1、 首鋼轉爐“留渣-雙渣”煉鋼工藝技術開發與應用 朱國森1李海波1呂延春1南曉東2秦登平3姜仁波2(1. 首鋼技術研究院,北京 100043;2. 首鋼遷安鋼鐵責任有限公司,遷安 064404;3. 首秦金屬材料有限公司,秦皇島 066326摘要首鋼總公司開發了轉爐“留渣+雙渣”煉鋼工藝技術,在首鋼遷鋼公司和首秦公司進行規模生產,取得了顯著的經濟效益。在工藝開發和生產過程中,解決了采用“留渣+雙渣”煉鋼工藝技術的關鍵難題:脫磷階段采用低堿度(%CaO/(%SiO2=1.31.5和低MgO含量(%MgO7.5控制,解決了脫磷階段結束難以快速足量倒渣的問題,確保了該工藝的順利循環;采用低槍位、高強度

2、供氧的工藝,加強攪拌,獲得了良好的脫磷效果;通過對生產中濺渣操作、倒渣操作、生產組織等進行優化,使該工藝能夠滿足正常生產,沒有影響鋼產量。關鍵詞轉爐留渣雙渣煉鋼Development and Application of “Slag-Remaining +Double-Slag ” BOFSteelmaking Technology in ShougangZhu Guosen1Li Haibo1 Lv Yanchun1 Nan Xiaodong2Qin Dengping3Jiang Renbo2(1. Shougang Research Institute of Technology, Bei

3、jing, 100043;2. Shougang Qianan Iron and Steel Company, Qianan, 064404;3. Shouqin Metal Material Company Ltd., Qinhuangdao, 066326Abstract The “Slag-Remaining+Double-Slag” BOF steelmaking technology has been developed in Shougang Corporation Ltd, and has been applied in large scale in Qianan Steelwo

4、rks and Shouqin Steelworks. Three key measures have been taken in this new steelmaking process. To make this process going fluently, low basicity (w(CaO/ w(SiO2=1.31.5 and low MgO content(7.5%slag are used in the dephosphorization stage to melt slag fast and ensure enough amount of deslagging. Hard

5、blow pattern, low oxygen lance position and high O2 flow rate are adopted to strengthen the agitation of the bath in the dephosphorization stage. By speeding up the slag splashing operations, deslagging operation and optimize the matching process, particularly by optimize the control and matching of

6、 the steelmaking, output of steel wasnt decreased.Key words BOF, slag-remaining, double-slag, steelmaking1前言轉爐終渣具有堿度高、溫度高、FeO含量高的特點,出鋼后將部分或全部爐渣留在爐內參與下一爐次的吹煉,有助于轉爐吹煉前期快速成渣,促進脫磷的特點,而且能夠節約石灰,降低金屬鐵損失。留渣操作在朱國森,男,博士,高級工程師,從事煉鋼、鑄工藝研發,zhuguosenshougang. com. cn20世紀80年代曾經被國內許多廠家生產實踐1-3,但是由于兌鐵過程中留渣與鐵水易發生劇烈反應,

7、發生噴濺,因此,留渣操作工藝的研究被迫放棄。2001年新日鐵報道了其開發的MURC 生產試驗4、5,采用“留渣-雙渣”的工藝,取得了良好的經濟效益,但是對于其中許多關鍵技術,如液態渣固化脫磷階段爐渣組成控制磷含量控制等實際操作參數控制等基本沒有報道。近年來,國內鋼廠開始試驗采用“留渣-雙渣”轉爐煉鋼工藝6,其中首鋼總公司與北京科技大學合作進行技術開發,解決了“留渣-雙渣”工藝的主要難點,在首鋼遷鋼公司和首秦公司進行大規模生產,并逐漸向首鋼長鋼、首鋼水鋼進行技術推廣與應用。 2 首鋼“留渣-雙渣”工藝技術的開發首鋼遷鋼公司第一和第二煉鋼分廠共擁有5座210t 頂底復吹轉爐,氧槍采用5孔噴頭,馬赫

