255m3高炉冶炼不锈钢母液工业试验.docx

255m3高炉冶炼不锈钢母液工业试验李一为1丁伟中1郑少波1游锦洲1鲁雄刚1徐建伦1徐匡迪1张凯2徐心强2方音2姜敏2杜洪缙2(1.上海大学上海市钢铁冶金重点实验室，上海200072；2.上海宝钢集团上海一钢公司，上海200431)摘要首次在255m3高炉上进行了冶炼不锈钢母液的工业试验，生产铬含量5%21.3%的不锈钢母液近千吨，铬收得率达98%，炉况顺行，渣铁排放正常。为确保试验的成功，采取了保守的操作方针，入炉焦比提得较高，对原材料的磷含量也未加控制，试验中还将铬含量15.6%的35t不锈钢母液由转炉冶炼后再经连铸和轧制加工得到某种不锈钢板材，实现了不锈钢生产全流程的贯通。关键词高炉不锈钢母液工业试验中图法分类号TF533文献标识码A1.前言在高炉中通过熔融还原方法用铬矿石直接冶炼铬含量接近于最终产品的不锈钢母液，具有生产成本低、铬收得率高的特点。且高炉生产的含铬铁水可直接热送转炉进行吹炼，因此它是一项具有发展潜力的新技术1。由于铬矿石较难还原，它不可能象铁的氧化物那样在高炉的中上部通过CO的气/固反应得到还原。热力学计算表明，铬矿的还原反应主要在形成熔渣后与固体碳(焦炭)或溶解在铁液中的碳接触过程中进行。所以铬矿石在高炉内的还原机理与铁矿石不同，是通过熔融还原方式进行的。为探索用高炉生产不锈钢母液，在上海一钢公司的255m3高炉上进行了冶炼含铬铁水的工业试验。整个试验历时9天，共生产含铬铁水近千吨，铁水含铬量最高达到21.3%，铬的收得率大于98%，含铬铁水的温度达到14501500，满足热送炼钢的要求。工业试验达到预期目标，为我国用高炉生产不锈钢母液积累了宝贵经验。2.试验准备2.1实验室研究为了确定工业试验的冶炼参数并确保试验的成功，在实验室先进行了铬铁矿及炉渣冶金性能的测试，即含铬铁矿炉料的熔融滴下实验、半球点实验和炉渣粘度实验。测定结果如下。(1)设计的5种Al2O3-MgO-SiO2-CaO系炉渣在高于1450时粘度均低于10Pas。说明只要选择合理的炉渣渣型，熔渣就能够从炉内顺利流出并实现渣铁分离。(2)含铬矿石炉料的熔融滴下温度要比单一铁矿石高3040，且随铬矿石比例的升高，滴下温度也升高。(3)冶炼含铬铁水时需要有较高的炉缸温度，终渣温度范围应控制在15401570，需高于铁水温度5080。2.2试验方案及生产准备以冶炼含铬15%17.5%铁水为目标，在运行顺利前提下冶炼含铬20%左右的铁水，铁水含硅量尽量做低。高炉利用系数控制在1.0左右，试验后期可运用各种手段试验提高利用系数的可能性。(1)转炼顺序。普通铁水铸造生铁(转炼阶段)5%Cr铁水(第一阶段)12.5%Cr铁水(第二阶段)17.5%Cr铁水(第三阶段)20%Cr铁水(第四阶段)24.1%Cr铁水(第五阶段)。计算了各目标阶段的原料组成、物料平衡和能量平衡以及生产中的操作参数。(2)冶炼工艺参数。主要工艺参数确定为：富氧率02%；喷煤070kg/t，根据高炉冶炼情况分步调整；风量为400550m3/min，最低极限为400m3/min；炉顶温度控制在300350，喷水后200250；初始冶炼强度0.80.9。(3)高炉设备准备。生产上为提高风速，活跃炉缸，将高炉原130mm风口小套换成100mm；恢复以前堵塞的三个风口，保证10个风口全部送风。(4)原燃料准备。工业试验期间严格控制原燃料质量。铬铁矿采用澳大利亚块矿，该铬矿属易还原的铁铬尖晶石矿。原材料成分分别见表13。表1矿石原料成分Table 1Composition of ores种类Cr2O3TCrFeOFe2O3TFeSiO2Al2O3MgOCaOPSCr/Fe澳铬矿37.3625.5613.5213.3610.2115.180.0060.0111.89南非矿0.1093.4365.484.171.200.020.040.0500.006澳铁矿0.1192.8265.062.761.620.050.0500.090海南矿1.2578.9756.2516.250.800.280.500.0200.250烧结矿6.6856.505.421.712.1710.050.0700.030表2焦炭、煤成分Table 2Composition of coke and coal工业分析挥发分成分固定碳灰分挥发分水分硫CO2COCH4H2N2O2H2O青龙山焦炭86.1612.381.207.100.5033.6733.673.336.6716.67焦作煤81.4611.866.651.320.3226.476.6247.5219.40表3含碳原料灰分及熔剂成分Table 3Composition of carbon bearing materials and fluxes原料种类TFeFe2O3SiO2Al2O3MgOCaOSPMn青龙山焦炭4.756.7947.0439.211.083.880.08焦作煤3.284.6941.1332.970.869.02石灰石0.771.750.1948.450.25白云石1.48121.3229.80.28锰矿8.6238.951.751.121.60.0250.2822.783.