李偉東，王金輝，何海龍
（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）
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，實現(xiàn)了高廢鋼比情況下轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)指標的穩(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，當廢鋼比由 10.27%提高到 14.65%時，轉(zhuǎn)爐冶煉各項指標均下滑。 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，當其比率高時，進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，使得冶煉終點不易控制，造成終點碳溫命中率下降，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,而且提高了機械作用強度。 冶煉前期由于熔池溫度低，成渣困難，堿度低，爐襯侵蝕嚴重［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 護爐效果變差，濺渣層變薄且不穩(wěn)定，增 加 了 爐 襯的維護難度。
1.3 對鋼水成分的影響
采用提溫劑進行高廢鋼比操作增加了轉(zhuǎn)爐回硫量，同時冶煉終點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)爐終點碳含量傾向于下限控制，造成冶煉終點鋼水氮含量增加。
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行嚴格控制，根據(jù)不同類型轉(zhuǎn)爐制定不同的切割標準，增加切割次數(shù)，降低單塊廢鋼的重量。 控制外購廢鋼種類，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爐要求。
由圖 1 看出，鐵質(zhì)成渣路徑中，O1、O2、O3點渣系中 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 進行，即冶煉前期的初期渣系快速達到 圖 1 中 O1 點組 分 要 求，冶煉過程控制爐渣組分在 O2 點進行過程脫碳， 冶煉后期將終渣組分控制在 O3 點附近。 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，有利于保護爐襯，穩(wěn)定吹煉過程，終點容易命中，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 含量可有效保護濺渣層， 增加FeO 含量促進化渣。 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)試驗最終確定以焦炭為主，硅鐵為輔的轉(zhuǎn)爐提溫模式。 實際生產(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，可適當增加硅鐵的加入量，強化轉(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。 重點包括細化各熔劑不同加入時間的降溫效率，提高溫度預(yù)測準確性；改進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)不同鋼種終點碳溫的要求，相應(yīng)制定冶煉終點控制模型，重點是拉碳槍位和拉碳時間； 根據(jù)鋼種要求細化底吹后攪拌工藝，進一步降低渣中 FeO 含量。
3 取得的效果
通過上述冶煉工藝的優(yōu)化改進 ，廢 鋼 比 最終達到了 17%，轉(zhuǎn)爐冶煉指標得到了有效改善，優(yōu)化前后轉(zhuǎn)爐冶煉 A 鋼種工藝指標對比見表 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)爐冶煉終點碳溫命中率、終點磷含量、終渣平均 FeO 含量、成分異常爐次比率四項指標顯著改善。 終點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、低硫鋼的標準要求。
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械沖擊。 控制入爐廢鋼的結(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%，達到了濺渣護爐的要求；
（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，適當增加硅鐵的加入量，強化轉(zhuǎn)爐化渣效果。
參考文獻
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