氧氣轉(zhuǎn)爐“留渣+雙渣〞煉鋼工藝技術(shù)研究王新華1，朱國森2，李海波2，呂延春2(1.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京100083；2.首鋼技術(shù)研究院，北京100043)摘要：首鋼遷鋼公司和首秦公司大規(guī)模采用了“留渣+雙渣〞轉(zhuǎn)爐煉鋼新工藝，大幅度減少了煉鋼渣量和石灰、白云石消耗。文章介紹了其中所開發(fā)的3項重要技術(shù)：①脫磷階段采用低堿度(w(CaO)/w(SiO2)∶1.3～1.5)和低MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)(≤7.5%)渣系，形成流動性良好和適度泡沫化爐渣，解決了脫磷階段結(jié)束難以快速足量倒渣和渣中金屬鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)高這兩大問題；②針對脫磷階段底吹攪拌弱問題，采用了低槍位和高供氧強(qiáng)度吹煉方法，利用頂吹氧氣流加強(qiáng)金屬熔池攪拌，獲得了良好脫磷效果；③通過加快生產(chǎn)速度，特別是對“煉鋼-精煉-連鑄〞生產(chǎn)合理組織調(diào)配，在轉(zhuǎn)爐冶煉時間增加大約4min情況下，鋼產(chǎn)量并沒有減少。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐煉鋼；少渣；石灰消耗；脫磷；爐渣中國鋼鐵工業(yè)近20年來開展迅速，對國民經(jīng)濟(jì)快速增長發(fā)揮了重要作用，但在節(jié)省資源、能源和減少爐渣等固體廢棄物排放等方面，目前面臨著巨大的壓力和挑戰(zhàn)。以占中國產(chǎn)鋼量90%以上氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼為例，每年生產(chǎn)約6.2億t粗鋼，要產(chǎn)生6000萬t以上爐渣，消耗3100萬t以上石灰和700萬t以上輕燒白云石，而用于生產(chǎn)煉鋼石灰和輕燒白云石的石灰石與生白云石礦產(chǎn)均為重要的不可再生資源。2001年Ogawa等[1]報道了新日鐵開發(fā)的MURC轉(zhuǎn)爐煉鋼新工藝及其在8t轉(zhuǎn)爐的試驗情況，該工藝將轉(zhuǎn)爐冶煉分為2個階段，在第1階段主要進(jìn)行脫硅、脫磷，結(jié)束后倒出局部爐渣，然后進(jìn)行第2階段吹煉，吹煉結(jié)束后出鋼但將爐渣保持在爐內(nèi)，下一爐在爐內(nèi)留渣情況下裝入廢鋼、鐵水，然后進(jìn)行第1和第2階段吹煉，并以此循環(huán)往復(fù)。近年來，新日鐵陸續(xù)報道了MUCR工藝相關(guān)情況[2-10]，新日鐵公司的大分、八幡、室蘭、君津等鋼廠采用了該工藝，產(chǎn)鋼占新日鐵總產(chǎn)鋼量55%左右，轉(zhuǎn)爐煉鋼石灰消耗減少40%以上，但對其中許多關(guān)鍵技術(shù)，如液態(tài)渣固化、脫磷階段爐渣堿度、供氧參數(shù)、脫磷工藝、倒渣控制等根本沒有報道。20世紀(jì)50～70年代，中國一些轉(zhuǎn)爐鋼廠在鐵水硅、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高時，為了降低石灰消耗，減少吹煉過程噴濺，改善脫磷效果，曾采用過出鋼后留渣或“留渣+雙渣〞煉鋼工藝。后來，隨著高爐生產(chǎn)水平提高(鐵水硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低)，高磷鐵礦石用量減少(鐵水磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低)，以及顧忌留渣造成鐵水噴濺平安隱患，留渣或“留渣+雙渣〞煉鋼工藝沒有在更大規(guī)模推廣采用。近年來中國國內(nèi)鋼廠開始試驗采用“留渣+雙渣〞轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝，其中首鋼在其遷鋼公司5座210t復(fù)吹轉(zhuǎn)爐和首秦公司3座100t復(fù)吹轉(zhuǎn)爐大規(guī)模采用了該工藝方法，取得了煉鋼石灰消耗減少47%以上，輕燒白云石消耗減少55%以上，渣量降低30%以上的效果。