转炉少渣工艺技术分析

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摘要：阐述了少渣炼钢的工艺路线，分析了转炉少渣吹炼的供气制度、造渣制度、温度制度、合金化制度等，介绍了国内外几家钢厂典型的少渣炼钢工艺及其冶金效果，指出少渣炼钢是未来炼钢的主要发展方向。

铁水“三脱”使传统炼钢工艺发生了显著变化，在铁水预处理阶段进行脱硅、脱磷和脱硫，使炼钢转炉的主要功能转变为调温和脱碳，同时炼钢渣量减少，形成了少渣炼钢工艺。由于少渣炼钢用的铁水硅含量很低，造渣用石灰加入量明显减少，降低了渣料消耗和能耗，喷溅少，铁损低，减少了污染物的排放。同时，因渣量少，氧的利用效率高，吹炼终点钢水中氧含量低，余锰高，合金元素收得率较高，从而降低了生产成本。另外，少渣炼钢工艺终点命中率高，改善了钢水的纯净度，为生产超纯净钢创造了条件。
1 少渣炼钢工艺路线
常见的转炉炼钢工艺路线有四种。第一种是传统的炼钢工艺，欧美各国的炼钢厂多采用这种模式，即铁水先脱硫预处理后，再转炉炼钢。通常转炉炼钢渣量占金属量的10％以上，转炉渣中FeO含量在17％左右。此外，渣中还含有约8％的铁珠，该工艺钢铁料消耗高。第二种炼钢工艺是先在铁水沟、混铁车或铁水罐内进行铁水“三脱”预处理，然后在复吹转炉进行少渣炼钢，这种工艺的不足之处是脱磷前必须先脱硅，废钢比低(≤5％)，脱磷渣碱度过高，难于利用。第三种炼钢工艺是20世纪90年代中后期日本各大钢厂试验研究成功的转炉铁水脱磷工艺，该工艺解决了超低磷钢的生产难题。与第二种工艺路线的明显区别是脱磷预处理移到转炉内进行，转炉内自由空间大，反应动力学条件好，生产成本较低。具体工艺是采用两座转炉双联作业，一座脱磷，另一座接受来自脱磷炉的低磷铁水脱碳[1、2]，即“双联法”。典型的双联法工艺流程为：高炉铁水_+铁水预脱硫-+转炉脱磷_+转炉脱碳_+炉外精炼．+连铸。由于受设备和产品的限制，也有在同一座转炉上进行铁水脱磷和脱碳的操作模式，类似传统的“双渣法”。第四种炼钢工艺是对第三种炼钢工艺进行了改进，与第三种工艺的明显不同是将部分脱碳渣(约8％)返回脱磷转炉，脱磷后的铁水进入脱碳转炉脱碳。该工艺是目前渣量最少、最先进的转炉生产纯净钢的工艺路线。在上述四种转炉炼钢工艺路线中，后三种炼钢工艺铁水经过“三脱”预处理后再脱碳炼钢，能够做到少渣操作。四种







转炉炼钢工艺路线的渣量比较见图1。从图l可以看出，后三种炼钢工艺的吨钢渣量低于70 kg／t。


国外专家认为，少渣炼钢是在转炉炼钢时，每吨金属料加入的石灰量低于20 kg，脱碳炉每吨钢水的渣量低于30 kg。值得指出的是，如果将脱磷转炉每吨金属料产生的20～40 kg脱磷渣也视为炼钢渣，那么少渣炼钢工艺流程的总渣量约为50-70 kg。总之，转炉少渣炼钢必须以铁水预处理为前提条件。铁水“三脱”预处理后，铁水中的硅、磷和硫含量基本上达到了炼钢吹炼终点的要求。对少渣炼钢脱碳转炉操作而言，操作任务发生了变化，工艺制度也要进行调整。
2 工艺制度分析
2．1供气制度
少渣炼钢脱碳转炉全过程顶吹氧枪枪位采用“高一低一低”三段式控制较为合理。由于入炉铁水硅、锰含量较低，碳氧反应提前，渣量很少，前期枪位低会造成金属喷溅。同时硅的减少给炼钢初期成渣带来困难，采用较高枪位操作便于快速成渣，增加吹炼前期渣中氧化铁的含量，然后根据化渣情况逐步降低枪位。与常规吹炼相比，少渣吹炼前期氧气流量应适当降低，吹炼后期加大底吹气体流量有利于减少铁损和提高锰的收得率。
2．2造渣制度
转炉少渣吹炼时，生石灰及其它造渣材料在吹炼开始或吹炼中期投入。一般不加萤石，转炉化渣不良时，可投少量萤石帮助化渣。如铁水硅没有达到控制目标，配加适量的软硅石，700 kg软硅石相当于铁水中0．10％的硅生成的Si02。铁水经“三脱”预处理后，少渣吹炼应结合留渣操作。日本君津炼钢厂冶炼低碳铝镇静钢时，采用少渣吹炼，吨钢造渣剂消耗降至7．2 kg，如果全部采用低磷铁水(P≤0．050％)冶炼，吨钢造渣材料的单耗也只有12．4 kg。NKK福山厂开发的少渣炼钢技术，其渣量控制在吨钢30 kg。新日铁室兰钢厂使用“三脱”铁水炼钢，吨钢石灰消耗20 kg，转炉总渣量减少了50％。我国宝钢和太钢采用“三脱”铁水进行少渣炼钢试验，结果总渣量减少了50％。但是，神户制钢在进行少渣吹炼时，发现连续3炉以上均采用吨钢渣量小于20 kg的少渣量操作，炉衬上几乎不附着熔渣，耐火材料易受到侵蚀，从而影响转炉炉龄。因此，神户制钢将渣量控制在每吨钢40 kg左右。在降低造渣料消耗的前提下，为了保护炉衬、覆盖钢液、减少金属喷溅，采取的有效措施是留渣操作。出钢后，将前一炉的高温、高碱度、高氧化性的终渣留一部分(吨钢约10 kg左右)于炉内，加入少量石灰或白云石，然后兑铁炼钢。新日铁君津厂和神户制钢就是采用留渣操作补充渣量的冶炼方法。
2．3温度制度
采用“三脱”铁水吹炼时，确定温度制度的关键在于合理选用造渣料和废钢用量，以平衡因铁水温度降低和放热反应元素(硅和磷等)减少而导致的热量改变。一般通过减少造渣料和废钢用量就可实现热平衡。“三脱”铁水少渣吹炼时，停吹温度平均为l 657℃，而只进行脱硫的铁水预处理吹炼时，停吹温度平均为l 655℃。
2．4炉内部分合金化
应用“三脱”铁水实现少渣炼钢后，造渣料消耗大幅度减少。如果有富余的热量，可实现锰矿或铬矿直接合金化。如日本钢管公司采用的炉内锰矿合金化工艺，通过控制碱度，降低渣中T•Fe，使低碳钢水终点锰含量达到l％，锰的收得率大于70％。另外，日本的新13铁、JFE、住友金属和神户制钢的炼钢厂在生产含锰低于1．5％的合金钢时，采用锰矿直接代替全部锰铁合金，取得了较好的经济效益。