8、數為2.0。遷鋼公司的主要產品包括管線容器船板用鋼等熱軋鋼種,汽車家電用鋼等冷軋鋼板以及電工鋼板。首秦公司擁有3座100t 頂底復吹轉爐,氧槍采用4孔噴頭,馬赫數為2.0,首鋼首秦公司的主要產品為優質中厚板管線造船橋梁高層建筑以及海洋平臺用鋼板等。首鋼總公司從2010年底開始在首鋼遷鋼公司和首鋼首秦公司進行“留渣-雙渣”的工藝技術開發與預實驗。圖1為該工藝 的生產流程示意圖,該工藝主要包括以下環節:轉爐冶煉結束出鋼后將爐渣留在爐內,對爐底液態渣進行充分固化后以及人工確認固化效果后,裝入廢鋼和鐵水,進行脫磷階段吹煉,脫磷階段結束后進行倒渣操作,然后進入脫碳階段的吹煉,吹煉結束出鋼留渣,并以此循環

9、往復。該工藝的基本原理為:利用低溫有利于脫磷反應的熱力學基本原理,在轉爐吹煉終點,由于溫度較高,鋼水中磷含量較低,爐渣已經不具備脫磷能力,轉爐終渣留在爐內,在下一爐吹煉前期由于溫度較低,鐵水中磷含量較高,爐渣重新具備脫磷能力;隨著吹煉進行,在溫度升高至對脫磷不利前倒出部分爐渣,之后進行再造渣進行脫碳階段的吹煉。該工藝重復利用了上爐留渣,能夠降低石灰輕燒白云石消耗,因此產生的渣量降低;同時由于在轉爐出鋼結束后爐渣留在爐內,避免了常規工藝因倒渣而導致的轉爐內殘鋼隨爐渣倒出引起的鋼鐵料損失。根據該工藝能夠顯著減少煉鋼渣量的特點首鋼將其簡稱為SGRS 工藝:Slag Generation Reduce

10、d Steelmaking 。從2012年3月開始,在首鋼遷鋼和首秦公司轉爐上進行生產,隨著該工藝的逐漸成熟,采用該工藝生產的比例和覆蓋鋼種逐漸提高,截至2013年6月底,首鋼遷鋼和首秦公司采用該工藝生產的比例能夠分別穩定在60%、80%以上,實現了良好的經濟效益。3 首鋼“留渣-雙渣”關鍵技術開發與應用3.1 液態爐渣固化由于轉爐終渣中FeO 含量較高,如果直接兌鐵,會引起劇烈反應而導致噴濺,因此必須對爐渣固化。在常規生產過程中,出鋼結束后進行倒渣,留在爐內的爐渣量較少,采用濺渣護爐工藝后,爐渣就能夠完全固化,而采用SGRS 工藝后,爐內渣量較高,爐渣固化困難。鑒于留渣為液相和FeO 含量較

11、高是導致兌鐵過程反應劇烈的主要原因,首鋼遷鋼公司經過大量試驗,開發了“濺渣護爐+石灰(輕燒白云石固化+搖爐確認”的爐渣固化工藝,即轉爐出鋼結束后,向爐內加入鎂碳球,在濺渣護爐過程促進碳氧反應,降低爐渣中FeO 含量,采用濺渣護爐吹氮氣冷卻爐渣,在濺渣結束提槍時,加入少量石灰(輕燒白云石固化爐渣,然后圖1 SGRS 工藝流程示意圖加入廢鋼后搖爐對爐渣進一步冷卻。采用該工藝后,在遷鋼和首秦生產的6萬爐次鋼中,沒有出現安全事故和安全隱患。3.2脫磷結束快速足量倒渣采用SGRS工藝生產的循環爐次越多,轉爐終渣重復使用的比例越大,原輔料消耗降低的幅度越大,而影響循環爐次的主要因素取決于脫磷結束的倒渣量,

12、如倒渣量不足,會出現爐內渣量逐爐蓄積,堿度不斷增加,倒渣愈加困難的情況,最后導致SGRS工藝無法接續,循環被迫停止;而且爐渣流動性會逐爐變差,渣中裹入金屬鐵珠量大,鋼鐵料消耗增加;同時倒渣困難會增加冶煉時間,爐內渣量波動也會對吹煉過程控制穩定性造成很大影響。因此,脫磷階段結束后能否快速倒出足量爐渣具有非常重要的意義。能否快速足量的倒出脫磷爐渣,主要取決于爐渣的流動性控制,影響爐渣流動性的主要因素包括:爐渣的化學組成和溫度,以及爐渣熔化程度。爐渣堿度和MgO含量是影響爐渣流動性的最主要原因之一,圖2為試驗測量的脫磷階段爐渣半球點溫度與堿度MgO含量的關系,可以看到,爐渣半球點溫度隨堿度MgO含量

