚至產(chǎn)生暫時“結(jié)坨”現(xiàn)象，限制反應(yīng)生成的（FeO)向外擴散傳質(zhì)，進而影響成渣速率。因此成渣反應(yīng)（3)的（FeO)向外擴散傳質(zhì)為該反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)，只有加大返礦外部動力學(xué)條件，才能加快成渣反應(yīng)（3)進行。成渣反應(yīng)（3)為可逆反應(yīng)，產(chǎn)生的（FeO)會作為攜氧載體參與脫碳反應(yīng)。其反應(yīng)方程式為：

不穩(wěn)定化合物（FeO)解離出的[O]，溶入鋼水中，進行鋼水內(nèi)部脫碳，脫碳反應(yīng)產(chǎn)生的CO氣體增加熔池攪拌，提高反應(yīng)的動力學(xué)條件。

3 加大返礦用量的基本方案

轉(zhuǎn)爐煉鋼制度中分為裝料制度、供氧制度、造渣制度、溫度制度以及終點制度。返礦加入主要影響溫度制度和造渣制度，其它制度也有一定的影響。根據(jù)以上的分析以及轉(zhuǎn)爐冶煉過程中的不同時期的特點進行了返礦加入方案設(shè)計。

3.1 轉(zhuǎn)爐冶煉前期

轉(zhuǎn)爐吹煉前期是硅錳氧化期，熔池溫度一般控制在1 200～1 400℃，吹煉前期完成Si、Mn以及P的氧化，形成初期渣的融化，轉(zhuǎn)爐冶煉前期形成的渣系主要是“鐵質(zhì)”渣系及FeO-SiO2-CaO渣系[3]。該渣系的主要特點是FeO含量相對較高，二元堿度R在2左右的渣系，鋼渣之間的界面張力較大，熔渣粘度較低，熔渣極易泡沫化，容易引起噴濺，但對脫P效果明顯，對爐襯侵蝕較為嚴(yán)重，因此在轉(zhuǎn)爐二批料中要補加一點量的鎂球，以增加一點量的MgO，起到保護爐襯的作用。

為了能夠盡快形成該渣系，同時盡可能長時間保持該渣系，以達(dá)到前期脫P的目的設(shè)計，在首批料中配加一定數(shù)量的返礦，返礦在轉(zhuǎn)爐冶煉前期加入主要發(fā)生分解反應(yīng)（1)和（2)，以及反應(yīng)分解產(chǎn)物（FeO)成渣反應(yīng)（3)，反應(yīng)（1)和（2)能夠產(chǎn)生（FeO)，同時反應(yīng)（3)能促進活性石灰熔化。推進“鐵質(zhì)”渣系的形成。根據(jù)脫磷理論，脫磷反應(yīng)是在鋼-渣界面反應(yīng)，是強放熱反應(yīng)，其反應(yīng)式[2]為:

隨著石灰的融化，熔渣堿度進一步升高，同時也會發(fā)生如下反應(yīng)[2]：

磷的氧化產(chǎn)物3CaO·P2O5在爐渣中是不穩(wěn)定的，當(dāng)熔池溫度高于1 500℃時，反應(yīng)就會逆向移動，磷重新回到鋼中。反應(yīng)（1)和和反應(yīng)（3)均為吸熱反應(yīng)，能夠有效緩解前期溫度升高太快，推遲C-O反應(yīng)時間，增加“鐵質(zhì)”渣系維持時間，達(dá)到前期深脫P的效果。因此轉(zhuǎn)爐吹煉前期是返礦加入較理想的時期，但是返礦加入量太大，導(dǎo)致熔池溫度太低，不能達(dá)到CO大量氧化的溫度，造成渣中（FeO)積累，引起低溫噴濺。實際操作中，前期返礦加入量根據(jù)鐵水溫度和鐵水Si含量進行調(diào)整。

3.2 轉(zhuǎn)爐冶煉中期

轉(zhuǎn)爐吹煉中期是碳高速氧化期，熔池溫度一般控制在1 450～1 600℃左右，主要任務(wù)是激烈脫碳。由于此過程溫度升高太快，C-O反應(yīng)劇烈，（FeO)消耗較快，當(dāng)供氧強度小于脫碳反應(yīng)消耗“O”時，出現(xiàn)“返干”現(xiàn)象，在這一時期渣系將完成由“鐵質(zhì)”渣系向“鈣質(zhì)”渣系[3]轉(zhuǎn)變的過程，渣中FeO含量降低，CaO比例增加，堿度進一步提高。

“鈣質(zhì)”渣系的主要特點是熔渣熔點高、堿度高，P在渣中的存在形態(tài)由（3CaO·P2O5)向（4CaO·P2O5)轉(zhuǎn)變，變得更為穩(wěn)定，其反應(yīng)式[2]為:

由于在吹煉中期C-O反應(yīng)劇烈，熔池溫度升高太快，消耗的（FeO)增加，渣系中（FeO)含量較低，熔渣黏度增加，導(dǎo)致反應(yīng)（6)向逆向進行。同時，渣中（FeO)降低，直接影響反應(yīng)（7)正向反應(yīng)，熔池溫度升高，觸發(fā)脫P 反應(yīng)（5)和反應(yīng)（6)向逆向進行，導(dǎo)致鋼水“回P”。因此，考慮在反應(yīng)中期添加部分返礦。在反應(yīng)中期加入返礦，主要有3個作用：第一，在轉(zhuǎn)爐冶煉中期加入燒結(jié)返礦首先發(fā)生反應(yīng)（1)，返礦分解吸熱，起到調(diào)節(jié)熔池溫度的作用，防止脫碳反應(yīng)太激烈導(dǎo)致渣中（FeO)降低太快出現(xiàn)“返干”現(xiàn)象，減少熔渣向鋼水返P;第二，返礦分解產(chǎn)生的（FeO)參與成渣反應(yīng)（3)，緩解熔池“返干”現(xiàn)象，避免金屬噴濺或粘槍事故發(fā)生;第三，返礦分解產(chǎn)生的（FeO)元素被鐵水中的[C]還原，生成單質(zhì)鐵，提高鋼水收得率，同時返礦中帶入的（O)參與脫碳反應(yīng)，增加轉(zhuǎn)爐供氧強度，降低氧氣消耗量，縮短吹煉周期。由于這一時期熔池溫度較高，返礦加入后在很短時間內(nèi)就可以完成反應(yīng)（1)分解反應(yīng)，同時由于熔池也比較活躍，動力學(xué)條件較好，反應(yīng)成渣反應(yīng)（3)也很快完成，部分（FeO)還參與了反應(yīng)脫碳反應(yīng)（2)，因此轉(zhuǎn)爐冶煉中期是返礦大量加入較理想的時期。

3.3 轉(zhuǎn)爐冶煉后期

在轉(zhuǎn)爐吹煉后期，鋼水中的碳含量降低，脫碳反應(yīng)趨于平緩，熔池攪拌力減弱，出現(xiàn)（FeO)回升現(xiàn)象，熔渣的特性依然以鈣質(zhì)渣系為主，熔渣的堿度較高，甚至出現(xiàn)游離的（CaO)，大大提高了渣中（MnO)活度，鋼渣之間會發(fā)生“回錳”脫碳反應(yīng)。在這個時期不宜加入大量的返礦，首先，因為返礦加入后發(fā)生反應(yīng)（1)，導(dǎo)致后期熔池溫度降低，影響轉(zhuǎn)爐終點溫度;其次，由于熔渣堿度較高，流動性相對較差，動力學(xué)條件不足，降低返礦分解產(chǎn)物成渣速率，影響轉(zhuǎn)爐終點控制和濺渣效果。因此返礦在后期加入量要適當(dāng)控制。

4 應(yīng)用后取得的效果

根據(jù)上述分析，制定出了合理的返礦添加控制工藝，使得燒結(jié)返礦在天鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼使用以來，工藝技術(shù)日臻完善，操槍工的操作技能和熟練程度迅速提高。目前基本實現(xiàn)了30 kg/t鋼的使用量，而且有效地提高了轉(zhuǎn)爐渣鋼之間的分配系數(shù)，并達(dá)到了與溫度兩者協(xié)調(diào)控制的水平，達(dá)到了降低鋼鐵料消耗的目的。2011-10—2012-01期間燒結(jié)返礦加入量及鋼鐵料消耗表見圖1。

圖1 2011-11—2012-01期間天鋼120 t轉(zhuǎn)爐燒結(jié)返礦使用量與鋼鐵料消耗

5 結(jié)論

通過以上分析和現(xiàn)場跟蹤實踐，得出以下幾點結(jié)論：

（1)燒結(jié)返礦在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中，對熔池溫度影響最大，加入不當(dāng)會引起噴濺或終渣“結(jié)坨”現(xiàn)象。

（2)燒結(jié)返礦在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，分解產(chǎn)生的（FeO)成渣速率為返礦使用的限制性環(huán)節(jié)。

（3)燒結(jié)返礦在轉(zhuǎn)爐中應(yīng)用最理想的加入時期是在轉(zhuǎn)爐冶煉過程的前、中期。

（4)燒結(jié)返礦代替金屬冷料，不但可以維持轉(zhuǎn)爐煉鋼過程的熱平衡，而且調(diào)整靈活，可提高轉(zhuǎn)爐鋼渣之間的分配系數(shù)。

（5)燒結(jié)返礦在轉(zhuǎn)爐煉鋼中的合理應(yīng)用，不但可以有效降低鋼鐵料消耗，同時具有增加轉(zhuǎn)爐的供氧強度，降低氧氣消耗量和縮短冶煉周期的潛力。

[1]黃希估.鋼鐵冶金原理[M].3版.北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

[2]趙俊學(xué).冶金原理[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

Production Practice of Return Sinter Ore Application in Converter Steel-making

Wu Jie,Wang Xiaojing

(TISG Steel-making Subsidiary,Tianjin 300301,China)

Taking apart chemical reaction after return sinter ore addition into converter,the authors thoroughly analyze the thermal and dynamic conditions of converter steel-making reaction, summarize the influencing factors of the decomposition rate of return ore effective composition and slag building rate,and find out the links restraining return ore utilization quantity.A plan for the timing and quantity of return ore addition was formulated through study on the influence of return sinter ore on converter slag composition and transformation from iron based slag to calcium based slag.Good effect was achieved in practice.

return sinter ore,reaction rate,converter,melting,basicity,dephosphorization,oxygen injection intensity

吳杰（1984—)，男，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，主要從事轉(zhuǎn)爐方面的研究工作，E-mail:53562421@qq.com。

（收稿 2012-02-20 編輯 潘娜)