氧气转炉留渣双渣炼钢工艺技术研究.docx
- 文档编号:13837284
- 上传时间:2023-06-17
- 格式:DOCX
- 页数:14
- 大小:801.43KB
氧气转炉留渣双渣炼钢工艺技术研究.docx
《氧气转炉留渣双渣炼钢工艺技术研究.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《氧气转炉留渣双渣炼钢工艺技术研究.docx(14页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
氧气转炉留渣双渣炼钢工艺技术研究
氧气转炉“留渣+双渣”炼钢工艺技术研究
王新华1,朱国森2,李海波2,吕延春2
(1.北京科技大学冶金与生态工程学院,北京100083;2.首钢技术研究院,北京100043)
摘要:
首钢迁钢公司和首秦公司大规模采纳了“留渣+双渣”转炉炼钢新工艺,大幅度减少了炼钢渣量和石灰、白云石消耗。
文章介绍了其中所开发的3项重要技术:
①脱磷时期采纳低碱度(w(CaO)/w(SiO2)∶1.3~1.5)和低MgO质量分数(≤7.5%)渣系,形成流动性良好和适度泡沫化炉渣,解决了脱磷时期终止难以快速足量倒渣和渣中金属铁质量分数高这两大问题;②针对脱磷时期底吹搅拌弱问题,采纳了低枪位和高供氧强度吹炼方式,利用顶吹氧气流增强金属熔池搅拌,取得了良好脱磷成效;③通过加速生产速度,专门是对“炼钢-精炼-连铸”生产合理组织调配,在转炉冶炼时刻增加大约4min情形下,钢产量并无减少。
关键词:
转炉炼钢;少渣;石灰消耗;脱磷;炉渣
中国钢铁工业近20年来进展迅速,对国民经济快速增加发挥了重要作用,但在节省资源、能源和减少炉渣等固体废弃物排放等方面,目前面临着庞大的压力和挑战。
以占中国产钢量90%以上氧气转炉炼钢为例,每一年生产约6.2亿t粗钢,要产生6000万t以上炉渣,消耗3100万t以上石灰和700万t以上轻烧白云石,而用于生产炼钢石灰和轻烧白云石的石灰石与生白云石矿产均为重要的不可再生资源。
2001年Ogawa等[1]报导了新日铁开发的MURC转炉炼钢新工艺及其在8t转炉的实验情形,该工艺将转炉冶炼分为2个时期,在第1时期要紧进行脱硅、脱磷,终止后倒出部份炉渣,然后进行第2时期吹炼,吹炼终止后出钢但将炉渣维持在炉内,下一炉在炉内留渣情形下装入废钢、铁水,然后进行第1和第2时期吹炼,并以此周而复始。
最近几年来,新日铁陆续报导了MUCR工艺相关情形[2-10],新日铁公司的大分、八幡、室兰、君津等钢厂采纳了该工艺,产钢占新日铁总产钢量55%左右,转炉炼钢石灰消耗减少40%以上,但对其中许多关键技术,如液态渣固化、脱磷时期炉渣碱度、供氧参数、脱磷工艺、倒渣操纵等大体没有报导。
20世纪50~70年代,中国一些转炉钢厂在铁水硅、磷质量分数高时,为了降低石灰消耗,减少吹炼进程喷溅,改善脱磷成效,曾采纳过出钢后留渣或“留渣+双渣”炼钢工艺。
后来,随着高炉生产水平提高(铁水硅质量分数降低),高磷铁矿石用量减少(铁水磷质量分数降低),和顾忌留渣造成铁水喷溅平安隐患,留渣或“留渣+双渣”炼钢工艺没有在更大规模推行采纳。
最近几年来中国国内钢厂开始实验采纳“留渣+双渣”转炉炼钢工艺,其中首钢在其迁钢公司5座210t复吹转炉和首秦公司3座100t复吹转炉大规模采纳了该工艺方式,取得了炼钢石灰消耗减少47%以上,轻烧白云石消耗减少55%以上,渣量降低30%以上的成效。
1首钢采纳“留渣+双渣”炼钢工艺情形
首钢迁钢公司第一和第二炼钢分厂共拥有5座210t顶底复吹转炉,氧枪采纳5孔喷头,马赫数为2.0,供氧强度在3.3~3.4m3/(min·t)范围,年产钢810万t,要紧产品包括汽车、家电用冷轧钢板、电工钢板、管线钢板、容器板、造船板等。
首秦公司拥有3座100t顶底复吹转炉,氧枪采纳4孔喷头,马赫数为2.0,供氧强度在3.6~3.8m3/(min·t)范围,年产钢260万t,要紧生产优质中厚板(管线、造船、桥梁、高层建筑、海洋平台用钢板等)。
