煉鋼生產(chǎn)中固廢循環(huán)利用及熔劑經(jīng)濟替代的實踐

李超    董博    易曉明    王富亮    朱宏家    徐國超    冉茂鐸

（鞍鋼股份鲅魚圈鋼鐵分公司  遼寧 營口 115007）

摘要：本文介紹了260 t轉(zhuǎn)爐中使用脫硫渣鐵、石灰石替代石灰、以及轉(zhuǎn)爐尾渣造應(yīng)用的實踐情況，進(jìn)行了相關(guān)的理論分析，并介紹了幾種經(jīng)濟物料使用的具體方法，生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明：脫硫渣鐵的使用，對現(xiàn)有工藝沒有較大影響，同時提高了其他經(jīng)濟指標(biāo)；石灰石替代白灰，提高了脫磷水平，煤氣回收量增多；轉(zhuǎn)爐尾渣使用提高了脫磷率及一系列轉(zhuǎn)爐經(jīng)濟指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：石灰石；脫硫渣鐵；尾渣

1前言

眾所周知，在鋼鐵冶金領(lǐng)域，我國是絕對的鋼鐵大國，主要體現(xiàn)在鋼產(chǎn)量約占世界的一半，我國鋼鐵行業(yè)能源消耗高、排放量大，造成環(huán)境污染。最近這些年鋼鐵企業(yè)身上壓著環(huán)保和成本兩座大山，從上至下鋼鐵對于煉鐵煉鋼經(jīng)營成本以及低碳低排的要求越來越高。因此，在生產(chǎn)中改進(jìn)技術(shù)工藝與創(chuàng)新操作方法已經(jīng)迫在眉睫。

轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)中，白灰是最基本的熔劑原料，而且一直在被廣泛應(yīng)用，尋求節(jié)能環(huán)保的替代材料一直是科研工作者的研究重點，作為焙燒白灰原料的石灰石是否可以進(jìn)行替代便成為研究的熱門材料，國內(nèi)學(xué)者陸續(xù)提出使用石灰石替代白灰，并分析了相關(guān)實踐的可行性，提出了30%的渣料替代比例^[1-2]。最近幾年，鋼鐵企業(yè)在大多數(shù)時間處于微利甚至虧損的狀態(tài)，行業(yè)形勢倒逼煉鋼廠不得加快技術(shù)創(chuàng)新改革，三廢利用、廉價尾渣原輔料使用等工藝手段^[3-6]。這些研究成果為煉鋼廠提出了一個非常好的降低物料消耗的方法，為鋼鐵企業(yè)降本增效提供了一個新思路，鞍鋼很早就探索相關(guān)經(jīng)濟物料在轉(zhuǎn)爐中的使用可能性，一直在探索尾渣、脫硫渣等固廢的使用實踐。

2理論分析

對于石灰石替代白灰、尾渣造渣、脫硫渣鐵三種物料使用前，對相關(guān)的理論分析。

2.1 石灰石替代白灰的分析

石灰石替代白灰造渣反應(yīng)需要經(jīng)歷幾個過程：預(yù)加熱、升溫、分解，反應(yīng)生成石灰等5個階段，然后參與煉鋼的一些反應(yīng)，根據(jù)化學(xué)計算，整個反應(yīng)為吸熱過程，主要的反應(yīng)反應(yīng)方程式為^[5]:

CaCO_3(s)=CaO_(s)+CO_2(g)                                               (1)

△G^θ=169120-144.6 T J·mol^-1                                        (2)

[C]+CO_2(g)=2CO_(g)                                                    (3)

根據(jù)式(2)，當(dāng)△G^θ小于0時，反應(yīng)向右側(cè)進(jìn)行，石灰石分解為CaO和CO₂，目前本廠鐵水溫度一般在1250℃到l 400℃，我們都知道轉(zhuǎn)爐內(nèi)反應(yīng)溫度一般都在1150℃以上，生石灰投入熔池后會經(jīng)歷極高的溫度預(yù)熱，通過預(yù)熱、升溫以及裂解，相關(guān)研究者^[6]提出，當(dāng)爐內(nèi)反應(yīng)一旦高于1400℃左右，生石灰裂解速度將會比1000℃快的多，幾分鐘內(nèi)裂解率可以達(dá)到73.6％，而1150℃左右時的4-5 min煅燒分解速度為16％左右，可見生石灰裂解需要巨大的溫差，溫差越大瞬間的反應(yīng)越劇烈，也更迅速。

生石灰裂解的CaO與反應(yīng)熔池內(nèi)的SiO₂在石灰表面形成2CaO·SiO₂外殼，通過調(diào)整供氧制度，來增加渣中FeO/SiO₂的比值或使用化渣劑化渣，降低2CaO·SiO₂熔點，阻止2CaO·SiO₂殼的形成，有利于石灰的溶解，促進(jìn)化好過程渣，達(dá)到良好的脫磷效果。另外，石灰石分解放出的CO₂，提高了熔池的攪拌，更有利于去除夾雜物。由反應(yīng)方程式(3)可以看得出來，產(chǎn)生的二氧化碳會與熔池的碳反應(yīng)，生成一定量的一氧化碳，顯然這也會提高煤氣回收量。

