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转炉少渣工艺技术分析摘要：阐述了少渣炼钢的工艺路线，分析了转炉少渣吹炼的供气制度、造渣制度、温度制度、合金化制度等，介绍了国内外几家钢厂典型的少渣炼钢工艺及其冶金效果，指出少渣炼钢是未来炼钢的主要发展方向。关键词：转炉；少渣炼钢；工艺制度Progress and Prospect of Less Slag Steelmaking ProcessAbstract：The paper summarizes the process line of less slag steelmaking，and analyzes the system of gas supplying，slagging and alloying，that 0f the temperature and SO onof less slag blowing in converterintroduces the typical processes of less slag steelmaking and its metallurgical effects of seven steel plants at home and abroad，meanwhile，points out that less slag steelmaking is the main development direction of the steelmaking in the futureKey words：converter；less 8lag steelmaking；process system铁水“三脱”使传统炼钢工艺发生了显著变化，在铁水预处理阶段进行脱硅、脱磷和脱硫，使炼钢转炉的主要功能转变为调温和脱碳，同时炼钢渣量减少，形成了少渣炼钢工艺。由于少渣炼钢用的铁水硅含量很低，造渣用石灰加入量明显减少，降低了渣料消耗和能耗，喷溅少，铁损低，减少了污染物的排放。同时，因渣量少，氧的利用效率高，吹炼终点钢水中氧含量低，余锰高，合金元素收得率较高，从而降低了生产成本。另外，少渣炼钢工艺终点命中率高，改善了钢水的纯净度，为生产超纯净钢创造了条件。1 少渣炼钢工艺路线常见的转炉炼钢工艺路线有四种。第一种是传统的炼钢工艺，欧美各国的炼钢厂多采用这种模式，即铁水先脱硫预处理后，再转炉炼钢。通常转炉炼钢渣量占金属量的10以上，转炉渣中FeO含量在17左右。此外，渣中还含有约8的铁珠，该工艺钢铁料消耗高。第二种炼钢工艺是先在铁水沟、混铁车或铁水罐内进行铁水“三脱”预处理，然后在复吹转炉进行少渣炼钢，这种工艺的不足之处是脱磷前必须先脱硅，废钢比低(5)，脱磷渣碱度过高，难于利用。第三种炼钢工艺是20世纪90年代中后期日本各大钢厂试验研究成功的转炉铁水脱磷工艺，该工艺解决了超低磷钢的生产难题。与第二种工艺路线的明显区别是脱磷预处理移到转炉内进行，转炉内自由空间大，反应动力学条件好，生产成本较低。具体工艺是采用两座转炉双联作业，一座脱磷，另一座接受来自脱磷炉的低磷铁水脱碳1、2，即“双联法”。典型的双联法工艺流程为：高炉铁水_+铁水预脱硫-+转炉脱磷_+转炉脱碳_+炉外精炼+连铸。由于受设备和产品的限制，也有在同一座转炉上进行铁水脱磷和脱碳的操作模式，类似传统的“双渣法”。第四种炼钢工艺是对第三种炼钢工艺进行了改进，与第三种工艺的明显不同是将部分脱碳渣(约8)返回脱磷转炉，脱磷后的铁水进入脱碳转炉脱碳。该工艺是目前渣量最少、最先进的转炉生产纯净钢的工艺路线。在上述四种转炉炼钢工艺路线中，后三种炼钢工艺铁水经过“三脱”预处理后再脱碳炼钢，能够做到少渣操作。四种转炉炼钢工艺路线的渣量比较见图1。从图l可以看出，后三种炼钢工艺的吨钢渣量低于70 kgt。