如图1所示,迁钢公司和首秦公司采纳的氧气转炉“留渣+双渣”炼钢工艺要紧包括以下环节:
①转炉冶炼终止出钢后将炉渣留在炉内;②采纳溅渣护炉将部份炉渣溅至炉衬表面加以固化,再补加必然量石灰、白云石对炉底液态渣进行固化;③对炉渣固化加以确认,然后装入废钢、铁水;④进行第1时期吹炼(脱磷时期),终止后倒出炉内60%左右炉渣;⑤进行第2时期(脱碳时期)吹炼,终止后出钢,但将炉渣留在炉内,进入下炉次冶炼并以此周而复始。
炼钢脱磷反映可由
(1)式表示,图2为依照
(2)式[10-11]计算取得的脱磷反映平稳常数与温度的关系。
能够看到,温度对脱磷反映的阻碍超级显著,当温度由1680℃降低至1350℃时,脱磷反映平稳常数可大幅度增加6个数量级以上。
“留渣+双渣”炼钢工艺的大体原理即是利用转炉冶炼前期温度低这一有利于脱磷反映热力学条件,将上炉终渣(由于温度高已大体不具有脱磷能力),用于下炉吹炼初期(由于温度低,炉渣从头具有脱磷能力)进行脱磷,并在温度上升至对脱磷不利之前,将炉渣部份倒出,然后加入少量渣料造渣进行第2时期吹炼(可进一步脱磷)。
由于上炉炉渣能够被下炉再利用,因此能够大幅度减少炼钢石灰、轻烧白云石等原材料消耗和炼钢渣量。
依照该工艺能够显著减少炼钢渣量的特点,首钢将其简称为“SGRS”工艺(SlagGenerationReducedSteelmaking)。
SGRS炼钢工艺除能够减少石灰、轻烧白云石等原材料消耗和炼钢渣量之外,还具有以下优势:
①炼钢炉渣通常含14%~25%氧化铁,渣量减少因此能够降低钢铁料消耗;②常规炼钢工艺外排炉渣碱度高(大于3.0),渣中自由CaO质量分数多。
采纳41SGRS工艺,外排炉渣要紧为脱磷时期的低碱度渣,因此能够简化炉渣处置;③常规工艺炼钢,出钢后留在炉内部份钢水随炉渣倒出,采纳新工艺吹炼终点不倒渣,因此能够提高钢水收得率。
至2021年末,首钢迁钢公司和首秦公司采纳SGRS工艺产钢比率别离达到了63.8%和81.5%,与常规转炉炼钢工艺相较,转炉炼钢石灰消耗别离降低了47.3%和48.5%(迁钢公司降低至22.0kg/t,首秦公司降低至32.1kg/t),轻烧白云石消耗别离降低了55.2%和70.0%(迁钢公司降低至8.0kg/t,首秦公司降低至5.7kg/t),转炉炼钢渣量别离减少了32.6%和30.7%,钢铁料消耗别离降低了6.517kg/t和8.250kg/t,取得了显著经济效益。
2关键工艺技术
2.1脱磷时期炉渣流动性操纵与足量倒渣
采纳SGRS炼钢工艺,脱磷时期终止后可否快速倒出足量炉渣具有重要意义。
如倒渣量不足,会显现:
①炉内渣量逐炉蓄积,碱度不断增加,倒渣越发困难的情形,最后致使SGRS工艺无法接续,循环被迫停止;②炉渣流动性会逐炉变差,渣中裹入金属铁珠量大,钢铁料消耗增加;③倒渣困难会增加冶炼时刻,炉内渣量波动也会对吹炼进程操纵稳固性造成专门大阻碍。
可否快速倒出足量脱磷炉渣,要紧取决于炉渣流动性操纵,为此须做到:
①炉渣充分熔化,不含未溶石灰颗粒和MgO、2CaO·SiO2等高熔点析出相;②炉渣具有较低黏度;③适当提高脱磷时期温度。
由图3所示CaO-SiO2-FeO系相图[11]能够看到,在SGRS工艺脱磷时期炉渣氧化铁质量分数范围(9%~15%),为使炉渣全数熔化(均匀液相),炉渣碱度w(CaO)/w(SiO2)须操纵在1.3以下。
考虑到渣中还含少量Al2O3、MnO等,能够适当扩大该三元系液相区范围,因此为使炉渣充分熔化,炉渣碱度不该超过1.5。
图4[11]为1400℃下CaO-SiO2-FeO系黏度值(Pa·s),能够看到,在脱磷时期炉渣氧化铁质量分数9%~15%范围,当碱度在0.82~1.5范围时,炉渣具有较低的黏度(0.2~0.4Pa·s),而当碱度超过1.5时,等黏度线变得密集,黏度值随碱度增加而快速提高,炉渣流动性显著变差。
