铁矿石替代部分废钢冶炼工艺的生产实践_邓南阳.pdf

第 卷第期四 川 冶 金 年月 y ，文章编号：（）第一作者：邓南阳（），男，高级工程师，博士，从事炼钢生产技术管理工作，：y 。铁矿石替代部分废钢冶炼工艺的生产实践邓南阳，潘军，周军，赵滨，张文英（马鞍山钢铁股份有限公司长材事业部，安徽 马鞍山 ）摘要：针对马钢 转炉加入铁矿石替代部分废钢后冶炼操作和炼钢成本发生变化，通过测算铁矿石与废钢的冷却效应，得出 铁矿石冷却效应为 废钢的冷却效应。在此基础上，分别研究了铁矿石加入量对转炉吹炼的影响，以及熔池温度和铁矿石密度对铁矿石还原率的影响。结果表明：熔池温度在 时，铁矿石还原率达到最大值 ，铁矿石加料时机应选择在吹炼中前期加入；铁矿石密度越小，越有利于铁矿石还原，合理的铁矿石密度范围为 。通过控制铁矿石加入量和加入时机，以及优化转炉冶炼过程操作，提高了吹炼的平稳性，铁矿石用量由 提高至 ，转炉终渣主要成分变化不大，终点磷含量符合内控要求，转炉炉况未见明显侵蚀，实现了转炉炼钢降本增效目标。关键词：铁矿石；废钢；冷却效应；熔池温度；密度中图分类号：文献标识码：o o o o o o o y ，（，）：，y ，y y ，y ；y ，y y ，y ，o ：；y转炉炼钢所用主原料中，铁水、废钢、石灰和铁合金等占炼钢总成本的 以上。废钢作为转炉炼钢最常用的冷却剂，其装入量一般占到铁水装入量的 。但随着废钢价格持续上涨，全部使用废钢作为冷却剂，导致炼钢成本大幅上升。近年来，国内部分钢企通过适当提高铁矿石用量，以减少废钢价格上涨对炼钢成本的影响，并取得了较好的应用效果。马钢股份长材事业部（以下简称马钢）转炉为降低炼钢工序生产成本，针对铁矿石用量增加后冶炼操作和炼钢成本发生变化，对铁矿石替代部分废钢冶炼工艺进行理论研究与操作优化，提高了冶炼过程平稳性，为转炉实现高效低耗连续化生产提供保障。铁矿石替代部分废钢作冷却剂理论分析铁矿石加入转炉后，其熔化、分解和含铁元素还原都需要吸热，起到平衡熔池富裕温度的作用，其化学反应如下：（）（）（）根据转炉热平衡原理，需要分别计算铁矿石和废钢冷却效应的差异，确定替代比例，并结合冶炼钢种的目标出钢温度范围要求，有利于准确控制转炉终点温度。铁矿石冷却效应计算马钢转炉冶炼用铁矿石的主要成分为 和 ，其中，（），（），其余为不可避免的杂质。铁矿石冷却效应值计算公式为：矿 矿 矿（）（）（）式（）中：矿为铁矿石质量热容，即 （）；为铁矿石所需升高的温度值，；矿为铁矿石的熔化潜热，即 ；（）、（）分 别 为 铁 矿 石 中 和 的 百 分 含量，；、分别为炼钢温度条件下，液态 和 还原出铁所需要吸收的热量。从式（）可以计算得到，当终点温度为 时，铁矿石冷却效应值为 。废钢冷却效应计算由于现场废钢来源范围较广，成分很难准确获知，其熔点和入炉温度通常分别以 和 为计算依据。废钢冷却效应值计算公式为：废固（熔）废液（出熔）（）式（）中：固为固态废钢的质量热容，即 （）；熔为废钢的熔化温度，；废为废钢的熔化潜热，；液为液态废钢的质量热容，即 （）；出为转炉终点温度，。由式（）可以计算得到，当终点温度为 时，废钢冷却效应值为 。式（）和 式（）计 算 结 果 表 明，矿废 ，即，铁 矿 石 理 论 上 可 以 替 代 废钢。试验条件及过程控制试验主要在马钢 转炉上进行，吹炼氧枪为孔拉瓦尔喷头，供氧强度为 （）。铁水成分和温度，如表所示。废钢、主要造渣辅料以及铁矿石技术指标，分别参见表、表和表。铁矿石替代部分废钢冶炼工艺实施后，因铁矿石和废钢冷却效应存在一定的差异，冶炼操作也会发生较大变化。供氧强度和枪位分别采取“高低高”和“高低高低”的控制模式，造渣辅料采取小批量分批加料原则。图为转炉加入铁矿石后冶炼操作过程控制参数。