釩鈦鐵水的轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝實(shí)踐

謝 祥，楊龍飛，楊昌濤，伍從應(yīng)，王 劼，高長益

(1.首鋼水城鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司煉鋼廠，貴州 六盤水 553028；2.首鋼水城鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司技術(shù)中心，貴州 六盤水 553028)

1 引言

由于優(yōu)質(zhì)鐵礦石資源日趨緊張且價(jià)格昂貴，而釩鈦鐵礦石價(jià)格相對(duì)較低。水鋼從2008年開始，高爐煉鐵逐步提高釩鈦鐵礦的配比，配比達(dá)到7%～15%，鐵水中平均Ti含量達(dá)到0.12%～0.30%，V含量為0.15%～0.35 %，鐵水成分見表1。由于水鋼沒有鐵水釩鈦提取工藝，直接使用釩鈦鐵水煉鋼，對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝過程造成較大影響，主要表現(xiàn)在前期爐渣難化，去P效果差，終點(diǎn)倒?fàn)t鋼水P高，后吹爐次多，以及冶煉中期金屬噴濺大幅度增加[1-2]，金屬損失非常嚴(yán)重，導(dǎo)致煉鋼的鋼鐵料消耗最高達(dá)到1091 kg/t。同時(shí)，影響鋼水成分的穩(wěn)定，尤其影響抗震鋼的煉鋼命中率。

表1 含釩鈦鐵水成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2 存在的問題及分析

2.1 轉(zhuǎn)爐前期渣難化

由于釩與氧的親和力較強(qiáng)，介于硅、錳之間，因此在吹煉初期的低溫條件下，鐵水中的釩優(yōu)先被氧化成低價(jià)化合物，即高熔點(diǎn)的氧化物V2O3，其反應(yīng)式為：2[V]+3(FeO)=(V2O3)+3[Fe]。

V2O3在前期渣中比較穩(wěn)定，可與亞氧化物形成各類尖晶石，釩鈦尖晶石可溶解于亞氧化物或亞氧化物的硅酸鹽中，導(dǎo)致爐渣的熔點(diǎn)提高，而且在一定程度上阻止了渣中FeO的形成和積累，從而使前期化渣困難，使轉(zhuǎn)爐吹煉的前期低溫、高堿度、高FeO的去P條件被破壞，去P的最佳時(shí)間被延誤。吹煉終點(diǎn)倒?fàn)t鋼水P高，[P]≥0.03%的爐次占30%，造成倒?fàn)t次數(shù)多、拉后吹、影響生產(chǎn)節(jié)奏，侵蝕轉(zhuǎn)爐爐襯，嚴(yán)重影響濺渣護(hù)爐效果[3-5]。

2.2 鋼水成分不穩(wěn)定

由于倒?fàn)t次數(shù)多，造成后吹爐次多，終點(diǎn)出鋼碳低，鋼中氧含量高，導(dǎo)致脫氧合金化時(shí)加入的增碳劑和脫氧劑及合金相應(yīng)增加，同時(shí)由于鋼中氧含量的不同，使加入的增碳劑和合金的收得率也不同，收得率不穩(wěn)定，鋼水成分控制也不穩(wěn)定。

2.3 易造成金屬噴濺

在吹煉初期的低溫條件下，鐵水中的釩優(yōu)先被氧化成低價(jià)化合物，即高熔點(diǎn)的氧化物V2O3,導(dǎo)致爐渣的熔點(diǎn)提高，從而使前期化渣困難。隨著氧槍的不斷供氧，轉(zhuǎn)爐熔池溫度的不斷升高，碳氧反應(yīng)增強(qiáng)，不斷生成CO。由于前期化渣不好，生成CO就難以排出。在CO不斷富集和氧槍射流的作用下，CO強(qiáng)行外排，將爐渣和金屬強(qiáng)行推出爐外，造成夾帶金屬噴濺。通過現(xiàn)場(chǎng)跟蹤，我廠100 t轉(zhuǎn)爐每發(fā)生一次大噴造成金屬損失約3～6 t。

3 工藝優(yōu)化與改進(jìn)