图5为迁钢公司210t转炉和首秦公司100t转炉采纳SGRS炼钢工艺,脱磷时期终止后倒渣量与炉渣碱度的关系。
能够看到,倒渣量随碱度降低而增加,当脱磷时期炉渣碱度操纵在1.5左右时,迁钢210t转炉倒渣量可大于8.0t,首秦100t转炉倒渣量可多于5.0t,保证了SGRS工艺顺利稳固运行。
为了使炉渣具有良好流动性,还须对MgO质量分数进行严格操纵。
图6为210t转炉脱磷时期终止倒渣量与渣中MgO质量分数关系,当将MgO操纵在7.5%以下时,倒渣量可在8t以上,能够知足SGRS稳固运行要求,为此规定对脱磷时期炉渣MgO质量分数按低于7.5%操纵。
这一MgO质量分数操纵目标低于常规工艺初期渣MgO操纵目标值,采纳后并未发觉对炉龄有不利阻碍。
采纳了以上所述较低碱度和MgO质量分数渣系后,大体上解决了倒渣这一阻碍SGRS工艺稳固运行的关键难题。
目前,迁钢210t转炉脱磷时期倒渣量在6.0~12.5t(铁水[Si]质量分数转变阻碍),倒渣时刻在4.0~5.0min;首秦100t转炉脱磷时期倒渣量在4.0~8.0t,倒渣时刻在3.0~4.5min。
2.2脱磷时期高效脱磷工艺技术
采纳SGRS炼钢工艺,由于所留炉渣中已含1.5%以上P2O5,而且为使炉渣流动性良好以快速足量倒渣,脱磷时期必需采纳较低碱度渣系,脱磷时期脱磷难度显著加大。
而若是在脱磷时期不能够充分脱磷,必将加重脱碳时期的负担,严峻时会造成终点钢水[P]不合格而必需进行后吹、补吹。
由
(2)式给出的脱磷反映平稳常数式和高碳铁液中[P]的活度彼此作用系数[12]、渣中P2O5活度系数[10],可取得磷在渣/铁间分派比的计算式(3),式中N(P2O5)为渣中P2O5克分子浓度,a[O]为铁液中氧活度。
在SGRS炼钢工艺的脱磷时期,由于[C]质量分数高(3.3~3.8%),铁液中氧的活度a[O]由[C]操纵。
由(4)和(5)式[2]给出的[C]-[O]反映平稳常数计算式和相关的活度彼此作用系数eCC[11],计算取得的1330~1380℃范围铁液中氧的活度仅为0.00010~0.00015,将其代入(3)式计算取得的磷分派比(N(P2O5)/w([P])2)在10-5数量级,说明脱磷时期在金属熔池内部脱磷反映大体不能进行。
可是,氧气转炉由于采纳顶吹氧,即便铁液碳质量分数高,也可通过调整枪位、供氧速度等将渣中氧化铁操纵在较高质量分数范围(8%~15%),进而将渣/铁界面氧活度操纵在较高水平。
(7)式[2]和(8)式为(6)式所示Fe-O反映的标准自由能和铁液中氧活度与温度和炉渣氧化铁活度的关系,将(8)式代入(3)式,并取脱磷时期铁水和炉渣的组成和相关组元的活度数据[11](f[C]、a(FeO))等,可计算出在炉渣氧化铁含量为8%~15%情形下,磷的分派比(N(P2O5)/w([P])2)在165左右,说明在渣/铁界面脱磷反映能够进行。
由上述分析可知,采纳SGRS工艺在脱磷时期高效脱磷的关键是:
①增强金属熔池搅拌,增进熔池内部[P]向渣/铁界面传输;
②通过调整供氧或加入铁矿石、氧化铁皮等提高渣中氧化铁活度。
为保证较长的底吹元件寿命,国内顶底复吹转炉大多采纳较低的底吹搅拌强度,迁钢公司、首秦公司炼钢转炉实际底吹强度在0.03~0.06m3/(min·t)。
针对底吹搅拌弱的问题,为了提高SGRS工艺脱磷效率,开发了脱磷时期高效脱磷技术,要紧特点如下:
1)采纳了低枪位、高供氧强度吹炼工艺,氧枪枪位较常规工艺吹炼前期枪位降低100~200mm,供氧强度操纵在3.0m3/(min·t)以上,通过增强顶吹氧气流对熔池搅拌增进磷向渣/铁界面传输。
2)针对低枪位、高供氧速度吹炼引发的渣中氧化铁质量分数降低问题,增加了铁矿石加入量和加入批次,以在增强熔池搅拌同时,使渣中能够维持足够氧化铁质量分数。
3)采纳添加小粒石灰,合理操纵炉渣碱度和MgO质量分数(避免碱度、MgO质量分数太高)等方式,加速脱磷时期渣料熔化,增进脱磷反映。
