LF固态精炼渣循环利用.doc

120吨转炉回收利用LF固态精炼渣的工艺实践
石枚梅
（新疆工程学院，中国新疆乌鲁木齐，830022）
摘要： LF固态精炼炉弃渣在结晶凝固过程中形成不同的矿物组织、将其中的有益部分用于炼钢生产，是规模化利用LF精炼炉弃渣潜在价值的有效途径，本文简述了新疆八一钢铁股份公司第二炼钢厂在此领域的工业化试验结果。
关键词：LF弃渣、钢包精炼炉、利用
The technology and practice of recycling solid state refining slag from LF in a 120t BOF
Shimeimei
(Xinjiang Institute of Engineering,Urumchi 830023,china)
Abstract: LF solid abandon slag refining furnace in the crystals formed in the solidification process of different mineral group, will be one of the useful part used for steelmaking production, is the large-scale use of LF refining furnace abandon slag is an effective means of potential value, this paper describes the second steel plant xinjiang bayi iron & steel co., LTD in this field industrial test results.
Keywords: LF slag ; LF； recycled
前言：
宝钢集团新疆八一钢铁股份有限公司第二炼钢厂（以下简称该厂）板坯生产线配置有2座公称容量为120吨的LF炉，在冶炼过程中产生精炼炉弃渣的量为9～15kg/吨钢，其中硅镇静钢为9～12kg/吨钢；铝镇静钢为12～15kg/吨钢。精炼后的弃渣，随着钢包铸余钢水一起倒入11m3的铸钢材料制作的渣罐，然后自然冷却24h，或者向渣罐喷水冷却3h，待其在渣罐内凝固成为一个大渣坨子的固态铸余渣渣体以后，然后翻罐，使用炮头车热剥铸余渣渣体，使用人工挑选的方法，选取其中的铸余钢块以后，其余的精炼渣作为工业垃圾外排。在此过程中，由于精炼炉白渣粉化引起的污染问题严重，加上新疆独特的地理气候特点，生态系统较为脆弱，外排精炼炉弃渣对于环境负荷越来越重。为了有效的解决以上的难题，新疆工程学院和该厂进行了技术合作，展开了精炼炉弃渣的资源化利用研究，并且在该生产线上进行了规模化的实验和应用，将其作为转炉出钢过程中的脱氧渣使用，效果明显，笔者在此简述，期望能够推动和实现LF精炼炉弃渣的工业化循环使用的目的，供同行参考。
1、生产线主要工艺设备的技术参数
1.1、LF炉的工艺技术参数
LF炉的公称容量：120吨
LF炉的冶炼周期：15～45min
升温速度：0.5～4.5℃/min
转炉的公称容量，吨：120
转炉出钢量，吨：115～135
1.2、LF冶炼材料的技术条件
造渣使用的材料：石灰、萤石、高效埋弧剂、铝渣球、电石等,其中铝渣球与高效埋弧剂的成分见下表1、2、3.
表1：钢包改质铝渣球的成分
Table 1: the composition of lvzhaqiu

化学成份，%
粒度要求
SiO2
Al2O3
Al
CaCO3
CaO
H2O
粒度范围
筛下物
≤5.0
10.0-15.0
48.0-52.0
18.0-22.0
8.0-12.0
≤0.5
3-20 mm
≤0.5%
表2：预熔渣的成分
Table 2:the composition of yurongzha

SiO2
Fe2O3
CaO
Al2O3
MgO
5.27
1.91
41.17
13.64
1.69

表3：精炼剂的成分
Table 3: the composition of jinlianji
CaO
SiO2+SiC
Al2O3
Fe2O3
备注
≥50
≥18
≥20
≤2
其中SiO2<10%
3、LF精炼弃渣的特点和利用途径的分析
3.1、LF精炼炉弃渣的特点
炼钢过程中产生的LF精炼炉弃渣属于污染严重的一种废弃物，其资源化的途径大多数处于工业化的试验阶段或者在烧结厂使用的较为常见[1、2]。
LF精炼炉弃渣的特点表现为不同钢种的LF精炼炉弃渣的成分各不相同，但是它们都属于一种非均质体，在LF精炼炉弃渣的冷却过程中，熔点高的组分首先析出凝固结晶，然后是熔点低的组分随着温度的进一步的降低而结晶凝固。在LF精炼炉弃渣的组分中间，熔点最高，含量相对较高的组分是硅酸二钙（2130℃）首先析出，析出结晶凝固以后，随着温度的进一步的降低，会发生γ-2Ca0·SiO2→β-2Ca0·SiO2的晶型转变[3]，晶型转变过程中伴随有5%的体积膨胀，造成2Ca0·SiO2晶体碎裂成为一个个的小颗粒晶体，也就是日常生产中所说的白渣粉化现象。
白渣中间的硅酸二钙粉化以后，成为粒度小于1mm的粉末状渣粒，极易随风起舞，也容易在装卸过程中漫天飞舞，是精炼炉弃渣产生污染的最主要的原因，其中粉化部分的总量占LF精炼炉弃渣的三分之一。而LF精炼炉弃渣中间的铝酸钙盐（m CaO·nAl2O3）为主的低熔点的物质析出凝固后，以铝酸钙的形式存在，在随着温度的降低以后，以固态块状的物质形式存在，在短时间内不会发生粉化现象，会相对稳定的以固态的形式存在一段时间，成分主要为 CaO和Al2O3；而LF精炼炉弃渣中间的MgO,以方镁石晶相为主凝固析出[4]，以固态的形式存在。这些钙铝酸盐相和方镁石相则是LF精炼炉冶炼过程中，造渣所需要的有益成分.值得注意的是，这种LF精炼炉弃渣的凝固特点，为回收其中的有益成分提供了可以操作的便利条件。该厂产生的LF精炼炉弃渣，按照不同阶段结晶析出降温以后，分为粉状部分和块状部分两大类。其中粉化的粉状部分，以小于1mm的颗粒状散落在最底层；方镁石晶相在铸余渣体的中间凝固，颜色与结构与天然大理石相似；钙铝酸盐以黄色、白色、黄白色的固态存在。我们选取不同炉次，没有粉化部分的白渣成分进行了针对性的化验，化验过程中按照颜色的不同划分为A、B、C、D四类，化验的成分如下表4,与之对应的实物照片如下图1.
表4： LF弃渣中间主成分W[]%
Table 4: LF slag midst principal component W [] %
分类
SiO2
Al2O3
CaO
MgO
A
6.36
29.14
58.29
4.97
B
6.29
19.14
59.96
6.08
C
5.53
29.51
54.69
6.89
D
10.33
26.23
55.87
5.19