试验结果及讨论3.1.试验情况及结果在工业试验正式开始之前，先进行了普通生铁向铸造生铁的转炼，使高炉炉缸温度逐步提升，并逐步调整了炉渣成分，使之接近于冶炼含铬铁水采用的炉渣成分。整个试验期间，装料采用发展边缘的K1P1K2P2倒装装料制度，铬铁矿放在P2中加入，将其分布在料柱的中心位置。焦炭和各种矿石的加入按试验前制定的炉料结构装入炉内。在整个试验期间，料速均匀稳定，没有出现塌悬料问题，实现了操作顺行，铁水中含铬量随着铬铁矿配比的增加分阶段逐步提高。冶炼的含铬铁水流动性好，铁水排放正常。出铁时还进行了脱硅试验，考察了脱硅效果和温降。炉渣渣系选择合理，炉渣温度变化在15001600，流动性良好，并能满足脱硫要求。整个试验实现了预期的目标。表4列出了第三、四、五阶段的冶炼操作参数和结果。表4工业试验部分阶段的操作参数和结果Table 4Typical test parameters and results参数第三阶段第四阶段第五阶段热风温度/113010451150富氧率/%0.430.900.18喷煤量/kgt-1267254217铁水平均成分/%C4.984.985.25Cr15.0815.9820.02Mn1.821.911.77Si1.543.613.74S0.0070.0040.005P0.1150.1130.118炉渣平均成分/%CaO30.1830.5030.26SiO230.9330.6129.98Al2O316.5718.8122.75MgO14.0014.5215.81Cr2O30.060.250.10R0.981.001.01铁水温度/143814691504炉渣温度/161116011563炉顶煤气成分/%CO25.04.66.0CO36.031.035.6O20.40.20.2CH42.42.61.2H20.83.460.8CO2(CO+CO2)-1/%12.2012.9214.42炉尘量/kgt-1383130表4列出的是铁水和炉渣的平均成分。由于每一阶段的周期仅12h左右，每一阶段铁水的含铬量被炉内残留铁水稀释，所以没有达到稳定的目标值。图1显示了整个试验期间铁水中含铬量逐炉提高的情况，图1中可以看出，随着铁中含铬量的提高，铁水的每炉出铁量逐渐下降。铁水中其他元素成分的变化趋势见图2。由图1、图2可知，随着Cr的升高，C、Si、Mn的成分都有逐渐提高的趋势，尤其是Si的升高趋势较为明显。需要指出的是S不随Cr的升高而升高。炉渣成分的变化趋势见图3，可发现炉渣中(Cr2O3)的含量并不随生铁中Cr的升高而升高，而是维持在一个较低的水平，这反映出铬在炉渣中的含量很低。图3中(Cr2O3)的两次突然升高估计与炉渣分析样中带铁有关。渣中(MgO%)的变化幅度不大，在15%左右波动。在高Cr%阶段，(Al2O3%)含量升高幅度较大。鼓风参数的变化趋势见图4，由图4可知，整个试验期间风量稳定，变化幅度不大。试验过程中热风压力有下降的趋势，反映出随着炉料中含铬原料及焦炭量的增加，料柱的透气性得到了改善。冶炼中热风温度逐渐升高，这是由于煤气中CO含量升高，CO2逐渐下降，从而使煤气发热值增加。图1各炉次出铁量及铬含量变化Fig.1Output and chromium content of hot metal for each heat图2各炉次铁水成分变化(C、Si、Mn、S)Fig.2Hot metal composition of each heat (C、Si、Mn、S)图3各炉次炉渣成分的变化Fig.3Slag composition of each heat图4试验期间热风参数的变化Fig.4Parameters of hot blast during the test试验中还将第2947炉次铬含量15.6%的35t不锈钢母液经转炉进行冶炼后再经连铸和轧钢得到某种牌号的不锈钢板材，实现了不锈钢生产全流程的贯通。