生铁块加入量对转炉吹炼过程的影响.doc

生铁块加入量对转炉吹炼过程的影响摘 要：中小转炉钢厂为了增加钢产量，往转炉内过量加入生铁块。在生产中出现熔池温度低、石灰不易熔化、炉口溢渣、金属消耗增加、脱磷困难、终点命中率低等问题。中小型转炉内生铁块的加入量不应超过10%。关键词：转炉 铁水 废钢 生铁块Effect of Adding Pig Iron on Steelmaking Process with ConverterYang Wenyuan1 Zhou Jiezhong2 Wang Minglin1 Xiao Shizun2（1.Central Iron and Steel Research Institute 2. Ping Xiang Iron and steel (Group) Co.,Ltd）Abstract: Excessive pig iron was added in converter in order to increasing steel output in middle and small steel plant. Some problems occurred such as low temperature in melting bath, difficult in lime melting, overflow slag at vessel mouth, increasing in metal consumption, difficult in dephosphorization and low heat the target at the final. The pig iron quantity should not exceed 10% in middle and small converter. Key words: converter, hot metal, scrap, pig iron 1 前言氧气转炉炼钢过程中多余的化学热通常是加入废钢和铁矿石来平衡。使吹炼过程有正常的熔池升温制度和所需的出钢温度。有时在废钢中也加入一部分生铁块。一般情况下，生铁块的加入量在5%以下。近年来国内一些中、小型转炉钢厂为了增加钢产量，在铁水量不足时，往转炉内加入小高炉生铁块。当生铁块加入过多时，转炉炼钢出现熔池温度低、石灰不易熔化、炉口溢渣、金属消耗增加、脱磷困难、终点命中率降低等问题。转炉炼钢大量加生铁块为小高炉生铁提供了市场，不利于淘汰落后设备。2 转炉炼钢中加入生铁块与铁水、废钢的热量差别2.1 生铁块与铁水及废钢化学成分的差别表1 金属料成份（%）Table 1 Composition of metal material物料名称CSiMnPS生铁块4.21.20.400.150.08铁 水4.20.60.400.1150.040废 钢0.250.300.400.030.030铁水成份为萍钢二炼的铁水平均成份。生铁块和废钢平均成份为估计值。生铁块与铁水、废钢杂质含量差值（kg/100kg） C Si Mn P S铁块-废钢3.95 0.90 00.12 0.05铁块-铁水 00.60 00.0350.042.2 铁块与废钢、铁水的热焓差值1按照生铁块与废钢、铁水的化学成份差别，计算出转炉炼钢过程中元素氧化及成渣热量的差别，列于表2。表2 元素氧化及成渣热量差（Mj/100kg）Table 2 Heat difference of element oxidation and slag forming序号反应名称生铁块废钢生铁块铁水1碳氧化(CO)(CO2)-34.487-13.179002硅氧化(SiO2)-28.821-19.1243磷氧化(P2O5)-3.024-0.8824SiO2成渣热(2CaOSiO2)(3CaOMgO2SiO2)-1.927-2.000-1.308-1.3355P2O5成渣热(3CaOP2O5)-1.310-0.4246加热石灰+5.603(4.33kg)+3.464(2.677kg)7加热氧气+10.204(4.866Nm3)+1.073(0.5114Nm3)8总 计-69.516-18.535 生铁块的熔点低于废钢，比热大于废钢，两者的熔化热大致相等（1.35Mj/kg）。100kg生铁块的物理热较铁水少135Mj，100kg铁水的总热焓较生铁块多110.47Mj。2.3 转炉炼钢的钢铁料组成转炉炼钢的钢铁料组成由钢铁厂内炼铁与炼钢能力比、铁水成分、转炉容量、所炼钢种、废钢价格等多种因素所决定。我国100吨以上的大型转炉铁水比为8085%（其中生铁块含量小于5%）。80吨以下的小型转炉铁水比为71.790.7%。小转炉厂的铁水比波动大，主要是这些钢厂在炼钢过程中大量加入小高炉生铁块，增加了炉料的化学热，使冷料比明显提高。表3是几个转炉钢厂的钢铁料组成。表3中序号14的4个钢厂，炼铁与炼钢能力相适应，铁水比平均为90%。序号514的11个钢厂，除酒泉钢厂、威远钢厂外，其余各厂的铁水产量都不同程度地低于炼钢的需要。