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高廢鋼比對轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的影響及對策
摘要:針對提高廢鋼比,降低鐵水單耗后影響轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的問題,優(yōu)化了廢鋼尺寸和結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)爐造渣工藝、轉(zhuǎn)爐提溫劑的使用及轉(zhuǎn)爐冶煉控制模型,實(shí)現(xiàn)了高廢鋼比情況下轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)指標(biāo)的穩(wěn)定,并提高了生產(chǎn)效率。
關(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)爐;廢鋼比;造渣;提溫劑
我國絕大多數(shù)鋼鐵產(chǎn)量采用 “高爐-轉(zhuǎn)爐”長流程生產(chǎn),轉(zhuǎn)爐主要原料為鐵水和廢鋼。隨著國內(nèi)外高品位鐵礦資源和優(yōu)質(zhì)焦煤資源的大量消耗及節(jié)能減排壓力的日益加大, 高爐鐵水的生產(chǎn)成本逐步提高[1]。我國廢鋼保有量和產(chǎn)生量逐年增加,價格逐漸降低, 轉(zhuǎn)爐采用高廢鋼比冶煉不僅能夠減少對礦石的依賴, 還能夠減少碳排放和轉(zhuǎn)爐冶煉渣量,提高煉鋼產(chǎn)能。
鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠(以下簡稱“煉鋼總廠”) 從 2020 年 10 月份開始進(jìn)行鋼鐵料結(jié)構(gòu)調(diào)整,提高廢鋼比,降低鐵水單耗,操作模式由低廢鋼比向高廢鋼比轉(zhuǎn)變,當(dāng)廢鋼比由 10.27%提高到 14.65%時,轉(zhuǎn)爐冶煉各項(xiàng)指標(biāo)均下滑。因此,有必要分析高廢鋼比對轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的影響, 以制定相應(yīng)的優(yōu)化措施, 保證高廢鋼比條件下轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)指標(biāo)的穩(wěn)定,提高生產(chǎn)效率。
1、高廢鋼比對轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝影響分析
1.1 對轉(zhuǎn)爐操作的影響
高廢鋼比操作會對轉(zhuǎn)爐開吹打火和造渣產(chǎn)生不利影響,從而影響轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳溫的控制。
(1) 廢鋼在轉(zhuǎn)爐熔池內(nèi)的融化要經(jīng)過廢鋼表面的鐵水冷凝、冷凝層融化、廢鋼滲碳融化三個過程。高廢鋼比爐次時,鐵水和廢鋼裝入后,小塊且比表面積大的板狀廢鋼在冶煉前期能夠迅速融化,熔池溫度會驟降,使得轉(zhuǎn)爐開吹打火困難。尤其是采用轉(zhuǎn)爐干法除塵為了控制卸爆, 采用低氧壓打火時,打火不暢的現(xiàn)象尤為突出。
