第40卷 第8期 2005年8月
钢铁
Iron and Steel
V ol.40,No.8August 2005
杨文远1, 吴文东1, 王明林1, 石洪志2, 王 涛2
(1.钢铁研究总院冶金工艺研究所，北京100081; 2.宝山钢铁股份有限公司技术中心，上海201900)摘 要：针对转炉低硅铁水炼钢成渣困难，渣量少不利于脱磷，容易产生粘、粘烟罩等问题，在吹炼过程中加入适量熔剂，位稍高于正常含硅铁水炼钢，设计化渣效果好、喷溅少的多孔喷头。低硅铁水炼钢化学热减少，可减少矿石、废钢用量，保证熔池金属正常的升温速度。低硅铁水炼钢可以实现少渣炼钢，有利于减少石灰消耗和提高金属收得率。
关键词：低硅铁水；成渣；脱磷；化学热
中图分类号:T F 729.5 文献标识码:A 文章编号:0449-749X(2005)08-0022-04
Study on Steelmaking with Hot Metal Containing
Low Silicon in Large Converter
YAN G Wen -yuan 1, WU Wen -dong 1, WAN G Ming -lin 1, SH I H ong -zhi 2, WANG T ao 2
(1.M eta llur gical Depa rtment,Cent ral Iron and Steel Resear ch Institute,Beijing 100081,China;
2.T echnical Center,Bao shan Ir on and Steel Co.,L td.,Shanghai 201900,China)
Abstract:Steelmaking w ith hot metal containing low silicon in co nv erter is difficult because of sho rt of heat,slow lime melting slag fo rmatio n,less slag for depho sphor izatio n and slag adhesion on ox yg en lance and hoo d.T hus a p -pro priate flux should be added,the lance positio n should be increased slightly compar ing with that dur ing steelmak -ing w ith ho t metal containing nor mal silicon and effectiv e mult-i hole nozzle should be used fo r slag format ion and splashing elimination.In or der to keep t he nor mal heating rate,t he o re and scrap amount should be reduced due to less chemical heat input in steelmaking w ith ho t metal co ntaining low silico n.Sma ller slag vo lume in steelmaking wit h hot met al containing low silicon will benefit to reduce the consumption o f lime and incr ease metal yield.Key words:ho t metal containing low silicon;fo rmation of slag ;depho sphor ization;chemical heat
作者简介：杨文远(1935-)，男，大学本科，教授级高级工程师; E -mail:wang -ml@tom ; 修订日期:2004-11-10
由于高炉喷煤量增加、焦比降低和利用系数提高，宝山钢铁股份有限公司的铁水硅的质量分数有明显降低。高炉铁水硅的质量分数降低0 1%，可以提高产量1 0%~1 5%，焦比降低4~5kg /t [1]。国外大型钢铁厂的铁水硅的质量分数都在降低[2]。高炉降低铁水硅的质量分数可为企业带来巨大的经济效益。和正常硅含量铁水炼钢相比，转炉低硅铁水炼钢的吹炼工艺有更高的技术难度。宝山钢铁股份有限公司与钢铁研究总院合作，在宝钢第一炼钢厂进行了低硅铁水炼钢工艺研究。在吹炼过程中用副取样、测温，对熔池金属、炉渣的成分、熔池温度的变化进行了系统的测定。研究了低硅铁水炼钢的成渣、脱磷、脱硫、金属喷溅、熔池升温等问题，提出了解决低硅铁水炼钢工艺困难的技术措施。
1 转炉炼钢试验条件及试验内容
1.1 试验条件
低硅铁水吹炼工艺在宝钢一炼钢300t 复吹转
炉上进行。用来自高炉的铁水经脱硫后装入转炉，少部分铁水进行三脱处理(脱硅、脱磷、脱硫)。
铁水成分(%):w (C )=4 0~4 5,w (Si)=0 15~0 30,w (M n )=0 20~0 30,w (P )=0 075~0 090,w (S)=0 003~0