表铁水成分（质量分数）和温度项目 温度范围 平均值 表废钢技术指标项目（）（）（）（）（）长度技术标准 表转炉主要造渣料技术指标石灰（）（）（）活性度酌减 镁球（）（）水份 表铁矿石技术指标项目（）（）（）（）粒度技术标准 四川冶金 第 卷2 0 0 01 8 0 01 6 0 01 4 0 01 2 0 01 0 0 08 0 0氧枪枪位/m m供氧时间/m i n0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 01 11 21 31 41 51 61 5 0 0 0 m3/h加入总量1/2 石灰加入总量轻烧镁球加入总量3/5 铁矿石加入总量1/4 石灰加入总量1/5 铁矿石1 3 0 0 0 m3/h加入总量1/5 铁矿石加入总量1/4 石灰1 4 0 0 0 m3/h1 3 5 0 0 m3/h测温取样测温取样图转炉加入铁矿石后冶炼操作过程控制参数由图可看出：吹炼前期，由于熔池温度较低，应采取大氧压、低枪位加速熔池硅、锰反应，快速提升熔池温度以促进化渣，过程加入总量的石灰、总量的轻烧镁球和总量的铁矿石，随后分批次各补充剩余总量石灰和剩余总量铁矿石；冶炼中期，适当提高氧枪枪位，控制渣中 含量在 范围，起到加速石灰熔化和成渣速度的作用，防止炉渣“返干”，促进脱磷；吹炼后期，适当提高氧压降低枪位，强化金属熔池搅拌，降低转炉终渣（）含量，保证钢液成分和温度均匀。试验结果及讨论开展铁矿石替代部分废钢冶炼工艺工业试验，其目的在于，利用铁矿石平衡过程富裕温度，尽可能回收铁矿石中的含铁资源，实现降本增效。根据铁矿石与废钢冷却效应差异，以及铁矿石中铁的质量分数，确定铁矿石的加入量，并在此基础上，研究提高铁矿石的还原率。铁矿石加入量对转炉吹炼的影响吹炼过程中加入铁矿石，可以发挥转炉炼钢的优势，减少烟气排放，实现部分铁矿石的熔融还原，降低金属料成本。铁矿石加入量与对转炉吹炼的影响关系，如图和图所示。由图可以看出：随着铁矿石加入量的增加，渣中（）含量逐渐增加，吨钢氧耗逐渐降低，最低降至 。这是由于随着铁矿石加入量增加，渣中（）含量逐渐升高，增加了渣中氧向钢液中传输，有利于提高熔池脱碳速率，缩短吹氧时间。为了验证铁矿石的加入量对脱磷的影响，对工业试验时渣中（）含量与脱磷率的影响关系进行取样分析，其结果如图所示。吨钢氧耗/(m3 t-1)铁矿石加入量/k g4 74 64 54 44 34 24 12 0 04 0 06 0 08 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0(a)渣中(F e O)含量/%铁矿石加入量/k g3 02 52 01 51 052 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 01 4 0 01 6 0 0(b)1 8 0 00图铁矿石加入量与吨钢氧耗、渣中（）含量的影响关系脱磷率/%8 88 07 26 45 6终渣w(F e O)含量/%1 21 62 02 42 8图渣中（）含量对转炉脱磷率的影响由图可以看出：当终渣中（）时，脱磷率随终渣（）含量的增加逐渐升高，最高可达 ；当终渣中（）时，继续增加终渣（）含量，脱磷率反而逐渐降低。这是由于渣中（）含量会稀释有效（）浓度，碱度降低，影响脱磷率。因此，为了保证脱磷率以及钢渣分离，渣中（）含量的控制范围为 为宜，对应铁矿石加入量应控制在 炉范围。熔池温度对铁矿石还原率的影响熔池温度是影响铁矿石的还原过程中物相转变和微观结构破坏的关键，熔池温度越高，还原产第期 y物的物相组成越简单，微观结构破坏程度越高，越有利于铁矿石还原。熔池温度对铁矿石还原率的影响，如图所示。铁矿石还原率/%7 06 86 66 46 26 05 85 65 45 2熔池温度/1 4 4 01 5 2 01 4 6 0 1 4 8 01 5 0 01 5 6 01 5 4 01 6 0 01 5 8 01 6 2 0图熔池温度对铁矿石还原率的影响由图可以看出：熔池温度在 区间时，随着熔池温度的上升，铁矿石还原率呈现先增后减的趋势，铁矿石还原率在熔池温度为 时，达到最高值 。当熔池温度小于 时，熔池温度对铁矿石还原率的影响起主导作用；当熔池温度大于 时，反应时间成为限制条件。因此，铁矿石加入时机应选择在吹炼前中期为宜。