姜學(xué)鋒，彭 飛，張艷龍，鐘曉丹

(本溪鋼鐵公司股份有限公司煉鋼廠，遼寧 本溪 117000)

在傳統(tǒng)鋼鐵冶金冶煉過程中，會不可避免的產(chǎn)生爐渣，爐渣對冶金過程產(chǎn)生重要的影響[1]。冶煉過程的爐渣產(chǎn)出點(diǎn)已不僅僅是高爐渣、轉(zhuǎn)爐渣，還包括鐵水預(yù)處理渣和爐外精煉渣，而且爐渣的組成與性質(zhì)也有所不同[2]。鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的高溫熔渣，其成分復(fù)雜、流動性差別大、性能波動大，因此在利用都會對鋼渣進(jìn)行處理，包括熱燜法、熱潑法、水淬法等[3-4]?，F(xiàn)有處理方式普遍比較復(fù)雜，處理不當(dāng)就會對周邊環(huán)境造成嚴(yán)重的影響[5]。如果可以將煉鋼鋼渣直接利用到煉鋼工序中，會減少鋼渣處理壓力，減少環(huán)境污染，針對鋼渣的重復(fù)使用，也有不少學(xué)者進(jìn)行了研究[6-9]。

某鋼廠每年在LF精煉過程中會產(chǎn)生大量精煉渣，渣中還含有部分鑄余鋼水。最初主要的處理方式是：將鑄余鋼渣運(yùn)送到冶金渣場，采用悶渣方式進(jìn)行處理，金屬料通過磁選回收再利用。這樣不僅增加生產(chǎn)成本，還會造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)及處理后的環(huán)境污染。針對LF精煉后的鋼渣具有高堿度的特性以及含有大量的Al2O3和CaO，可以保證鋼水低硫、低氧含量的精煉效果。因此，研究如何更好的回收再利用LF精煉后的鑄余熱態(tài)鋼渣就成了迫切需要解決的問題。

LF爐的精煉后的鋼渣中含有50%左右的CaO和30%左右的Al2O3，對改渣較好的爐次連鑄澆注后剩余的熱態(tài)鋼渣直接倒回下一爐鋼包中繼續(xù)使用，循環(huán)利用[10-11]。利用熱態(tài)渣的熱源優(yōu)勢，其可以作為LF造渣前期良好的化渣材料，解決了LF爐前期造渣慢的問題，減少石灰加入量，降低了加入石灰?guī)淼臏亟?，加速了脫硫反?yīng)的進(jìn)行。另外，可以提高LF處理前期的升溫?zé)嵝?，?jié)約電耗，由于渣量大，前期埋弧好，減少電弧對鋼包渣線的輻射，有利于降低鋼包耐材消耗。同時，鑄余的熱態(tài)渣中含有一定量的殘留鑄余鋼水，通過循環(huán)再利用，降低了鋼鐵料的消耗。所以，LF熱態(tài)渣循環(huán)再利用具有完全的可行性。

1 生產(chǎn)工藝流程及主要裝備

1.1 工藝流程

板材煉鋼廠鋼種生產(chǎn)工藝流程是：鐵水脫硫—復(fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉—精煉—連鑄。

1.2 主要裝備

本鋼煉鋼廠主要生產(chǎn)技術(shù)裝備見表1。

表1 本鋼煉鋼廠主要生產(chǎn)技術(shù)裝備

2 LF熱態(tài)渣循環(huán)再利用工藝制度

由于LF精煉熱態(tài)渣的多樣性，一般鋼廠只對脫氧良好的白渣進(jìn)行回收。為了提升熱態(tài)渣的回收比例，除了對改渣良好的熱態(tài)渣進(jìn)行回收外，該鋼廠對于其他普通處理產(chǎn)生的LF熱態(tài)渣也有條件地進(jìn)行回收，并制定相關(guān)制度。