015。铁水温度为1325~1360 。
炼钢用石灰成分(%):w (CaO)=92,w (S)=0 011,w (M gO)=1 7,w (SiO 2)=0 3。
转炉炼钢用五孔喷头，氧流量58000~60000m 3/h，吹炼位1 8~3 0m 。1.2 主要试验内容
(1)吹炼过程取样、测温。转炉吹炼操作按现行工艺制度进行。吹氧开始5min 用副进行取样、测温，以后每隔3m in 进行一次取样、测温，直到吹炼终点。
(2)吹炼终点取样、测温30炉。所取试样全部进行化学成分分析，部分炉渣进行岩相和熔点检测。根据试样分析结果用Belaf 程序计算吹炼终点渣
第8期杨文远等：大型转炉低硅铁水炼钢研究
钢反应平衡状况。对吹炼终点钢中磷含量和有关脱磷参数的关系进行了回归分析。2 试验结果
2.1 吹炼过程中熔池金属及炉渣成分变化
吹炼5 2m in 时取样铁水中硅的质量分数已氧化至0 01%。熔池磷的氧化在吹炼初期较快，吹炼至5 2min 时铁水中磷的质量分数已降到
0 031%，脱磷率达63 5%。吹炼初期的高氧化铁炉渣和低温条件对脱磷过程有利。吹炼到8m in 时熔池金属中的磷的质量分数有短时期的回升，以后一直保持在0 03%左右。主要是由于熔池高速脱碳，消耗渣中部分氧化铁，石灰难于熔化。吹炼后期熔池碳含量降低，炉内形成了高碱度、高氧化铁炉渣，有利于脱磷，吹炼终点时钢中磷的质量分数降到0 013%。低硅铁水炼钢的渣量较正常含硅铁水炼钢约少20%，增加了脱磷的困难。低硅铁水炼钢吹炼过程中炉渣氧化铁含量较正常含硅铁水高，其原因是炉渣中二氧化硅量较少，成渣困难。低硅铁水炼钢过程中炉渣碱度高于正常含硅铁水，这是脱磷反应所必须的。
吹炼过程熔池升温情况如表1所示，为了比较列入正常含硅铁水吹炼的升温数据[3]。
由表1可见，两种不同硅含量的铁水吹炼初期熔池升温速度都较低，这主要是熔池中大量冷料吸热。吹炼中期熔池主要热源是碳氧化发热，这时废钢和加入的渣料对熔池的冷却能力已大为降低。本次试验中低硅铁水炼钢时矿石加入量少，废钢比低，氧流量稍高，故熔池升温速度较快。熔池总升温由
铁水温度和所炼钢种的出钢温度决定，通过调节废钢比及矿石加入量控制。
吹炼过程中金属及炉渣过热度如图1所示。由图1(a)可见，吹炼过程中熔池金属过热度为70~150 ，这个范围的过热度可以使熔池有足够的流动性进行熔池内部传热和渣 钢之间的化学反应。
吹炼初期由于炉渣碱度低，一般情况下炉渣的流动性较好。图1(b)所示的吹炼中期炉渣过热度为56~84 ，属于正常流动性范围。有的炉次(H T 16)初期渣的过热度只有25 ，这时炉渣流动性差，容易产生金属喷溅。吹炼终点炉渣的过热度为250~280 ，主要由出钢温度决定。渣 钢之间进行化学反应并不需要这样高的过热度。2.2 终渣化学成分及矿相组成
2.2.1 低硅铁水炼钢的终渣成分
低硅铁水炼钢终渣主要成分(%):w (CaO)=45 31,w (SiO 2)=10 79,w (Mg O )=10 58,w (P 2O 5)=1 96,w (T Fe)=18 87,w (M nO )=3 70,w (S)=0 04,w (fCaO)=9 68，碱度4 6。
表1 不同硅含量铁水炼钢熔池升温状况Table 1 Temperature of molten metal with
different silicon content in hot metal
项目
低硅铁水炼钢正常含硅铁水炼钢吹炼前期平均升温速度/( min -1) 3.6 4.2吹炼中期平均升温速度/( min -1)26.021.4吹炼后期平均升温速度/( min -1)24.336.5每炉钢总升温/ 302282平均升温速度/( min -1
)
18.316.1平均吹氧时间/(min 炉-1)
16.917.6平均氧流量/(m 3
m in
-1
)
938.4
889.
图1 吹炼过程熔池金属(a)和炉渣(b)过热度的变化
Fig.1 Superheat of molten steel (a)and slag (b)during steelm aking
23
钢 铁第40卷
与正常含硅铁水炼钢相比，低硅铁水炼钢的终渣碱度平均提高1 3，终渣游离氧化钙增加4 4%。过高的炉渣碱度对脱磷并无好处，不仅浪费石灰而且容易产生炉底上涨。吹炼低硅铁水时应在炼钢过程中加入适量的熔剂，促进石灰的熔化。如转炉污泥球、铁矾土、锰矿、河沙和成分适当的岩石等，以加速成渣和减少未熔石灰含量。
2.2.2 BG106炉吹炼过程中炉渣岩相组成铁水温度
吹炼初期的炉渣，主要矿相为条形镁硅钙石(3CaO M gO SiO 2)，占50%~55%，粒状硅酸二钙(2CaO SiO 2)占20%~25%,RO 相约占20%。由于铁水中硅含量低，渣中未出现富SiO 2的柱状橄榄石。吹炼低硅铁水时，初期渣中较早地出现硅酸二钙，容易造成炉渣返干。
吹炼中期的炉渣，镁硅钙石约占总矿相的35%，硅酸二钙上升到40%~45%。这时炉渣的熔点升高，炉渣比吹炼正常含硅铁水的炉渣熔点约高60 ，炉渣脱磷能力低，易发生喷溅。