国外专家认为，少渣炼钢是在转炉炼钢时，每吨金属料加入的石灰量低于20 kg，脱碳炉每吨钢水的渣量低于30 kg。值得指出的是，如果将脱磷转炉每吨金属料产生的2040 kg脱磷渣也视为炼钢渣，那么少渣炼钢工艺流程的总渣量约为50-70 kg。总之，转炉少渣炼钢必须以铁水预处理为前提条件。铁水“三脱”预处理后，铁水中的硅、磷和硫含量基本上达到了炼钢吹炼终点的要求。对少渣炼钢脱碳转炉操作而言，操作任务发生了变化，工艺制度也要进行调整。2 工艺制度分析21供气制度少渣炼钢脱碳转炉全过程顶吹氧枪枪位采用“高一低一低”三段式控制较为合理。由于入炉铁水硅、锰含量较低，碳氧反应提前，渣量很少，前期枪位低会造成金属喷溅。同时硅的减少给炼钢初期成渣带来困难，采用较高枪位操作便于快速成渣，增加吹炼前期渣中氧化铁的含量，然后根据化渣情况逐步降低枪位。与常规吹炼相比，少渣吹炼前期氧气流量应适当降低，吹炼后期加大底吹气体流量有利于减少铁损和提高锰的收得率。22造渣制度转炉少渣吹炼时，生石灰及其它造渣材料在吹炼开始或吹炼中期投入。一般不加萤石，转炉化渣不良时，可投少量萤石帮助化渣。如铁水硅没有达到控制目标，配加适量的软硅石，700 kg软硅石相当于铁水中010的硅生成的Si02。铁水经“三脱”预处理后，少渣吹炼应结合留渣操作。日本君津炼钢厂冶炼低碳铝镇静钢时，采用少渣吹炼，吨钢造渣剂消耗降至72 kg，如果全部采用低磷铁水(P0050)冶炼，吨钢造渣材料的单耗也只有124 kg。NKK福山厂开发的少渣炼钢技术，其渣量控制在吨钢30 kg。新日铁室兰钢厂使用“三脱”铁水炼钢，吨钢石灰消耗20 kg，转炉总渣量减少了50。我国宝钢和太钢采用“三脱”铁水进行少渣炼钢试验，结果总渣量减少了50。但是，神户制钢在进行少渣吹炼时，发现连续3炉以上均采用吨钢渣量小于20 kg的少渣量操作，炉衬上几乎不附着熔渣，耐火材料易受到侵蚀，从而影响转炉炉龄。因此，神户制钢将渣量控制在每吨钢40 kg左右。在降低造渣料消耗的前提下，为了保护炉衬、覆盖钢液、减少金属喷溅，采取的有效措施是留渣操作。出钢后，将前一炉的高温、高碱度、高氧化性的终渣留一部分(吨钢约10 kg左右)于炉内，加入少量石灰或白云石，然后兑铁炼钢。新日铁君津厂和神户制钢就是采用留渣操作补充渣量的冶炼方法。23温度制度采用“三脱”铁水吹炼时，确定温度制度的关键在于合理选用造渣料和废钢用量，以平衡因铁水温度降低和放热反应元素(硅和磷等)减少而导致的热量改变。一般通过减少造渣料和废钢用量就可实现热平衡。“三脱”铁水少渣吹炼时，停吹温度平均为l 657，而只进行脱硫的铁水预处理吹炼时，停吹温度平均为l 655。24炉内部分合金化应用“三脱”铁水实现少渣炼钢后，造渣料消耗大幅度减少。如果有富余的热量，可实现锰矿或铬矿直接合金化。如日本钢管公司采用的炉内锰矿合金化工艺，通过控制碱度，降低渣中TFe，使低碳钢水终点锰含量达到l，锰的收得率大于70。另外，日本的新13铁、JFE、住友金属和神户制钢的炼钢厂在生产含锰低于15的合金钢时，采用锰矿直接代替全部锰铁合金，取得了较好的经济效益。3 典型的少渣炼钢工艺日本发明的转炉脱磷少渣炼钢工艺方法主要有JFE福山制铁所的LDNRP法(双联法)、住友金属的SRP法(双联法)、神户制钢的H炉(专用转炉)、新日铁的LDORP法(双联法)和MURC法(双渣法)。宝钢开发的BRP技术在其一炼钢、二炼钢和不锈钢分厂应用，取得了较好的效果。31JFE福山制铁所福山制铁所是13本粗钢产量最高的厂家(1080万ta)，设有两个炼钢厂(第二炼钢厂和第三炼钢厂)，第三炼钢厂有两座320 t顶底复吹转炉，采用LDNRP工艺，一座转炉脱磷，另一座脱碳；转炉在炉役前期用于脱碳，炉役后期用于脱磷，脱碳转炉炉龄低于脱磷转炉。转炉脱磷能力为450万ta。1999年开始，该厂铁水全部采用转炉脱磷预处理。