铁水物理温度和化学温度对炼钢生产的影响

刘林刚 陈达双 皮忠权 邹应春

（武昆股份制造管理部）

1 引言

钢铁企业生产过程以热量控制为主线，烧结、球团、高炉以还原吸热反应为主，过程需要消耗大量的热量，目前大多数钢厂热量来源的基础以煤、焦为主，还原出Fe含量在94 %左右并含有Si、Mn、P、Cr、V、Ti等非金属元素的高温铁水并成为炼钢原料和热源。转炉冶炼过程以氧化放热反应为主，热量的主要来源以铁水物理热和铁水中非金属元素及部分铁的氧化放热为主[5]。当转炉冶炼热量不足时，将增加金属Fe的氧化放热量，金属Fe氧化后进入炉渣造成铁损增加。同时，由于氧的加入将造成合金元素收得率低脱氧合金化成本升高、耐材损耗增加、钢中夹杂物含量增加影响钢材使用性能。而造成转炉冶炼热量富余的主要原因及现象有：铁水温度高（物理温度和以Si含量为代表的化学温度）、转炉冶炼冷料（废钢、氧化铁皮、矿石等）加入量不足、转炉冶炼过程爆发性喷溅、造渣材料加入量大等。通过不断完善铁-钢界面管理、降低铁-钢界面生产过程热量损失，有利于降低高炉冶炼燃料消耗的同时稳定转炉冶炼操作达到降低界面生产成本的目的。

2 铁水物理温度和化学温度对铁-钢界面的影响

2.1 高炉热制度控制

高炉炉温控制水平不仅影响到高炉顺行与指标的改善，而且对后道转炉炼钢的生产与指标起到关键性作用。高炉生产中大多以铁水Si含量来反应高炉的热状态，近年来随着高炉的大型化和精料方针的开展，生铁含Si量一般在0.3 %-0.5 %。Si在高炉内是难还原元素，还原1 kgSi消耗的热量为还原1 kgFe的8倍[1]～[3]。生铁Si含量升高，表明高炉冶炼单位生铁热量的消耗增加。生产实践表明，生铁Si含量升高0.1 %，则高炉焦比升高4-6 kg，生铁Si含量的控制对高炉成本影响较大[4]。铁水的物理热也是高炉热状态的反应，一般与铁水Si含量相对应，但随着高炉用料的稳定性、用料质量的提高，高炉为进一步降低燃料消耗将生铁含Si量控制更低，在高炉操作过程中坚持“降硅不降热”的原则，提高对铁水物理热的重视程度。

2.2 高炉铁水温度对转炉冶炼操作的影响

2.2.1 铁水Si含量对转炉冶炼操作的影响

（1）造渣材料的影响：铁水Si含量增加或降低0.1 %，石灰加入量增加或降低7-9 kg/t；

（2）冷料废钢加入量的影响：

①铁水Si含量增加或降低0.1 %，熔池氧化放热增加或降低1 994 KJ；

②1 t废钢融化吸热=0.7×（1 500-25）+272+0.837×（1 640-1 500）=1 421.68 KJ。其中，0.7、0.837为固体废钢和钢液的比热；1 500为钢的熔点；272为钢的潜热；1 640为钢水终点温度。

③Si含量增加或降低0.1 %，应增加或降低废钢量=1 994/1 421.68=14 kg/t。

（3）渣料及冷料的综合影响：

①铁水Si含量增加0.1 %时，热量可增加14 kg/t冷料、但造渣石灰量增加7-9 kg/t产生冷却效果，最终冷料增加量为5-7 kg/t；

②铁水Si含量降低0.1 %时，按热平衡应降低14 kg/t，但随着渣料加入量的减少最终冷料降低量也仅为5-7 kg/t。

（4）铁水Si含量增加或降低0.1 %，增加转炉冶炼化学吹损、炉渣金属损失约0.11 %，即增加或降低金属损耗1.1 kg/t。

（5）铁水Si含量过低，铁水粘罐严重、S含量升高，转炉冶炼金属损耗、合金收得率降低、耐材损耗大；同样，铁水Si含量过高后还原的Ti含量也相应增加，造成铁水运送至炼钢后表面结壳、处理难度加大，废钢比增加后废钢配装难度加大、冶炼过程点火困难、转炉废钢入炉机械伤害增加、出钢量波动等问题接踵而至。

2.2.2 铁水物理温度对转炉冶炼的影响

目前大多数高炉出铁温度控制在1 400-1 550 ℃，而铁水到达炼钢后的入转炉的铁水温度层次不齐，铁水温降在80-200 ℃之间。其中，高炉出铁口至铁包内温降在4-5 ℃/min，铁水等待及运输过程温降在0.6-1.5 ℃/min，兑铁及翻罐过程温降3-4 ℃/min。针对于使用铁水罐承装铁水的高炉，造成各控制点温降差异较大的原因主要有：

