烧结返矿在转炉炼钢过程中的实践与应用

朱继衡 张太生 贺瑞飞 杨 杰 张建奎

(安阳钢铁集团有限责任公司)

烧结返矿在转炉炼钢过程中的实践与应用

朱继衡 张太生 贺瑞飞 杨 杰 张建奎

(安阳钢铁集团有限责任公司)

针对转炉炼钢使用烧结返矿后带来的问题进行了分析研究。通过优化烧结返矿的加入量、加入时机、氧枪枪位控制等措施，较好的解决了喷溅、脱磷、炉衬侵蚀、终渣TFe升高等工艺问题，实现了烧结返矿的批量稳定使用。同时统计分析了炉料成本与烧结返矿的使用量的关系，结果表明返矿使用量在15 kg/t～20 kg/t时炉料成本最低。

烧结返矿 转炉 实践应用

AbstractThis paper analyzes the problems caused by the sinter return fine of converter steelmaking. By optimizing the oxygen gun position controlling, the adding quantity and adding time of the sinter return fine, the technological problems such as spatter, dephosphorization, furnace lining erosion and terminal slag TFe rises are better solved, The steady use of sinter return fine is achieved. At the same time, the relationship between the cost of furnace charge and the use of sinter return fine is analyzed. The results show that the cost of sinter return fine is the lowest when it is 15 kg/t～20 kg/t.

KEYWORDSsinter return fine converter practical application

0 前言

安钢第二炼钢厂(以下简称“安钢二炼”)结合生产实际，开发了使用烧结返矿替代污泥球直接入转炉的冶炼工艺，但在使用过程中发现，大量使用烧结返矿会带来转炉冶炼过程喷溅，稳定性下降、脱磷率低及炉衬侵蚀加剧等问题，需要采取措施加以解决。

1 烧结矿返矿特性分析

1.1 宏观分析

烧结矿是熟料，其氧化能力和球团矿相当。烧结矿进入转炉后不但可以起到化渣和冷却的作用，还能提高钢水收得率和节约氧气、石灰。烧结矿主要作为高炉炼铁原料使用，由于经过加工，与矿石相比成本相对较高。但如果将烧结矿返矿作为转炉炼钢的冷却剂和化渣剂，与返矿重新进入烧结环节相比能够降低生产成本。

1.2 化学成份组成

安钢烧结矿返矿含铁品位在55%左右，CaO含量在11%左右，SiO2含量在7%左右，碱度约为1.6左右。随机抽检的烧结矿返矿的化学成分见表1。

表1 烧结返矿的具体成分

1.3 烧结返矿在转炉冶炼过程中的基本反应原理[1]

烧结返矿是一种反应性良好且具有一定碱度的低熔点含铁熟料，其硫磷含量低，物理化学成分稳定，粒度均匀，而且熔点较低。安钢转炉入炉铁水温度均在1 280 ℃左右，在吹炼前期熔池温度控制在1 300 ℃～1 500 ℃之间，返矿入炉后熔化效果较好并发生分解反应(1)和(2)：

(Fe2O3)=2(FeO)+(O)

(1)

(Fe3O4)=3(FeO)+(O)

(2)

Fe2O3分解反应(1)产生(FeO)，与返矿中带入而且包围在其周围的(CaO)、(SiO2)反应，具体反应方程式为：

(SiO2)+(FeO)+2CaO(S)=(2CaO·FeO·SiO2)

(3)

根据反应质量作用定律，该反应的速率表达式[2]为：

C(SiO2)为——反应物SiO2的浓度；C(FeO)为反应物FeO的浓度。

根据烧结返矿的成分分析，分解反应结束后，返矿内部产物的比例为FeO：CaO：SiO2=55.30：11.28 : 7.05。烧结返矿分解反应为强吸热反应，周围熔池温度会骤然降低，导致周围熔渣粘度升高，甚至产生暂时“结坨”现象，限制反应生成的(FeO)向外扩散传质，进而影响成渣速率。因此，成渣反应(3)的(FeO)向外扩散传质为该反应的限制性环节，只有加大返矿外部动力学条件，才能加快成渣反应(3)进行。成渣反应(3)为可逆反应，产生的(FeO)会作为携氧载体参与脱碳反应。其反应方程式为：

(FeO)+[C]={CO}+[Fe]

(4)

不稳定化合物(FeO)解离出的[O]，溶入钢水中，进行钢水内部脱碳，脱碳反应产生的CO气体增加熔池搅拌，提高反应的动力学条件。

2 存在问题及解决方案

2.1 转炉喷溅

2.1.1 问题描述与原因分析

调查中发现，转炉冶炼过程中烧结返矿加入批次、批量和时机是影响烧结返矿使用效果的关键因素，冶炼过程连续多次加入烧结返矿或者单批量烧结返矿加入量过大，都容易引起溢渣，甚至喷溅。