铁矿石密度对铁矿石还原率的影响吴海波 通过对赤铁矿在转炉中的熔融还原机理研究发现，赤铁矿的密度对其在转炉中的熔融还原行为会产生一定的影响。铁矿石密度对铁矿石还原率的影响，如图所示。铁矿石还原率/%6 1.56 1.06 0.56 0.05 9.55 9.05 8.5铁矿石密度/(g c m.3)3.83.63.43.23.02.84.24.04.64.4图铁矿石密度对铁矿石还原率的影响由图可以看出：铁矿石密度在 区间时，随着铁矿石密度的增大，其还原率呈现先增后减的变化趋势。铁矿石还原率在密度为 时，最高可达 。这是由于密度较大的铁矿石越难熔化；密度较小的铁矿石越易熔化。因此，为缩短铁矿石熔化时间，尽可能提高铁矿石还原率，铁矿石密度为 为宜。应用效果分析 转炉终渣成分对铁矿石替代部分废钢冶炼工艺实施前后转炉终点渣样进行化验分析，如表所示。由表可知：铁矿石替代部分废钢冶炼工艺实施后，铁矿石吨钢用量由 提高至 ，终渣碱度略有升高，渣中（）有所降低，其余成分变化并不明显。转炉终点磷含量以冶炼 钢种为例，该钢种内控 。随机对 炉次采用铁矿石替代部分废钢冶炼工艺终 点 磷 含量 进行分析，结果如图 所示。由图可以看出：使用铁矿石替代部分废钢后，转炉终点磷含量均符合该钢种磷成分上限要求。由此可以说明，铁矿石替代部分废钢冶炼工艺对炉渣脱磷效果基本没有影响。终点磷含量/%0.0 5 00.0 4 00.0 3 00.0 2 00.0 1 00.0 0 0样本数/炉1 0 08 06 04 02 001 2 0图转炉终点磷含量统计表转炉终渣化验结果项目铁矿石吨钢用量（）渣样主要成分，实施前（平均值）实施后（平均值）四川冶金 第 卷 转炉炉况以马钢转炉为例，自 年月份采用铁矿石替代部分废钢冶炼工艺以来，转炉炉衬测厚数据，如表所示。由表知：转炉各部位炉衬平均厚度与新炉衬标准值相比变化不大，说明铁矿石替代部分废钢冶炼工艺对炉衬侵蚀影响较小，转炉炉况始终处于安全稳定、高效顺行的状态。经济效益根据前述测算，铁矿石可以替代 的废钢。采用铁矿石替代部分废钢作为冷却剂，其经济效益主要体现在，矿石消耗量增加，废钢消耗量相对减少，从而降低钢铁料成支出。表为铁矿石替代部分废钢成本效益对比。表转炉炉衬测厚数据炉衬区域评价项目新炉衬标准 年 月份炉衬测厚数据月月月月月 月 月 月出钢面平均值 左耳轴 右耳轴 倒渣面 炉底 表铁矿石替代部分废钢成本效益对比物料替代量 金属收得率钢铁料单价（元）物料单价（元）成本（元）铁矿石 废钢 注：表中成本替代量金属收得率 钢铁料单价 物料单价 替代量由表可知：铁矿石可以替代 废钢，两 者 成 本 相 比，相 差 元。马 钢 转 炉 年产量为 万，年创效约 万元。结论（）经测算，铁矿石可以替代 废钢。马钢转炉铁矿石合理加入量为 炉，渣中（）含量控制在 时，能够满足脱磷的要求。（）密度和熔池温度是影响铁矿石还原率的两个重要因素，铁矿石密度为 ，熔池温度控制在 时，铁矿石还原率达到最佳，其加料时机应选择在转炉吹炼前中期加入。（）铁矿石替代部分废钢冶炼工艺在马钢转炉上成功应用，对转炉终点磷含量、终渣成分和转炉炉况基本无影响。因铁矿石具有价格优势，通过增加铁矿石用量，适当减少废钢用量，有利于转炉工序降本增效。参考文献：田志国采用铁矿石替代废钢的炼钢工艺实践湖南工业大学学报，（）：王皎月，龚波，张琦，等烧结返矿替代废钢冶炼技术研究四川冶金，（）：朱继衡，张太生，贺瑞飞，等烧结返矿在转炉炼钢过程中的实践与应用河南冶金，（）：刘佳，崔猛转炉低成本造渣技术研究与实践天津冶金，（）：雷浩洪烧结返矿在高铁水比炼钢中的应用河北冶金，（）：罗廷和铁矿石还原机理探讨武汉钢铁学院学报，（）：，易文殊铁矿石熔融还原工业应用的研究烧结球团，（）：龙彪 提高转炉冶炼吨钢矿石用量生产实践 河南冶金，（）：张岩，张红文 氧气转炉炼钢工艺与设备 北京：冶金工业出版社，孙永升，韩跃新，高鹏，等 温度对鲕状赤铁矿石深度还原特性的影响 中国矿业大学学报，（）：吴海波 赤铁矿在转炉中熔融还原机理研究 安徽工业大学，门志刚澳矿在转炉入炉结构动态调整中的创新运用河北冶金，（）：第期 y