3.1 改變前期槍位和加料方式，促進(jìn)前期早化渣，控制轉(zhuǎn)爐噴濺

(1)開吹后，為防止V2O3造成爐渣不化，第一批渣料只加入總量的3/5左右，前期采用高槍位吹煉，待爐渣化透后再適當(dāng)降低槍位，使?fàn)t渣盡可能在3分鐘內(nèi)化透，并且使?fàn)t溫迅速提高，減少V2O3的形成，避免形成釩鈦尖晶石，使釩的氧化按以下反應(yīng)式進(jìn)行：2[V]+5(FeO)=(V2O5)+5[Fe]。通過提前化渣和提高前期溫度，使V2O5在3～5分鐘內(nèi)生成，保證轉(zhuǎn)爐前期的去磷效果。

(2)從釩鈦鐵水冶煉的特點(diǎn)可以看出，控制噴濺的關(guān)鍵在前期，為了有效控制噴濺，結(jié)合釩鈦鐵水冶煉工藝特點(diǎn)，采取以下控制措施：提前化渣，提前生成V2O5，因?yàn)樘佳醴磻?yīng)劇烈的時(shí)段在吹煉到5分鐘左右時(shí)，以避免V2O5的形成滯后與碳氧反應(yīng)期不同步，造成吹煉進(jìn)入碳氧反應(yīng)劇烈時(shí)突然化渣造成噴濺。

(3)在吹煉至5分鐘左右時(shí)，根據(jù)化渣情況，在發(fā)生噴濺前，將氧氣流量從18 500 m3/h調(diào)整到13 500 m3/h，減緩碳氧反應(yīng)速度，防止?fàn)t內(nèi)反應(yīng)速度過快，導(dǎo)致瞬間產(chǎn)生大量的CO氣體，將已經(jīng)變稀的爐渣推出形成噴濺，吹煉至6～7分鐘時(shí)，待噴濺現(xiàn)象減緩后再逐步將流量恢復(fù)。如果在調(diào)整氧氣流量后仍然不能有效控制噴濺，則在噴濺前立即加入泡沫渣抑制劑，泡沫渣抑制劑的成分見表2。由于該抑制劑主要由易燃易揮發(fā)物質(zhì)組成,在加入時(shí)能迅速破壞轉(zhuǎn)爐泡沫渣的氧化氣氛, 并迅速燃燒揮發(fā),促使碳氧反應(yīng)產(chǎn)生的大量CO氣體能順利排除，從而有效控制噴濺的產(chǎn)生。

表2 泡沫渣抑制劑化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

(4)動(dòng)態(tài)控制轉(zhuǎn)爐熱量，防止熱量過度富余造成噴濺或熱量不足造成鋼水過氧化。當(dāng)熱量過度富余時(shí)，如果升溫過快，使碳氧反應(yīng)提前，與V2O5的生成同步，就很容易在劇烈的碳氧反應(yīng)作用下提前產(chǎn)生噴濺，因此，根據(jù)鐵水的物理和化學(xué)熱及時(shí)調(diào)整鐵水入爐量，保證合理的轉(zhuǎn)爐熱量是控制噴濺的重要手段。同時(shí)，由于釩鈦鐵水冶煉前期渣料加入相對(duì)較少，而釩、鈦的氧化本身也是放熱反應(yīng)，如果第二批渣料不及時(shí)加入，就會(huì)造成爐內(nèi)升溫過快引起噴濺，因此，第二批料加入要適當(dāng)提前，并做到少量多批加入，確保前期均勻升溫，防止?fàn)t溫忽高忽低，使?fàn)t內(nèi)反應(yīng)從Si、Mn和V、Ti的氧化平穩(wěn)地過渡到碳氧反應(yīng)期，從而有效控制前期噴濺。

(5)吹煉中期，由于V2O5和TiO2降低了爐渣的熔點(diǎn)，爐渣比較好化，因此，正常情況下不要使用化渣劑，槍位控制比普通鐵水低，特別是要防止長時(shí)間吊槍操作，在吊槍過程中一旦發(fā)現(xiàn)爐渣開始化就必須立即降槍操作，否則，待爐渣化透后再壓槍就容易產(chǎn)生大噴，這就需要提高搖爐工判斷火焰的能力，做到超前控制。

