伊鋼65噸轉爐提高廢鋼比的工藝試驗

劉旺平

（新疆伊犁鋼鐵股份有限公司煉鋼廠）

摘要：增加廢鋼比是轉爐煉鋼過程中主要的降本增效工藝方法，也是減少鋼鐵企業能耗的有效途徑。本文介紹了伊鋼65噸轉爐為提高廢鋼比所作的工藝試驗，為今后轉爐提高廢鋼比做好理論支持。

關鍵詞：轉爐煉鋼；熱平衡；廢鋼比；降本增效

0  前言

伊鋼地處新疆伊犁哈薩克自治州新源縣則可臺鎮，鋼鐵生產具有一定的地緣優勢，但是局限于煉鐵產能的限制，伊鋼在生產旺季提高產能擴大規模效益上存在短板，同時隨著去年鋼鐵市場經濟效益的萎縮，降本增效成為鋼鐵企業贏得發展的主要出路，為此伊鋼65噸轉爐開始研究轉爐提高廢鋼比的工藝方法，提高煉鋼工序的生產盈利水平。

根據已有的文獻介紹^[1-3]，目前增加轉爐廢鋼比的工藝方法主要有廢鋼預熱工藝、轉爐噴吹燃氣加熱廢鋼、轉爐留渣操做、使用提溫材料、降低轉爐出鋼溫度幾種工藝方法。

作者研究了幾種增加轉爐廢鋼比的工藝后認為，伊鋼是2011年投產建設的煉鋼生產線，采用鐵水一罐制工藝，生產流程緊湊，環保配置工藝僅能夠滿足原有工藝的需求，廢鋼預熱工藝所需的能源介質與環保配套設施無法滿足廢鋼預熱工藝的需求，所以廢鋼預熱工藝對于伊鋼沒有實施的可能性，提高廢鋼比只有從使用轉爐提溫材料和留渣操作兩個方面入手。

由于伊鋼生產的產品主要是建筑用鋼，從2021年開始，已經實施了向鋼包內加入軋制廢品和清潔廢鋼的工藝，并且轉爐為提高產能，操作工藝采用轉爐吹煉結束后直接倒爐出鋼，出鋼結束后實施濺渣護爐，然后倒出殘渣的模式，這種模式倒出的殘渣量較少，基本上與留渣操作工藝的接近，所以伊鋼轉爐增加廢鋼比的工藝只有利用使用提溫劑這一種工藝方法。

1 伊鋼65噸轉爐增加廢鋼比的工藝研究

1.1 伊鋼現有工藝分析

伊鋼現有轉爐的冶煉基本情況有以下的幾個特點：

（1） 鐵水的成分和溫度波動較大，造成轉爐冶煉的操作波動大，伊鋼典型的鐵水成分和冶煉過程的基本數據見下表1、2.

表1：伊鋼生產用鐵水的成分基本情況

表2：伊鋼轉爐生產的基本工藝數據

（2） 轉爐的冶煉節奏緊湊，在出現低溫鐵水和低硅鐵水（Si%<0.3%）的冶煉爐次，為保證轉爐出鋼溫度，補吹提溫操作造成轉爐終點過吹，增加了轉爐出鋼的脫氧合金化操作的難度，并且熔池中的金屬鐵被氧化進入爐渣后，增加了轉爐的吹損；大多數爐次采用吹煉到終點結束后直接倒爐出鋼，出鋼量波動較大，造成合金化成分調整有較大的誤差，影響生產的平穩運行；

（3） 轉爐緊湊的工藝，有相當一部分爐次爐內濺渣護爐的殘渣留在爐內，造成轉爐吹煉前期溢渣和噴濺現象時有發生。

   根據以上的分析可知，在現有轉爐爐容比的工藝條件下，增加轉爐廢鋼比，必須考慮增加廢鋼比后，要解決好增加廢鋼比，轉爐吹煉前期由低溫引起的前期溢渣與噴濺^[4-5]，否則增加廢鋼比的收益隨著噴濺與溢渣從鋼渣中流失。

