我國(guó)絕大多數(shù)鋼企采用“高爐—轉(zhuǎn)爐”長(zhǎng)流程工藝生產(chǎn)。隨著國(guó)內(nèi)外高品位鐵礦石資源和優(yōu)質(zhì)焦煤資源大量消耗及節(jié)能減排壓力日益加大，高爐鐵水的生產(chǎn)成本逐步提高。同時(shí)，我國(guó)廢鋼保有量和產(chǎn)生量逐年增加，價(jià)格逐漸降低。轉(zhuǎn)爐采用高廢鋼比冶煉不僅能夠減少對(duì)鐵礦石的依賴，還能夠減少碳排放和轉(zhuǎn)爐冶煉渣量，提高煉鋼產(chǎn)能。

鞍鋼股份煉鋼總廠從2020年10月份開(kāi)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，當(dāng)廢鋼比由10.27%提高到14.65%時(shí)，轉(zhuǎn)爐冶煉各項(xiàng)指標(biāo)均下滑。因此，筆者在分析高廢鋼比對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的影響及在實(shí)驗(yàn)中采取的相應(yīng)優(yōu)化措施后，建議使用控制入爐廢鋼尺寸，采用鐵質(zhì)成渣路徑，實(shí)施以焦炭為主、硅鐵為輔的轉(zhuǎn)爐提溫模式這3種方法，以保證高廢鋼比條件下轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)指標(biāo)的穩(wěn)定。

分析

高廢鋼比給轉(zhuǎn)爐煉鋼增加哪些障礙

  對(duì)轉(zhuǎn)爐操作的影響。高廢鋼比操作會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)爐開(kāi)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。廢鋼在轉(zhuǎn)爐熔池內(nèi)融化要經(jīng)過(guò)廢鋼表面的鐵水冷凝、冷凝層融化、廢鋼滲碳融化3個(gè)過(guò)程。在高廢鋼比的情況下，鐵水和廢鋼裝入轉(zhuǎn)爐后，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(huì)驟降，使得轉(zhuǎn)爐開(kāi)吹打火困難。如果是采用轉(zhuǎn)爐干法除塵，為了控制泄爆，需要低氧壓打火，則打火不暢的現(xiàn)象更為突出。

  由于熔池溫度低，冶煉前期爐內(nèi)金屬的黏度增加，降低了熔池傳熱和傳質(zhì)速度，吹氧反應(yīng)區(qū)的熱量向熔池其他部分的傳遞速度減緩，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(shí)，升溫速度進(jìn)一步延緩，從而造成轉(zhuǎn)爐成渣困難，前期脫磷率下降。采用提溫劑升溫時(shí)，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(guò)程溫度波動(dòng)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(guò)氧化爐次增加。

  對(duì)轉(zhuǎn)爐爐襯維護(hù)的影響。隨著廢鋼加入量增加，加入廢鋼時(shí)對(duì)爐襯表面的沖擊力也增大。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(zhǎng)了廢鋼對(duì)轉(zhuǎn)爐大面部位耐材的沖擊時(shí)間，而且提高了機(jī)械作用強(qiáng)度。冶煉前期，熔池溫度低，成渣困難，堿度低，爐襯侵蝕嚴(yán)重。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，渣中氧化亞鐵含量高，濺渣層變薄且不穩(wěn)定，濺渣護(hù)爐效果變差，增加了爐襯的維護(hù)難度。

  對(duì)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(shí)冶煉終點(diǎn)鋼水氮含量有增加趨勢(shì)。廢鋼比增加后，廢鋼來(lái)源發(fā)生變化，外購(gòu)廢鋼的比率增加，硫含量不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)爐冶煉回硫量波動(dòng)大，對(duì)RH（真空循環(huán)脫氣裝置）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(shí)為了減少提溫劑用量，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量?jī)A向于下限控制，造成冶煉終點(diǎn)鋼水氮含量增加。

措施

對(duì)癥下藥以減少不利影響

  優(yōu)化廢鋼尺寸和結(jié)構(gòu)。為減少?gòu)U鋼加入過(guò)程對(duì)爐襯的沖擊，鞍鋼股份煉鋼總廠盡可能縮小入爐廢鋼尺寸。該廠對(duì)自產(chǎn)坯頭、坯尾、中間包殘鋼、報(bào)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)爐制訂不同的切割標(biāo)準(zhǔn)，降低單塊廢鋼的重量；控制外購(gòu)廢鋼種類，以尺寸較小的破碎料和生鐵塊為主；對(duì)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(shí)間，降低對(duì)轉(zhuǎn)爐脫氮的影響。該廠廢鋼配比結(jié)構(gòu)為：破碎料加生鐵塊約40%，自產(chǎn)重型坯頭廢鋼小于20%，非板狀及低碳廢鋼小于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，該廠既能保證廢鋼充分融化，又能控制好高硫廢鋼比率，從而能夠有效控制轉(zhuǎn)爐冶煉的回硫量。