(2) 由于熔池溫度低,冶煉前期爐內(nèi)金屬的粘度增加,降低了熔池傳熱和傳質(zhì)速度,吹氧反應(yīng)區(qū)的熱量向熔池其它部分的傳遞速度降低, 熔劑升溫速度慢,尤其是大塊、非板狀、低碳的廢鋼本身融化速度較慢,當(dāng)其比率高時,進(jìn)一步延緩了升溫速度,從而造成轉(zhuǎn)爐成渣困難,前 期 脫 磷 率 下降[2]。而且采用提溫劑升溫時,有的爐次采用硅鐵,造成渣量增加,渣況惡化,影響脫磷效果。不同結(jié)構(gòu)的廢鋼融化速度差異大,冶煉過程溫度波動大,脫磷率不穩(wěn)定,使得冶煉終點(diǎn)不易控制,造成終點(diǎn)碳溫命中率下降,高溫及過氧化爐次增加。
1.2 對轉(zhuǎn)爐爐襯維護(hù)的影響
高廢鋼比爐次時,廢鋼加入量增加,加入 廢鋼時對爐襯表面的沖擊力增大,尤其受廢鋼槽容量限制,為提高廢鋼比,重型廢鋼的比率高,不僅延長了廢鋼對轉(zhuǎn)爐大面部位耐材的沖擊時間,而且提高了機(jī)械作用強(qiáng)度。冶煉前期由于熔池溫度低,成渣困難,堿度低,爐襯侵蝕嚴(yán)重[3]。由于鐵水比降低,轉(zhuǎn)爐冶煉的總渣量下降,且 操 作 的 不 穩(wěn)定造成異常爐次增加,渣中 FeO 含量高,濺 渣 護(hù)爐效果變差,濺渣層變薄且不穩(wěn)定,增 加 了 爐 襯的維護(hù)難度。
1.3 對鋼水成分的影響
采用提溫劑進(jìn)行高廢鋼比操作增加了轉(zhuǎn)爐回硫量,同時冶煉終點(diǎn)鋼水氮含量有增加趨勢。廢鋼比增加后,廢鋼來源發(fā)生變化,外購廢鋼的比率增加,硫含量不穩(wěn)定,轉(zhuǎn)爐冶煉回硫量波動大,對 RH 生產(chǎn)低硫鋼的硫成分控制不利。為增加轉(zhuǎn)爐熱源,提溫劑主要使用焦炭,焦炭硫含量高,進(jìn)一步增加了轉(zhuǎn)爐回硫量。大塊、非板狀、低碳的廢鋼融化速度慢,影響轉(zhuǎn)爐的脫氮效果,同時為了減少提溫劑的使用, 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量傾向于下限控制,造成冶煉終點(diǎn)鋼水氮含量增加。
2、采取的措施
2.1 優(yōu)化廢鋼尺寸和結(jié)構(gòu)
為了減少廢鋼加入過程對爐襯的沖擊, 盡可能縮小入爐廢鋼尺寸。煉鋼總廠對自產(chǎn)坯頭、坯尾、中間包殘鋼、報廢鑄坯等廢鋼的尺寸進(jìn)行嚴(yán)格控制,根據(jù)不同類型轉(zhuǎn)爐制定不同的切割標(biāo)準(zhǔn),增加切割次數(shù),降低單塊廢鋼的重量??刂仆赓弿U鋼種類,以尺寸較小的破碎料和生鐵塊為主。同時對廢鋼結(jié)構(gòu)嚴(yán)加管控,控制非板狀、低碳廢鋼的最大配比,縮短廢鋼在轉(zhuǎn)爐內(nèi)的融化時間,降低對轉(zhuǎn)爐脫氮的影響。廢鋼配比結(jié)構(gòu)為破碎料加生鐵塊約40%,自產(chǎn)重型坯頭廢鋼不超 20%,非板狀及低碳廢鋼不超 20%,軋鋼廠自產(chǎn)廢鋼約 20%,并保持該配比穩(wěn)定。廢鋼尺寸和結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,不僅能夠保證廢鋼充分融化,同時高硫廢鋼比率得到控制,從而能夠有效控制轉(zhuǎn)爐冶煉的回硫量。
2.2 優(yōu)化轉(zhuǎn)爐造渣工藝
一般可以根據(jù)渣中 FeO 的含量將轉(zhuǎn)爐成渣路徑分為“鐵質(zhì)成渣路徑”和“鈣質(zhì)成渣路徑”兩種,如圖 1 所示, 兩種成渣路徑目的都是形成堿度合適,具有一定流動性的爐渣,并保證終渣滿足濺渣護(hù)爐要求。