1.2 提溫材料的選擇與分析

轉爐煉鋼是利用鐵水的物理熱和化學熱提供煉鋼反應的熱力學條件，通過氧化反應提供的動力學條件，通過吹氧的工藝方法去除鐵水中的C、Si、M n、P、S 等元素后，在出鋼和鋼水精煉過程中調整煉鋼產品的化學成分的系統工程。轉爐煉鋼加入廢鋼、礦石的作用是平衡煉鋼化學熱的冷卻劑, 增加轉爐的廢鋼比，同比條件下，增加轉爐煉鋼的化學熱，減少過程的熱量消耗, 是提高轉爐廢鋼比的有效途徑。伊鋼轉爐煉鋼過程中不同冷卻材料對于轉爐熔池溫度的影響經驗統計數據見下表3：               表3：伊鋼不同冷卻材料對于轉爐熔池降溫的經驗數據

根據以上的分析可知，轉爐廢鋼比每增加1%，熔池的溫度降低8～12℃。為保持轉爐正常的冶煉工藝，使用提溫劑提高轉爐冶煉的廢鋼比的工藝，可供采用的材料有動力煤、焦炭、碳化硅等。

使用碳化硅的成本較高，動力煤由于含有揮發分、有害元素元素S含量也偏高，并且已有使用的案例表明^[6]，加入工藝是轉爐開吹前從高位料倉一次加入，這兩種工藝方法都不適合伊鋼現有的生產情況。可供選擇的已知材料只有焦炭。

焦炭是固體燃料的一種。由煤在約1000℃的高溫條件下經干餾而獲得。主要成分為固定碳，其次為灰分，所含揮發分和硫分均甚少。呈銀灰色，具金屬光澤。質硬而多孔，著火溫度（空氣中）為 450-650℃。這種性質對于伊鋼而言。焦炭隨廢鋼加入轉爐，轉爐內殘渣中的FeO+MnO能夠與焦炭反應，在沒有冶煉之前，會有部分的熱量流失，并且目前伊鋼的焦炭量也不富裕，所以提溫材料的選擇只能夠另辟蹊徑。

2 伊鋼利用新型提溫材料的試驗

  根據以上的分析，首先想到了LF精煉爐廢棄的石墨電極，其穩定性好，含碳量高，并且石墨資源在新疆的儲量豐富，所以本次試驗利用石墨制品作為提溫材料，驗證石墨類制品作為提溫材料的可行性。

2.1 石墨類提溫材料的特點與應用的可行性

石墨是碳的一種同素異形體，為灰黑色、不透明固體，是原子晶體、金屬晶體和分子晶體之間的一種過渡型晶體，所以化學性質穩定，在純氧中燃點為720-800℃，200～300 目左右石墨細粉的燃點可降到 600℃ 以下，所以石墨粉在電爐冶煉過程中作為泡沫渣造渣材料有應用。以上這種性質，在轉爐作為提溫材料是有利的。為此做了向熱態鋼渣中添加石墨的試驗，現場試驗的照片見下圖1：

圖a：試驗用石墨碎片    圖b：塊狀石墨碎片加入熱鋼渣中    圖c：石墨粉末加入900℃鋼渣表面

試驗結果表明，石墨塊和粉末在轉爐液態鋼渣和紅熱鋼渣中反應緩慢，在轉爐煉鋼過程中隨廢鋼加入，不會引起噴火等事故。

2.2 石墨制品作為提溫材料的研究

本次試驗用石墨制品為煅燒強化的水墨塊，經過破碎加工后獲得，其化學成分見下表4：

表4：煅燒石墨塊的主要化學成分

其熱值計算按照以下公式進行 Q=337.5C+1442 (H-O/8)+93S

式中：Q：為材料的熱值，千焦/千克；

C、H、O、S分別為材料中的碳、氫、氧、硫元素的質量分數，單位為%。

根據計算材料的熱值2.3×10⁷J/kg，低于焦炭的3.0×10⁷J/kg，但是穩定性優于焦炭，有助于增加轉爐煉鋼的化學熱。根據計算得出材料加入量與增加廢鋼量的關系見下表5：

