高废钢比对转炉冶炼工艺的影响分析及控制措施

民生 2024-11-01 11:51 四川

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转炉冶炼是炼钢的主要工艺方式，其主要生产原料为铁水和废钢。目前，高品位的铁矿石价格高，使得高炉铁水生产成本持续增大。与此同时，国内废钢价格长期处于低位。为了利用铁矿石与废钢之间的差价降低生产成本，同时实现对废钢资源的回收利用，提高转炉冶炼环节的废钢比已成为很多钢铁企业的通用做法。废钢作为一种质地坚硬、成分复杂的固体废料，将其直接投入到转炉中必然会给转炉熔池温度、钢水成分等带来不同程度的影响，继而影响到转炉炼钢的工艺质量。如何在高废钢比条件下保证冶炼质量也成为很多钢铁企业研究的重点。

高废钢比对转炉炼钢的影响

1.1 对转炉终点碳温控制的影响

利用高废钢比进行转炉冶炼生产，在一定程度上会影响转炉开吹打火稳定性，同时对冶炼生产造渣带来不利影响，从而影响冶炼生产终点碳温控制。废钢在转炉熔池内的熔化过程较为复杂，可分为表面铁水冷凝、冷凝层熔化、废钢渗碳熔化这三个阶段。小块且比表面积大的板状废钢在冶炼前期能够迅速熔化，但这也导致熔池温度骤降，使得转炉开吹打火困难。特别是采用低压氧打火工艺时，这种情况更加显著。为了了解不同废钢比对熔池温度的影响，对加入不同比例废钢后的熔池温度变化进行了研究，为了尽量降低干扰因素的影响，实验采用了同等规格、质量的废弃板材，实验结果如表1所示。

由表1 中可看出，废钢比的增加对熔池温度的影响是比较显著的，可使熔池温度明显降低。由于熔池温度低，冶炼前期炉内金属的黏度增加，降低了熔池传热和传质速度，吹氧反应区的热量向熔池其他部分的传递速度减缓，熔剂升温速度慢，特别是大块、非板状、低碳的废钢本身熔化速度较慢，当其比率高时，升温速度进一步延缓，造成转炉成渣困难，前期脱磷率下降。很多钢铁企业会选择应用提温剂来提高熔剂升温效率。在转炉成渣不利的情况下，转炉终点碳温命中率会随之下降，甚至会导致高温炼钢和过氧化炉次增加的问题。

1.2 对炉衬的冲击影响

高废钢比转炉在进行冶炼作业时，废钢比的提高使得废钢加入量增大，装入过程中加大了对炉衬耐材表面的冲击力，特别是废钢槽容量较小，重型废钢所占比例较大时，在一定程度上不仅延长了对耐材的冲击时间，而且增大了对耐材的冲击强度，对转炉炉衬养护产生了不良影响。国内某钢厂经过数年时间，对提高废钢比后同规格转炉运行的经济技术指标进行了研究。结果表明，高废钢比对于出钢口寿命、炉衬寿命、炉衬维护等方面都带来了显著影响。其中，A 钢厂从2016 年6 月开始，将转炉平均废钢加入比例由18%逐渐提高并稳定在32%；B 钢厂从2017 年3 月开始，将转炉平均废钢加入比例由15%逐渐提高并稳定在40%。经计算，因提高废钢比导致两钢厂转炉出钢口寿命分别下降了32.1%和33.3%；整体寿命下降，补炉频率开始提高。炉况逐渐恶化，特别是渣线部位耐材损毁最为明显，出现了“凹坑”。除此之外，冶炼前期作业由于炉内熔池温度比较低，成渣较为困难且炉渣碱度较低，转炉炉衬耐材侵蚀相对较重。

此外，由于降低铁水单耗，冶炼产生总渣量下降，渣中FeO 含量则相应变高，造成溅渣层相应变薄，溅渣护炉效果明显下降，在一定程度上增加了炉衬的维护修复难度。

1.3 对炼钢终点钢水成分的影响

采用提温剂进行高废钢比操作会增加转炉回硫量，同时冶炼终点钢水氮含量有增加趋势。为了满足表2 预热废钢与普通废钢转炉冶炼技术指标对比高废钢比条件下的冶炼生产，很多企业都会外购废钢。而由于无法掌握外购废钢的含硫量，因而导致硫含量不稳定，进而影响低硫钢的硫成分控制，并造成比较显著的炼钢终点钢水氮含量变化。此外，为了增加转炉热源，主要使用焦炭作为提温剂，而焦炭的硫含量较高，这进一步增加了转炉回硫量。大块、非板状、低碳的废钢熔化速度慢，影响转炉的脱氮效果，同时为了减少提温剂用量，对转炉终点碳含量的控制倾向于下限控制，造成冶炼终点钢水氮含量增加。

高废钢比下转炉炼钢生产的优化措施

2.1 应用废钢预热技术

为了降低废钢加入后对熔池温度的影响，很多钢铁企业开始采用废钢预热技术来提高入炉的废钢温度。为了在实现废钢预热的同时，减少废钢的氧化，通常将预热温度控制在700~800℃。目前比较常用的废钢预热技术有：