由圖 1 看出,鐵質(zhì)成渣路徑中,O1、O2、O3點(diǎn)渣系中 FeO 含量分別為 40%、35%、25%左右,該路徑的核心是通過優(yōu)化轉(zhuǎn)爐造渣和供氧制度,快速提高渣中 FeO 含量, 控制冶煉過程渣系組分按O1→O2→O3 進(jìn)行,即冶煉前期的初期渣系快速達(dá)到 圖 1 中 O1 點(diǎn)組 分 要 求,冶煉過程控制爐渣組分在 O2 點(diǎn)進(jìn)行過程脫碳, 冶煉后期將終渣組分控制在 O3 點(diǎn)附近。為最大限度提高鐵質(zhì)成渣效果,提高過程渣的脫磷能力,冶煉過程實(shí)際爐渣組分應(yīng)控制在成渣線 SL 與路徑 2 圍成的陰影區(qū)域內(nèi)。
低廢鋼比工藝條件下, 煉鋼總廠大多采用的是鈣質(zhì)成渣路徑, 此路徑冶煉過程爐渣堿度高,F(xiàn)eO 含量低,有利于保護(hù)爐襯,穩(wěn)定吹煉過程,終點(diǎn)容易命中,利于自動化控制,但爐渣容易返干,對低磷鋼冶煉不利。高廢鋼比冶煉特征是前期熔池溫度低,成渣困難,因此采用鐵質(zhì)成渣路徑更有利于廢鋼融化和快速成渣。但該路徑不利于吹煉過程的穩(wěn)定,不利于自動化控制,對工藝操作的要求更高。煉鋼總廠廢鋼比提高后,轉(zhuǎn)爐造渣方式由鈣質(zhì)成渣路徑轉(zhuǎn)化為鐵質(zhì)成渣路徑。
實(shí)際生產(chǎn)操作過程中,需分批加入造渣劑,第一批料以鎂質(zhì)熔劑為主,并將加入時間后延1~2 min,有利于熔池的升溫和廢鋼的快速融化。前期增加渣中 MgO 含量可有效保護(hù)濺渣層, 增加FeO 含量促進(jìn)化渣。然后根據(jù)化渣情況,冶煉過程分 3~5 批加入造渣料, 逐步提高渣中 CaO 含量。
操作過程為避免爐渣返干, 根據(jù)化渣情況控制每批料的加入總量,加料過程以高槍位操作為主,必要時可加入鐵質(zhì)化渣劑增加渣中 FeO 含量, 造渣劑需在吹氧三分之二時全部加完。冶煉后期需及時降槍,冶煉終點(diǎn)保證拉碳時間大于 3 min,降低渣中 FeO 含量,使終渣組分落在 O3 點(diǎn)附近,并保證爐渣 MgO 含量在 7%~9%范圍內(nèi), 減少鋼鐵料損失,使終渣滿足濺渣護(hù)爐要求。
2.3 優(yōu)化提溫劑的使用
轉(zhuǎn)爐提高廢鋼比后,熱量不足,需要加入提溫劑保證熱平衡。尤其是煉鋼總廠入廠鐵水溫度低,鋼水運(yùn)輸時間長,溫降大,提溫劑使用量大,因此需規(guī)范使用提溫劑,從而減少對冶煉操作的影響。目前能夠加入轉(zhuǎn)爐的固體燃料包括碳化鈣、 碳化硅、硅鐵、焦炭等。碳化鈣成本高且在轉(zhuǎn)爐內(nèi)融化速度慢,轉(zhuǎn)爐終渣中存在未反應(yīng)的碳化鈣,使得升溫效率不穩(wěn)定,限制了其使用。碳化硅作為提溫劑成本高且反應(yīng)生成 SiO2,增加了渣料消耗,加入量不易過大,使用受到限制。硅鐵作為提溫劑,其塊度和穩(wěn)定性都便于控制,裝爐操作也更為精簡,使用的靈活性較高,用量可控,但其成本高且反應(yīng)生成 SiO2,加入量也不易過大。焦炭作為提溫劑,成本低,融化速度快,升溫效率高,因此被廣泛應(yīng)用于各類型轉(zhuǎn)爐,但其加入量大時,要考慮對轉(zhuǎn)爐回硫量增加的影響。
煉鋼總廠經(jīng)過工業(yè)試驗(yàn)最終確定以焦炭為主,硅鐵為輔的轉(zhuǎn)爐提溫模式。實(shí)際生產(chǎn)過程中,針 對 RH 精煉處理的低硫鋼種限制焦炭的加入量,提高硅鐵加入量,控制回硫量。針對鐵水硅含量低的爐次,尤其是冶煉低磷鋼種時,可適當(dāng)增加硅鐵的加入量,強(qiáng)化轉(zhuǎn)爐化渣效果,提高脫磷率。為最大限度發(fā)揮提溫劑的升溫效率, 提溫劑需在轉(zhuǎn)爐開吹打火成功后即加入, 提溫劑發(fā)熱后可加快廢鋼融化,并使熔池快速升溫,為第一批渣料的融化提供良好的熱力學(xué)條件。