13、增加而增加,采用低堿度低MgO含量操作是保證SGRS工藝順利倒出脫磷渣的必要條件。因此應當綜合考慮爐渣的堿度MgO含量與溫度對脫磷階段結束快速足量倒渣的影響。圖3、圖4為遷鋼公司和首秦公司采用SGRS煉鋼工藝脫磷階段結束后倒渣量與爐渣堿度MgO含量的關系,圖中可以看到,倒渣量隨堿度降低而增加,當脫磷階段爐渣堿度控制在1.31.5,MgO含量7.5%時,遷鋼和首秦轉爐的倒渣量分別可以大于8.0t5.0t,保證了SGRS工藝順利穩定運行。 圖3 脫磷結束爐渣堿度與倒渣量的關系圖4 脫磷結束MgO含量與倒渣量的關系(遷鋼此外,為了保證爐渣良好流動性,還需要適當控制合適的脫磷階段鐵水溫度。由圖5可以看

14、到,對于快速 足量倒渣,存在一最佳溫度范圍。在13301400范圍,倒渣量隨溫度提高而增加。當溫度超過1400后,隨著溫度進一步提高,由于脫碳反應加強造成爐渣Fe t O含量降低,倒渣量反而隨溫度提高而減少。在倒渣過程后期,渣流量逐漸減小,在實際生產過程中,在快速足量倒渣的基礎上,為了提高生產效率,不過分追求圖2 脫磷結束爐渣的半球點溫度測量圖5 脫磷結束溫度與倒渣量的關系每爐次的倒渣量,可以根據實際情況,連續生產若干爐次后,在出鋼后倒出部分爐渣維持爐內渣量的相對穩定;或者根據鋼種變化轉爐修補等實際情況終止SGRS 循環,在轉爐出鋼后全部倒出爐渣。而且通過上述工藝后,脫磷結束爐渣金屬鐵含量得到

15、有效控制。圖6為遷鋼公司和首秦公司采用SGRS 工藝一個循環內的倒渣量,在循環生產6、7爐次之后,在轉爐出鋼結束倒渣,重新進行下一個SGRS 工藝循環。 圖6 脫磷結束倒渣量生產實例3.3 SGRS 工藝磷含量的控制與常規工藝相比,采用SGRS 工藝脫磷的難度增大,由于上爐所留爐渣中已含1.5%以上P 2O 5,而且為了快速足量倒渣必須在脫磷階段采用低堿度爐渣,不利于脫磷。SGRS 工藝磷含量控制的關鍵在于脫磷階段使磷盡量進入爐渣并倒出,這樣才能夠保證轉爐終點磷含量的控制。為了解決遷鋼和首秦轉爐底吹強度弱對脫磷動力學不利的條件,開發了低槍位高供氧強度吹煉工藝,氧槍槍位較常規工藝吹煉前期槍位降低

16、100-200mm ,供氧強度控制在3.0m 3/min.t 以上。通過加強頂吹氧氣流對熔池攪拌促進磷向渣鐵界面傳輸。圖7為槍位對脫磷效果的影響,采用低槍位操作,脫磷結束磷含量明顯低于高槍位操作。由于采用低槍位高供氧強度吹煉工藝后,在脫磷階段,爐渣的FeO 含量較低,為此,采用增加鐵礦石提高爐渣FeO 含量,促進脫磷。在整體降低槍位的基礎上,針對鐵水不同硅含量開發了脫磷階段槍位曲線:當鐵水硅含量較高時,采用前低后高的槍位曲線操作,前期低槍位操作快速脫硅,快速提高溫度達到快 速成渣,后期高槍位操作,配合礦石加入,提高爐渣FeO 含量;當鐵水硅含量較低時,采用前高后低的槍位曲線操作,前期采用較高槍

