转炉脱磷少渣炼钢工艺技术发展与现.ppt

转炉脱磷少渣炼钢工艺技术发展与现状 宝钢炼钢厂 铁水脱磷基本冶金原理国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状宝钢转炉脱磷少渣炼钢工艺技术的研究和开发 内容 第一部分铁水脱磷基本冶金原理 铁水在氧化性渣下的脱磷反应可表述如下 2 P 5 FeO P2O5 5Fe 1 3 FeO P2O5 3FeO P2O5 2 1 式 2 式 2 P 8 FeO 3FeO P2O5 5Fe 3 由于在1400 1600 时 3FeO P2O5 不稳定 为了有效脱磷 则必须使渣中磷在高碱度下生成更稳定的化合物 4CaO P2O5 即发生置换反应 3FeO P2O5 4 CaO 4CaO P2O5 3 FeO 4 铁水脱磷基本冶金原理 3 式 4 式 2 P 5 FeO 4 CaO 4CaO P2O5 5Fe 5 其平衡常数为 Kp与温度的关系为 lgKp 51875 T 33 16由此可得出铁水脱磷反应的热力学基本条件是 高 CaO 脱磷产物 3FeO P2O5 4CaO P2O5 高 FeO 一般经常采用的脱磷剂如铁矿石 烧结矿 氧化铁皮 转炉炉渣等 要求其 FeO 含量不低于20 低温度 温度为1250 1400 对脱磷有利 铁水脱磷基本冶金原理 第二部分国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 混铁车 铁水包内铁水脱磷工艺技术的开发 1978年7月新日铁君津厂开发了铁水脱硅 脱磷技术 于1982 1983年在君津一 二炼钢相继投产 称之为ORP工艺 将传统转炉进行脱硅 脱磷 脱硫 脱碳的工序分3段进行 以使各工序在热力学最佳条件下进行冶炼 3段工序 在高炉出铁槽中进行脱硅 在铁水罐或混铁车内进行脱磷 脱硫 在转炉中进行脱碳 工艺流程为 ORP工艺 OptimizedRefiningProcess 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 铁水沟脱硅 铁水包 高炉 复吹转炉 脱碳 混铁车 混铁车内脱磷脱硫 扒渣 ORP工艺要点 在高炉出铁沟的铁水表面上加入铁矿粉或高氧化铁粉 将铁水中的硅含量降到0 15 脱磷脱硫粉剂 54 轧钢铁鳞 30 石灰 8 CaF2和2 CaCl2的石灰基粉剂 渣的碱度控制在3 6 该系统有2个喷吹站 能在45min内同时处理2个290t的混铁车 其中喷吹时间25min 脱磷工序目标值视冶炼钢种要求而异 冶炼低磷钢要求铁水 P 含量0 01 0 02 冶炼普碳钢要求铁水 P 含量0 03 0 05 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 ORP M工艺 OptimizedRefiningProcess Modified 从1984年开始 大分厂在君津ORP工艺基础上进行改进 于1986年6月ORP M工艺在大分厂投入生产使用 工艺流程为 混铁车脱硅 铁水包扒渣 高炉 复吹转炉 LD OB 倒铁水入铁水包 铁水包喷吹脱磷脱硫 铁水包真空吸渣 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 ORP M工艺要点 采用混铁车内脱硅 铁水包内脱磷脱硫 脱硅处理是采用两根喷枪向混铁车铁水喷入CaO FeO和O2 铁水 Si 由0 35 降至0 10 脱硅铁水倒入铁水包 铁水包吊放置于转盘上 有4个处理工作位置 完成去除脱硅渣 真空吸渣器 和铁水的脱磷脱硫 由扒渣机扒除脱磷脱硫渣 1988年12月大分厂又对铁水的脱磷脱硫系统进行了改造 新增了顶部投入氧化铁和顶吹氧功能 在不到11min的处理时间内 P 可以从处理前0 09 0 10 降到0 016 以下 铁水包容量340t 一个ORP M脱磷站 处理周期只需18min 11min脱磷处理 7min准备工作 月处理铁水可达51万t 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 SARP工艺 SumitomoAlkatiRefiningProcess 住友金属进行可用于工业性生产的脱磷工艺的研究始于1970年 到1982年5月住友金属鹿岛厂建立了SARP系统 其处理能力为2000t d铁水 既在铁水沟中脱硅 又在混铁车内进行脱硅 最终的硅含量大约为0 1 然后在混铁车内采用喷吹苏打灰进行脱磷 脱硫 渣子用真空吸渣法排出 其流程为 高炉 铁沟脱硅 锰矿石或铁矿石 混铁车 烧结矿脱硅 混铁车 喷吹苏打灰脱磷 处理后铁水 P 0 01 S 0 003 这种方法的效率高 生产低磷钢时精炼成本较低 但缺点是在处理过程中产生大量烟雾 钠的损失大且会污染环境 没有得到大规模推广使用 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 