1首鋼采用“留渣+雙渣〞煉鋼工藝情況3/(min·3/(min·t)范圍，年產(chǎn)鋼260萬t，主要生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)中厚板(管線、造船、橋梁、高層建筑、海洋平臺用鋼板等)。如圖1所示，遷鋼公司和首秦公司采用的氧氣轉(zhuǎn)爐“留渣+雙渣〞煉鋼工藝主要包括以下環(huán)節(jié)：①轉(zhuǎn)爐冶煉結(jié)束出鋼后將爐渣留在爐內(nèi)；②采用濺渣護(hù)爐將局部爐渣濺至爐襯外表加以固化，再補(bǔ)加一定量石灰、白云石對爐底液態(tài)渣進(jìn)行固化；③對爐渣固化加以確認(rèn)，然后裝入廢鋼、鐵水；④進(jìn)行第1階段吹煉(脫磷階段)，結(jié)束后倒出爐內(nèi)60%左右爐渣；⑤進(jìn)行第2階段(脫碳階段)吹煉，結(jié)束后出鋼，但將爐渣留在爐內(nèi)，進(jìn)入下爐次冶煉并以此循環(huán)往復(fù)。煉鋼脫磷反響可由(1)式表示，圖2為根據(jù)(2)式[10-11]計算得到的脫磷反響平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系?？梢钥吹剑瑴囟葘γ摿追错懙挠绊懛浅ｏ@著，當(dāng)溫度由1680℃降低至1350℃時，脫磷反響平衡常數(shù)可大幅度增加6個數(shù)量級以上?！傲粼?雙渣〞煉鋼工藝的根本原理便是利用轉(zhuǎn)爐冶煉前期溫度低這一有利于脫磷反響熱力學(xué)條件，將上爐終渣(由于溫度高已根本不具備脫磷能力)，用于下爐吹煉初期(由于溫度低，爐渣重新具備脫磷能力)進(jìn)行脫磷，并在溫度上升至對脫磷不利之前，將爐渣局部倒出，然后參加少量渣料造渣進(jìn)行第2階段吹煉(可進(jìn)一步脫磷)。由于上爐爐渣可以被下爐再利用，因而能夠大幅度減少煉鋼石灰、輕燒白云石等原材料消耗和煉鋼渣量。根據(jù)該工藝能夠顯著減少煉鋼渣量的特點，首鋼將其簡稱為“SGRS〞工藝(SlagGenerationReducedSteelmaking)。SGRS煉鋼工藝除能夠減少石灰、輕燒白云石等原材料消耗和煉鋼渣量之外，還具有以下優(yōu)點：①煉鋼爐渣通常含14%～25%氧化鐵，渣量減少因而可以降低鋼鐵料消耗；②常規(guī)煉鋼工藝外排爐渣堿度高(大于3.0)，渣中自由CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)多。采用41SGRS工藝，外排爐渣主要為脫磷階段的低堿度渣，因此可以簡化爐渣處理；③常規(guī)工藝煉鋼，出鋼后留在爐內(nèi)局部鋼水隨爐渣倒出，采用新工藝吹煉終點不倒渣，因而可以提高鋼水收得率。至2021年底，首鋼遷鋼公司和首秦公司采用SGRS工藝產(chǎn)鋼比率分別到達(dá)了63.8%和81.5%，與常規(guī)轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝相比，轉(zhuǎn)爐煉鋼石灰消耗分別降低了47.3%和48.5%(遷鋼公司降低至22.0kg/t，首秦公司降低至32.1kg/t)，輕燒白云石消耗分別降低了55.2%和70.0%(遷鋼公司降低至8.0kg/t，首秦公司降低至5.7kg/t)，轉(zhuǎn)爐煉鋼渣量分別減少了32.6%和30.7%，鋼鐵料消耗分別降低了6.517kg/t和8.250kg/t，取得了顯著經(jīng)濟(jì)效益。2關(guān)鍵工藝技術(shù)脫磷階段爐渣流動性控制與足量倒渣采用SGRS煉鋼工藝，脫磷階段結(jié)束后能否快速倒出足量爐渣具有重要意義。如倒渣量缺乏，會出現(xiàn)：①爐內(nèi)渣量逐爐蓄積，堿度不斷增加，倒渣愈加困難的情況，最后導(dǎo)致SGRS工藝無法接續(xù)，循環(huán)被迫停止；②爐渣流動性會逐爐變差，渣中裹入金屬鐵珠量大，鋼鐵料消耗增加；③倒渣困難會增加冶煉時間，爐內(nèi)渣量波動也會對吹煉過程控制穩(wěn)定性造成很大影響。能否快速倒出足量脫磷爐渣，主要取決于爐渣流動性控制，為此須做到：①爐渣充分熔化，不含未溶石灰顆粒以及MgO、2CaO·SiO2等高熔點析出相；②爐渣具有較低黏度；③適當(dāng)提高脫磷階段溫度。由圖3所示CaO-SiO2-FeO系相圖[11]可以看到，在SGRS工藝脫磷階段爐渣氧化鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍(9%～15%)，為使?fàn)t渣全部熔化(均勻液相)，爐渣堿度w(CaO)/w(SiO2)須控制在1.3以下。