（1）高炉铁水沟较长，出铁过程无保温措施；

（2）高炉第一炉出铁时，铁水沟温度较低吸热大；

（3）铁罐周转时间长，散热严重。表1为某厂120吨铁水包不同空包时间空包内壁温度。

（4）上次承装后铁水未翻尽，罐内残余冷铁较多；

（5）罐沿、罐口、罐底等部位积渣未及时处理；

（6）新罐投入后连续使用次数不足后下线；

（7）铁水承装量波动大，铁水罐容积利用率低，使用时折罐率高。

铁水物理温度升高，带来的益处主要有：

①增加转炉废钢比提高产量；

②缩短转炉冶炼周期；

③提高转炉终点终点控制水平，减少金属损失、提高合金元素回收率；

④减少铁罐粘罐，提高铁水罐周转率；

⑤铁水预处理过程中提高渣铁分离效果、减少脱硫铁损；

⑥为炼铁降低燃料比创造条件。

3 合理控制铁-钢界面铁水物理温度和化学温度的措施

3.1 减少出铁及铁水运输过程物理热的损失

（1）出铁场安装保温罩、出铁沟使用保温耐材、铁水罐加盖，减少铁水温降20-30 ℃。

（2）提高铁水重量稳定率以满足炼钢“一罐到底”生产组织需求，减少折罐过程热量损失10-20 ℃。

（3）提高铁水罐周转率，减少铁水罐在铁区和钢区摆放时间。某厂转炉正常冶炼周期在28-36 min之间，铁水预脱硫处理时间在15-25 min之间，50 %左右的铁水预处理，则单罐铁水在炼钢平均摆放时间=转炉平均冶炼周期+铁水预处理周期×铁水预处理比例，该厂有转炉2座，即每42 min内必须有2罐铁水在炼钢厂现场才能满足连续生产需求，正常情况下每次铁水拉运数量≤2罐可达到提高铁水罐周转率、减少铁水罐在炼钢摆放时间的目的。

（4）铁水罐进行加盖保温，浇注（砌筑）过程中加绝热保温层减少铁水过程温降约10-15 ℃。

（5）加强铁水罐清理管理工作，超出新罐投入时重量5吨时下线进行清理；罐口、罐底积渣时及时清理。

（6）针对出铁过程中渣前铁水S含量偏高、铁沟温度偏低的情况，出铁时相应铁水罐应避开使用次数＜4次、兑铁后摆放时间＞1 h、铁水罐积渣和冷铁量大等引起铁水热量损失大的特殊情况。

3.2 控制合适的化学温度

高炉铁水Si含量是高炉热状况的反应，也是转炉冶炼热量的重要来源。目前大多数钢厂在控制铁钢界面热量损失上做出了很多努力。但在转炉冶炼过程中热量不足或“节铁增钢”时主要还是以提高铁水Si含量来补充热量。过高的Si含量造成转炉废钢配比量增大引起配装难度大、生产节奏减慢、甚至铁水表面结盖严重、转炉冶炼喷溅比例增加、渣料消耗上升等，造成Si含量的升高后带来的热量与实际热量相差较大。因此，合理的Si含量控制才是效益最大化的关键，目前大多数钢厂以铁水消耗的目标指标来进行调节，某厂120吨转炉铁水Si含量、铁水物理温度、铁水消耗的控制情况如表2所示。

表2 120吨转炉铁水Si含量、铁水物理温度、铁水消耗

（1）相同铁水Si含量的情况下，铁水物理温度升高30 ℃铁水消耗指标下降12-17 kg/t，约每10 ℃影响铁钢比4-6 kg/t；

（2）相同物理温度、铁水Si含量0.3 -0.5 %时，铁水Si含量每升高或降低0.1 %铁水消耗指标升高或降低8-10 kg/t。而铁水Si含量降低至0.3%以下时，铁水S含量增加导致预处理铁水量增加27 %、铁水在炼钢等待及预处理平均时间较未处理炉次增加9 min、铁水温降增加29 ℃；

（3）按铁水消耗实际完成情况物理温度每30 ℃影响铁钢比12-17 kg/t与铁水Si含量每0.1%影响8-10 kg/t的测算，物理温度变化±10 ℃对应铁水Si含量变化约±0.05 %。

4 结论

（1）通过出铁场保温措施、加强铁水罐周转速率、提高一罐到底比例、铁水罐保温及清理等措施的应用可降低铁水至炼钢转炉物理温度损失50 ℃以上；

（2）铁水物理温度与铁水Si含量是转炉冶炼主要热源，正常情况下物理温度损失降低10 ℃对应可减少高炉硅还原0.05 %所需燃料消耗；

（3）降低铁-钢界面热量损失与控制铁水Si含量相辅相成，以提高铁水物理温度为基础来降低铁水Si含量是钢铁企业降低生产成本的有效手段。