住友金属和歌山厂铁水脱磷工艺 从1982年7月开始 以生产极低磷钢用铁水为目的 在150t混铁车内用生石灰作脱磷剂进行了喷吹试验 其后又在50t铁水罐内进行喷吹试验 并取得进展 于1984年7月 作为大量的铁水脱磷处理设备开始投入生产 150t混铁车脱磷处理铁水主要是供转炉生产低磷钢 高碳钢 高锰钢 50t铁水罐脱磷铁水是供AOD生产不锈钢 1985年11月 月处理铁水量达24万t 约占全部铁水量的70 由于转炉采用小渣量操作工艺 有助于生产费用的降低 表2 1脱磷剂组成及粒度 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 混铁车 铁水罐脱磷工艺存在的主要问题 铁水温降大当采用铁水脱硅 磷工艺时 铁水显热和化学热均降低 以君津厂为例 铁水脱磷前后温降一般均大于100 铁水脱磷后至兑入转炉时还要下降30 左右 因此兑入转炉铁水温度仅为1240 从而给转炉吹炼带来诸多困难 由于热量不足 使转炉炉料中废钢比大幅度降低 同时往往造成吹炼中渣铁粘附氧枪 尤其当冶炼高碳钢时更会感到热量不足 甚至有时需要外供热源 如喷吹或加入焦碳以弥补转炉吹炼热量的不足 表2 2君津厂铁水脱磷前后成分及温度变化 1984 11 1985 01 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 混铁车 铁水罐脱磷工艺存在的主要问题 续 脱硅脱磷剂消耗量大脱硅剂一般在高炉出铁槽中加入 加入量视高炉铁水原始含硅量及出铁速度而异 当高炉铁水 Si 在0 3 左右时 脱硅后铁水 Si 含量 0 15 时 吨铁需加入脱硅剂30kg 脱磷剂一般在混铁车或铁水罐中加入 加入量视铁水原始含磷量及残留渣量而异 当铁水含硅量为0 15 时 欲将铁水中磷降至0 01 0 02 时 吨铁脱磷剂耗量约为50kg 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 混铁车 铁水罐脱磷工艺存在的主要问题 续 铁水供送系统流程复杂由于采用铁水脱硅 磷技术 使从高炉至炼钢供送铁水的工序有所增加 传搁时间有所延长 延长时间每次约为2h 铁水脱硅 磷与不脱硅 磷 仅脱硫 的工序比较见表2 3 表2 3两种工艺路线的比较 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 混铁车 铁水罐脱磷工艺存在的主要问题 续 铁水罐 混铁车装铁水量减少由于脱硅 磷在铁水罐或混铁车内加入大量脱硅 磷剂 化学反应较为激烈 为了抑制铁水温降过大 采取吹入部分氧气时喷溅更为激烈 因此需在铁水罐或混铁车上部留出适当反应空间 从而导致装入铁水量减少 不利于与转炉装入量的匹配 铁水罐或混铁车内衬成本增加由于铁水脱硅 磷产生大量酸性渣 使内衬侵蚀加剧 原用粘土质内衬已不能满足要求 一般将内衬改为Al2O3 SiC C质耐材 但其导热系数较大 使铁水温降加剧 且Al2O3 SiC C质耐材价格高 使铁水运输费用有所增加 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 转炉铁水脱磷工艺技术的开发 由于在鱼雷车和铁水包中脱磷存在一些问题 许多厂家纷纷研究在转炉内进行脱磷的预处理方法 最早的是日本神户制钢神户厂采用的 炉 随后住友金属 新日铁 日本钢管也纷纷研究开发并采用了这一技术 1983年 神户制钢神户厂 炉脱磷脱硫工艺 1987年 住友金属鹿岛厂SRP工艺 1989年 新日铁名古屋厂LD ORP工艺 1995年 NKK福山厂LD NRP工艺 其它转炉铁水脱磷工艺 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 神户制钢的 炉铁水预处理 由于该厂的产品中 中 高碳钢的比例较大 转炉的脱磷负荷大 1983年 该厂研究开发的 炉铁水脱磷 脱硫预处理投入使用 图2 1 炉铁水预处理的流程 铁水沟喷吹脱Si 脱P S 转炉脱C 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 炉进行铁水脱磷 脱硫处理特点 进行铁水预处理时 炉的形状比混铁车好 其反应的效率高 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粉剂 脱磷过程中添加部分锰矿 可提高脱磷效率 而且铁水中的锰含量也可提高 表2 4铁水脱硅 脱磷前后成分 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 SRP工艺 SimpleRefiningProcess 住友金属开发了一种在顶底复吹转炉中进行铁水脱磷的新方法 SRP法 于1987年4月应用于工业生产取代SARP法 SRP工艺特点 