考慮到渣中還含少量Al2O3、MnO等，能夠適當(dāng)擴(kuò)大該三元系液相區(qū)范圍，因此為使?fàn)t渣充分熔化，爐渣堿度不應(yīng)超過1.5。圖4[11]為1400℃下CaO-SiO2-FeO系黏度值(Pa··s)，而當(dāng)堿度超過1.5時，等黏度線變得密集，黏度值隨堿度增加而快速提高，爐渣流動性顯著變差。圖5為遷鋼公司210t轉(zhuǎn)爐和首秦公司100t轉(zhuǎn)爐采用SGRS煉鋼工藝，脫磷階段結(jié)束后倒渣量與爐渣堿度的關(guān)系。可以看到，倒渣量隨堿度降低而增加，當(dāng)脫磷階段爐渣堿度控制在1.5左右時，遷鋼210t轉(zhuǎn)爐倒渣量可大于8.0t，首秦100t轉(zhuǎn)爐倒渣量可多于5.0t，保證了SGRS工藝順利穩(wěn)定運行。為了使?fàn)t渣具有良好流動性，還須對MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制。圖6為210t轉(zhuǎn)爐脫磷階段結(jié)束倒渣量與渣中MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系，當(dāng)將MgO控制在7.5%以下時，倒渣量可在8t以上，能夠滿足SGRS穩(wěn)定運行要求，為此規(guī)定對脫磷階段爐渣MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)按低于7.5%控制。這一MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制目標(biāo)低于常規(guī)工藝初期渣MgO控制目標(biāo)值，采用后并未發(fā)現(xiàn)對爐齡有不利影響。；首秦100t轉(zhuǎn)爐脫磷階段倒渣量在4.0～8.0t，倒渣時間在3.0～4.5min。脫磷階段高效脫磷工藝技術(shù)采用SGRS煉鋼工藝，由于所留爐渣中已含1.5%以上P2O5，而且為使?fàn)t渣流動性良好以快速足量倒渣，脫磷階段必須采用較低堿度渣系，脫磷階段脫磷難度顯著加大。而如果在脫磷階段不能夠充分脫磷，勢必加重脫碳階段的負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重時會造成終點鋼水[P]不合格而必須進(jìn)行后吹、補(bǔ)吹。由(2)式給出的脫磷反響平衡常數(shù)式和高碳鐵液中[P]的活度相互作用系數(shù)[12]、渣中P2O5活度系數(shù)[10]，可得到磷在渣/鐵間分配比的計算式(3)，式中N(P2O5)為渣中P2O5克分子濃度，a[O]為鐵液中氧活度。在SGRS煉鋼工藝的脫磷階段，由于[C]質(zhì)量分?jǐn)?shù)高(3.3～3.8%)，鐵液中氧的活度a[O]由[C]控制。由(4)和(5)式[2]給出的[C]-[O]反響平衡常數(shù)計算式和相關(guān)的活度相互作用系數(shù)eCC[11]，計算得到的1330～1380℃范圍鐵液中氧的活度僅為0.00010～0.00015，將其代入(3)式計算得到的磷分配比(N(P2O5)/w([P])2)在10-5數(shù)量級，說明脫磷階段在金屬熔池內(nèi)部脫磷反響根本不能進(jìn)行。但是，氧氣轉(zhuǎn)爐由于采用頂吹氧，即便鐵液碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，也可通過調(diào)整槍位、供氧速率等將渣中氧化鐵控制在較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍(8%～15%)，進(jìn)而將渣/鐵界面氧活度控制在較高水平。(7)式[2]和(8)式為(6)式所示Fe-O反響的標(biāo)準(zhǔn)自由能和鐵液中氧活度與溫度和爐渣氧化鐵活度的關(guān)系，將(8)式代入(3)式，并取脫磷階段鐵水和爐渣的組成以及相關(guān)組元的活度數(shù)據(jù)[11](f[C]、a(FeO))等，可計算出在爐渣氧化鐵含量為8%～15%情況下，磷的分配比(N(P2O5)/w([P])2)在165左右，說明在渣/鐵界面脫磷反響可以進(jìn)行。由上述分析可知，采用SGRS工藝在脫磷階段高效脫磷的關(guān)鍵是：①加強(qiáng)金屬熔池攪拌，促進(jìn)熔池內(nèi)部[P]向渣/鐵界面?zhèn)鬏?；②通過調(diào)整供氧或參加鐵礦石、氧化鐵皮等提高渣中氧化鐵活度。