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采用铁矿石替代废钢的炼钢工艺实践


采用铁矿石替代废钢的炼钢工艺实践
田志国 丁金虎 汤 伟
(湘潭钢铁集团公司, 湘潭


411101)

1
摘 要 介绍了湘潭钢铁集团公司炼钢厂 80 t 转炉采用铁矿石替代部分废钢作为冷料,通过调整转炉的物料配比 和操作方式,以降低炼钢成本的工艺实践。实践证明,采用铁矿石替代废钢,可使矿石消耗

量增加,而废钢消耗量 减少,从而降低钢铁料、氧气、化渣剂等成本支出。 关键词 铁矿石 废钢 炼钢 工艺实践

The Steelmaking Technology Practice about Iron Ore Serves as Alternatives to Scrap
Tian Zhiguo Ding Jinhu Tang Wei
(Xiangtan Iron and Steel Group Corporation, Xiangtan, 411101) Abstract This paper the 80t converter using iron ore as cold material partly take the place of scrap in Steelmaking plant of Xiangtan Iron and Steel Group Corporation was introduced. Through adjusting the converter materials rate and optimizing operation, the cost of steelmaking was reduced.It was found that , using iron ore serves as alternatives to scrap, the iron ore consumption was increased, the scrape consumption was decreased and the cost about oxygen, steel material, flux, etc .was dropped. Key words iron ore,scrape,steelmaking,technology practice 据测算,铁水、废钢、原材料、合金等的成本占炼钢总成本的 70%以上[1]。根据热平衡计算可知,转炉 炼钢时炉内热量有富余,必须加入适量的冷却剂。转炉炼钢可用的冷却剂有废钢、铁矿石、氧化铁皮等,用 量最多的为废钢。2010 年以来,废钢价格暴涨,且采购困难,造成炼钢厂成本超支。湘钢在炼铁产能富余 的情况下,使用铁矿石替代废钢,以降低炼钢成本,平衡生产。

1 工艺条件
1.1 设备条件
湘钢炼钢厂现有 3 座公称容量为 80 t 的转炉,平均装入量为 98 t,转炉冶炼周期为 32 min,吹氧时间为 15 min,供氧流量为 17500~19500 Nm3/h,氧压为 0.7~0.9 MPa。炉外精炼装备含 3 座 CAS(Composition Adjustment by Sealed Argon Bubbling)站、3 座 LF(Ladle Furnace)钢包炉、1 台 VD(Vacuum Degassing) 炉,连铸含 2 台 8 机 8 流罗可普小方坯连铸机、1 台 4 机 4 流克虏伯型方坯连铸机、1 台 4 机 4 流康卡斯特 方坯连铸机。 根据工艺要求的不同,炼钢厂的工艺流程主要分为:转炉—CAS—铸机—CAS—LF—(VD)—铸机,
田志国 (1977—),男,湖南湘潭人,湘潭钢铁集团公司首席工程师,主要从事转炉炼钢技术工作,tg1977@sina.com

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转炉—CAS—转炉—CAS—LF—(VD)—铸机 2 种形式。

1.2 原料条件
炼钢厂使用的铁水由湘钢炼铁厂供应,铁水成分与温度情况如下:Si 的质量分数为 0.20%~0.80%; Mn 的质量分数为 0.30%~0.60%;P 的质量分数不大于 0.150%;S 的质量分数不大于 0.050%;入炉温度大 于 1250 ℃;带渣量质量分数应小于 0.5%。 炼钢厂转炉中使用的铁矿石要求含粒度为 6.3~50mm, 小于 6.3mm 和大于 50 mm 的质量分数均不超过 10%。最大粒度不超过 70 mm。铁矿石标准中,各物质的质量分数见表 1。
表 1 转炉用矿石标准
w(Fe) >61 w(S) <0.1 w(P) <0.1 w(As) <0.01 w(Cu) <0.1 w(Pb) <0.1 w(Zn) <0.1 w(SiO2) <4.5 w(H2O) <5

1.3 采用铁矿石替代废钢的操作难点
铁矿石的主要成分为 Fe2O3 或 Fe3O4,矿石的熔化、分解和铁被还原都需要吸收热量,因而能起到调节 熔池温度的作用。随着铁矿石加入量的增大,会给转炉的操作带来诸多问题:一方面,由于铁矿石的含氧量 较高,钢水中的碳氧反应较为活跃,易造成冶炼前期出现较多的溢渣现象;另一方面,铁矿石中带有脉石, 而脉石的存在会增加炉渣总量, 且铁矿石的一次加入量过多会引起喷溅和冒烟现象。 所以采用铁矿石替代废 钢炼钢时,需要加强对转炉操作的控制,即通过灵活控制铁矿石的加入时间和加入质量、调整氧枪枪位及调 控熔池温度等措施来解决以上问题。