图7和图8别离为氧枪枪位和炉渣FetO质量分数对脱磷时期终止[P]质量分数的阻碍,能够看到,采纳较低枪位和高强度供氧,由于熔池搅拌显著增强,尽管炉渣FetO质量分数降低至9.5%周围,脱磷效率非但没有降低,反而有较大幅度提高。
采纳上述高效脱磷工艺,在铁水磷质量分数为0.075%左右情形下,脱磷时期终止可将[P]平均降低至0.029%左右,脱碳时期终点钢水[P]最低可脱除至0.0060%,平均为0.0096%,能够知足除少数超低磷钢种外绝大多数钢种对磷质量分数的操纵要求。
2.3液态终渣快速固化技术
采纳“留渣+双渣”炼钢工艺,对上炉留在炉内的液态渣必需加以固化,才能确保装入铁水时不发生猛烈喷溅,引发重大平安事故。
迁钢公司在采纳SGRS工艺后,曾采纳加入多量石灰、白云石或废钢直接冷却对液态炉渣进行固化的方式,但发觉存在以下问题:
①如固化炉渣用石灰加入量多(包括白云石),会造成脱磷时期炉渣碱度和MgO质量分数太高,致使倒渣困难;
②如采纳废钢对液态渣进行冷却固化,由于废钢尺寸不均衡,常发生炉内废钢“搭棚”情形,炉底液态渣不能被充分固化,存在平安隐患。
通过大量实验,开发了将溅渣护炉与炉渣固化相结合的液态终渣快速固化工艺,其要紧特点为:
①上炉出钢后当即向炉内液态渣吹入氮气,将部份炉渣溅至炉衬表面直接固化;②吹入大量氮气使炉底液态渣快速降温,渣中析出大量高熔点相(3CaO·SiO2、2CaO·SiO2等),形成固态高熔点相与残余液态“RO相”(FeO-MnO-CaO系固溶体)共存的炉渣体系(图9);③溅渣终止后向炉内加入少量石灰、白云石,目的是与残余液态“RO相”作用使其快速固化。
为此在加入石灰、白云石后,还须前后倾动转炉使加入的石灰、白云石与残余液态渣快速混合。
采纳上述液态终渣快速固化技术后,绝大多数炉次炉渣固化操作时刻操纵在5.5min之内,在采纳SGRS炼钢工艺生产的6万多炉次中,未发生任何铁水喷溅事故。
2.4SGRS工艺快速生产技术
采纳SGRS炼钢工艺,与常规冶炼工艺相较,增加了液渣固化和脱磷时期终止倒渣操作时刻。
为了不降低产能,不阻碍“转炉—精炼—连铸”工序周期匹配,必需加速SGRS工艺进程,对此采取了以下要紧计谋:
①采纳高供氧强度吹炼,将脱磷时期吹炼时刻操纵在4~5min;②为了加速倒渣,在脱磷时期临近终止时提高枪位,增加渣中表面活性组元氧化铁含量,以增强炉渣泡沫化程度;③开发了SiO2+C为要紧成份的抑渣剂,用于抑制泡沫渣从渣罐中溢出;④采纳了运算机生产组织调度辅助系统,利用“甘特图”对“转炉―精炼―连铸”生产进行组织调度。
迁钢公司一炼钢分厂和首秦公司炼钢厂均拥有3座转炉,经常使用2台板坯连铸机,“炼钢―精炼―连铸”生产周期匹配采取图10所示模式,即3座转炉向2座精炼炉和2台铸机供钢。
由于转炉炼钢能力丰裕,在采纳SGRS炼钢工艺后,尽管转炉炼钢生产周期有所增加,但由于连铸生产并未受到阻碍,钢产量没有减少。
迁钢公司二炼钢分厂拥有2座转炉和2台板坯主机,“炼钢―精炼―连铸”生产周期的匹配采纳图11所示模式。
依照迁钢公司产品分工,二炼钢分厂要紧生产窄断面铸坯,采纳SGRS炼钢工艺后,转炉炼钢周期有所延长,但仍能按时向2台窄断面铸机供给钢水,钢产量也没有降低。
表1为迁钢公司210t转炉常规工艺炼钢与SGRS工艺炼钢的作业时刻对照,能够看到,采纳SGRS炼钢工艺,总冶炼周期较常规工艺增加了大约4min。
3结论
1)首钢迁钢公司5座210t复吹转炉和首秦公司3座100t复吹转炉采纳了“留渣+双渣”转炉炼钢新工艺,转炉炼钢石灰消耗减少了47%以上,轻烧白云石消耗减少了55%以上,渣量降低30%以上,取得了显著经济效益。
2)脱磷时期通过采纳低碱度(w(CaO)/w(SiO2)∶1.3~1.5)和低MgO质量分数(≤7.5%)渣系,形成流动性良好和适度泡沫化炉渣,解决了“留渣+双渣”炼钢工艺快速足量倒渣和渣中金属铁质量分数高这两大难题。