分析认为冶炼中后期熔池温度较高，加入烧结返矿后由于烧结返矿中铁主要以Fe2O3的形式存在，反应活性较高，还原速度较快，易产生爆发性还原反应。而冶炼中期钢水当中的Si、Mn已经氧化完全，Fe2O3主要被钢水中的C还原，爆发性还原反应产生大量的CO气体，同时吹氧脱碳产生的大量CO，加上炉渣氧化性的升高(易泡沫化)，是造成溢渣以及喷溅的原因。

2.1.2 研究方案与措施

根据铁水温度和成分，研究铁水、废钢比例和第一批烧结返矿加入数量。根据热平衡计算分析烧结返矿的冷却效应，掌握烧结返矿的冷却效应效果，对比铁水温度和成分对第一批烧结返矿加入数量的影响，合理控制前期化渣和升温速度。依据现场工艺控制分析，总结第一批烧结返矿加入后，转炉冶炼前期起渣时间、枪位控制和渣料加入数量与原来工艺的差别。总结冶炼过程烧结返矿加入批次、批量和时机，转炉氧枪枪位和流量调整方向，与之相适应调整常规渣料的加入批次、批量和时机，保证冶炼过程平稳，不溢渣、不喷溅。

基于上述原因，分析认为冶炼前期吹氧、钢渣反应以钢水中Si、Mn为主，产生的气体量少，熔池温度较低，反应速率较低，是还原烧结返矿的最佳时机，因此应在冶炼前期尽可能的加大烧结返矿使用量。同时控制氧枪枪位，控制化渣速度与熔池温度，避免过早的起渣引起喷溅。冶炼过程单批次烧结返矿加入量不宜超过5 kg/t ～10 kg/t，批次间隔不宜少于1 min～2 min。冶炼需要根据铁水温度、铁水成分、铁水比等条件，确定总的炉料结构控制目标，在冶炼初期尽可能多的使用烧结返矿，减少后期温度调整的压力。

2.2 转炉脱磷

2.2.1 问题描述与原因分析

烧结返矿开始使用后生产实践中发现，在高碳低磷钢的冶炼时，使用烧结返矿脱磷效果不如污泥球。

分析认为，在操作模式不变的条件下烧结矿的大量加入，显著增加了含铁原料带入的氧元素量，造成脱磷效果差的主要原因是前期炉渣中TFe含量过高，当炉渣、钢水温度处于最佳脱磷条件时，炉渣当中FeO含量高于了最佳脱磷率需要的FeO含量(FeO大于18%)时，脱磷能力急剧降低，而当FeO含量降低后熔池温度已经高于了最佳的脱磷温度。因此，必须重新研究“新炉料结构条件下”冶炼前期的操作模式。同时，强化冶炼中、后期转炉脱磷能力应该是关键因素。

2.2.2 研究方案与措施

根据上述分析，提高前期的脱磷效果一是限制烧结返矿使用量，二是重新研究“新炉料结构条件下”冶炼前期的操作模式。前期大量烧结返矿的加入造成了炉渣氧化性过高，因此控制以适当降低前期炉渣氧化性，稳定炉渣碱度为目标。

冶炼前期适当控制枪位，在高枪位与低枪位之间不断的变换，既要保证钢渣界面的反应活性，钢渣的熔化速度，加强钢渣反应，又要利用钢水中的Si、Mn快速的还原烧结返矿带入的铁氧化物，实现稳定炉渣氧化性的目标。这样不仅可以促进前期脱磷，也可以避免炉渣氧化性过高引起的溢渣与喷溅。其次是结合铁水条件，通过炉料结构调整与枪位控制，保证前期熔池温度平稳上升，为脱磷创造良好的温度条件。通过控制冶炼中后期的枪位，配合烧结返矿的分批次加入时机与加入量，在保证不引起喷溅的条件下，防止炉渣返干，强化冶炼中、后期固化脱磷能力。

2.3 终渣氧化性(TFe含量)

2.3.1 问题描述与原因分析

根据生产实践炉渣分析，使用烧结返矿后转炉终渣的TFe含量有所升高(12.78%升高到19.75%)。分析认为造成终渣TFe含量升高的原因有两个，一是冶炼后期最后一批加入的烧结返矿过晚，来不及完成钢渣平衡，造成炉渣氧化性强，TFe含量升高；二是使用烧结返矿后熔池温度控制不稳定，脱磷效果差，后期高枪位吹氧脱磷。