2.1 LF熱態(tài)渣回收制度

(1) LF路徑相近鋼種之間可以折渣操作，其他路徑的熱態(tài)渣不允許折到供薄板生產(chǎn)的爐次。

(2)接受折渣爐次凈空大于450 mm，折渣后爐次的凈空大于400 mm。

(3)熱態(tài)渣使用四次后禁止進(jìn)行使用。

(4)調(diào)度根據(jù)生產(chǎn)節(jié)奏及現(xiàn)場生產(chǎn)情況，決定是否進(jìn)行折渣操作。

(5)精煉LF爐處理位操作工確認(rèn)鋼水凈空情況是否具備折渣條件，反饋給生產(chǎn)技術(shù)室連鑄調(diào)度。

(6)具備折渣條件，生產(chǎn)調(diào)度通知各相關(guān)作業(yè)區(qū)進(jìn)行折渣準(zhǔn)備，根據(jù)被折渣鋼包的所在位置進(jìn)行折渣。

(7)鋼包作業(yè)區(qū)進(jìn)行地面指車，精煉作業(yè)區(qū)進(jìn)行凈空監(jiān)護(hù)。

2.2 使用熱態(tài)渣精煉造渣制度

使用熱態(tài)返回渣時，LF精煉造渣制度如下：

(1)造渣材料使用石灰、鋁球、煤粉，根據(jù)精煉前硫含量不同，一次渣料加入量參考表2規(guī)定。

表2 LF使用返回?zé)釕B(tài)渣造渣脫硫規(guī)定

(2)石灰加入方式：一次性加入，充分吹氬攪拌熔化；

(3)鋁球加入方式：升溫過程中加入，注意分批次小批量加入，使鋁球充分與頂渣反應(yīng)，提高脫氧效果；

(4)生產(chǎn)節(jié)奏允許的條件下，采用升溫5 min后吹氬脫硫送樣。否則，直接進(jìn)行二次升溫，并且在升溫過程中補(bǔ)加石灰200 kg、鋁球30 kg。

3 LF熱態(tài)渣的成分及硫容量分析

3.1 LF爐渣分析

某鋼廠品種數(shù)量大、產(chǎn)線多，不同產(chǎn)線及不同鋼種的造渣工藝不盡相同。可以循環(huán)的LF熱態(tài)渣生產(chǎn)路徑可以分為以下幾種：薄板產(chǎn)線LF爐渣、矩形坯產(chǎn)線LF爐渣、普通低碳類LF爐渣、普通中碳類LF爐渣、其他高磷高強(qiáng)鋼LF爐渣等。

這些爐渣由于工藝原因其渣中成分及氧化性都不一樣，在熱態(tài)渣循環(huán)再利用過程中如果不加區(qū)分隨意使用，很大可能會造成一些鋼種成分不合格或影響LF造渣改渣效果，對鑄坯質(zhì)量造成影響。這里列舉了矩形坯產(chǎn)線和薄板產(chǎn)線的LF爐渣成分。

3.1.1 矩形坯產(chǎn)線LF爐渣分析

矩形坯爐次一般造白渣，渣中FeO含量控制在0.80%以下，二元堿度控制在4～6，典型矩形坯LF爐渣成分見表3。

表3 矩形坯產(chǎn)線典型爐渣成分

3.1.2 薄板產(chǎn)線LF爐渣分析

薄板產(chǎn)線由于鑄機(jī)高拉速的特點(diǎn)，對精煉鋼水要求質(zhì)量較嚴(yán)，LF改渣要求深脫硫，所以渣中FeO含量一般要求控制在1.5%以下，二元堿度控制在5～7，典型薄板LF爐渣成分見表4。

表4 薄板產(chǎn)線爐渣成分

3.2 LF精煉熱態(tài)鋼渣的硫容量分析

LF精煉渣的脫硫能力可以用硫容量Cs來衡量，經(jīng)脫氧后的LF熱態(tài)渣雖然含有一定量的S含量，但是由于其富含CaO和低含量FeO，所以熱態(tài)渣仍具有一定的脫硫能力。

渣-鋼硫容量和溫度、爐渣成分的關(guān)系式見式(1)[12]。

lgCS=(22 960-54 640Λ)/T+43.6Λ-25.2

(1)

式中：Λ為光學(xué)堿度。

式(1)表明：硫容量隨溫度的升高而增大,同時也隨著堿度的增大而上升。根據(jù)式(1)導(dǎo)出渣-鋼硫容量和溫度、爐渣成分的關(guān)系式:

(2)

式中：B=5.623w(CaO)+4.15w(MgO)-1.152w(SiO2)+1.457w(Al2O3);A=w(CaO)+1.391w(MgO)-1.867w(SiO2)+1.65w(Al2O3)。

從式(2)可以看出，隨著爐渣中CaO含量的升高、SiO2含量的降低和爐渣溫度的上升，鋼-渣的硫容量有上升的趨勢，但隨著Al2O3含量的升高，硫容量又會降低。

將表3或表4中的數(shù)據(jù)代入式(2)中，溫度取1 843 K(1 570 ℃)，就可以計(jì)算得到鋼渣循環(huán)利用過程中硫容量變化。經(jīng)過計(jì)算，一般循環(huán)利用前C′s可以達(dá)到0.05以上。取循環(huán)利用四次后的渣樣分析并計(jì)算，C′s會降低到0.02左右。所以，在這種情況下，渣鋼反應(yīng)表現(xiàn)出脫硫速率較慢的現(xiàn)象，即使通過補(bǔ)加石灰，鋼渣硫容量上升空間也較小，即鋼渣就沒有了回收再利用的價(jià)值。

4 LF熱態(tài)渣回收循環(huán)再利用對工藝的影響

4.1 熱態(tài)渣回收再利用對LF升溫效率的影響

統(tǒng)計(jì)薄板使用鑄余熱態(tài)渣生產(chǎn)數(shù)據(jù)，使用鑄余熱態(tài)渣爐次精煉周期長于沒有使用鑄余熱態(tài)渣爐次，但是使用鑄余熱態(tài)渣爐次升溫效率更高。具體影響見表5。

表5 熱態(tài)渣回收再利用對溫度影響

由于受熱態(tài)渣在循環(huán)使用過程中的節(jié)奏影響，整體使用熱態(tài)渣的爐次的精煉前溫度偏低，所以造成精煉時間偏長。但是使用鑄余的熱態(tài)渣后，一方面熱態(tài)渣的溫度一般高達(dá)1 350 ℃以上[13]，另外新加入的石灰消耗減少，減少了精煉初期的化渣環(huán)節(jié)，用于化渣的時間也相對減少，所以整體升溫時間基本持平。另外，熱態(tài)渣的加入，前期造渣速度快，并且埋弧好，減少了對鋼包耐材的輻射，降低熱損失，提高了升溫效率，平均升溫速度比沒用熱態(tài)渣爐次提高0.6 ℃/min。

4.2 熱態(tài)渣回收再利用對造渣料使用的影響

4.2.1 熱態(tài)渣回收再利用對石灰消耗的影響

對比了使用熱態(tài)渣爐次與沒有使用爐次的石灰消耗，使用熱態(tài)渣爐次的石灰消耗減少50%左右。具體見表6。

表6 熱態(tài)渣回收再利用對石灰影響 kg

由于熱態(tài)渣中含有大量的CaO，所以再LF精煉改渣過程中，要滿足脫硫需要的堿度只需再補(bǔ)充少量的活性石灰就可以達(dá)到要求。

4.2.2 熱態(tài)渣循環(huán)再利用對改渣鋁球的影響

本鋼LF改渣過程主要通過加入鋁球來脫渣中氧，對比了使用熱態(tài)渣爐次與沒有使用爐次的鋁球消耗，在相同的精煉前條件下使用熱態(tài)渣爐次的每爐鋁球消耗減少24 kg左右。具體見表7。

表7 熱態(tài)渣回收再利用對鋁球影響

由于工藝限制，板材煉鋼廠在改渣過程中主要使用鋁球和石灰，較少使用螢石或含Al2O3合成渣，所以渣中需要一定的Al2O3來降低渣的熔點(diǎn)。返回渣中含有大量的Al2O3，這樣加入的鋁球主要用來去除渣中氧，用于形成渣中Al2O3的鋁球就會相應(yīng)減少用量，間接減少了鋁球的消耗。

