轉(zhuǎn)爐加入生鐵塊提高廢鋼比的冶煉工藝

潘 軍，鄧南陽(yáng)，胡春林，周 軍，趙 濱，劉 威

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司長(zhǎng)材事業(yè)部，安徽馬鞍山 243000)

在鋼鐵生產(chǎn)流程中，廢鋼作為可回收的再生資源，相比于傳統(tǒng)長(zhǎng)流程工藝，其CO2排放量降低73%、粉塵排放降低90%、能耗降低59%[1-3]。近年，眾多學(xué)者開(kāi)展了提高轉(zhuǎn)爐廢鋼比的研究，并取得了較好的應(yīng)用效果。如Manabe 等[4]通過(guò)提升爐內(nèi)碳氧反應(yīng)二次燃燒率及燃燒向熔池的傳熱效率，熔池的碳氧反應(yīng)放熱可提升88.3%以上，有利于提高轉(zhuǎn)爐廢鋼比；Zhang 等[5]通過(guò)優(yōu)化氧槍噴頭、槍位控制、添加提溫劑等措施，入爐廢鋼比由7.41%提高至13.48%；肖龍?chǎng)蔚萚6]研究了鐵水成分、鐵水質(zhì)量、鐵水溫度、出鋼溫度以及留渣操作等工藝參數(shù)對(duì)廢鋼加入量的影響，通過(guò)采用留渣操作、適當(dāng)提高鐵水溫度、減少輔料消耗以及適當(dāng)降低轉(zhuǎn)爐出鋼溫度等措施，廢鋼比由16.4%提高至21.3%。由此可見(jiàn)，隨著廢鋼量增加和廢鋼價(jià)格下降，提高入爐廢鋼比是企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)鐵增鋼、降本增效的重要技術(shù)手段。

馬鞍山鋼鐵股份公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)馬鋼)現(xiàn)有4座65 t轉(zhuǎn)爐，為保公司鐵鋼平衡，獲得更高利潤(rùn)，要求提高廢鋼比。但隨廢鋼比逐步提高，鐵水提供的熱量(物理熱和化學(xué)熱)不滿(mǎn)足轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度控制的要求，需通過(guò)熱補(bǔ)償工藝來(lái)保證轉(zhuǎn)爐冶煉的穩(wěn)定順行。鑒于此，結(jié)合馬鋼現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，研究采用生鐵塊熱補(bǔ)償工藝提高廢鋼比對(duì)轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程的影響，為轉(zhuǎn)爐實(shí)現(xiàn)低成本、高效率冶煉生產(chǎn)提供保障。

1 生鐵塊熱效應(yīng)測(cè)算

1.1 原始數(shù)據(jù)

實(shí)際生產(chǎn)中，入爐鐵水條件和目標(biāo)鋼水條件是隨冶煉鋼種及冶煉條件隨機(jī)變化的，以普碳鋼Q235B 生產(chǎn)條件為依據(jù)，在轉(zhuǎn)爐原有物料平衡和熱平衡的基礎(chǔ)上，進(jìn)行生鐵塊熱效應(yīng)測(cè)算。2020 年1—3 月馬鋼冶煉普碳鋼Q235B 相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1～2，各物料的質(zhì)量熱容如表3[7]、煉鋼溫度條件下反應(yīng)熱效應(yīng)如表4[8]。表中：cs，平均為固態(tài)平均質(zhì)量熱容量；cl或g為液態(tài)或氣態(tài)平均質(zhì)量熱容；q熔為熔化潛熱。

表1 生鐵塊和廢鋼合金元素的成分Tab.1 Composition of alloy elements of pig iron block and scrap

表3 各物料的質(zhì)量熱容Tab.3 Mass heat capacity of each substance

表4 煉鋼溫度條件下的反應(yīng)熱效應(yīng)Tab.4 Reaction heat effect at steelmaking temperature