2.2 脫硫渣鐵相關(guān)分析

脫硫扒渣中主要需要可回收利用的元素為Fe，經(jīng)化學(xué)檢驗后含量為51％以上，主要有害元素為S，含量為1％左右。渣中主要的鐵相為磁鐵礦、金屬鐵、硅酸鐵，其中磁鐵礦、金屬鐵中的鐵占總鐵的2/3左右，脫硫渣鐵主要組成包括金屬鐵、鐵酸鹽等。

由于硫含量較高，需要在生產(chǎn)鋼種走LF精煉的鋼種使用，避免產(chǎn)生質(zhì)量事故，由于含有部分CaO，會在吹煉中產(chǎn)生較好的化渣成渣效果，但考慮到硫含量較高，也應(yīng)避免過多減少活性白灰加入量，避免終點硫過高。

2.3 尾渣使用的分析

2.3.1尾渣的物理化性質(zhì)

鋼渣熱悶生產(chǎn)線處理的鋼渣經(jīng)磁選后，產(chǎn)生金屬鐵含量在2%以下的尾渣，尾渣中含有水硬性礦物硅酸二鈣和硅酸三鈣，具有較高的水硬性。

表1 鋼尾渣化學(xué)成分表

Table 1 The chemical composition table of wasting slag

2.3.2 尾渣的化渣機理

由于尾渣中含有大量的FeO、Fe₂O₃，使轉(zhuǎn)爐前期爐渣中的FeO迅速提高，促進(jìn)了石灰的熔化，對成渣非常有利，可促使初期渣的形成，有利于脫磷反應(yīng)的進(jìn)行，吹煉中期隨著溫度的升高，碳開始大量氧化，碳的氧化使FeO還原進(jìn)入鋼水中，有利于鋼鐵料的降低。尾渣中含有高的CaO、MgO、SiO₂，有足夠的堿度，有利于濺渣護(hù)爐，吹煉前期的脫磷反應(yīng)如下：

5（FeO）+2[P]+4(CaO)=(4CaO.P₂O₅)+Fe

3生產(chǎn)實踐

根據(jù)前期的理論分析，制定了相對應(yīng)的生產(chǎn)方案，并對相關(guān)重點指標(biāo)進(jìn)行了整理統(tǒng)計。

3.1 石灰石替代白灰生產(chǎn)實踐

表2為本廠基本情況，根據(jù)熱平衡和物料平衡測試，爐平均加入量不能大于3噸，選取某SPHC類鋼種進(jìn)行實驗，分別對3t石灰石替代石灰使用前與使用后的30爐次數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，分別對白灰消耗，終點溫度，終點磷含量以及對煤氣回收量進(jìn)行了分析。

表2  本廠生產(chǎn)基本情況表

Table 2 The basic production information of the factory

從表3、表4可以看出：添加3t石灰石替代后，終點溫度1688.7℃降到1684.1℃，在廢鋼加入量無明顯變化情況下，石灰石溫降較大，終點溫度降低也是合理的結(jié)果。

根據(jù)石灰石融化的機理和溫度變化規(guī)律，通過優(yōu)化供氧制度和加料制度，使石灰石替代石灰的工藝順利開展，加入石灰石之后經(jīng)化驗結(jié)果反映，轉(zhuǎn)爐的終點渣堿度無明顯變化，基本在3.6左右，加入石灰石后，噸鋼活性石灰消耗降低0.7t，少加活性石灰可降低噸鋼成本0.753元。

表3  使用石灰石后白灰用量變化

Table 3 The change of limedosage after using limestone

表4  使用石灰石后終點溫度變化

Table 4 The end point temperature change wusing limestone

從表5、表6可以看出：添加3t石灰石替代后，由于在前期石灰石加入，使得轉(zhuǎn)爐冶煉時溫度相對較低，這有利于前期的磷去除，符合冶煉中前期早去磷的熱力學(xué)條件，同時終點渣也無明顯堿度變化，所以終點磷從0.021%降到0.0202這是符合理論相關(guān)邏輯的。煤氣回收由104.1m³/t提高到105.2m³/t，根據(jù)（1）（3）反應(yīng)式可以知道，由于石灰石在轉(zhuǎn)爐進(jìn)行分解為CO₂，之后反應(yīng)為CO，這能有效提高煤氣回收量。

3.2 脫硫渣鐵使用實踐

生產(chǎn)的工藝路線為：轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→（RH精煉）→連鑄，由轉(zhuǎn)爐區(qū)域根據(jù)鋼種及精煉位（LF或LF+RH）組織加入脫硫渣鐵。煉鋼廢鋼區(qū)域人員根據(jù)脫硫渣鐵加入標(biāo)準(zhǔn)提前準(zhǔn)備好脫硫渣鐵數(shù)量，脫硫渣鐵分級加入標(biāo)準(zhǔn)見表7：

表7 脫硫渣鐵加入標(biāo)準(zhǔn)