4.3 熱態(tài)渣回收再利用對鋼鐵料消耗的影響

對薄板數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對比平均爐產(chǎn)與回收率，在相同裝入量的情況下，平均爐產(chǎn)增加0.5 t鋼，詳細(xì)見表8。

表8 熱態(tài)渣回收再利用對鋼鐵料消耗影響

為了保證鑄坯質(zhì)量，在連鑄澆鋼過程中，為了防止大包下渣給鋼水帶來污染，避免渣中夾雜物進(jìn)入到鋼水中，大包中或多或少會殘留一部分鋼水。這部分未澆凈的鋼水以前隨著殘?jiān)苯臃皆拗袚p失掉。熱態(tài)渣循環(huán)利用后，這部分鋼水重新利用，在沒有增加鋼鐵料的情況下增加了爐產(chǎn)，降低了鋼鐵料的消耗。

4.4 熱態(tài)渣回收再利用對生產(chǎn)節(jié)奏的影響

由于熱態(tài)渣在循環(huán)使用過程中需要將大包剩余鋼渣翻到正在生產(chǎn)的鋼包中，不可避免地影響了整個生產(chǎn)節(jié)奏，一般在大包剩余鋼渣折渣過程中需要增加5～10 min。為了減少熱態(tài)渣循環(huán)使用過程中對節(jié)奏的影響，煉鋼廠采取了多種措施將熱態(tài)渣循環(huán)再利用對節(jié)奏的影響降低到最小。

首先，由廠調(diào)度統(tǒng)一協(xié)調(diào)，各處理位及時溝通，根據(jù)生產(chǎn)節(jié)奏及現(xiàn)場生產(chǎn)情況，決定是否進(jìn)行折渣操作。精煉LF爐處理位操作工確認(rèn)鋼水凈空情況是否具備折渣條件，反饋給生產(chǎn)調(diào)度。具備折渣條件，生產(chǎn)技術(shù)室連鑄調(diào)度通知精煉、鋼包、天車作業(yè)區(qū)進(jìn)行折渣準(zhǔn)備，根據(jù)被折渣鋼包的所在位置進(jìn)行折渣。鋼包作業(yè)區(qū)進(jìn)行地面指車，精煉作業(yè)區(qū)進(jìn)行凈空監(jiān)護(hù)。

其次，避免吊入LF工位后再翻渣，直接在鋼包運(yùn)輸車上進(jìn)行折渣，減少了對LF處理過程的影響。

第三，優(yōu)化吊車翻渣流程，根據(jù)不同LF工位的位置采用不同的翻渣方式，減少翻渣時間。

根據(jù)不同產(chǎn)線的布局及鋼種質(zhì)量的要求，對于熱態(tài)渣循環(huán)使用爐次精煉處理時間影響降到了最低，避免了對生產(chǎn)節(jié)奏的影響。

4.5 熱態(tài)渣回收再利用的效益估算

LF液態(tài)渣循環(huán)再利用可以達(dá)到快速成渣，提高鋼渣流動性、降低造渣料消耗、降低鋼鐵料消耗、提高鋼水質(zhì)量、降低能耗起到了較好的效果。如果本鋼每年LF熱態(tài)渣回收比例在60%以上，通過節(jié)省石灰消耗、造渣鋁用量、鋼鐵料消耗等可以降低4元/t鋼成本，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

5 結(jié) 論

LF爐使用熱態(tài)渣回收再利用可以節(jié)省石灰、鋁球消耗，使用效果較好，提高了造渣速度、改善鋼水純凈度、降低鋼鐵料消耗、提高鋼渣的流動性及降低能耗等。

(1) LF爐熱態(tài)渣在LF爐造渣時循環(huán)使用，可快速形成低熔點(diǎn)渣系，改善渣的流動性。

(2) 在滿足LF生產(chǎn)工藝要求的基礎(chǔ)上，LF爐熱態(tài)渣回收再利用工藝每爐減少石灰消耗500 kg，減少鋁球消耗24 kg，平均爐產(chǎn)增加0.5 t鋼。

(3) LF熱態(tài)渣回收再利用減少CaO消耗，間接減少CO2的排放。增加了渣的再利用，減少了鋼渣的外排，達(dá)到降耗減排的作用。