这10个钢厂的铁水比平均81.8%，废钢平均18.2%（其中生铁块11%）。很多地方所属的小转炉钢厂，生铁块加入量大于表3中所列举的数字。表3 部分转炉钢厂的钢铁料组成Table 3 Composition of metal material of some steel plant序号单位转炉容量(t)铁水比(%)废钢铁(%)生铁块(%)1海鑫钢厂8088.711.37.12太钢二炼8090.49.63首钢三炼8090104武钢二炼8090.79.35马钢三炼8079.920.1126涟源钢厂8083.916.19.07酒泉钢厂5088.512.58威远钢厂5087.812.24.69萍乡二炼5076.223.817.310唐钢二炼4080.02012.011济钢一炼4081.418.611.412三明钢厂2571.728.317.913杭州钢厂3081.818.210.014南京钢厂2585.414.68.0由于各厂的生铁块用量不同，对于炼钢过程冶金反应的影响程度也有差别。现以萍乡钢厂为例进行分析。萍钢二炼钢的钢铁料组成：铁水比76.2%，废钢铁料23.8%（其中生铁块17.3%）。假定小转炉正常铁水比88%，萍钢转炉的废钢铁料的比例高11.8%。萍钢转炉钢铁料消耗为1080kg/t钢，相当于每吨钢少用铁水127.44kg。铁水与生铁块的热焓差值为110.47Mj/100kg，相当于每吨钢减少热量收入140.74Mj。3 生铁块加入量对转炉炼钢冶金过程的影响3.1 吹炼过程熔池温度低萍钢二炼钢的计算渣量平均为145kg/t钢。炉渣热容取0.2Mj/100kg，钢水热容取0.75Mj/100kg。每吨钢水及145kg炉渣的热容为1.04Mj/。对于中、小型转炉，假定钢水与炉渣占热支出的75%，由于铁水比降低而造成的钢水温降为140.7475%/1.04=101.5。不同生铁块用量与熔池降温的关系如图1所示。图1 生铁块增加量对熔池温降的影响（以废钢比12%为基准）Fig.1 Effect of adding pig iron on temperature decreasing of bath吹炼过程不同时刻（以吹氧时间%表示）熔池实测温度如图2中A、B、C、D所示。为了比较图2中也给出了国内其它4个钢厂的转炉吹炼过程实测熔池温度曲线。由图2可见，萍钢二炼钢转炉吹炼过程中比其它钢厂平均要低80100左右，与前面热焓计算的结果相近。吹炼过程熔池金属过热度如图3所示。左下角的三角形符号为萍钢二炼钢的金属过热度，其值仅为20。吹炼5min时测得的金属温度为1283，呈很粘稠的液体状。在转炉内熔化生铁块并不合理，转炉熔化铁块的热效率低于冲天炉化铁。转炉内的热量为高温热，其价格高于冲天炉内温度相对较低的热量。转炉内过量加生铁块比冲天炉化铁炼钢更不合理，不应当加以提倡。图2 吹炼过程熔池温度变化Fig.2 Temperature of bath during steelmaking图3 吹炼过程熔池金属过热度Fig.3 Superheat of bath during steelmaking3.2 对废钢熔化的影响熔池液体温度与废钢（或生铁块）表面的温度差Dt是熔池热量流向废钢的动力。一部分热量用于废钢的熔化，另一部分用于残余废钢的加热。在转炉生铁块用量过大时，熔池温度低，Dt值减小，向废钢传递的热量减少，废钢的熔化速度降低。由于熔池温度低，金属的粘度加大，吹氧反应区的热量向熔池其它部分的传递速度降低，根据Lucas. G. R所做的铁-碳系金属粘度与温度的关系图2，熔池温度降低100，金属的粘度由6泊增加到7.8泊。金属粘度高降低了熔池传热、传质速度。吹炼过程中表达熔池内物质扩散与热量传递的公式如下：对流扩散的表达式如下3： （1）式中J：传质通量，mol/m2.s；D：分子扩散系数，m2/s ux：流体在x轴方向上的对流分速度，m3/m2.s C：浓度，mol/m3；X：距离，m。式中右边第一项为分子不稳定态扩散通量，第二项为流体流动所产生的质量通量，它是单位时间内单位面积上流过该种物质的通量。H. Gaye提出一个计算液体内热流、传热、传质系数的公式4： （2）式中k和h是传质和传热系数，Sc和Pr是Schmidt和Prandtl准数。D和K是液体内碳的扩散系数和热扩散系数。传热系数 （3）式中h：传热系数，W/m2.k；：平均搅拌能，W/m3（与吹炼条件有关）。施密特数和普照朗特数都是表征对流传热的相似准数。这两个相似准数都与流体的粘度有密切关系。D为分子扩散系数也与温度有关。过多加生铁块使熔池温度降低，减缓废钢的熔化速度，在一次拉碳时有时有未熔废钢。H. Gaye用其所提出的数学模型计算了多种情况下废钢的熔化过程。图4是不同的吹炼条件对16cm厚钢板熔化状况的影响。顶吹，复吹（底吹氧比例0.2%），底吹（Lws）图4 吹炼条件对16cm厚钢板熔化的作用（矿石加入量30kg/t钢）Fig.4 Effect of blowing condition on melting of 16cm steel plate（注：图中Temps时间；Demi-Epaisseur1/2厚度）由图4可见，对于16cm厚的钢板，在纯氧底吹条件下，10min之内可以化完。