1 复吹的脱磷炉可用廉价的脱磷剂进行快速处理 在10min的处理时间内 可得到磷含量 0 02 的低磷铁水 2 在底吹气体的流量为0 1 0 14Nm3 t min的条件下可溶化7 的废钢 1998年 该厂在160t的脱磷炉上 将底吹气体的流量从0 14Nm3 t min增加到0 35Nm3 t min 结果随底吹气体流量的增加 磷的分配比 石灰的溶解度 铁的收得率提高 渣中 FeO 含量降低 从而可进一步提高脱磷速度 减少渣量 3 脱碳炉采用脱磷铁水吹炼时 由于送氧速度和脱碳速度达到平衡 少渣吹炼的条件下提高了锰的收得率 即使不用添加焦炭 终点时锰含量也能达到0 7 0 8 4 与常规工艺相比 用此工艺冶炼一般钢种时 石灰的用量可减少一半 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 表2 5住友金属鹿岛厂SRP工艺试验和操作条件 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 LD ORP工艺 1989年12月新日铁名古屋钢厂采用转炉方式铁水预处理 LD ORP 处理铁水的比例达98 以上 工艺流程为 高炉 混铁车 兑铁到铁水包 转炉 脱 Si P S BOFLD ORP是在以前第一炼钢厂的LD PB炉 有底部喷粉能力的160tLD转炉 上增强底吹能力 利用底部喷粉能力 实现转炉的高速脱硅 脱磷能力 脱磷时间约12min 以及高速脱硫处理 后吹脱硫时间约6min 处理分两步进行 脱磷脱硅剂使用CaCO3 从转炉底部喷入铁水中 以增强搅拌能力 促进脱磷 脱磷处理的时间约10min 脱硫剂则用Na2CO3复合CaO 时间约7min 总体处理时间都在27min内 耐材方面 由于喷粉对耐材的破坏较大 虽然也使用镁碳砖炉衬 但侵蚀严重 因此采用了添加尖晶石及SiC的镁碳砖 结果侵蚀速度从原先的0 24mm ch降为0 08mm ch 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 表2 6LD ORP脱磷脱硫处理的操作条件 名古屋厂 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 LD NRP工艺 为了使炼钢工艺合理化 提高生产效率 改善产品品质 NKK福山厂三炼钢于1995年3月将转炉改为脱碳 脱磷兼用炉 在高炉经过脱硅的铁水被送入转炉型的脱磷炉后 加入块状的渣料 在复吹的条件下进行脱磷操作 加入的铁水经12min处理 磷可从最初的0 106 降为0 025 表2 7福山厂转炉进行铁水脱磷处理的操作条件 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 LD NRP工艺 续 2座转炉分别在炉役前半期进行脱碳炼钢 大约4000炉 炉役后半期作为脱磷炉 2座转炉交替使用 炉衬寿命约为8000炉 通过少渣冶炼 使转炉终点控制得到改善 几乎可实现无取样直接出钢 出钢到出钢的周期时间从29min降为25min 减少4min 从而提高了单座转炉炼钢生产能力 金属收得率 转炉炉衬寿命均有所提高 降低了生产成本 目前福山厂二 三炼钢均采用单座转炉进行炼钢操作 每月钢产量达70余万t 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 川崎制铁的转炉脱磷技术 1998年 川崎制铁水岛厂一炼钢180t转炉开始采用转炉脱磷 脱碳双联工艺 主要针对特殊要求的钢种 如轴承钢 弹簧钢等高碳低磷钢及硅钢等 因为这些钢种用鱼雷罐脱磷达不到深脱磷的要求 在转炉脱磷吹炼中 氧枪枪位不变 顶底氧气流量控制在600 700Nm3 min 在吹炼末期把供氧量降到很低 以使渣中 T Fe 保持较高值 底部搅拌气体控制在15Nm3 min 造渣剂加入石灰 萤石 转炉脱碳渣经处理后达到合格块度供脱磷用 脱碳渣加入量约为20kg t 石灰消耗12 15kg t 萤石2 3kg t 过去川崎用铁矿石作冷却剂 现在改用烧结矿代替 当冶炼一般钢种时磷的目标值可控制在0 03 0 05 脱磷转炉吹炼时间约为10min 周期时间约为22 28min 脱磷转炉产生渣量吨钢为40 50kg 脱碳转炉产生渣量吨钢约为30kg 废钢加入量约为10 由于采用转炉脱磷 提高了单座转炉生产能力和钢的质量 同时可降低生产成本 每吨钢可降低生产成本200日元左右 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 其它钢厂转炉铁水脱磷情况 川崎制铁千叶厂采用Q BOP转炉进行脱磷 即将铁水兑入Q BOP转炉 加入脱磷剂 其中每吨铁水加入生石灰20kg 铁矿石28kg 吹入氧气6Nm3 脱磷后的铁水再兑入另一座Q BOP转炉炼钢 韩国POSCO技术研究所在300t和100t的复吹转炉上进行了铁水脱磷预处理试验 