转炉高废钢比的渣钢平衡计算

邵 华，刘峻锴，王 震

（日照钢铁控股集团有限公司，山东 日照 276806）

目前随着铁矿石市场的变化和国家碳中和概念的提出，各钢厂都在通过提高废钢比来达到增加产量的目的，但随着废钢比的提高，转炉的热量不足，渣中（FeO）含量明显升高，对转炉终点的控制和钢铁料消耗影响较大；在高废钢比的情况，转炉终点钢渣的平衡如何变化，以120 t 转炉为例，根据现场实际条件，运用热平衡和物料平均进行理论计算，通过理论计算，梳理出炉渣氧化性和终点控制情况与废钢加入量的相对定量关系，对比现场实际数据，对现场实际控制情况进行对比参考，为后续改进提供理论依据。

1 理论平衡计算

1.1 碳氧平衡

钢液中[C]，[O]与气相中的CO 的反应平衡关系如下：

式中：KΦ为平衡常数；T 为温度，K；Pco为炉内CO 分压，Pa；PΦ为标准大气压，Pa；αO为钢水中氧活度；αC为钢水中碳活度。

在转炉反应中：Pco/PΦ=1，[C]，[O]的活度系数近似为1[1]。

则：αO·αC≈w[C]w[O]。

在温度1 600 ℃条件下可求出：

加强底吹搅拌，可降低CO 分压，反应更趋于正向进行，可降低碳氧积。

1.2 铁氧平衡

钢液中[O]，[Fe]与渣中的（FeO）的反应平衡关系如下：

式中：αFeO=fFeO·w（FeO）；αFe=fFe·w[Fe]；αO=fO·w[O]。

在转炉反应中铁液及渣中氧化铁可视为理想溶液，即：fFe=fFeO=1，铁液中[O]的活度系数fO近似为1[2]。则公式可写为：

在温度1 600 ℃条件下可求出：

在w（FeO）为17.9%时，求出w[O]为410×10-6。

1.3 碳与渣中（FeO）的平衡

钢液中的[C]与渣中（FeO）的反应平衡关系如下[3，4]：

评析 此题以翻折中的四种特殊位置关系为研究对象.第(Ⅰ)问求点的坐标利用轴对称的全等性质、勾股定理可得；第(Ⅱ)问求边的长度利用直角三角形斜边的中线性质、等边三角的判定和性质，注意等边、等角的转换即能解决；第(Ⅲ)以第(Ⅱ)问为起点，发现当点P由AB边中点向点B移动且点A′在第一象限时，有30°<∠BPA′≤60°；当点A′在y轴上时，∠BPA′=30°；当点A′在第二象限时，∠BPA′由30°降至0°又由0°增至30°再到趋近60°.在历经想象、尝试、比对、分类中“勾画”出满足条件的图3与图4两种情况.

在转炉反应中炉内CO 分压可视为1，即：PCO/PΦ=1[2]。

则钢水中[C]与渣中（FeO）的反应平衡公式可写为：

在温度1 600 ℃的条件下可求出

当转炉终点w[C]为0.059%时，渣中w（FeO）为17.9%。

加强底吹搅拌，可降低CO 分压，反应更趋于正向进行，在终点[C]含量相同的情况下，可降低渣中（FeO）含量。

2 热平衡计算

2.1 热平衡计算条件

铁水和废钢情况见表1。

表1 铁水和废钢情况

根据现场实际钢渣脱磷平衡，终渣碱度2.9、w（FeO）为17.9%时可满足脱磷任务。

即在无外来热源且保证同样的出钢温度（1 600℃）的条件下，废钢加入量小于23.8 t 时热量富余；废钢加入量超过23.8 t 时热量不足，需要钢水过氧化放热，导致渣中（FeO）含量升高，单耗升高。

2.2 不同废钢加入量的平均计算

固定铁水110 t，总废钢加入从23.8 t 至35 t，计算出钢铁料消耗，根据理论平衡计算，终点温度在1 600 ℃的情况下，不同终点[C]计算出终点[O]和渣中（FeO），见表2、图1、图2。

表2 废钢加入量平衡计算表

图1 废钢加入量与单耗的关系图

图2 废钢加入量与终点w[C]的关系图

在终点温度及铁水条件相同的情况下随着废钢量的增加，转炉钢铁料消耗增大。

在终点温度及铁水条件相同的情况下，随着废钢量的增加，终点w[C]呈下降趋势，当w[C]下降至0.03%时，下降趋势变的缓慢。

在终点温度及铁水条件相同的情况下，随着废钢量的增加，终渣（FeO）含量随之增加。

在终点温度及铁水条件相同的情况下，随着废钢量的增加，钢水终点[O]含量随之增加。

2.3 终渣（FeO）含量与冶炼终点的关系

设定铁水、废钢、终点条件见表3。

表3 铁水、废钢、终点条件

碱度设定：2.9（轻烧加入1.9 t、石灰加入3.38 t），同样为保证脱[P]效果，终渣w（FeO）下限为18%，通过热平衡计算，不同的终渣（FeO）含量情况下，终点[C]、钢铁料消耗及终点温度见表4。

表4 不同的终渣（FeO）含量对冶炼终点的影响

图3 渣中w（FeO）与终点w[C]的关系图

图4 渣中（FeO）与钢铁料消耗的关系图

图5 渣中（FeO）与终点温度的关系图

在废钢和铁水条件相同的情况下，终点[C]随着终渣（FeO）的升高而降低，当[C]含量下降至0.03%时，下降趋势变的缓慢。

在废钢和铁水条件相同的情况下，随着终渣（FeO）的升高，钢铁料消耗增加。

在废钢和铁水条件相同的情况下，随着终渣（FeO）的升高，终点温度升高。

3 结论

1）在终点温度及铁水条件相同的情况下，随着废钢量的增加，终渣w（FeO）随之增加，废钢每增加0.5 t，终渣w（FeO）增加0.8%～2%。

2）在终点温度及铁水条件相同的情况下，随着废钢量的增加，终点[C]呈下降趋势，当w[C]下降至0.03%时，下降趋势变的缓慢，甚至出现去[Fe]保[C]现象。

3）在终点温度及铁水条件相同的情况下随着废钢量的增加，转炉钢铁料消耗增大，废钢每增加0.5 t，钢铁料消耗增加0.85～1.23 kg/t。

4）在终点温度及铁水条件相同的情况下，随着废钢量的增加，钢水终点[O]含量随之增加，废钢每增加0.5 t，终点氧增加37×10-6～20×10-6。

5）在废钢和铁水条件相同的情况下，随着终渣（FeO）的升高，终点温度升高，终渣w（FeO）提高1%，终点温度提高了3～5 ℃。

6）在废钢和铁水条件相同的情况下，终点[C]随着终渣（FeO）的升高而降低，当w[C]下降至0.03%时，下降趋势变的缓慢。

7）在废钢和铁水条件相同的情况下，随着终渣w（FeO）的升高，钢铁料消耗增加，终渣w（FeO）提高1%，钢铁料消耗增加了0.70～1.38 kg/t。