从以上的成分分析可以看出，除了冶炼硅镇静钢的弃渣成分中间的W(SiO2)%含量较高以外，其余的主要成分均能够应用于板坯生产线大部分的钢种的钢水精炼过程中。

Figure 1: solid white slag physical photo
图1：固态白渣的实物照片
3.2、LF精炼炉弃渣的准备
LF精炼炉弃渣的准备是在该厂的渣场，将LF精炼炉铸余渣破碎，自然冷却24h以后，使用炮头车将渣体破碎以后，再自然冷却8h，待渣体表面的温度降低到30℃以下，精炼炉弃渣基本上分为两种：一种粉化的沉积在地面，一种以固态的形式存在，颜色各异。选用的时候，进行人工挑拣。挑拣过程中，挑拣其中没有粉化的，粒度在50mm以上的，呈现白色、黄色的固态渣体，然后使用颚式破碎机将其破碎在50mm以下的固体颗粒状，装袋，每袋10kg，拉运到120吨转炉出钢位待用。
3.3、工艺方案
在出钢过程中加入各类脱氧渣的主要目的是利用脱氧渣熔点的特点，在出钢过程中快速融化，与金属脱氧剂在脱氧环节产生的脱氧产物反应，聚集长大上浮，还能够与加入的石灰生成各类低熔点的化合物，促进石灰的熔解，起到脱硫的功能[5]，
考虑到表3中间的成分范围，我们认为，在LF精炼炉温度下形成的白渣，由于采用自然冷却，其结晶过程很充分，高熔点的硅酸二钙粉化后被筛除，所以选用的固态弃渣具有熔点低，化渣快的特点，可以完全替代预熔渣和合成渣，在转炉冶炼低碳铝镇静钢的出钢过程中使用，对于钢液的脱氧有积极的意义。
考虑到该厂冶炼的低碳铝镇静钢SPHC的过程中，由于结瘤问题突出，先后使用了多家科研院提供的不同产品，来解决结瘤的问题，但是由于以上企业提供的产品价格较高，一直困扰着该厂的冶炼成本。其中该钢种的主要成分范围如下表5：
表5：SPHC的成分范围W[]%
Table 5: the composition of SPHC