研究了该过程中铁水成分的变化 根据研究结果 认为在浦项第二炼钢厂采用TDS脱硫预处理的情况下 适于在转炉内进行铁水脱磷预处理 经脱磷后的铁水可用来生产 P 小于0 004 的超低磷钢 表2 8千叶厂脱磷处理前后铁水成分及温度变化 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 MURC工艺 Multi RefiningConverter 1986年以来 新日铁大分厂一直使用在铁水包中进行铁水预处理的方法 ORP M 对降低生产成本发挥了较大的作用 但由于采用了喷粉方式 必须使用萤石 作为氧源加入了氧化铁 故使得该工艺的热损失较大 2002年1月开发应用多功能转炉法 MURC 在同一转炉内进行脱硅 脱磷 脱碳的工艺 由于脱碳期的炉渣在脱硅脱磷期进行热循环使用 确保了高水平的铁水预处理比例 达到了不使用萤石 减少石灰及转炉渣量的目的 多功能转炉法分两个阶段 第一 铁水装入转炉后进行脱硅脱磷处理 然后将产生的炉渣倒掉 第二 再加入新的渣料 对钢水进行脱碳处理 其优点是脱碳期产生的高碱度炉渣 可以保留到下一炉铁水脱硅脱磷期继续使用 从而可以减少CaO的消耗量 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 MURC工艺 续 关键操作 提高中间排渣的效率 以减轻脱碳吹炼时脱磷的负荷 因此 在脱硅脱磷期 要对吹炼行为进行控制 以形成高 T Fe 的泡沫状炉渣 而且在中间排渣时 为了在防止铁水流出的同时提高排渣效率 增加了底吹气体的流量 以利用炉渣波动的效果 使排渣率达到70 以上 近年来 大分厂运用该方法进行脱磷的比例已达到80 以上 大分厂比较了两种铁水预处理方法总的CaO消耗量 和不进行铁水预处理相比 ORP M工艺可将总CaO的消耗量减少20 MURC工艺可将总CaO的消耗量减少40 大幅度减少了炉渣的排出量 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 F MURC工艺 FlexibleMURC 新日铁室兰厂为了充分利用转炉富余的生产能力 开发应用了多功能转炉法 但对于停吹碳有下限限制 且对磷含量有严格要求的钢种来说 MURC法的脱磷能力明显不足 室兰厂又开发了名为F MURC工艺 即全部铁水在脱磷后倒入钢包 以排出炉内的炉渣 最后将铁水返回转炉内进行脱碳的方法 以室兰厂高碳低磷的代表钢种阀用弹簧钢为例 该钢种的成份为 C0 55 Si1 5 Mn0 7 P0 015 S0 01 如使用MURC法生产 当停吹C 0 5 时 平均P含量为0 01 最大P含量达到0 014 而当采用FMURC法时 即使停吹C 0 5 脱碳后停吹时钢中平均磷含量则仅为0 007 最大P含量为0 01 减少了脱碳炉的渣量 实现了少渣吹炼 与MURC法相比 渣量约减少了15 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 少渣炼钢情况 君津炼钢厂冶炼低碳铝镇静钢时 采用少渣吹炼 造渣剂消耗降至7 2kg t s 全部采用低磷铁水 P 0 050 冶炼 造渣材料的单耗12 4kg t s NKK福山厂开发的无渣炼钢技术 其渣量控制在30kg t s 新日铁室兰钢厂使用 三脱 铁水炼钢 石灰消耗下降至20kg t s 转炉总渣量减少了50 神户钢铁厂在进行少渣吹炼时发现 如果连续3炉以上均采用小于20kg t s的少渣量操作 炉衬上几乎不附着熔渣 耐火材料将会受到损坏 从而严重影响转炉炉龄 因此 神户钢铁厂渣量控制在40kg t s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 君津厂和神户钢铁厂采用留渣操作补充渣量 留渣约10kg t s左右 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 少渣炼钢情况 续 炉内实现部分合金化 应用 三脱 铁水实现少渣炼钢后 造渣料消耗大幅度减少 冶炼过程有富余的热量 从而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 T Fe 使低碳 C 0 10 钢水终点 Mn 含量达1 0 锰的收得率大于70 新日铁在100t复吹转炉上加铬矿和含碳材料进行了熔融还原 冶炼了含 Cr 为11 的不锈钢 熔融还原渣中铬可控制在3 以下 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 转炉铁水脱磷最新进展 和歌山新炼钢厂 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 图2 2和歌山新炼钢厂工艺流程图 