脱磷转炉指标：吹炼时间为10 min；废钢比为710；氧气流量为30 000 m3h，底吹气体为3 000 m3h；石灰消耗为lO15 kgt。脱碳转炉指标：石灰消耗56 kgt；炉龄约7 000炉。第二炼钢厂有3座250 t顶底复吹转炉，采用传统的“三脱”工艺，“三脱”处理能力为420万ta32住友金属鹿岛制铁所鹿岛制铁所有两个炼钢厂，第一炼钢厂有3座250 t转炉，采用本公司发明的SRP法炼钢；第二炼钢厂有两座250 t转炉，采用常规冶炼工艺。第一炼钢厂一座转炉脱磷，另两座转炉脱碳(二吹一)，脱磷铁水富余25运送给第二炼钢厂。脱磷转炉指标：吹炼时间为8 min；冶炼周期为22 rain；废钢比为10(加轻废钢)；出铁温度为1 350 oC，渣量为40 kgt。脱碳转炉指标：吹炼时间为14 min；冶炼周期为30 min；锰矿用量为15 kgt(Mn回收率30一40)；渣量为20 kgt(以干渣方式回收)。33住友金属和歌山制铁所住友金属和歌山制铁所年产粗钢390万t。炼钢生产采用“双联法”(sne)，铁水全部经转炉脱磷处理。该厂脱磷转炉与脱碳转炉设在不同跨间，脱磷转炉和脱碳转炉的吹炼时间分别为912 min，转炉炼钢的冶炼周期控制在20 rain以内。一个转炉炼钢车间给三台连铸机供钢水，是目前世界炼钢生产节奏最快的钢厂。和歌山制铁所“双联法”(SRP)的优点是：建立起高效率、低成本、大批量生产纯净钢的平台，显著改善IF钢抗二次加工脆化和热轧钢板低温冲击韧性等性能；炼铁生产可以采用较高磷含量的低价位铁矿石，铁水磷含量放宽至010一015，降低了矿石采购成本；炼钢时使用锰矿石取代MnFe合金；炼钢渣量显著降低，脱碳炉渣可返回用于脱磷转炉；脱磷炉渣不经蒸汽稳定化处理，可直接铺路；加快了大型转炉的生产节奏，与高拉速连铸机相匹配；工序紧凑。34神户制钢由于神户制钢生产的高碳钢比例较大，转炉的脱磷负荷大，铁水脱磷、脱硫预处理用H炉(专用转炉)，处理过程分两步进行：首先用喷吹法在高炉出铁沟对铁水进行脱硅处理，用撇渣器去除脱硅渣后，将铁水再兑入H炉进行脱磷、脱硫处理。脱磷时喷吹石灰系渣料、同时顶吹氧气，脱磷后再喷人苏打粉系渣料脱硫。经预处理的铁水再装入转炉进行脱碳。用H炉进行铁水脱磷、脱硫处理具有如下特征：H炉内空间大，进行铁水预处理时，炉内反应效率高、反应速度快，可在较短的时间内连续完成脱磷、脱硫处理；可以用块状生石灰和转炉渣代替部分脱磷渣；脱磷过程中添加部分锰矿，可提高脱磷效率，增加了铁水中的锰含量。35新日铁君津制铁所新日铁君津制铁所有两个炼钢厂，第一炼钢厂和第二炼钢厂均采用KR法脱硫(S0002)。第一炼钢厂有3座230 t复吹转炉；第二炼钢厂有两座300 t复吹转炉，第二炼钢厂采用LDORP法和MURC法两种工艺炼钢。LDORP法渣量少、可生产高纯净钢。脱磷转炉弱供氧，大渣量，碱度为2530，温度为l 320一l 350，纯脱磷时间约为910 min，冶炼周期约20 min，废钢比通常为9，为了提高产量，目前废钢比已达到11一14，经脱磷后钢水(P0020)兑人脱碳转炉，总收得率92。转炉的复吹寿命约4 000炉。脱碳转炉强供氧，渣量少，冶炼周期为2830 min，脱碳转炉不加废钢。从脱磷至脱碳结束的总冶炼周期约为50 min。恰好与连铸机的浇铸周期相匹配。36新日铁室兰制铁所和大分制铁所新日铁室兰制铁所(两座270 t LDOB转炉)和大分制铁所(3座370 t复吹转炉)受设备和产品的限制，难以采用“双联法”工艺，为此采用了新日铁开发的MURC技术，在同一转炉进行铁水脱磷预处理和脱碳吹炼，类似传统炼钢的“双渣法”。前期脱磷渣一般倒出50，脱碳渣可直接留在炉内用于下一炉脱磷吹炼；MURC工艺冶炼周期约3335 min，室兰制铁所和大分制铁所全部采用MURC工艺。MURC设备为多功能复合吹炼转炉，在同一座转炉中可连续脱硅、脱磷、除渣和脱碳。