1.2 測(cè)算條件

為方便計(jì)算，參考文獻(xiàn)[9]，設(shè)定如下測(cè)算條件：生鐵塊、廢鋼入爐溫度25 ℃，純鐵熔點(diǎn)1 536 ℃；爐氣平均溫度1 450 ℃；金屬中燒損的碳有90%氧化為CO，10%氧化為CO2；爐氣中自由氧的體積分?jǐn)?shù)為0.5%；馬鋼轉(zhuǎn)爐終渣量為90 kg/t 鋼，轉(zhuǎn)爐渣中TFe 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%，其中爐渣中w(FeO)=1.35w(Fe2O3)；煙塵損失為鋼鐵料量的1.16%，其中w(FeO)=77%，w(Fe2O3)=20%；鋼水收得率為92%；轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)爐渣溫度與鋼水溫度相同；渣中鐵水量為渣量的8%；噴濺鐵損為鐵水量的1%；吹煉過(guò)程轉(zhuǎn)爐熱輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)傳熱、冷卻水等帶走的熱量一般占總熱量收入的3%～8%，測(cè)算時(shí)取5%。

1.3 測(cè)算結(jié)果

以100 kg 生鐵塊為計(jì)算依據(jù)，對(duì)加入生鐵塊后轉(zhuǎn)爐熱平衡進(jìn)行測(cè)算，結(jié)果如表5。其中：熱收入項(xiàng)有生鐵塊物理熱、元素氧化放熱及成渣熱、煙塵氧化熱；熱支出項(xiàng)有鋼水物理熱、爐渣物理熱、煙塵物理熱、爐氣物理熱、鐵珠及噴濺金屬物理熱、其他熱損失、富余熱值。

表5 加入生鐵塊后轉(zhuǎn)爐熱平衡測(cè)算結(jié)果Tab.5 Calculation results of converter heat balance after adding pig iron block

鋼水熔點(diǎn)t鋼水計(jì)算公式[10]：

式中：1 536 ℃為純鐵熔點(diǎn)；65，5，30，25 ℃分別為C，Mn，P，S 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加1%時(shí)，鋼水熔點(diǎn)的降低值；7 ℃為氣體O，N，H共降低鋼水的熔點(diǎn)。

1 kg廢鋼吸收熱量Q廢鋼計(jì)算公式[11]：

式中：cg為廢鋼固態(tài)質(zhì)量熱容；t熔點(diǎn)為鋼水熔點(diǎn)；t初始為廢鋼初始溫度；q熔為廢鋼熔化潛熱；cl為鋼水液態(tài)質(zhì)量熱容；t終點(diǎn)為鋼水終點(diǎn)溫度。

將表2中的相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1)，(2)，得到1 kg廢鋼冷卻效應(yīng)為1 437.21 kJ，由表5可知100 kg生鐵塊氧化放熱富余熱量為43 511.24 kJ。由此說(shuō)明，廢鋼冷卻效應(yīng)約為等量生鐵塊熔化后氧化放熱富余熱量的1/4。

表2 入爐鐵水、終點(diǎn)鋼水合金元素的成分及溫度Tab.2 Alloy element composition and temperature of molten iron and final molten steel

2 試驗(yàn)及過(guò)程控制

依據(jù)生鐵塊與廢鋼的熱效應(yīng)測(cè)算結(jié)果，在滿(mǎn)足轉(zhuǎn)爐熱平衡的基礎(chǔ)上，開(kāi)展轉(zhuǎn)爐加入生鐵塊提高廢鋼比冶煉工業(yè)試驗(yàn)。轉(zhuǎn)爐裝入量工藝要求(72±0.5)t，其中鐵水裝入量55.28～61.16 t，廢鋼裝入量9.76～12.42 t，生鐵塊裝入量0～6.87 t，平均廢鋼比17.21%。試驗(yàn)在馬鋼65 t 轉(zhuǎn)爐上進(jìn)行，吹煉氧槍為4 孔噴頭、供氧強(qiáng)度3.2～3.6 m3·t-1·min-1，氧槍噴頭工藝參數(shù)見(jiàn)表6。轉(zhuǎn)爐主要造渣料技術(shù)指標(biāo)：冶金石灰w(CaO)≥85%，w(SiO2)≤3.50%，w(S)≤0.06%，活性度≥250 ML，w(酌減)≤10%；輕燒鎂球w(MgO)≥60%，w(SiO2)≤8%，w(水分)≤2%。