17、位,彌補熱量,減少礦石加入量,脫磷后期采用低槍位操作,加強攪拌,促進脫磷反應。除此之外,降低脫磷階段加入石灰的粒度,促進在脫磷階段較短的時間內石灰快速熔化、快速成渣。圖8為遷鋼LCAK 鋼采用SGRS 后,鐵水脫磷階段結束脫碳階段終點鋼水磷含量以及脫磷結束轉爐終點爐渣P 2O 5含量的分布情況。可以看到,脫磷結束爐渣中P 2O 5含量明顯高于轉爐終點爐渣中P 2O 5含量;脫磷階段結束(吹煉4.5min 左右金屬熔池P降低至平均0.0293%,脫磷率平均為59.6%,脫碳階段終點鋼水P最低可脫除至0.0060%,平均為0.0096%,能夠滿足除少數超低磷鋼種(如抗酸管線鋼外絕大多數鋼種磷含量控

18、制要求。圖7 槍位對脫磷結束磷含量的影響 圖8 SGRS工藝生產過程鋼水磷含量和爐渣P2O5含量3.4 SGRS快速生產技術與常規工藝相比,由于增加了爐渣固化和脫磷結束倒渣的時間,采用SGRS工藝后轉爐生產周期延長,為了不降低產能,遷鋼公司和首秦公司進行了一系列技術改造和工藝優化。針對大渣量下的濺渣護爐,采用“高低高低”的槍位模式,使爐渣盡快掛在爐壁上,然后采用高槍位對爐底爐渣進行降溫,在濺渣護爐末期采用低槍位,使爐渣與石灰充分混合,采用該工藝后,濺渣時間能夠控制在5.5min以內,較常規工藝濺渣護爐時間延長1min。為了實現快速足量倒渣,在脫磷結束時,提高槍位以增加渣中表面活性組元FeO含量

19、,加強爐渣泡沫化程度有利于快速倒渣,在倒渣過程中,加快搖爐速度,倒渣開始后一步即將爐體傾動至75°80°位置,在該角度保持35s后,再緩慢搖爐至近乎水平位置。采用該方式搖爐,不僅能夠在爐渣泡沫化狀態下倒渣,而且有意識的停頓增加了渣鐵分離的機會,避免快速倒渣的時候爐渣裹挾鐵珠。為了適應此快速倒渣模式,首秦公司對煉鋼平臺做了改動,將平臺與爐口間隙增加至1400mm。此外,為防止泡沫化爐渣從渣罐中溢出,還開發了以C+SiO2為主要成分的專用壓渣劑,對快速倒渣起到了重要作用。采用以上快速倒渣技術后,脫磷階段結束后倒渣時間由SGRS工藝初期的56min縮短至4.5min左右。采用SG

20、RS工藝單爐冶煉時間較常規工藝增加約4min。為了不影響“轉爐-精煉-連鑄”生產周期匹配,采用了以下組織調度策略:(1盡量將轉爐補爐設備維修等安排在連鑄澆次空隙時間;(2遷鋼4臺板坯鑄機,澆鑄窄斷面鑄坯時(寬度<1200mm,采用“單爐對單機”模式。對寬斷面鑄坯,則采用“多座轉爐交叉供鋼”模式;(3首秦公司原來即存在轉爐容量偏小,必須采用三座轉爐對兩臺鑄機的生產模式,采用SGRS工藝后,可以繼續采用原生產組織模式。4SGRS工藝的經濟效益遷鋼公司和首秦公司采用SGRS后,噸鋼石灰消耗分別降低了47.3%和48.4%,輕燒白云石消耗分別降·6· 第九屆中國鋼鐵年會論文集

21、 低了 55.2%和 70.0%， 轉爐煉鋼渣量分別減少了 32.6%和 30.7%， 鋼鐵料消耗分別降低了 6.51kg/t 和 8.25kg/t。 遷鋼公司擁有 3 座套筒窯(1 座 500m31 座 550m3 和 1 座 600m3，采用 SGRS 工藝前，采用 1.0 系數滿 負荷生產可滿足石灰需求量。采用 SGRS 工藝后，2 座套筒窯(550m3 和 600m3，系數達到 0.8 左右即可滿足 實現自產輕燒白云石供轉爐使用。 首秦公司使用 SGRS 石灰需求量， 1 座 500m3 的套筒窯改燒輕燒白云石， 另 工藝以前，采用 1 座套筒窯(800m31.0 系數滿負荷生產，外加每月使用 4%左右的外購石灰，可以滿足石灰 需求量。采用 SGRS 工藝后，1 座套筒窯(800m3采用 0.85 系數生產即可滿足石灰量的需求，因此取消新建 一座 500m3 套筒窯計劃，同時避免了外購石灰質量的波