工艺过程是：铁水在转炉中脱硅、脱磷后倒炉放渣，保留铁水，然后造脱碳渣进行脱碳，脱碳后出钢，脱碳渣留在转炉内用于下一炉铁水脱硅和脱磷。37 中国宝钢2002年宝钢开始进行BRP技术研究。到2005年11月，采用BRP工艺生产了l 500多炉钢。宝钢转炉脱磷渣量约为20一40 kgt，采用少渣冶炼时，转炉脱碳渣量约为15 kgt，如脱碳炉渣全部返回脱磷炉使用，则渣中铁的50可以在炼钢工艺循环利用。BRP项目开发的工艺路线可适应不同钢种的需求，物流畅通，工序匹配合理。采用优化后的富锰矿熔融还原工艺与复合渣返回转炉冶炼工艺，不但可降低成本，经济效益也很显著。BRP工艺对于拓展品种、提高钢水质量、提升产品的市场竞争力以及实现效益最大化有重要作用。2004年6月10日，采用BRP技术连续生产4炉超纯净抗HIC X60管线钢(用1930连铸机浇注)，五大杂质元素含量见表1。由表1可见，4炉钢五大杂质元素含量之和均小于0010。表2 BRP技术连续生产的4炉抗HIC X60管线钢的化学成分(质量分数) 炉次PSTONH总计10.0030.00040.00240.00310.00010.00920.0040.00050.00160.00320.00010.009430.0030.00040.00120.00240.00010.007140.0040.00060.00110.00290.00010.0087平均0.00350.00050.00160.00290.00010.00864少渣炼钢与常规炼钢对比宝钢二炼钢250 t转炉系统已实现100的铁水进行预处理，其中35的铁水进行脱磷处理，处理后三脱铁水中磷含量小于0025，硫含量小于0003，因而减轻了转炉脱磷负担。一炼钢300 t转炉系统曾将原脱硫车间的2号处理线改建为处理能力为30万t的铁水三脱预处理线，但因喷溅严重、处理周期长、温降大等种种原因未在生产上应用。为了降低成本，扩大品种，提高钢的质量，同时也为了摸清一炼钢厂实施少渣吹炼时，在生产组织、工序成本、工艺组织等方面的情况，以便为今后全面实现分段炼钢打下基础，宝钢在实验室热模拟实验基础上，在一炼钢300 t转炉上进行少渣吹炼及锰矿熔融还原的工业性试验，以期掌握少渣吹炼工艺的特点和规律，并在转蒋晓放工程师1969年生1991年毕业于东北大学现从事炼钢专业电话26647421炉中有效利用锰矿。4.1少渣炼钢的理论分析锰的氧化及还原是钢铁冶炼过程的基本反应之一，氧气转炉内锰的氧化反应为：Mn+(FeO)=(MnO)+Fe(1)(1)lgKMm=lg(aMnO/aMn*aFeO)=6440/T-2.95在钢铁冶金理论的发展过程中，渣钢间锰的行为已有不少学者进行过研究，这些研究结果对氧化锰熔融还原反应机理的评价有多种假设。目前，比较一致的看法是氧化锰还原反应的整个过程由三个反应串联而成：(MnO)+Fe(1)=(FeO)+Mn(2)(FeO)+CO(g)=Fe(1)+C02(g)(3)C02+c=2CO(g)(4)总反应的表达式为：(MnO)+C=Mn+CO(g)(5)显然，反应(3)和(4)的组合正是熔融氧化铁的间接还原反应，而反应(2)被称为铁锰的交换反应，实质上可看成是Fe、Mn的竞争氧化还原反应。在转炉炼钢的冶炼中期，由于碳的强烈氧化，钢液中氧浓度降低，(Fe0)大量减少，渣中(MnO)也随之减少，使得钢液中的Mn含量回升，形成回锰现象。这表明当渣中(FeO)含量与温度一定时，渣中(Mn0)含量越高，钢中回锰量就越多。4.2少渣吹炼的冶金效果分析4.2.1脱碳从原理上分析，由于铁水si含量低，吹炼时脱碳反应可以加速，又因吹炼过程和末期的脱碳速度分别取决于0和c扩散，而少渣吹炼时的渣层较薄，顶吹氧气的能量可以高效率地传到熔池，提高熔池的搅拌效果，促进熔池中O和c的扩散，从而有利于提高脱碳速度及缩短冶炼时间。