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 图2 3和歌山新炼钢厂平面布置图 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 表2 9和歌山新炼钢厂主要配置 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 主要工艺参数和特点 脱磷炉 氧气量20000 25000Nm3 h 顶吹氧枪流量最大为40000Nm3 h 吹氧时间7min 底吹风口有4个 可吹N2 O2 Ar 底吹强度0 30Nm3 min t 底吹气体流量最大为5400Nm3 h 目前脱磷炉的最低铁水比可以做到80 左右 主要措施有 高炉到炼钢的距离从2000米缩短到800米左右 混铁车周转从2 2次 天提高到3 4次 天 铁水温度提高了70 脱磷炉炉渣碱度控制在2 2 2 7 脱磷转炉TAP TAP周期时间小于20min 当冶炼低磷钢时一般脱磷后铁水中磷含量0 01 0 02 一般钢种脱磷后铁水含磷量控制0 03 0 05 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 主要工艺参数和特点 续 脱碳炉 氧气量60000 70000Nm3 h 最大80000Nm3 h 吹氧时间9min 底吹风口有4个 可吹N2 O2 Ar 底吹强度0 40Nm3 min t 采用2吹1方式 脱碳转炉TAP TAP周期时间20min 纯吹炼9min TAP TAP周期时间分配为 装主原料4min 吹炼9min 出钢5min 排渣1min 维护1min 转炉吹炼过程副枪测温取样1次 96 的炉次停吹后直接出钢 转炉脱磷实行静态控制 转炉冶炼成分若达不到要求 则在脱碳炉中继续进行 脱磷处理后的铁水磷小于0 02 脱磷炉炉龄20000次 脱碳炉炉龄5000次 转炉炉修时间6天 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 和歌山新厂资源利用及能源情况 脱碳渣部分返回到脱磷炉利用 部分返回到烧结利用 脱磷渣经过处理后作为铺路材料以及作为混凝土原料利用 脱磷炉富含Zn的烟尘经过回转窑脱Zn后返回到烧结利用 脱碳炉的烟尘返回到烧结利用 渣量从1999年150kg t s下降到2003年100kg t s 烟尘量从1999年22 3kg t s下降到2003年15 17kg t s 炼钢全工序能耗从1998年156Mcal t s下降到2003年39Mcal t s 转炉工序能耗从1998年39Mcal t s下降到 19Mcal t s 实现负能炼钢 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 表2 10不同脱磷方法比较 好 一般 差 国外转炉脱磷少渣炼钢技术的发展与现状 第三部分宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究和开发 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 发展历程 1993年 开发转炉吹炼前期脱磷技术1998年 应用混铁车铁水脱磷技术1999年 开发少渣炼钢工艺技术2002年 开发BRP工艺技术 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 转炉吹炼前期脱磷技术 1 顶吹供氧 底吹供气工艺参数供氧流量 15000 30000m3 h供氧时间 10 17min氧枪枪位 2 6 3 2m底吹供气流量 600 2200m3 h 2 副原料配加工艺炉渣碱度控制 2 2 3 6辅料主要采用生石灰 并加萤石化渣冷却剂分批投入控制温度 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 图3 1脱磷率与熔池温度的关系 图3 2脱磷率与炉渣碱度的关系 影响脱磷的主要因素 熔池温度和炉渣碱度 熔池温度1350 脱磷率90 以上 最高脱磷率达96 2 熔池中磷含量为0 003 炉渣碱度3 2 3 6 脱磷率可达90 以上 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 采用转炉吹炼前期脱磷技术达到的效果 冶炼超纯净钢 最佳1炉成品磷 硫 氧 氮 氢5大元素总和80ppm 图3 3超纯净钢成品成份及单元素最佳水平 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 混铁车铁水脱磷技术 1998年二炼钢引进日本川崎铁水预处理技术投入使用 铁水脱磷工艺流程 高炉铁水沟脱硅 TPC前扒渣 TPC补充脱硅 TPC前扒渣 TPC脱磷 TPC脱硫 TPC后扒渣 受铁铁水脱磷粉剂 烧结矿粉 石灰粉 