1.4 铁矿石替代废钢作冷却剂的理论依据
1.4.1 铁矿石的冷却效应吸热 铁矿石的冷却效应吸热包括物理冷却吸热和化学冷却吸热两个方面。 铁矿石的物理冷却吸热, 是指铁矿 石从常温加热至熔化后, 直至出钢温度的整个过程所吸收的热量; 化学冷却吸热是指铁矿石分解时所吸收的 [2] 热量。因铁矿石的冷却效应吸收的热量值可以通过下式计算 : Q 矿= m×C 矿×Δt×λ 矿+m×[112/160w(Fe2O3)×6 459+ 56/72w(FeO)×4 249] 式中—m—铁矿石质量,kg; C 矿—铁矿石的质量热容,且 C 矿=1.016 kJ/(kg·℃); Δt—铁矿石加入熔池后需升高的温度数,℃; λ 矿—铁矿石的熔化潜热,即 209 kJ/kg; 从上式可看出,Fe2O3 的分解热所占比例较大,这说明铁矿石冷却炉温主要靠 Fe2O3 的分解吸热。因此, 铁矿石因冷却效应所吸收热量值随 Fe2O3 质量分数的变化而变化。如设铁矿石中 Fe2O3 的质量分数为 70%、 FeO 的质量分数为 10%,则 1 kg 该铁矿石在出钢温度为 1660 ℃时因冷却效应吸收的热量值是 5 409.6 kJ。 1.4.2 废钢的冷却效应吸热 废钢冷却效应吸热主要依靠升温吸热来冷却熔池, 由于不知道废钢的准确成分, 通常按低碳钢的 1 500 ℃ [1] 考虑其熔点,入炉温度按 25℃计算,其计算式可参照下式 : Q 废=1×[C 固(t 熔-25)+λ 废+ C 液(t 出-t 熔)] 式中—C 固—固态废钢的质量热容,且 C 固=0.699kJ/(kg·℃); t 熔—废钢的熔化温度; λ 废—废钢的熔化潜热,即 272 kJ/kg; C 液—液态废钢的质量热容,且 C 固=0.837kJ/(kg·℃); t 出—钢水的出炉温度。 经计算,1 kg 废钢在出钢温度为 1660 ℃时因冷却效应吸收的热量值是 1436.9 kJ。 从以上计算可知,1 kg 铁矿石的冷却效应吸热值相当于 3.7 kg 废钢的冷却效应吸热值。因此,在减少废

采用铁矿石替代废钢的炼钢工艺实践 钢用量的情况下,可通过增加铁矿石的用量来平衡炼钢的富余热量。

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2 工艺过程控制
2.1 合适的装入制度
原有的装入制度为铁水(82±2)t,废钢 16 t。为获取最合适的装入制度,在总装入量一定的情况下, 按照不加废钢和加入 8~10t 废钢 2 种方式进行对比试验。试验结果表明:不加废钢时,每炉钢的冶炼过程 中需加入 5 t 以上铁矿石,备料和操作控制都比较困难,易发生喷溅,且烟尘外溢现象严重,因而钢铁料损 失较大,并严重污染环境。在控制废钢加入量为 8~10t 时,每炉钢的冶炼过程中约需加入铁矿石 3~4 t。若 操作得当,备料和冶炼操作都较易控制,冶炼过程较平稳。因加入较多的铁矿石,会使得出钢量有所增加, 故总的装入量按下限控制。即最佳装入制度中具体装入量为铁水(89±1)t,废钢为 8 t。

2.2 供氧制度
采用铁矿石替代废钢时,由于铁矿石加入量较大,容易形成熔渣,且流动性能好,因此,采用适当的低 位置的操作枪位是供氧操作的关键。 枪位的控制对熔池温度的变化起决定性作用, 通过灵活调节枪位, 可以控制好转炉冶炼过程的温度和化 渣状况。低枪位操作时,熔池中氧气、熔渣、金属液紧密接触,因而炉内化学反应速度较快,也使熔池升温 速度加快,熔池搅拌速度加强。高枪位操作时,炉内的化学反应速度较缓慢,控制不当会使炉渣中(FeO)的 质量分数增加,易发生喷溅现象,使热量损失增加。 炼钢厂要求每班必须测量氧枪操作基准“零位”,以确保枪位准确。在改进后的冶炼操作中,采用分阶段 恒压变枪操作[3],即由原来“高—低—高—低”的四段式操作模式,改为“低—高—低—低”的操作模式。采用 矿石替代废钢之后,转炉氧枪操作模式如图 1 所示。图 1 中,枪位 1 为原有模式,枪位 2 为采用矿石替代废 钢工艺之后的操作模式。