但在实际试验期间，为保证脱磷要造好渣，氧气流量放小了，由表2可见，少渣吹炼的平均时间为172 min，要长于吹炼单脱硫铁水的平均时间(162 min)，这是今后要亟待解决的问题。4.2.2脱磷表2列出了三脱铁水的少渣吹炼与单脱硫铁水吹炼的脱磷有关数据，可见少渣吹炼终点平均P比单脱硫铁水吹炼时低00023。这是因为少渣操作时成渣快、渣层薄、炉渣的脱磷能力过剩，脱碳速度快、熔池搅拌效果好、钢渣反应充分，改善了脱磷反应的动力学条件，使脱磷反应更趋于平衡。在技术规程规定的出钢温度下，把渣中(TFe)和炉渣碱度控制在23和35以上，可以使终点P容易地控制在0010以下。图1表示了转炉终点停吹磷含量与铁水磷含量的关系，可见二者的关联不明显。图2表示了脱磷率与辅料加入量的关系，可见增加转炉渣量无疑是有利于脱磷的。图3表示了脱磷率与终渣中(TFe)的关系，可见关系不明显，原因可能是碱度、渣量等对脱磷的影响更大。4.2.3脱硫少渣吹炼的平均入炉s是00042，吹炼终点平均倒炉s是00105，而吹炼单脱硫铁水的终点平均倒炉s是00112，见表2，回硫的原因是原材料带入了硫。表明与吹炼单脱硫铁水相比，转炉少渣吹炼对钢中硫含量没有不利影响。4.2.4锰收得率图4给出了少渣吹炼时锰收得率与辅料加入量的关系，可见随着辅料加入量的减少，锰收得率有明显的提高。4.2.5渣中铁损尽管少渣吹炼会使进入废气粉尘中的铁损和终渣中的铁粒含量有所增加，而且以较高枪位吹炼会使(TFe)含量提高(实际试验期间(TFe)与吹炼单脱硫铁水持平)，但是由于渣量的大幅度减少，总的结果仍然是铁损得以改善。由表3可见，与吹炼单脱硫铁水相比，少渣吹炼的铁损吨钢减少127 kg。下面从铁水条件、转炉吹炼情况等方面，将转炉少渣吹炼的试验数据与普通单脱硫铁水常规吹炼实绩(同期生产实绩数据)进行分类比较，详见表1表3。由表1可知，经三脱处理后铁水磷含量大幅度下降，最低甚至达到0018，三脱处理后硫含量也基本与单脱硫铁水一致；采用此三脱铁水吹炼，使带人转炉内的总磷量大幅度下降，比起单脱硫铁水平均下降0053，减轻了转炉脱磷的负荷，避免了转炉采用大量精炼炉渣进行脱磷、硫的造渣作业，因此从铁水成分尤其是磷、硫含量上，磷、硫降低了，钢水成分能够满足冶炼工艺要求，而且不同程度地提高了钢水的纯净度。转炉采用三脱铁水少渣吹炼在辅料单耗、转炉渣量和铁损此三脱铁水完全能满足转炉少渣吹炼的需要。从表1中还看出，三脱铁水处理温降比单脱硫铁水大89，此温降基本用于铁水脱磷处理，因此如何缩短脱磷处理时间、减少脱磷处理粉剂消耗，直接影响到处理中铁水温降量，影响到入炉铁水温度。另外由表1还可看到三脱铁水中硅含量为痕迹，对转炉吹炼化渣作业而言，开吹后势必前期碱度过高导致起渣慢、成渣难，转炉必须增加额外硅源和助熔剂化渣(试验中采用软硅石和萤石)。三脱铁水少渣吹炼与单脱硫铁水常规吹炼在入炉铁水条件、转炉停吹成分和温度以及吹炼时间的对比见表2。由于三脱处理工艺对鱼雷罐内的铁水高度有要求，所以无法满足一罐铁水对一个铁水包的要求；又限于生产组织的困难，也无法炉炉满足二罐三脱铁水对一个铁水包的要求，因此采取一罐三脱铁水为主拼少许单脱硫铁水的受铁方式。从铁水包分析值看此种受铁方式对三脱铁水成分影响不大。考虑到三脱铁水热量的不足，转炉冶炼三脱铁水采用90的铁水比，为此三脱铁水与单脱硫铁水的吹炼比较均在90铁水比条件下进行的。由表2可以看出，采用三脱铁水少渣吹炼，钢水收得率比单脱硫铁水常规吹炼时提高了，停吹方面与转炉采用单脱硫铁水常规吹炼的对比见表3。由表3数据可知，采用三脱铁水后，因铁水带入转炉内的总磷量的下降，致使转炉避免了造大量精炼炉渣进行脱磷的作业，由此石灰、轻烧等造渣材料的消耗大幅度下降(吹炼三脱铁水所消耗的石灰与轻烧量仅为单脱硫铁水的三分之一)；同时由于造渣材料的减少，进一步使终渣量减少(吨钢渣量平均减少60 k