2.3.2 研究方案与措施

经过实践与分析总结认为，在烧结返矿使用初期，为提高烧结返矿使用量，冶炼过程不断加入烧结返矿，尤其是最后一批烧结返矿的加入量与加入时机是影响终渣氧化性的主要因素。根据经验，在冶炼结束前2 min ～3 min以内不再加入烧结返矿即可消除烧结返矿加入对炉渣氧化性(TFe含量)的影响。通过最后一批烧结返矿的加入时机与加入量控制，炉渣氧化性得到了较好的控制。

2.4 炉衬侵蚀

2.4.1 问题描述与原因分析

从转炉炉衬侵蚀机理来看，造成炉衬侵蚀需要具备以下条件：

(1)首先是炉渣碱度低或者MgO含量低，但是根据辅料使用量、烧结返矿成分等来看该条件并不具备；

(2)其次是高温，在冶炼过程中，如果温度控制不当，在反应区的高温作用下会使炉衬局部达到熔化点，导致炉衬表面软化、熔融，并与高温炉渣发生化学反应，加剧了炉衬的侵蚀，这个条件在冶炼中、后期才具备，也就是说钢水过早的升温，在高温阶段停留的时间延长了，即整个冶炼过程的平均温度升高，加剧了炉衬的侵蚀；

(3)第三是炉渣氧化性增强，烧结返矿的氧化性明显强于污泥球，这是造成炉衬侵蚀加剧的主要原因。

2.4.2 研究方案与措施

基于上述分析，为了解决炉衬侵蚀问题在使用烧结返矿的初期，轻烧白云石的使用量增加了4 kg/t～6 kg/t；在控制炉衬侵蚀的关键即冶炼中、后期，应控制炉渣氧化性，减少中后期烧结返矿使用量；另外是控制冶炼前期的炉渣碱度，在非留渣作业时，适当增加石灰用量3 kg/t ～5 kg/t，控制合理的过程温度，提高终渣碱度。经过对烧结返矿使用工艺的优化，炉衬侵蚀问题得到了较好的解决。

3 烧结返矿合理使用量的确立

在转炉冶炼过程中烧结返矿通过高位料仓加入，部分颗粒较小的烧结返矿来不及参与转炉反应就随着转炉炉气进入烟道，成为转炉污泥，当使用量大时，部分烧结返矿未完成钢渣平衡停留在渣中，因此不同转炉的烧结返矿使用量对炉料成本(钢铁料成本与辅料成本之和)的贡献率会随着烧结返矿使用量的变化而变化，经过统计分析可以得出，烧结返矿的总体使用量应控制在20.00 kg/t钢左右，如图1所示。

图1 烧结返矿使用量与炉料成本关系对比图

4 结语

⑴ 烧结返矿氧化性、反应活性、加入时机等是造成喷溅的主要原因，通过调整烧结返矿的加入批量、批次、加入时机等，较好的解决了使用烧结返矿带来的喷溅问题。

⑵ 烧结返矿氧化性强造成初渣FeO过高也是造成转炉脱磷效果变差的主要原因，结合铁水条件与炉料结构(影响返矿总加入量)的变化，通过冶炼过程枪位与返矿加入批次的控制，实现炉渣氧化性与熔池温度的稳定控制，从而保证了脱磷能力的稳定性。

⑶ 最后一批次烧结返矿的加入时机与加入量是影响终渣TFe的主要因素，在冶炼结束前2 min ～3 min以内不再加入烧结返矿即可消除烧结返矿加入对炉渣氧化性(TFe含量)的影响。

⑷ 使用烧结矿后引起炉渣氧化性以及炉内温度的异常变化是造成炉衬侵蚀的主要原因，通过改变造渣辅料与返矿的加入批次与加入量，优化冶炼枪位控制,解决了炉衬侵蚀问题。

⑸ 钢铁料成本随着返矿使用量的增加先降低后升高，返矿使用量在15 kg/t ～20 kg/t时炉料成本最低，因此应该合理控制返矿的使用量。

[1] 黄希祜．钢铁冶金原理 [M].北京：冶金工业出版社，2008：162-163．

[2] 赵俊学．冶金原理 [M].西安：西北工业大学出版社，2002：56-57．

THEPRACTICEANDAPPLICATIONOFSINTERRETURNFINEINCONVERTERSTEELMAKINGPROCESS

Zhu Jiheng Zhang Taisheng He Ruifei Yang Jie Zhang Jiankui

(Anyang Iron and Steel Stock Co., Ltd.)

2017—4—15