  優(yōu)化轉(zhuǎn)爐造渣工藝。一般可以根據(jù)渣中氧化亞鐵的含量，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(dòng)性的爐渣，并保證終渣滿足濺渣護(hù)爐要求。

  由圖1可看出，鐵質(zhì)成渣路徑中，O1、O2、O3點(diǎn)渣系中氧化亞鐵含量分別為40%、35%、25%左右。該路徑的核心是通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)爐造渣和供氧制度，快速提高渣中氧化亞鐵含量，控制冶煉過(guò)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(guò)程控制爐渣組分在O2點(diǎn)進(jìn)行過(guò)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(guò)程渣的脫磷能力，冶煉過(guò)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)。

  在低廢鋼比工藝條件下，鞍鋼股份煉鋼總廠大多采用鈣質(zhì)成渣路徑。此路徑冶煉過(guò)程爐渣堿度高、氧化亞鐵含量低，有利于保護(hù)爐襯，穩(wěn)定吹煉過(guò)程，終點(diǎn)容易命中，利于自動(dòng)化控制，但爐渣容易返干，對(duì)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(guò)程的穩(wěn)定，不利于自動(dòng)化控制，對(duì)工藝操作的要求更高。該廠廢鋼比提高后，將轉(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。

  在實(shí)際生產(chǎn)操作過(guò)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(shí)間后延1～2分鐘，有利于熔池升溫和廢鋼快速融化。前期增加渣中氧化鎂含量可有效保護(hù)濺渣層，增加氧化亞鐵含量促進(jìn)化渣。然后根據(jù)化渣情況，冶煉過(guò)程分3～5批加入造渣料，逐步提高渣中氧化鈣含量。

  操作過(guò)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(guò)程以高槍位操作為主，必要時(shí)可加入鐵質(zhì)化渣劑增加渣中氧化亞鐵含量，造渣劑需在吹氧2/3時(shí)全部加完。冶煉后期需及時(shí)降槍，冶煉終點(diǎn)保證拉碳時(shí)間大于3分鐘，降低渣中氧化亞鐵含量，使終渣組分落在O3點(diǎn)附近，并保證爐渣氧化鎂含量為7%～9%，以減少鋼鐵料損失，使終渣滿足濺渣護(hù)爐要求。

  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。尤其是鞍鋼股份煉鋼總廠入廠鐵水溫度低，鋼水運(yùn)輸時(shí)間長(zhǎng)，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(duì)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)生成二氧化硅，增加了渣料消耗，加入量不易過(guò)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(jiǎn)，使用的靈活性較高，用量可控，但其成本高且反應(yīng)生成二氧化硅，加入量也不易過(guò)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(shí)，要考慮對(duì)轉(zhuǎn)爐回硫量增加的影響。

  該廠經(jīng)過(guò)工業(yè)試驗(yàn)最終確定采用以焦炭為主、硅鐵為輔的轉(zhuǎn)爐提溫模式。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，針對(duì)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(duì)鐵水硅含量低的爐次，尤其是冶煉低磷鋼種時(shí)，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。為最大限度提高提溫劑的升溫效率，提溫劑需在轉(zhuǎn)爐開(kāi)吹打火成功后即加入，提溫劑發(fā)熱后可使廢鋼加速融化，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。

  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，鞍鋼股份煉鋼總廠優(yōu)化了轉(zhuǎn)爐操作工藝，采用了兩點(diǎn)措施：一是降低出鋼溫度。通過(guò)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(kāi)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(shí)間的降溫效率，提高溫度預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性；改進(jìn)冶煉槍位和氧流量控制模型，保證冶煉過(guò)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)制訂冶煉終點(diǎn)控制模型，重點(diǎn)是拉碳槍位和拉碳時(shí)間；根據(jù)鋼種要求細(xì)化底吹后攪拌工藝，進(jìn)一步降低渣中氧化亞鐵含量。

效果

冶煉工藝改進(jìn)后轉(zhuǎn)爐冶煉指標(biāo)改善明顯

  由表1可以看出，通過(guò)上述冶煉工藝的優(yōu)化改進(jìn)，轉(zhuǎn)爐冶煉指標(biāo)得到改善，廢鋼比最終達(dá)到17%，廢鋼單耗提高了43千克/噸鋼，利用系數(shù)提高3噸/（公稱噸·天）；轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)碳溫命中率、終點(diǎn)磷含量、終渣平均氧化亞鐵含量、成分異常爐次比率4項(xiàng)指標(biāo)顯著改善；終點(diǎn)氮含量和硫含量分別降低了0.0004%和0.0010%，回硫和增氮的情況得到控制，雖然對(duì)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。

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