3)针对转炉底吹搅拌弱的问题,在脱磷时期采纳低枪位和高强度供氧方式,利用顶吹氧气流增强金属熔池搅拌以增进脱磷,脱磷时期终止时[P]平均降低至0.029%左右,脱碳时期终点[P]降低至0.0096%左右,知足了绝大多数钢种对磷质量分数操纵要求。
4)通过加速生产速度,尤其是对“炼钢—精炼—连铸”生产进行合理组织调配,采纳“留渣+双渣”炼钢工艺后,钢产量没有减少。
参考文献:
[1]OgawaY,YanoM,KitamuraS,etal.DevelopmentoftheContinuousDephosphorizationandDecarburizationProcessUsingBOF[J].Tetsu-to-Hagane,2001,87
(1):
21.
[2]MatsumiyaT,IchidaM.RecentProgressandTopicsinIronandSteelmakingTechnologyinJapan[C]//The10thJapan-ChinaSymposiumonScienceandTechnologyofIronandSteel.Chiba:
2004.
[3]MoritaK,KumakuraM,WashizuT.EfficiencyPromotionofRefiningProcessinNipponSteelCorporation[C]//The4ThInternationalCongressontheScienceandTechnologyofSteelmaking.Gifu:
2020.
[4]UeshimaY,SaitoK.RecentAdvancesandTopicsofIronandSteelmakingTechnologyinJapan[C]//The12thJapan-ChinaSymposiumonScienceandTechnologyofIronandSteel.Nagoya:
2020.
[5]IwasakiM,MatsuoM.ChangeandDevelopmentofSteel-MakingTechnology[J].NipponSteelTechnicalReport,2020(391):
88.
[6]KumakuraM.AdvancesintheRefiningTechnologyandtheFutureProspects[J].NipponSteelTechnicalReport,2021(394):
4.
[7]SasakiN,OgawaY,MukawaS,etal.ImprovementofHotMetalDephosphorizationTechnique[J].NipponSteelTechnicalReport,2021(394):
26.
[8]HashimotoT,IiboshiH,KumeK,etal.ImprovementinProductionCapacityatOitaWorks[J].NipponSteelTechnicalReport,2021(394):
84.
[9]KobayashM,IsobeK,AraiM.TechnicalProgressinSteelmakingandCastingforSpecialBarandWireSteelatMuroranWork[J].NipponSteelTechnicalReport,2021(394):
119.
[10]TurkdoganET.AssessmentofP2O5ActivityCoefficientsinMoltenSlags[J].ISIJInternational,2000,40(10):
964.
[11]TurkdoganET.FundamentalsofSteelmaking[M].London:
CarltonHouseTerrace,1996.
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 氧气 转炉 留渣双渣 炼钢 工艺技术 研究