C
Si
Mn
P
S
Als
Cr+Ni+Cu
≤0.10
≤0.03
0.25～0.35
≤0.020
≤0.020
0.020～0.05
≤0.50
在参考相关的文献[6]以后，我们采用了两种使用方式在冶炼该钢种的工艺过程中进行试验：
① 出钢终点碳含量W[C]%在0.04%～0.08%之间，即转炉终点碳含量控制较好的情况下，出钢过程中全部使用LF精炼炉弃渣，加入量为吨钢2.5～4kg，不加石灰和其他任何的脱氧渣料，合金化脱氧的工艺不变。
② 出钢终点碳含量W[C]%小于0.045%，即转炉终点碳含量控制不好的情况下，出钢过程中配加LF精炼炉弃渣替代预熔渣，加入量为吨钢4～5kg，其他的工艺不变，即出钢过程中加入吨钢2～5kg的石灰，并且加入吨钢0.2～0.5kg的电石进行脱氧，合金化工艺不变。
3.4、操作与投加方式如下
① 当转炉吹炼结束准备出钢时，出钢温度为1595～1650℃，出钢前3min接通底部吹氩气体，搅拌气体为150～450L/min。
②转炉钢水出钢以后，钢水出到钢包在5～20t之间，即钢液在钢包内形成高度为5～10cm熔池以后，开始随钢流加入铝铁与LF精炼炉弃渣，同时加入合金化的低碳锰铁，氩气搅拌采用强搅拌模式，氩气的流量以钢包内钢水剧烈运动沸腾，不溢出钢包为原则，利用大气泡的尾流模式去除夹杂物。其中铝铁的加入量为2.0～2.5kg/t钢，铝铁的铝含量为49%。
③LF精炼炉弃渣必须在钢水出完前投加完毕，加入时间小于出钢时间1～2min，出钢结束以后，氩气搅拌强度保持软吹搅拌模式，目的是利用小气泡粘附夹杂物的模式，促使夹杂物上浮到顶渣内去除。
④出钢结束以后，按照常规的作业标准和流程进行作业，对于钢水的温度进行补偿升温(LF升温)或者降温处理（吹氩搅拌降温），对于铸态组织成分进行调整，然后钢水上连铸机浇铸即可。
3.5、实践结果
2012年5月起，我们在该厂冶炼SPHC的过程中开始使用LF精炼炉弃渣，效果与预期的效果一致，试验过程中我们还特意做了减少加入量到每炉80kg的实验，试验过程中的渣况的简述如下表6，渣样的分析如下表7。
表6:实验的渣况特征
Table 6: slag condition characteristics of the experiment
LF精炼炉弃渣加入量/kg
钢包起始渣样（出钢结束）
钢包终点渣样（连铸机浇铸结束）
说明
420
稀渣,玻璃状，成黑色，顶渣完全熔化
渣子稀，成黑色
出钢未加石灰
450
稀渣，成微黄色，顶渣完全熔化
渣子一般，成微黄色
出钢未加石灰
260
灰白渣，顶渣完全熔化
玻璃状灰白渣
出钢加石灰200～300kg
80
灰渣、顶渣有部分的石灰没有熔化
灰黑渣，钢包内结壳
出钢加石灰300～500kg
表7：钢包内的渣样成分W()%
Table 7: molten slag sample composition W () %
项目
CaO
SiO2
TFe
Al2O3
MgO
MnO
渣样（始）
34～38
6～14
0.2～0.6
25～31
5～14
0.4～1.7
渣样（终）
31～37
5～12
0.11～0.5
22～30
6～14
0.3～0.7
从实践结果看，实验与预期的理论分析基本上吻合，在采用少量的LF精炼炉弃渣（80kg/炉）配加石灰的工艺模式中间，钢包的顶渣与传统工艺的顶渣相似，即存在石灰没有完全熔化，在顶渣内结块的现象，钢水浇铸有结瘤的现象，使用效果上比使用钢包改质铝渣球的效果差；而使用160kg以上的炉次，顶渣基本上全部熔化，顶渣较稀，钢水在连铸的浇铸情况较好，无结瘤迹象，这与顶渣充分吸收钢水中间的夹杂物有密切的关系，使用效果与东北某大学提供的钢水净化剂不相上下，钢水中间的氧含量W[O]%由出钢前的500×10-6～650×10-6下降到15×10-6以下，但是成本仅有钢水净化剂的六分之一，这与文献[7]的描述一致。鉴于试验中间的有益效果，目前该技术已经与该厂的附属企业达成了规模化加工利用的协议。
4、结论
① 预熔渣在矿热炉中间形成，LF精炼炉弃渣是在LF炉精炼过程中形成，故LF精炼炉弃渣的冶金回用功能与预熔渣有极其相似的地方。
② 采用自然冷却的LF精炼炉弃渣具有结晶充分，不同熔点的矿物组织具有先后凝固析出，易于分离的特点，为选取其中有益成分作为炼钢回收利用提供了有利的条件。
③ LF精炼炉弃渣作为预熔渣的替代品，具有化渣迅速，有利于吸附夹杂物、成本低廉的特点，能够规模化的应用于炼钢过程中。
参考文献：
1. 任雪, 李辽沙. LF炉精炼渣资源化特性[J].安徽工业大学学报 2009第26卷（4）：338～340
2. 吕宁宁, 于景坤，苏畅.ＬＦ炉精炼废渣循环利用的研究进展[J].中国冶金,2011第21卷（10）：2～5
3. 刘新生，赵宏欣，吕晓芳.12Ca0·7Al203预熔渣在精炼过程中的粉化问题[J].炼钢，2006第22卷（6）18～22
4. 唐明述、袁美栖、韩苏芬、沈兴. 钢渣中MgO、FeO、MnO的结晶状态与钢渣的体积安定性[J].硅酸盐学报，1979年第七卷（1）：35～38
5. 俞海明.转炉钢水的炉外精炼技术[M].冶金工业出版社.2011第一版：248～251
6. 林功文. 钢包炉LF精炼用渣的功能和配制[J]. 《特殊钢》2001第22卷（6）：28～32
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作者介绍:
石枚梅,1968年出生,江苏人,新疆工程学院冶金高级讲师,研究方向:钢铁冶金及渣处理工艺
通信地址:新疆乌鲁木齐市经济技术开发区(头屯河区)艾丁湖路1350号 邮编:830023
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