3/(min·t)。針對底吹攪拌弱的問題，為了提高SGRS工藝脫磷效率，開發(fā)了脫磷階段高效脫磷技術(shù)，主要特點如下：3/(min·t)以上，通過加強(qiáng)頂吹氧氣流對熔池攪拌促進(jìn)磷向渣/鐵界面?zhèn)鬏敗?)針對低槍位、高供氧速率吹煉引起的渣中氧化鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低問題，增加了鐵礦石參加量和參加批次，以在加強(qiáng)熔池攪拌同時，使渣中能夠保持足夠氧化鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)。3)采用添加小粒石灰，合理控制爐渣堿度和MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)(防止堿度、MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高)等方法，加快脫磷階段渣料熔化，促進(jìn)脫磷反響。圖7和圖8分別為氧槍槍位和爐渣FetO質(zhì)量分?jǐn)?shù)對脫磷階段結(jié)束[P]質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，可以看到，采用較低槍位和高強(qiáng)度供氧，由于熔池攪拌顯著加強(qiáng)，盡管爐渣FetO質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低至9.5%附近，脫磷效率非但沒有降低，反而有較大幅度提高。采用上述高效脫磷工藝，在鐵水磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.075%左右情況下，脫磷階段結(jié)束可將[P]平均降低至0.029%左右，脫碳階段終點鋼水[P]最低可脫除至0.0060%，平均為0.0096%，能夠滿足除少數(shù)超低磷鋼種外絕大多數(shù)鋼種對磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的控制要求。液態(tài)終渣快速固化技術(shù)采用“留渣+雙渣〞煉鋼工藝，對上爐留在爐內(nèi)的液態(tài)渣必須加以固化，才能確保裝入鐵水時不發(fā)生劇烈噴濺，引發(fā)重大平安事故。遷鋼公司在采用SGRS工藝后，曾采用參加多量石灰、白云石或廢鋼直接冷卻對液態(tài)爐渣進(jìn)行固化的方法，但發(fā)現(xiàn)存在以下問題：①如固化爐渣用石灰參加量多(包括白云石)，會造成脫磷階段爐渣堿度和MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高，導(dǎo)致倒渣困難；②如采用廢鋼對液態(tài)渣進(jìn)行冷卻固化，由于廢鋼尺寸不均衡，常發(fā)生爐內(nèi)廢鋼“搭棚〞情況，爐底液態(tài)渣不能被充分固化，存在平安隱患。通過大量試驗，開發(fā)了將濺渣護(hù)爐與爐渣固化相結(jié)合的液態(tài)終渣快速固化工藝，其主要特點為：①上爐出鋼后立即向爐內(nèi)液態(tài)渣吹入氮氣，將局部爐渣濺至爐襯外表直接固化；②吹入大量氮氣使?fàn)t底液態(tài)渣快速降溫，渣中析出大量高熔點相(3CaO·SiO2、2CaO·SiO2等)，形成固態(tài)高熔點相與剩余液態(tài)“RO相〞(FeO-MnO-CaO系固溶體)共存的爐渣體系(圖9)；③濺渣結(jié)束后向爐內(nèi)參加少量石灰、白云石，目的是與剩余液態(tài)“RO相〞作用使其快速固化。為此在參加石灰、白云石后，還須前后傾動轉(zhuǎn)爐使參加的石灰、白云石與剩余液態(tài)渣快速混合。采用上述液態(tài)終渣快速固化技術(shù)后，絕大多數(shù)爐次爐渣固化操作時間控制在5.5min以內(nèi)，在采用SGRS煉鋼工藝生產(chǎn)的6萬多爐次中，未發(fā)生任何鐵水噴濺事故。SGRS工藝快速生產(chǎn)技術(shù)采用SGRS煉鋼工藝，與常規(guī)冶煉工藝相比，增加了液渣固化和脫磷階段結(jié)束倒渣操作時間。