萤石粉铁水脱磷后最低磷含量 0 005 铁水脱磷 同时脱硫 处理时间 26 35min 纯喷吹时间 处理温降 105 122 处理后铁水平均磷含量0 029 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 研究内容 探索加各种发热剂进行热补偿的少渣冶炼工艺少渣吹炼的冶金效果及分析 脱碳 脱磷 脱硫 铁损 热平衡 终点命中率 耐材消耗等 少渣吹炼条件下主要工艺参数与熔池反应特点 冶金效果之间的关系冶炼工艺的优化 供气 造渣 温度制度 少渣吹炼时锰矿的熔融还原进行转炉渣综合利用的可行性研究锰反应机理研究 少渣炼钢工艺技术 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 少渣炼钢实验室热模拟 试验原料及试验装置 铁水 宝钢生铁块 脱磷剂 石灰基复合脱磷剂 包括石灰 烧结矿 转炉渣和萤石 脱磷剂单耗一般为4kg t p 试验装置 技术中心冶金工艺所250kg中频感应炉 铁水装入量100kg 顶吹氧气的供氧强度 1 5 2 5m3 min t 氧枪枪位 100mm 底吹Ar的供气强度 0 01 0 15m3 min t 透气元件型式 多孔直管式 透气元件布置 炉底中心 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 试验步骤 实验室脱磷铁水准备 装入生铁块 底部通氩气 熔清至1400 测温 取铁水样 加入脱磷剂 15分钟后取铁水样 扒渣少渣炼钢热模拟 脱磷后的铁水升温至1400 加入造渣剂 石灰1 5kg 白云石1 5kg 锰矿1 2kg 吹氧 期间按不同时间间隔取钢样 20分钟后停吹氧 继续底吹 加大流量 测温 取渣样 扒渣 浇铸 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 图3 4铁液温度随吹炼时间的关系 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 图3 5吹炼过程中的脱碳情况 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 图3 6典型炉次吹炼过程中铁液成份随时间的变化 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 工艺路径1 TPC脱磷脱硫 补充脱硅 二次精炼 高炉脱硅铁水 钢水浇注 工艺路径2 BRP脱磷炉 BRP脱碳炉少渣吹炼 脱硫铁水 钢水浇注 二次精炼 转炉少渣吹炼 少渣炼钢工业性试验 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 表3 1TPC脱磷脱硫铁水成分对比 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 图3 7铁水预处理温度变化 铁水三脱处理温降平均122 81 160 普通脱硫处理温降33 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 表3 2少渣吹炼和常规吹炼的操作条件与要点 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 图3 8转炉终点停吹磷含量与铁水磷含量的关系 图3 9脱磷率与辅料加入量的关系 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 图3 10脱磷率与终渣中 T Fe 的关系 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 表3 3转炉供气制度比较 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 表3 4少渣吹炼铁水条件 停吹成份和温度及吹炼时间与常规吹炼的对比 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 图3 11少渣炼钢与常规炼钢辅料消耗对比 图3 12少渣炼钢与常规炼钢氧气单耗对比 少渣炼钢与常规炼钢消耗对比 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 图3 14少渣炼钢与常规炼钢渣中铁损对比 图3 13少渣炼钢与常规炼钢转炉渣量对比 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 转炉内锰矿还原工业性试验 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 l 1 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 l