表5：同比條件下提溫材料的加入量與增加廢鋼量的關系

2.3  工業試驗過程和結論

   工程試驗按照計算結果開展，轉爐冶煉5爐，其中兩爐為低硅鐵水，兩爐補爐后轉爐爐膛溫度較低的情況，沒有調整廢鋼比例，考察提溫材料對于冶煉的影響和改善低硅鐵水冶煉的工藝操作，試驗過程的鐵水成份和冶煉數據見下表6：

表6：試驗過程鐵水的主要成分

試驗過程5爐的冶煉基本數據如下表7：

表7：試驗過程的基本工藝數據

根據現場的試驗觀測有以下特點：

（1） 提溫材料隨廢鋼加入轉爐后，無噴火溢渣現象，表明提溫材料沒有與轉爐爐內殘渣反應，隨后兌加鐵水過程也沒有出現異常情況；

（2） 低硅鐵水冶煉的爐次，轉爐吹煉情況正常，平均轉爐開吹3min左右能夠正常進入脫碳反應期，5爐中僅有一爐出現脫碳開始引起的溢渣；

（3） 4爐次冶煉終點溫度無需補吹升溫操作，控制情況較好，轉爐終點成分控制的也較好，增碳量和脫氧強度降低；

（4） 最后一爐冶煉，由于鐵水硅含量和碳含量高，加上增加了提溫材料后，在硅錳氧化期結束，熔池溫度升溫較快，出現了溢渣現象，影響了操作。

2.4 試驗分析

  根據現場試驗的情況，做以下的分析：

（1） 使用煅燒石墨塊作為提溫材料，隨廢鋼加入轉爐沒有噴火和煙氣產生，表明煅燒石墨與轉爐內殘留的鋼渣反應的量少，與石墨的性質吻合；

（2） 文獻指出^[6]，轉爐吹煉過程中，熔池前期出現溫度低，在Si、Mn、P氧化結束后，脫碳反應不能夠及時進行，爐渣內將富集FeO，在脫碳反應開始后，會發生脫碳反應劇烈引起的噴濺和溢渣事故，造成鋼鐵料從爐渣中流失。故試驗中增加了提溫材料后，提溫材料在爐渣中反應，提高了熔池的溫度，降低了爐渣中FeO富集的風險，故使用提溫材料后的冶煉爐次，消除了低硅鐵水冶煉產生的負面影響，與前期的分析吻合；

（3） 文獻指出^[7-8]，轉爐廢鋼的熔化過程，首先是鐵水與廢鋼熱交換后，在廢鋼表面形成滲碳凝固層，然后是廢鋼組織由珠光體和鐵素體轉變為奧氏體，在溫度和時間足夠后，熔池將廢鋼外層加熱到高溫鐵素體溫度，形成高溫鐵素體和液相。從冶煉過程的脫碳反應情況來看，吹煉低硅鐵水的脫碳反應時間與正常冶煉爐次差別不大，結合文獻結論，表明提溫材料對于廢鋼熔化起到了升溫助熔的作用；

3  結論

(1) 煅燒石墨塊能夠作為伊鋼轉爐冶煉過程中的提溫材料使用，其使用過程中具有良好的高溫穩定性，能夠為伊鋼低硅鐵水和低溫鐵水的冶煉提供化學熱，穩定和優化冶煉的操作工藝；

(2) 同比條件下65噸轉爐每爐加入280kg煅燒石墨塊，每爐可增加入爐廢鋼2.8噸。

(3) 轉爐在同比條件下使用提溫材料，增加轉爐終點出鋼溫度，為鋼包內加清潔廢鋼創造條件，也是一種增加廢鋼用量的工藝方法。

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