表6 氧槍噴頭工藝參數(shù)Tab.6 Process parameters of oxygen lance nozzle

轉(zhuǎn)爐加入生鐵塊后，因廢鋼和生鐵塊冷卻效應(yīng)不同，冶煉過(guò)程操作將發(fā)生較大變化，對(duì)于供氧壓力和槍位均采用“高-低-高”的控制原則，對(duì)于造渣料采取小批量分批加料原則。圖1 為加入生鐵塊后轉(zhuǎn)爐冶煉操作過(guò)程控制參數(shù)。

圖1 加入生鐵塊后轉(zhuǎn)爐冶煉操作過(guò)程控制參數(shù)Fig.1 Control parameters of converter smelting operation process after adding pig iron block

由圖1可看出：加入生鐵塊后，由于前期熔池溫度低，吹煉初期，需利用大氧壓、低槍位加速熔池硅、錳反應(yīng)，快速提升熔池溫度，過(guò)程加入總量的輕燒鎂球和總量1/2 的石灰，隨后多批次少量補(bǔ)充剩余石灰；冶煉中期，C—O 反應(yīng)劇烈，渣中氧化鐵含量迅速降低，通過(guò)提高槍位使渣中氧化鐵含量上升，起到加速石灰熔化和提升熔池成渣速度的作用，進(jìn)而提高鋼渣反應(yīng)界面，加速脫磷；吹煉后期，C—O 反應(yīng)逐漸衰弱，適當(dāng)降低槍位，加強(qiáng)熔池?cái)嚢?，均勻鋼水成分和溫度?/p>

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 生鐵塊加入量對(duì)熔池溫降的影響

熔池溫度對(duì)廢鋼和石灰熔化有直接的影響。加入生鐵塊后，由于熔池較長(zhǎng)時(shí)間處于低溫低堿度狀態(tài)，隨著吹煉過(guò)程中SiO2的聚集，加入轉(zhuǎn)爐內(nèi)石灰表層的CaO 易與SiO2反應(yīng)生成高熔點(diǎn)的2CaO·SiO2，且附著在石灰表面，會(huì)阻礙石灰進(jìn)一步熔化[12-13]。生鐵塊加入量與熔池降溫的關(guān)系如圖2。由圖2可看出：隨著生鐵塊加入量的增加，熔池溫降呈逐漸增大趨勢(shì)；當(dāng)生鐵塊加入比例(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)超過(guò)6%時(shí)，熔池溫降超過(guò)100 ℃，且下降趨勢(shì)較明顯。李經(jīng)哲等[14]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熔池溫度降低100 ℃時(shí)，金屬黏度將增加0.18 Pa·s，金屬黏度升高會(huì)降低熔池傳熱、傳質(zhì)速度，進(jìn)而影響吹氧區(qū)熱量向熔池其他部分傳遞的速度。因此，生鐵塊加入比例應(yīng)控制在不超過(guò)鋼鐵料的6%為宜。

圖2 生鐵塊加入量與熔池溫降的關(guān)系Fig.2 Relationship between the amount of pig iron block added and the temperature drop of molten pool

3.2 生鐵塊加入量對(duì)熔池升溫的影響

加入生鐵塊后，由于生鐵塊與廢鋼冷卻效應(yīng)存在差異，會(huì)對(duì)熔池升溫速度產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)生鐵塊加入比例為5%時(shí)，熔池的升溫曲線(xiàn)如圖3。由圖3可看出：生鐵塊加入比例為5%時(shí)，冶煉初期爐內(nèi)溫度上升緩慢，這是由于生鐵塊加入后，廢鋼與生鐵塊熔化吸收熔池較多的熱量，前期熔池升溫速度低，碳氧反應(yīng)滯后；吹煉至4 min時(shí)，碳成為主要的氧化元素，隨著碳氧反應(yīng)進(jìn)行，熔池?cái)嚢韬蜕郎厮俣燃涌?，熔池底部生鐵塊熔化速度加快，且隨著吹煉的進(jìn)行，生鐵塊熔化后釋放出一定量的碳、硅、磷等發(fā)熱元素氧化放熱，一定程度上有助于熔池溫度的提升[15]。

圖3 生鐵塊加入后熔池溫升曲線(xiàn)Fig.3 Temperature rise curve of molten pool after adding pig iron block