Table 7 The Standard for desulfurization slag iron using

根據(jù)生產(chǎn)實踐統(tǒng)計數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)爐按照脫硫渣鐵收得率為70%左右控制裝入量和計算出鋼量；脫硫渣鐵降溫系數(shù)按1.5計算（8～9℃/噸）。加脫硫渣鐵爐次不得進(jìn)行其它特殊脫氧操作，保證氬站Al_S在一定范圍，根據(jù)終點硫含量加入石灰小粒，使頂渣堿度保持在合理范圍，同時保證鋼包吹氬時間和強度，提高渣洗脫硫率。

3.2.1對爐內(nèi)回硫的影響

由上表8可知：未加入脫硫渣鐵爐次，爐內(nèi)回硫量為-0.002%，這是因為轉(zhuǎn)爐吹煉過程具備一定脫硫能力，加入脫硫渣鐵爐次不考慮轉(zhuǎn)爐脫硫，每噸脫硫渣鐵爐內(nèi)回硫量約為0.001%。

表8 脫硫渣鐵對爐內(nèi)回硫、LF處理周期影響及渣洗脫硫應(yīng)用效果

Table 8 The influence of desulfurization slag iron on sulfur recovery and LF treatment cycle and application effect of slag washing desulfurization

3.2.2對LF處理周期的影響

由上表8可知：隨著脫硫渣鐵使用量增加，轉(zhuǎn)爐終點硫增加， LF處理周期也隨之增加，但由于連鑄澆鋼周期為45min，所以LF處理周期增加并不會不影響生產(chǎn)節(jié)奏控制；加入脫硫渣鐵爐次成品硫可以控制在0.010%以內(nèi)，根據(jù)脫硫渣鐵分級加入標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計，未出現(xiàn)硫超出標(biāo)準(zhǔn)情況。

3.2.3渣洗脫硫應(yīng)用效果

由上表8可知：采用氬站渣洗脫硫工藝，氬站渣洗脫硫率增加10.5%，一定程度上緩解了LF脫硫壓力。

3.3尾渣使用實踐

尾渣的實際加入情況：加入尾渣的爐次，成渣時間比正常爐次縮短了0.3min，提高了轉(zhuǎn)爐脫磷率，有效降低轉(zhuǎn)爐熔劑消耗。

表9 使用尾渣后脫磷率和磷分配比變化

Table 9 The Change in dephosphorization rate and phosphorus distribution ratio after the use of wasting slag

使用尾渣的磷分配比、脫磷效率統(tǒng)計具體情況如表9，采用尾渣，脫磷效果明顯，渣、鋼間的（P）/[P]分配比以及脫磷效率均高于對比爐次水平，由于尾渣中還有18%含量的TFe,尾渣中的TFe主要是以鐵的氧化物形式存在，尾渣的加入，一方面能夠迅速為爐渣提供脫磷所需的FeO，滿足脫磷的熱力學(xué)條件，能夠提高脫磷效果；另一方面尾渣的加入，能夠助熔，加速了石灰的熔解，既能快速提高爐渣的堿度，又能增強爐渣的流動性，綜合情況表明，尾渣用于造渣劑對轉(zhuǎn)爐鋼渣系的脫磷更為有利，起到了替代部分渣量作用，減少了白灰、輕燒加入量，降低了轉(zhuǎn)爐熔劑成本。

4結(jié)論

（1）采用3t石灰石替代石灰造渣煉鋼，終點溫度1688.7℃降到1684.1℃，白灰消耗降低0.7t，終點磷由0.021%降到0.0202，煤氣回收由104.1m³/t提高到105.2m³/t，可降低生產(chǎn)中噸鋼成本降低。

（2）脫硫渣鐵在轉(zhuǎn)爐應(yīng)用后，每噸脫硫渣鐵爐內(nèi)回硫量0.001%，使用脫硫渣鐵LF處理周期無明顯變化，未影響成品S的控制。

（3）尾渣的實際加入情況：加入尾渣的爐次，成渣時間比正常爐次縮短了0.3min，提高了轉(zhuǎn)爐脫磷率3.35%，提高了磷的分配比，有效降低轉(zhuǎn)爐熔劑消耗。

參考文獻(xiàn)

[1]  三本木貢治. 鋼鐵冶金學(xué)講座(2卷)[M]. 王舒黎，譯. 北京:冶金工業(yè)出版社，1972：70—129．

[2]  轉(zhuǎn)爐煉鋼翻譯組譯. 轉(zhuǎn)爐煉鋼[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1975：4—229．

[3]  范鼎東．煉鋼金屬爐料的經(jīng)濟性研究[J]. 煉鋼，1999，15(3)：46-49．

[4]  李宏，曲英．一種在氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐中用石灰石代替石灰造渣煉鋼的方法：中國，200910082071．X[P]．2011-01-19．

[5]  魏寶森．石灰石在轉(zhuǎn)爐煉鋼中的應(yīng)用實踐[J]．冶金能源，2012，31(4)：10-12．

[6]  王鵬飛，張懷軍．石灰石替代石灰煉鋼造渣效果研究[J]．包鋼科技，2012，38(4)：30-32．