3.2 渣中FeO控制

渣中FeO含量多少?zèng)Q定了爐渣低熔點(diǎn)相的數(shù)量，研究表明，渣中FeO含量從9%提高到30%時(shí)，爐渣的初始流動(dòng)溫度從1642 ℃降低到1350 ℃，見圖1。因此，降低渣中的FeO含量，減少渣中低熔點(diǎn)相數(shù)量，能有效彌補(bǔ)釩鈦對(duì)爐渣熔點(diǎn)的降低，提高濺渣護(hù)爐效果。

圖1 FeO含量與爐渣熔點(diǎn)的關(guān)系

降低渣中FeO含量主要通過拉碳來實(shí)現(xiàn)。在操作上，我們以提高“C、P、溫度三命中”為目標(biāo)，重點(diǎn)抓好過程控制，提高操作工對(duì)爐渣和溫度的判斷能力，防止“噴濺”和“返干”的產(chǎn)生，確保一次倒?fàn)t鋼水[P]≤0.025 %，減少三次倒?fàn)t率；終點(diǎn)控制采用“高拉碳補(bǔ)吹”法，要求倒?fàn)t鋼水[C]≥0.20%，溫度控制在1620～1660 ℃，防止鋼水過氧化。同時(shí)，要求終點(diǎn)壓槍時(shí)間必須大于40秒，使渣中部分FeO得到還原，并有效提高爐渣的粘度。在管理上，根據(jù)鐵水條件及時(shí)調(diào)整合適的轉(zhuǎn)爐熱量，為操作創(chuàng)造良好的拉碳條件，通過對(duì)操作人員培訓(xùn)和增加鋼樣快速化驗(yàn)手段，提高爐長判斷終點(diǎn)碳的水平，使?fàn)t長能拉碳、敢拉碳。通過采取有效措施，我廠冶煉低碳合金鋼時(shí)，出鋼碳控制在0.10%～0.15%，命中率達(dá)到70%以上，冶煉中高碳鋼時(shí)，出鋼碳控制在0.15%～0.60%，命中率達(dá)到75%以上，有效降低了轉(zhuǎn)爐冶煉終渣中的FeO含量，渣中FeO平均含量從12.71%降低到9.53%。

3.3 渣中MgO含量控制

MgO在渣中的作用，一方面可以稠化爐渣，提高爐渣的粘度；另一方面可以吸收渣中FeO并與之形成連續(xù)固溶體。實(shí)踐證明，當(dāng)渣中FeO含量為9%、MgO含量為8%時(shí)，進(jìn)一步增加MgO含量能有效提高爐渣熔化溫度，見圖2。

圖2 MgO含量與爐渣熔點(diǎn)的關(guān)系(FeO為9%時(shí))

因此，用釩鈦鐵水冶煉時(shí)，在正常鐵水冶煉的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加輕燒白云石用量，將渣中MgO從原來的8%～12%提高到10%～13%，能有效降低V、Ti對(duì)爐渣粘度和耐火度的影響，避免爐渣過稀，提高爐渣熔點(diǎn)和濺渣護(hù)爐效果。同時(shí)，由于前期渣中FeO含量較高，在開吹后將白云石加入量增加到總量的2/3以上，迅速提高渣中MgO含量，既可降低前期渣對(duì)濺渣層的侵蝕，又可以降低爐渣熔點(diǎn)，促進(jìn)化渣，提高去磷效果和轉(zhuǎn)爐拉碳水平。