对于复吹约在吹氧后13min化完；顶吹法在14min才能化完，在副枪测温时熔池中还有未化完的废钢。矿石加入条件对16cm厚钢板熔化的影响见图5。25kg矿石/t钢，副枪测试前1min加完，10kg/t.min在所有情况均有5kg/t矿石在副枪测试后加入。图5 矿石加入方式对厚度16cm钢板熔化的影响（复合吹炼，底吹氧比例0.02）Fig.5 Effect of adding method of ore on melting of 16cm steel plate由图5可见，矿石加入条件应严格限制。在炉内有大量未熔废钢时，矿石加入速度应严格限制，以防止金属过热度急剧降低。合理地加入矿石可以改善废钢的熔化条件。最大钢板厚度允许达到15cm，在副枪测试时可以全部化完。影响废钢熔化时间的主要参数有：（1）料块的尺寸和几何形状，其特征参数是它的当量厚度。也就是它的最小尺寸，再加一个矫正系数。对于一个尺寸为abc的平行六面体的料块，其当量厚度可用式（4）估算： （4）（2）固体料块的成分（废钢或生铁）。（3）吹炼过程相对于Fe-C平衡图的过热温度。（4）液体中热量和碳的传递系数，主要由搅拌条件所决定。转炉内废钢熔化时间的试验结果：在转炉的烟气中放一个检测器，把一个装有放射性氙的软铁元件放在料块的中心，当废钢熔化完毕时软铁元件所放出的氙可由检测器盖革计数器测出。在工厂所进行的试验，每炉可应用两个元件，分别含有30和60微居里的氙。试验分三种炼钢方法进行。顶吹在索里梅厂310吨转炉上进行，研究了废钢和铁块的熔化，装料中液体生铁的比例为0.88。复吹试验在索里梅厂310吨LEF转炉上进行（底部吹氧0.05m3/t.min），装料中铁水比为0.79。氧气底吹的废钢熔化试验在索拉克的240tLws转炉上进行，吹炼高磷铁时的铁水比为0.71。全部试验结果示于图6，废钢的厚度是用当量厚度标记的，时间座标的原点是主吹氧期的终站，时间座标的负值是熔化终点在吹炼过程中，时间的正值表示熔化终点在主吹氧期之后（在冶金搅拌或后吹期）。由图6可见，废钢的当量厚度大于15cm时，吹炼终点时会出现未熔废钢。对于生铁块，其当量厚度小于20cm时，吹炼终点前都可以化完。当量厚度（cm）图6 熔化时间与料块当量厚度的关系Fig.6 Relation of melting time and equivalent thickness of material 3.3 降低石灰的熔化速度在吹炼前期和中期熔池处于温度较低状态，石灰的熔化速度慢，炉渣较长时间处于低碱度状态，不利于脱磷和炉体维护。在吹炼到10min时（相当于总供氧时间的80%），炉渣碱度仅为1.47。炉渣矿相主要是镁硅钙石和橄榄石，这种酸性渣粘度很大（类似于玻璃），在熔池脱碳反应开始后极易“捕获”大量气泡，使炉渣体积膨胀，大量酸性炉渣由炉口溢出。当炉温和炉渣碱度升高，泡沫渣消失后炉渣又容易返干，产生金属喷溅。石灰加入转炉之后如果不能较快的熔化，其表层CaO与SiO2作用生成高熔点的2CaOSiO2，这层2CaOSiO2壳会阻止石灰的进一步熔化。熔池液体金属对石灰加热，使其继续煅烧，石灰细晶变细，更难熔化5。转炉熔池温度高于石灰窑内的温度，石灰过烧进行的很快，使正常石灰变成过烧石灰。岩相检验中多次发现渣中有未熔石灰。由于吹炼前期溢渣严重，为了防止溢渣和喷溅，渣中氧化铁控制在较低范围，也造成石灰不易熔化。第507815炉吹氧10min时所取渣样（TFe）仅为4.35%。3.4 降低吹炼终点命中率过多地加入生铁块使吹炼终点（或一次倒炉时）温度不易控制，对转炉成渣过程有不利影响，吹炼终点钢中磷、硫含量波动大。由于终点命中率不高，只能采取“高拉补吹”操作方式，这种方法增加倒炉次数，延长冶炼时间，降低钢的质量。小型转炉吹炼终点命中率一般为3035%（C0.02%，t12）。加入生铁块比例过高时，终点命中率会降低到30%以下。外购生铁块中磷、硫含量都较高，如不能及时发现，会因此出现废品。此外，转炉钢厂大量使用冷铁块炼钢，给社会上的小高炉生铁提供了销路。不利于淘汰落后设备。国内一些中、小钢厂在公路上用普通盛铁桶运铁水，与一般客货车辆混杂行驶，这种运输方式很危险，容易产生重大的安全事故。4 结论（1）100kg生铁块代替100kg铁水使转炉的热收入减少110.47Mj，石灰消耗增加2.67kg，氧耗增加0.51Nm3。100kg生铁块代替100kg废钢使转炉热收入增加69.516Mj，元素氧化损失增加5.97kg，渣量增加9.18kg，石灰消耗增加4.33kg，氧耗增加4.866Nm3，吹氧时间延长1.2min。（2）当生铁块用量较正常情况多用11.8%时，吹炼过程中熔池温度降低101.5。这对于成渣和废钢熔化都不利。（3）应适当限制转炉炼钢中生铁块的加入量，一般不要超过钢铁料的10%。如生铁块用量减少5%，