2.4 優(yōu)化轉(zhuǎn)爐操作工藝
廢鋼比提高后, 為提高轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)碳溫的命中率,優(yōu)化了轉(zhuǎn)爐操作工藝,采用了如下措施:一是降低出鋼溫度。通過優(yōu)化鋼包和中間包保溫層砌筑工藝、轉(zhuǎn)爐應(yīng)用大出鋼口、開發(fā)應(yīng)用鋼包定位管理系統(tǒng)、優(yōu)化鋼包保溫工藝等措施,將出鋼溫度降低了 14 ℃。二是按照鐵質(zhì)成渣路徑優(yōu)化轉(zhuǎn)爐冶煉控制模型。重點(diǎn)包括細(xì)化各熔劑不同加入時間的降溫效率,提高溫度預(yù)測準(zhǔn)確性;改進(jìn)冶煉槍位和氧流量控制模型, 保證冶煉過程化渣效果及渣系組分的控制精度;根據(jù)不同鋼種終點(diǎn)碳溫的要求,相應(yīng)制定冶煉終點(diǎn)控制模型,重點(diǎn)是拉碳槍位和拉碳時間;根據(jù)鋼種要求細(xì)化底吹后攪拌工藝,進(jìn)一步降低渣中 FeO 含量。
3、取得的效果
通過上述冶煉工藝的優(yōu)化改進(jìn) ,廢 鋼 比 最終達(dá)到了 17%,轉(zhuǎn)爐冶煉指標(biāo)得到了有效改善,優(yōu)化前后轉(zhuǎn)爐冶煉 A 鋼種工藝指標(biāo)對比見表 1所示。
由表 1 可以看出,工藝優(yōu)化后,廢鋼單耗提高了 43 kg/t 鋼,廢鋼比提高到了 17%,利用系數(shù)提高 3 t/(公稱 t·d)。轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)碳溫命中率、終點(diǎn)磷含量、終渣平均 FeO 含量、成分異常爐次比率四項(xiàng)指標(biāo)顯著改善。終點(diǎn)氮含量和硫含量分別降低了 0.000 4%和 0.001 0%,回硫和增氮得到有效控制,雖然對比低廢鋼比操作有所增加,但仍控制在較低水平,滿足低氮鋼、低硫鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求。
4、結(jié)論
針對鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠降低鐵水單耗、提高廢鋼比對轉(zhuǎn)爐冶煉產(chǎn)生不利影響的問題,優(yōu)化了轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝,得出如下結(jié)論:
(1) 控制入爐廢鋼尺寸,降低廢鋼單重,能夠減少廢鋼對爐襯的機(jī)械沖擊??刂迫霠t廢鋼的結(jié)構(gòu)并保持各類型廢鋼配比的穩(wěn)定, 尤其是控制高硫廢鋼的比率,不僅有利于廢鋼的快速融化,減少增氮,還能穩(wěn)定控制轉(zhuǎn)爐的回硫量;
(2) 采用鐵質(zhì)成渣路徑能夠快速提高渣中MgO 和 FeO 含量,減少爐襯侵蝕,提高化渣效果,并逐步提高渣中 CaO 含量,從而滿足脫磷要求。依據(jù)鐵質(zhì)成渣路徑對轉(zhuǎn)爐冶煉控制模型進(jìn)行優(yōu)化,碳溫命中率提高了 1.31%, 平均終渣 FeO 含量降低了2.69%,達(dá)到了濺渣護(hù)爐的要求;
(3) 采用以焦炭為主、 硅鐵為輔的轉(zhuǎn)爐提溫模式。針對 RH 精煉處理的低硫鋼種限制焦炭的加入量,提高硅鐵加入量;針對鐵水硅含量低的爐次,尤其是冶煉低磷鋼種時,適當(dāng)增加硅鐵的加入量,強(qiáng)化轉(zhuǎn)爐化渣效果。