3.4 爐渣堿度控制

當(dāng)爐渣堿度(CaO/SiO2)在3以下時(shí)，即使有較高的MgO含量，但在濺渣層的巖相結(jié)構(gòu)中，粗大的板條狀3CaO·SiO2顯著減少，點(diǎn)狀和針狀的2CaO·SiO2明顯增多，導(dǎo)致濺渣層抗高溫和耐侵蝕的能力都明顯降低。但是，堿度過高，冶煉過程不易控制，容易產(chǎn)生“返干”，影響脫磷和脫硫效果，造成多次倒?fàn)t和鋼水過氧化，反而影響濺渣護(hù)爐效果。當(dāng)堿度控制在3.5左右時(shí)，MgO含量達(dá)到或略超過飽和溶解度，使渣中的MgO以方鎂石的形態(tài)析出，通過降低渣中FeO含量，可以使CaO和SiO2富集在方鎂石晶體之間并生成堿度高的結(jié)晶相，如2CaO·SiO2、3CaO·SiO2等高溫固相，從而減少了晶界中低熔點(diǎn)相的數(shù)量，降低了V2O5和TiO2對(duì)爐渣熔點(diǎn)的影響[1,6]，有效提高濺渣層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗侵蝕能力。因此，將終渣堿度控制在3.0～3.6最為合適，既有利于冶煉過程控制，達(dá)到去除P、S效果，又能確保爐渣耐火度。控制爐渣堿度主要通過操作入手，要求操作工及時(shí)了解鐵水成分情況，根據(jù)鐵水Si含量計(jì)算加入石灰量，計(jì)算公式[7]如下：

式中R表示爐渣堿度。通過計(jì)算加入石灰，爐渣平均堿度從3.72降低到3.43，既能滿足冶煉要求，又能滿足濺渣護(hù)爐需要。

3.5 品種鋼造雙渣工藝優(yōu)化

當(dāng)采用雙渣操作冶煉高碳品種鋼時(shí)，前期渣料加入量為總渣料的1/2～2/3，前期堿度控制在2.4～2.8，加入500 kg污泥球或鐵礦石以及100 kg螢石，槍位控制在距液面1.4～1.8 m，保證前期渣化透發(fā)泡，要確保在倒初期渣時(shí)能倒出總渣量的1/2，此時(shí)的倒?fàn)t溫度要控制在1370～1400 ℃之間，因?yàn)樵诖藴囟认氯菀兹チ住５诙卧煸禑挄r(shí)加入200 kg螢石和二批渣料，同時(shí)保證全程化渣，終渣堿度控制在3.5左右，終點(diǎn)倒?fàn)t溫度控制在1590～1620 ℃，避免倒?fàn)t碳高時(shí)溫度高對(duì)去P不利，終點(diǎn)壓槍時(shí)間大于40秒以加強(qiáng)爐內(nèi)攪拌。通過這些工藝的調(diào)整，高碳品種鋼冶煉時(shí)，一次倒?fàn)t鋼水[P]≤0.015%的占95%以上，出鋼[C]在0.2%～0.35%的占93%，大大提升了高碳品種鋼的質(zhì)量。

4 結(jié)語

通過對(duì)釩鈦鐵水冶煉工藝的研究和實(shí)踐，增加了我們對(duì)釩鈦鐵水冶煉的認(rèn)識(shí)，并結(jié)合釩鈦鐵水冶煉和濺渣護(hù)爐工藝特點(diǎn)，對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化，取得良好效果,具體如下：

(1)通過優(yōu)化渣料加入、槍位和溫度的控制，結(jié)合變槍變壓操作和泡沫渣抑制劑的使用，使轉(zhuǎn)爐噴濺得到有效控制。噴濺率從16%降低到4.6%，轉(zhuǎn)爐金屬收得率明顯提高，鋼鐵料消耗從1091 kg/t降低到1084 kg/t。

(2)通過優(yōu)化爐渣結(jié)構(gòu)，濺渣護(hù)爐效果得到顯著提高，爐況告急和金屬液面下降的現(xiàn)象得到有效控制，確保了生產(chǎn)的穩(wěn)定順行，轉(zhuǎn)爐爐齡在釩鈦鐵水冶煉條件下仍然得到較大提高，煉鋼廠1# 100 t轉(zhuǎn)爐爐齡達(dá)到了25 426爐，2# 100 t轉(zhuǎn)爐爐齡達(dá)到了25 585爐。

(3)在冶煉品種鋼時(shí)，拉碳出鋼水平得到大大提高。為提高品種鋼質(zhì)量創(chuàng)造了條件，提高了終點(diǎn)控制水平和命中率。