FeO Mn 2 FeO CO g Fe l CO2 g 3 CO2 C 2CO g 4 总反应的表达式为 MnO C Mn CO g 5 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 FeO 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 MnO 含量越高 钢中回锰量就越多 锰矿还原的热力学分析 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 锰矿在渣中的还原反应机理 根据液 液反应双膜理论 锰矿还原反应 MnO C Mn CO g 的机理可认为分为5步 1 渣中 MnO 通过渣钢边界层向渣钢界面扩散 其速度为 6 2 钢水中 C 通过钢渣边界层向钢渣界面扩散 其速度为 7 3 在钢渣界面发生界面化学反应 即 MnO C Mn CO g 4 反应产物 Mn 通过钢渣边界层向钢液中迁移 其速度为 8 5 反应产物CO在界面处长大 上浮 穿过渣钢边界进入渣相 最后排出 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 在高温下 一般化学反应速度与CO气相传质速度较快 不是控制环节 于是 MnO Mn C 三者扩散中 最慢的一步为控制性环节 在顶底复吹转炉内 钢液的传质条件很好 一般不会成为控制性环节 因此渣中 MnO 的扩散传质最有可能是限制性环节 李文超等用最大速度理论对锰矿还原反应进行了计算 结果表明dnMnO dt最小 以此证明了渣中 MnO 通过渣钢边界层向钢渣反应界面扩散为控制性环节 条崎信也等研究了含5 MnO的CaO SiO2 Al2O3渣系与含0 9 5 6 C的铁水间的反应 探讨了 MnO 还原速度的影响因素 结论是 MnO 的还原速度受 MnO 的扩散所控制 为了改善锰矿还原时锰的收得率 Sohn和陈兆平研究了温度 渣成分和金属成分对 MnO 还原速度的影响 发现当金属液含C量为1 9 时 MnO 还原速度最大 而且 MnO 还原速度的控制环节与锰的分配比和渣的流动性有关 在高LMn和低的渣流动性情况下 MnO 还原速度受 MnO 的扩散所控制 在低LMn和高的渣流动性情况下 MnO 还原速度受金属的扩散所控制 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 在实际复吹转炉吹炼中氧气流量高达50000 60000Nm3 h 反应 9 不可忽视 即钢液中 Mn 更容易被O2氧化 Mn 1 2O2 MnO 9 Toski等认为转炉内钢液中锰受反应式 5 和 9 共同控制 而不是受反应 5 单独控制 并由此导出了实际复吹转炉内锰的反应速率方程 d Mn dt kr MnO MnO koVO2 10 式中 假定 Mn 的氧化速度受供氧速度控制 Kr表示锰还原反应速度常数 min 1 ko为锰氧化反应速度常数 t Nm3 MnO 为与钢液平衡的 MnO 含量 VO2为供氧速度 从反应速率方程可以看出 加强吹炼末期的底吹搅拌 增加冶炼初期的 MnO 降低吹炼末期的吹氧速率可提高钢中终点锰含量 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 锰矿和转炉渣的理化特性 表3 5锰矿和转炉渣的化学成分 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 图3 15锰矿与转炉渣的混合比例与熔点的关系 由于贫锰矿的熔点低 可以显著降低转炉渣的熔点 当转炉渣与锰矿配比在1 5以上时混合物的熔点显著上升 在实际生产中当锰矿的加入量达到一定时 容易生成一种FeO MnO固溶体 阻碍了锰矿的溶解和还原 根据日本各大钢铁公司的生产实绩 通常转炉内锰矿的加入量为10 30kg t s 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 图3 16温度对锰矿还原速度的影响 1600 时锰矿的还原速度明显高于1500 时锰矿的还原速度 说明实际生产中锰矿的还原主要在吹炼的后期 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 图3 17铁液中初始 C 对锰矿还原的影响 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 锰矿还原工业性试验结果 宝钢300吨转炉在少渣条件下冶炼三脱铁水 鱼雷罐三脱处理 转炉内添加富锰矿 锰矿最大加入量达8 7kg t s 最好的锰矿收得率可达到67 在转炉吹止碳含量大于0 10 的情况下 锰的收得率大于50 在采用BRP脱磷工艺 终点磷含量小于目标成品磷的基础上 富锰矿 T Mn含量45 93 加入量为10kg t