為了不降低產(chǎn)能，不影響“轉(zhuǎn)爐—精煉—連鑄〞工序周期匹配，必須加快SGRS工藝過程，對此采取了以下主要對策：①采用高供氧強(qiáng)度吹煉，將脫磷階段吹煉時間控制在4～5min；②為了加快倒渣，在脫磷階段臨近結(jié)束時提高槍位，增加渣中外表活性組元氧化鐵含量，以加強(qiáng)爐渣泡沫化程度；③開發(fā)了SiO2+C為主要成分的抑渣劑，用于抑制泡沫渣從渣罐中溢出；④采用了計算機(jī)生產(chǎn)組織調(diào)度輔助系統(tǒng)，利用“甘特圖〞對“轉(zhuǎn)爐―精煉―連鑄〞生產(chǎn)進(jìn)行組織調(diào)度。遷鋼公司一煉鋼分廠和首秦公司煉鋼廠均擁有3座轉(zhuǎn)爐，常用2臺板坯連鑄機(jī)，“煉鋼―精煉―連鑄〞生產(chǎn)周期匹配采取圖10所示模式，即3座轉(zhuǎn)爐向2座精煉爐和2臺鑄機(jī)供鋼。由于轉(zhuǎn)爐煉鋼能力充裕，在采用SGRS煉鋼工藝后，盡管轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)周期有所增加，但由于連鑄生產(chǎn)并未受到影響，鋼產(chǎn)量沒有減少。遷鋼公司二煉鋼分廠擁有2座轉(zhuǎn)爐和2臺板坯主機(jī)，“煉鋼―精煉―連鑄〞生產(chǎn)周期的匹配采用圖11所示模式。根據(jù)遷鋼公司產(chǎn)品分工，二煉鋼分廠主要生產(chǎn)窄斷面鑄坯，采用SGRS煉鋼工藝后，轉(zhuǎn)爐煉鋼周期有所延長，但仍能按時向2臺窄斷面鑄機(jī)供給鋼水，鋼產(chǎn)量也沒有降低。表1為遷鋼公司210t轉(zhuǎn)爐常規(guī)工藝煉鋼與SGRS工藝煉鋼的作業(yè)時間比照，可以看到，采用SGRS煉鋼工藝，總冶煉周期較常規(guī)工藝增加了大約4min。3結(jié)論1)首鋼遷鋼公司5座210t復(fù)吹轉(zhuǎn)爐和首秦公司3座100t復(fù)吹轉(zhuǎn)爐采用了“留渣+雙渣〞轉(zhuǎn)爐煉鋼新工藝，轉(zhuǎn)爐煉鋼石灰消耗減少了47%以上，輕燒白云石消耗減少了55%以上，渣量降低30%以上，獲得了顯著經(jīng)濟(jì)效益。2)脫磷階段通過采用低堿度(w(CaO)/w(SiO2)∶1.3～1.5)和低MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)(≤7.5%)渣系，形成流動性良好和適度泡沫化爐渣，解決了“留渣+雙渣〞煉鋼工藝快速足量倒渣和渣中金屬鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)高這兩大難題。3)針對轉(zhuǎn)爐底吹攪拌弱的問題，在脫磷階段采用低槍位和高強(qiáng)度供氧方法，利用頂吹氧氣流加強(qiáng)金屬熔池攪拌以促進(jìn)脫磷，脫磷階段結(jié)束時[P]平均降低至0.029%左右，脫碳階段終點[P]降低至0.0096%左右，滿足了絕大多數(shù)鋼種對磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制要求。4)通過加快生產(chǎn)速度，尤其是對“煉鋼—精煉—連鑄〞生產(chǎn)進(jìn)行合理組織調(diào)配，采用“留渣+雙渣〞煉鋼工藝后，鋼產(chǎn)量沒有減少。參考文獻(xiàn)：[1]OgawaY，YanoM，KitamuraS，etoftheContinuousDephosphorizationandDecarburizationProcessUsingBOF[J].Tetsu-to-Hagane，2001，87(1)：21.[2]MatsumiyaT，IchidaProgressandTopicsinIronandSteelmakingTechnologyinJapan[C]//The10thJapan-ChinaSymposiumonScienceandTechnologyofIronandSteel.Chiba：2004.[3]MoritaK，KumakuraM，WashizuPromotionofRefiningProcessinNipponSteelCorporation[C]//The4ThInternationalCongressontheScienceandTechnologyofSteelmaking.Gifu：2021.[4]UeshimaY，SaitoAdvancesandTopicsofIronandSteelmakingTechnologyinJapan[C]//The12thJapan-ChinaSymposiumonScienceandTechnologyofIronandSteel.Nagoya：2021.[5]IwasakiM，MatsuoandDevelopmentofSteel-Mak