3.3 生鐵塊加入量對(duì)終點(diǎn)控制的影響

生鐵塊的加入對(duì)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制的影響主要表現(xiàn)在吹煉終點(diǎn)磷命中率波動(dòng)大和氧耗增加兩個(gè)方面。生鐵塊加入量對(duì)終點(diǎn)磷命中率、氧耗的影響如圖4。由圖4可看出：隨著生鐵塊加入比例增加，轉(zhuǎn)爐平均終點(diǎn)磷命中率由95.71%逐步下降至89.42%，轉(zhuǎn)爐平均氧耗由49.40 m3/t 逐步升高至51.91 m3/t。這是由于轉(zhuǎn)爐生鐵塊加入量過(guò)大時(shí)，吹煉前期溫度低達(dá)不到脫磷合適溫度，中期溫度上升后過(guò)程槍位不易控制，爐渣易返干，進(jìn)而影響脫磷效果；隨著吹煉進(jìn)行，熔池溫度升高，生鐵塊熔化，生鐵塊中碳、硅、錳等元素釋放并參與反應(yīng)，導(dǎo)致氧耗增加。

圖4 生鐵塊加入量對(duì)終點(diǎn)磷命中率、氧耗的影響Fig.4 Effect of the amount of pig iron block added on end point phosphorus hit rate and oxygen consumption

4 應(yīng)用效果分析

馬鋼65 t 轉(zhuǎn)爐總裝入量工藝要求(72±0.5) t，自2020 年3—9 月采用生鐵塊提高廢鋼比冶煉工藝以來(lái)，生鐵塊加入比例范圍為0～9.55%，對(duì)應(yīng)廢鋼比為14.94%～23.13%，該工藝對(duì)煉鋼成本的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在節(jié)鐵增鋼及由此帶來(lái)的邊際效益方面[16]。表7為裝入制度、成本、鋼鐵料消耗及綜合經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比。

表7 裝入制度、成本、鋼鐵料消耗及綜合經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比Tab.7 Comparison of loading capacity,cost,steel material consumption and comprehensive economic benefits

由表7 可看出：隨著生鐵塊加入量的增加，噸鋼成本及鋼鐵料消耗指標(biāo)逐步升高，噸鋼成本的增加與鐵水、廢鋼、生鐵塊三者價(jià)格差異有關(guān)，鋼鐵料消耗指標(biāo)升高是由于廢鋼比增加，熱量富裕程度下降，冷料用量減少有關(guān)；裝入制度不同，噸鋼綜合經(jīng)濟(jì)效益也不同，方案5綜合經(jīng)濟(jì)效益最佳，達(dá)855 元/t鋼，對(duì)應(yīng)的裝入制度為80.85%鐵水+17.27%廢鋼+1.88%生鐵塊。

5 結(jié)論

1)廢鋼冷卻效應(yīng)約為等量生鐵塊熔化后氧化放熱富余熱量的1/4，當(dāng)生鐵塊加入比例超過(guò)6%時(shí)，熔池溫降超過(guò)100 ℃，碳氧反應(yīng)滯后，熔池升溫速度降低，對(duì)成渣和廢鋼熔化產(chǎn)生不利影響。

2)生鐵塊加入過(guò)多對(duì)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)磷命中率和氧耗都有一定影響，隨著生鐵塊加入量的增加，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)磷命中率逐步下降，氧耗逐步升高，需充分考慮冶煉周期對(duì)生產(chǎn)組織的影響。

3)鐵水、廢鋼及生鐵塊的價(jià)格差異導(dǎo)致噸鋼成本發(fā)生變化，且隨著生鐵塊加入量的增加，廢鋼比提高，熱量富裕程度下降，冷料用量減少，鋼鐵料消耗指標(biāo)升高。

4)裝入制度不同，噸鋼綜合經(jīng)濟(jì)效益也不同，在80.85%鐵水+17.27%廢鋼+1.88%生鐵塊的裝入制度條件下，綜合經(jīng)濟(jì)效益最佳，達(dá)855 元/t鋼，與不加鐵塊裝入制度相比，綜合經(jīng)濟(jì)效益增加189～649元/t鋼。