1）烘烤器预热废钢：这种方法利用原有的钢铁包烘烤器对废钢进行预热，但由于火焰温度低，预热效果不理想。

2）料斗式预热废钢：这种方式通过将轻薄废钢加入废钢料槽，然后通过预热装置加热至600~800℃，再卸入铁包中，并加盖保温直至送入高炉或转炉。这种方法适用于铁屑和废钢压块的预热，能够一次预热一斗（炉）所需的废钢量，但存在预热温度低和废钢斗易变形的缺点。

3）电磁直喷式热交换系统预热废钢：这种系统的预热工艺是连续加入废钢，并通过预热设备将废钢加热至800℃，然后出废钢至高炉接铁水或转炉兑铁。这种方法的优点在于能够实现连续加料和高效的废钢预热。

4）SPEARC 技术：这项技术主要特点是竖井连续加料废钢预热，能够高效回收烟气余热，并且与传统EBT 炉壳深度兼容，操作维护方便。此外，它还支持全程平熔池泡沫渣操作，有助于提高电弧热效率和降低噪音水平。

5）绿色输送废钢预热工艺：这是一种新型的废钢预热技术，旨在解决传统加料方式存在的生产效率低、能耗高、环保问题等。通过废钢输送装置将废钢加入电炉，提高了生产效率和环保性能。

某炼铁厂采用料斗式预热技术对废钢进行预热，平均预热温度758℃，相关技术指标如表2 所示。如表2 所示，使用预热废钢可显著提高终点温度，转炉铁耗较正常工艺降低78 kg/t。除去预热成本，吨钢约可降低成本2.9 元。

2.2 优化废钢质量管理

加强入炉的废钢规格和对入炉废钢的结构控制，尽量降低非板状废钢、低碳废钢的使用。如需外购废钢，也要尽量采购规格较小的破碎废料钢和生铁块。通过研究和分析不同废钢与转炉物料消耗及渣量之间的关系，优化废钢的使用结构，找出最佳的废钢混合比例，以降低炼钢生产成本和环境污染。结果表明，废钢质量对转炉钢铁料消耗和炉渣量有显著影响。质量较好的废钢带入转炉杂质少，有利于降低钢铁料消耗和炉渣量。在某企业120t 转炉的优化试验中，发现最优废钢配比为重型废钢33.3%、钢筋头16.7%、普通生铁26.7%、硫钢块6.7%和溢渣物16.6%。这种配比可以降低转炉冶炼成本，并满足冶炼钢种的要求。

2.3 选择合适的提温剂

高废钢比冶炼时，由于废钢比例提高造成钢水热能不足，需加入提温剂提升钢水温度，保证冶炼生产热量平衡。特别是由高炉到转炉运输时间比较长，相应铁水温度降幅较大，冶炼作业时应规范使用提温剂，从而有效降低提温剂对冶炼生产的影响。焦炭作为提温剂具有熔化速度快、升温效率高等优点，并且成本相对要低。因此，在转炉冶炼中，焦炭作为提温剂得到广泛应用。表3、表4 是炼铁厂使用提温剂后冶炼技术指标的对比情况。

由表3 和表4 对比可知，加入焦炭后，吨钢铁水消耗明显减少，废钢比显著增加。因此，采用焦炭作为提温剂体现出良好的经济技术指标。

但焦炭温存在消耗用量大、钢水回硫量增大问题。对此，炼铁厂在生产低硫钢种时，适当降低了焦炭加入量，并适当提高了硅铁加入量，以降低回硫量。对硅含量低的钢水，特别是低磷钢品种，可根据实际情况适当增加硅铁用量，以有效增强冶炼化渣效果，提高脱磷率。

2.4 优化转炉造渣工艺

转炉冶炼成渣工艺通常有两种方式，即铁质成渣和钙质成渣，冶炼成渣的目的是在冶炼过程中形成碱度合适、流动性良好的炉渣，使炉渣溅渣护炉性能得到有效保证。通常情况下低废钢比转炉冶炼生产普遍采用钙质成渣工艺，该工艺生产作业时炉渣碱度相对较高，FeO 含量相对较低，对转炉冶炼过程中各项工艺指标实现具有较好的作用，但钙质成渣存在炉渣容易返干的问题，不适宜低磷钢生产冶炼。

高废钢比冶炼生产特点是转炉内前期熔池温度较低，成渣比较困难。采用铁质成渣工艺在一定程度上能够减少废钢熔化时间，提升冶炼成渣速度，但该工艺对生产吹炼的稳定性具有不利影响，对生产作业自动控制具有一定难度，对转炉冶炼生产工艺要求相对较高。提高废钢比例采用铁质成渣工艺，在实际生产中应注意以下几个方面：一是应分批加入造渣剂，第一批料以镁质熔剂为主，有助于炉内熔池升温以及废钢快速熔化，提升化渣效果并有效保护溅渣层；二是冶炼过程中应结合化渣情况，将渣料分批加入，合理控制每批料的投入总量，分步分批有效保证造渣效果；三是为避免出现炉渣返干，造渣剂投入应在吹氧过程2/3 时间内全部完成，以有效保证终渣各项性能指标。

结论

炼铁厂结合实际工作经验，研究分析了提高废钢比对转炉冶炼生产工艺的影响。通过应用废钢预热技术、优化废钢质量管理、选择合适的提温剂、优化转炉造渣工艺等措施，在充分保证转炉冶炼质量的基础上，提高了废钢比例，降低了转炉冶炼生产成本。

作者：文/河北钢铁集团邯钢能嘉钢铁有限公司●郭振泳

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