图 1 枪位控制对比图

因开吹时已加入大批量的铁矿石,故冶炼前期采用较低枪位化渣,使熔池温度迅速上升,以促进石灰熔 化,尽快形成具有一定碱度的炉渣。为避免在碳氧化剧烈反应期出现返干现象,冶炼中期适时提高枪位,使 渣中(FeO)的质量分数保持在 10%~15%,以利继续去除铁矿石中的磷、硫。在接近终点时降枪,以加强熔 池搅拌速度,继续脱碳及均匀熔池成分和温度,降低终渣中(FeO)的质量分数。

2.3 造渣制度
氧气转炉炼钢炉渣可简化为 CaO-SiO2-FeO 三元系,石灰的溶解过程及渣成分的变化如图 2 所示。

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图 2 炼钢过程石灰的溶解过程及渣成分的变化

一般情况下,炼钢过程中转炉吹炼初期渣的组成位于图 2 中的 A 区,根据工艺要求,终渣成分需达到 图 2 中的 B 区[4]。 采用铁矿石替代部分废钢后,因铁矿石的加入质量较大,渣中总(FeO)质量分数增加的速度比较快,熔 渣成分在液相区内沿图 2 中的途径 2 到达 B 区。吹炼过程采用单渣法操作。根据装入的铁水成分、数量确 定造渣材料的加入量,石灰消耗量约为 50 kg/t。在开始吹炼时加入第一批石灰,约 2.5 t,占总添加质量的一 半。其余的石灰在冶炼过程中分批加入。因加入的铁矿石中带有 SiO2,所以需补加石灰,以保证熔渣的碱 度。若矿石中 w(SiO2)=3%,渣碱度 R=3.5 时,每 100 kg 矿石大约需补加 13.5 kg 石灰。在实际操作过程 中, 经过对比发现,与采用原工艺相比,每炉钢的石灰消耗总量并没有增加。 经初步分析, 认为其原因如下: 一是石灰容易渣化,改进的工艺中,石灰的利用率得到了提高;二是废钢质量差,减小废钢的加入量也即相 应减少了夹杂物的带入;三是该工艺操作控制平稳,减少了用石灰降温等浪费行为。 轻烧白云石的热量消耗情况为 28 kg/t,在冶炼前期加完,并保持渣中 w(MgO)≥8%,以减少炉衬蚀损。 冶炼后期根据渣况和溅渣要求确定是否补加轻烧白云石,若渣稀则补加 300~500 kg。 原炼钢工艺中,每炉钢约需添加萤石等化渣材料 300 kg。采用铁矿石替代废钢工艺时,因(FeO)是氧化 剂,且能加速石灰的溶解,故冶炼过程中可不用添加萤石等化渣材料。 采用铁矿石替代废钢工艺的造渣操作要点可总结为:前期快速成渣,中期熔渣化透,后期终渣作黏。在 造渣过程中将温度调控结合起来,通过调整矿石加入的时间、批次进行化渣,通过调整枪位控制过程喷溅和 返干。

2.4 温度制度
根据具体情况,正确判断冶炼过程中的温度变化情况,及时调整铁矿石的用量。开吹时加入铁矿石 2 t 左右,占加入总质量的 50%~60%,以取代废钢的冷却作用。冶炼过程的中后期,分批次加入铁矿石,每 批次加入质量不大于 500 kg,否则会造成熔池温度下降过多、渣料结团、石灰块表面形成一层金属凝壳而推 迟成渣。冶炼过程的中后期,铁矿石具体加入方法为:在硅及锰的氧化基本结束、头批渣料已经化好、碳焰 初起的时候(开吹约 5 min)加入 2 批铁矿石,每批约加入 0.5 t。在吹炼中期(开吹约 8~10 min)返干或熔 池温度高时加入 1 批铁矿石,在终点前 3 min 左右,根据熔池温度情况加入铁矿石 1 批,以调整熔池温度。 吹炼末期不再加入铁矿石,主要进行升温和均匀温度工作。