同时也说明含铬铁水温度在14501500，能很好地满足热送炼钢的要求。3.2.讨论(1)焦比。由于这次试验是我国首次进行的高炉直接冶炼不锈钢母液研究，为确保试验的成功，保证渣铁排放顺利，采取了较为保守的操作方针，将入炉焦比提得很高。各阶段冶炼时的焦比如表5所示。造成焦比高的原因，除与试验的指导方针有关外，还与客观条件的限制有关。试验高炉处于炉役末期，炉顶设备的变形和磨损导致密封不严；炉衬耐火材料的严重侵蚀导致高炉热损失巨大；而使用的原燃料的选择余地又很小；操作上无法实行上部调剂而自始至终采用一种装料制度，富氧和喷煤的能力没有得到有效的利用。尽管试验没有得到合理的焦比数据，但分析试验期间的原料、设备和操作条件得知，这次试验条件并不十分理想。根据现代高炉技术的发展，完全可以在将来的冶炼含铬铁水的高炉上应用最新的高炉冶炼技术。例如，铬铁矿烧结技术，高压操作技术，在原料选择上可以选择优质的焦炭，操作可采取富氧技术、提高熟料比、降低铁水含硅量等一系列措施来降低焦比。在冶炼含铬17.5%24.1%阶段时，焦比上了一个台阶，太高的焦比，实际上造成大量的碳元素参与对硅的还原。所以，试验后期铁水含硅量居高不下，而含铬量较为稳定。表5各阶段冶炼时焦比Table 5Coke ratio in the test试验阶段项目铸造铁Cr=5%Cr=12.5%Cr=17.5%Cr=20%Cr=24.1%干焦比/kgt-1707.30673.00900.001606.001437.001585.00煤比/kgt-1129.07106.05146.26250.73273.74227.77综合焦比/kgt-1804.10752.541009.691794.051642.301755.83(2)铬收得率。冶炼过程中铬回收率是反映过程特征的一个重要指标。不锈钢母液的冶炼过程中应尽可能地提高铬的回收率。试验中铬的收得率高达98.02%，比照矿热炉冶炼高碳铬铁的78%93.7%，转炉熔融还原生产不锈钢母液的85%2，3，日本川崎千叶厂SR-KCB法的91%4，表明采用高炉生产含铬铁水时的铬收得率最高。从各阶段炉渣成分也可看出，渣中Cr2O3维持在0.25%以下。(3)富氧率。为提高风口区理论燃烧温度和炉缸温度，试验中要求冶炼时富氧率最高达到2%。而实际生产中富氧率最大仅在0.2%0.4%左右，其优势未能得到体现。究其原因，富氧率的提高只有在高喷煤量的配合下才会见效，而试验中喷煤量很低。由于试验时焦比很高，风口区理论燃烧温度和炉缸温度足够，加大富氧率反而易破坏热平衡，引起风压上升，影响操作顺行。(4)铁水含磷量。试验对原材料的磷含量未加控制，致使铁水含磷量较高。如冶炼出的铬铁水(平均含铬15%以上)磷含量为0.11%。分析其原因，以冶炼含铬20.02%铁水数据为例，磷的最大来源是作为熔剂加入的锰矿，占43.5%，另外焦炭占13.3%。实际生产中可不采用或极少用锰矿作熔剂，且采取精料操作，铁水含磷量完全可得到控制，生产的含铬铁水可直接进转炉进行吹炼。例如美国Crucible钢厂冶炼的含铬15.1%的铁水，其磷含量只有0.024%，乌克兰用高炉冶炼含铬18%20%的铁水时，它的含磷也仅为0.028%0.032%。另外，含铬铁水的碳含量较高，使得它的脱磷效果远优于不锈钢(低碳或超低碳)的脱磷。因此，实际生产中可以采取双管齐下的方法：采用低磷原料和适度脱磷技术，这样用高炉生产的含铬铁水完全能满足不锈钢母液对磷的要求。4.结论采用高炉直接生产不锈钢母液的工业试验在各方的努力下基本上达到了预期的目标，它表明高炉生产不锈钢母液新工艺是可以被采纳的。通过试验，掌握了其关键操作技术和诀窍。试验中积累了大量的现场数据，为今后的项目决策提供了重要的技术和经济指标依据。不锈钢生产流程的贯通，为开发具有自主知识产权的新工艺奠定了基础。5.参考文献1LI Yiwei, DING Weizhong, ZHENG Shaobo, et al. New Process for Producing Stainless Steel Master Alloys. Special Steel, 2002, 23 (1) ： 2326. (李一为, 丁伟中, 郑少波, 等。不锈钢母液制备新工艺, 特殊钢, 2002, 23 (1)： 2326.)2HOU Shuting, XU Minghua, ZHANG Huaijun, et al. Pilot Test of Bath Smelting Reduction in