s 停吹 C 0 04 时锰的平均收得率达到61 最高达到83 9 试验结果发现渣中 T Fe 和停吹 C 对锰收得率有直接影响 当停吹 C 0 03 终渣中 T Fe 16 时锰的收得率明显下降 在宝钢250吨转炉进行了转炉加贫锰矿的试验 从试验数据看停吹残锰并未提高 未使用贫锰矿和使用贫锰矿 904kg 炉 的残锰分别为0 1156 和0 1151 个别炉次的停吹残锰较高 对使用贫锰矿的炉次进行分类分析 可以发现停吹锰随停吹碳的升高而提高 停吹残锰的提高取决于停吹条件 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 图3 18停吹碳和锰收得率之间的关系 图3 18是按停吹碳分组后平均停吹碳和锰收得率之间的关系 停吹碳大于0 06 时锰收得率才有可能大于50 在停吹碳为0 04 的水平下 锰收得率仅为约40 的水平 因此 贫锰矿在转炉内主要起化渣作用 停吹残锰不会有明显提高 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 图3 19生产中低碳含磷锰钢时的锰收得率 中低碳含磷锰钢 在少渣条件下直接冶炼单脱硫铁水 富锰矿加入量为10kg t s 停吹 C 平均为0 05 锰的平均收得率达到60 2 最高达到85 9 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 主要目的 成为开发高难度 高附加值产品的生产平台 使转炉具备批量生产低磷 极低磷钢 P 50ppm 的条件 为绿色制造 可持续发展提供条件 可降低生产成本 提高产品竞争力 宝钢BRP工艺技术研究和开发 BRP BaosteelBOFRefiningProcess 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 图3 20宝钢BRP工艺流程图 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 装备条件为了满足BRP工艺技术的要求 对300t转炉进行了相关的改造 特别是对转炉的顶 底吹系统进行了较大的改动 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 脱磷炉铁水 铁水成分 温度同常规炼钢要求 铁水比88 98 高于常规炼钢 废钢 易熔化的厂内和外购的轻薄废钢 热压铁块等 氧枪类型 专用脱磷枪或常规氧枪 底吹条件 顶底复吹300t转炉 底吹供气强度为0 03 0 25Nm3 t min 脱磷吹炼时间 10 12min 脱碳炉氧枪类型 采用常规氧枪或脱碳专用氧枪 底吹条件 同脱磷炉 锰矿融熔还原 含锰大于32 的锰矿 加入量5 15kg t s 吹炼时间 15min 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 图3 21脱磷率与铁水磷含量的关系 脱磷炉的停吹磷含量平均在0 015 以下 平均脱磷率超过了84 脱磷炉冶金效果分析 图3 22磷的分配比与炉渣碱度的关系 炉渣碱度提高 磷的分配比相应增加 炉渣碱度大于2 2对脱磷有利 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 图3 23脱磷率与底吹强度的关系 底吹强度从0 09增加到0 20Nm3 t min时 脱磷率变化不大 图3 24磷的分配比与停吹温度的关系 停吹温度偏高或偏低对脱磷均不利 温度控制在1280 1350 范围内有利于脱磷 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 图3 25硫的分配比与炉渣碱度的关系 脱磷过程中的脱硫状况 硫的分配比与炉渣碱度关系明显 随着炉渣碱度提高 硫的分配比相应增加 但在脱磷炉中 由于过程温度低 硫的平均分配比只有3 3 是常规炼钢转炉的50 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 废钢的熔化 脱磷炉的过程温度较低 为了保证废钢的熔化 铁水比应尽量提高 但是 由于生产中铁水供应不足 废钢加入量较多 如果没有控制好过程温度 停吹时会有废钢未熔现象 一般在吹炼时间10分钟以上 停吹温度大于1300 底吹气体强度大于0 10Nm3 t min条件下 10 的废钢比可以熔化 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 图3 26脱碳炉与常规转炉的停吹磷含量和石灰单耗的对比 对于脱碳炉 生产低磷与极低磷钢种时石灰单耗差别较大 停吹磷含量也大不相同 脱碳炉与常规炼钢转炉相比 脱碳炉的停吹磷含量和石灰单耗均比常规炼钢转炉低 宝钢转炉脱磷少渣炼钢技术的研究与开发 底吹对脱磷的影响 图3 27磷的分配比