吹炼终点的炉渣，渣中硅酸三钙占25%，硅酸二钙占45%,RO 相+C 2F 占15%~20%,Mg O 结晶占5%~8%。有未熔石灰团块，其中有的部分已经C 3S 化和C 2S 化。这种未熔团块使炉渣变稠，不起脱磷作用。
2.2.3 转炉终渣的岩相组成
10炉低硅铁水炼钢的终渣岩相检验结果见表2。由表2可见，与正常含硅铁水炼钢的相组成相比[4]
，低硅铁水炼钢终渣内w (C 3S)低，其平均值为19%。渣中未熔石灰含量几乎增加一倍。表明低硅铁水炼钢的成渣情况变差。在转炉炼钢过程中硅酸三钙较硅酸二钙有更高的脱磷能力。从脱磷的热力学观点看，低硅铁水炼钢炉渣的C 3S 过低，不利于脱磷。2.2.4 吹炼终点渣 钢反应平衡状况 吹炼终点渣 钢反应平衡值如表3所示。
表3中下标r 表示终点钢水中元素实际含量，下标e 表示终渣所对应的钢水中该元素的平衡值,[P]r /[P]e 表示[P]r 对于[P]e 偏离程度。低硅铁水炼钢，吹炼终点钢中[P]e 和[S]e 值都稍低于正常含硅铁水炼钢，这主要是低硅铁水炼钢终渣碱度较高。[P]r /[P]e 和[S]r /[S]e 值基本相近。这是因为两者吹炼终点时渣-钢反应的动力学条件大致相同。
根据本次试验数据，作出吹炼终点钢中磷的质量分数的分布如图2所示。
由图2可见，终点钢中磷的质量分数有59 4%分布在0 010%~0 011%。终点钢中磷的质量分数最低为0 008%，这表明目前的炼钢工艺还不能满足含磷更低钢种的要求。如生产含磷更低的钢种，应开发更有效的脱磷技术。
2.2.5 低硅铁水炼钢的物料及热量状况
表4中的物料差值是以正常含硅铁水炼钢为基数，较其低者为负值，高者为正值。由于铁水硅的质量分数降低所减少的化学热，在本次试验中主要以减少矿石用量来平衡。此外，也可以用调节废钢比来补偿。通过改变物料加入种类和加入量使炼钢过程有合理的熔池升温制度，金属和炉渣有足够的过热度，在吹炼终点时钢水温度符合吹炼要求。
低硅铁水炼钢每吨钢消耗的热量为1851 49M J，较正常含硅铁水炼钢耗热量减少83 84M J 。
表2 低硅铁水炼钢终渣岩相组成Table 2 Lithof acies of steelmaking slag with
hot metal containing low silicon
%
铁水类别w (C 2S)w (C 3S)w (RO+C 2F)w (MgO)w (fCaO)低硅铁水炼钢
5340~7019
0~40
1710~357.77~97~13正常含硅铁水炼钢30~4035~45
10~20
7~10
4~6
表3 吹炼终点渣 钢反应平衡值
Table 3 Equilibrium of slag molten steel at the end of steelmaking
项目[P]r [P]e [P]r /[P]e
[S]r [S ]e [S ]r /[S ]e
铁水类别m 0.01080.004 2.90.00970.0046 2.3 1.47 1.220.82 2.42 1.850.65n 232323232323低硅铁水炼钢
m 0.01280.0046 2.8
0.01160.0048 2.4
0.00360.00180.00370.0021n
72
72
7272
72
72正常含硅铁水炼钢
24
第8期杨文远等:
大型转炉低硅铁水炼钢研究
图2 吹炼终点钢中磷的质量分数的分布Fig.2 Distribution of phosphorus content
表4 炼钢的物料Table 4 Steelm aking material
序号项目
低硅铁水正常铁水物料差值1w (Si)/%0.280.45-0.172铁水温度/ 13441363-193终点钢水温度/ 16491642+74矿石加入量/(kg t -1) 3.1815.50-12.325废钢加入量/(kg t -1)225.5227.0-1.56石灰加入量/(kg t -1)34.435.2-0.87菱镁石加入量/(kg t -1)0 5.67-5.678生白云石加入量/(kg t -1) 3.5920+3.5929
转炉渣量/(kg t -1)
102.3
122.8
-20.5
3 结论
(1)低硅铁水炼钢可以减少转炉炼钢渣量，降低铁损，减少氧耗。大型钢铁企业采用低硅铁水炼钢可为企业带来明显的效益。
(2)低硅铁水炼钢成渣困难，容易造成粘、粘
烟罩，渣 钢之间的脱磷反应也较正常含硅铁水炼
钢困难。硅元素氧化的化学热减少，对转炉炼钢提出了更高的技术要求。
(3)低硅铁水炼钢在吹炼过程中应加入适量的助熔材料，促进石灰熔化，以保证脱磷、脱硫效率和减少粘炉口、粘等事故。
(4)低硅铁水炼钢吹炼过程中应适当提高位，使渣中保持适量氧化铁，促进石灰熔化。保证终点降时间和位高度，以降低脱硫、脱磷反应偏离平衡的程度。
(5)设计有助于化渣、减少喷溅和提高二次燃
烧率的多孔喷头。采用真空熔铸喷头或组装式喷头，以延长喷头寿命。
(6)减少废钢、矿石用量，以补偿由于铁水硅含量降低而减少的化学热。
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