2.5 终点控制
炼钢终点的选择主要根据耗氧量及吹氧时间判断,距提枪 120 s 时不再加入铁矿石,以避免因铁矿石未 充分分解造成脱氧异常。距提枪 90 s 时“压枪”,对熔池进行深枪位搅拌,尽量降低渣中氧化铁的质量分数, 均匀钢液温度及成分。

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3 工艺和成本分析
3.1 熔渣成分对比分析
通过对比 2009 年与 2010 年第三季度的炼钢厂终渣数据(见表 2) ,可发现以铁矿石替代废钢后,转炉 内终渣成分变化不大。冶炼过程中大量使用铁矿石后,转炉终渣碱度、w(MgO)、w(FeO)仍旧分别控制在 2.7%~3.2%,10%~12%,15%~18%的合格范围以内。因此,以铁矿石替代废钢的装入制度对转炉炉况无较 大影响。通过优化操作,终点总(FeO)的质量分数有所降低。铁矿石用量的大小不会导致终渣成分有较大的 变化。
表 2 终渣数据对比表
矿石消耗/ 时间 2009年 2010年 kg·t
-1

终渣碱度 平均值

(MgO)平均含量/%

总FeO质量分数/%

9.81 22.53

2.86 2.94

11.35 10.75

17.05 16.76

3.2 铁水的影响
采用铁矿石替代废钢的工艺技术,其必要条件之一就是铁水供应充足。炼钢厂 2010 年第三季度铁水单 耗为 989 kg/t,比 2009 年第三季度指标 964 kg/t 增加了 25 kg/t。因此,炼铁厂的铁水产量高低、铁水成分的 波动、铁水温度的波动对该工艺的实施有较大影响。

3.3 对环境、能源的影响
铁矿石的加入使转炉内局部供氧增加, 瞬间发生比较剧烈的反应, 会使烟尘量加大。 为了减少环境污染, 炼钢厂主要采用如下应对措施: 其一是加大一次除尘风机转速, 即将其由原来的 2200 r/min 增加到 2600 r/min, 从而加大一次除尘的处理能力;其二是减少喷溅和返干现象,通过前述标准化操作,可减少喷溅和返干现象 的发生,使反应过程比较平稳。 目前,我国废钢来源为三个部分:钢铁企业自产废钢为 40%左右,社会废钢为 55%左右,进口废钢为 5%左右。因我国废钢资源紧缺,价格高企,使得提高废钢比失去了其应有的经济性,钢企已经放弃追求提 高转炉废钢比,废钢单耗逐年下降。但废钢铁是一种再生环保资源,用废钢直接炼钢可以减少焦炉煤气、高 炉煤气等碳排放。未来的钢铁原料配置,废钢单耗将上升。

3.4 成本分析
据 2011 年 3 月 10 日《中国冶金报》原料市场综述,湖南地区中废钢采购价格平均为 3700 元/t,65%铁 精矿粉采购执行价平均为 1475 元/t[5]。通过对 2010 年第三季度的炼钢厂成本与未采用该工艺的 2009 年第三 季度成本(数据见表 3)对比分析可知,采用铁矿石替代废钢的生产工艺能降低炼钢成本 7.24 元/t。
表 3 成本数据对比表
时间 矿石消耗 /kg·t 2009年 2010年
-1

氧气消耗(标态) /m ·t
3 -1

化渣剂消耗 /kg·t
-1

钢铁料消耗 /kg·t
-1

吨钢铁水 消耗量/kg·t-1 964 989

9.81 22.53

53.6 50.1

2.32 0.39

1096.4 1087.3

4 结论
结论如下: (1) 采用铁矿石替代废钢的炼钢工艺, 通过调整转炉冶炼操作制度可以有效控制转炉的喷溅或返干现象,

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冶炼过程平稳。 (2)采用铁矿石替代废钢的炼钢工艺,仅增加铁矿石的消耗量,而钢铁料消耗、氧气消耗、化渣剂消耗 均降低,可降低转炉炼钢成本 7.24 元/t。 (3)采用铁矿石替代废钢的炼钢工艺,终点炉渣成分没有明显变化。

参 考 文 献
[1] 范鼎东.炼钢金属炉料的经济性研究[J]. 马钢技术,1999 (1): 27~32. [2] 张岩,张红文. 氧气转炉炼钢工艺与设备[M]. 北京:冶金工业出版社,2010. [3] 高泽平. 炼钢工艺学[M]. 北京:冶金工业出版社,2006. [4] 黄希祜. 钢铁冶金原理[M]. 北京:冶金工业出版社,2002. [5] 亦文. 国内原料市场一周综述(2月26日~3月4日)[N]. 中国冶金报,2011-03-10(C4).


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