煉鋼生產中固廢循環利用及熔劑經濟替代的實踐

李超    董博    易曉明    王富亮    朱宏家    徐國超    冉茂鐸

（鞍鋼股份鲅魚圈鋼鐵分公司  遼寧 營口 115007）

摘要：本文介紹了260 t轉爐中使用脫硫渣鐵、石灰石替代石灰、以及轉爐尾渣造應用的實踐情況，進行了相關的理論分析，并介紹了幾種經濟物料使用的具體方法，生產數據表明：脫硫渣鐵的使用，對現有工藝沒有較大影響，同時提高了其他經濟指標；石灰石替代白灰，提高了脫磷水平，煤氣回收量增多；轉爐尾渣使用提高了脫磷率及一系列轉爐經濟指標。

關鍵詞：石灰石；脫硫渣鐵；尾渣

1前言

眾所周知，在鋼鐵冶金領域，我國是絕對的鋼鐵大國，主要體現在鋼產量約占世界的一半，我國鋼鐵行業能源消耗高、排放量大，造成環境污染。最近這些年鋼鐵企業身上壓著環保和成本兩座大山，從上至下鋼鐵對于煉鐵煉鋼經營成本以及低碳低排的要求越來越高。因此，在生產中改進技術工藝與創新操作方法已經迫在眉睫。

轉爐煉鋼生產中，白灰是最基本的熔劑原料，而且一直在被廣泛應用，尋求節能環保的替代材料一直是科研工作者的研究重點，作為焙燒白灰原料的石灰石是否可以進行替代便成為研究的熱門材料，國內學者陸續提出使用石灰石替代白灰，并分析了相關實踐的可行性，提出了30%的渣料替代比例^[1-2]。最近幾年，鋼鐵企業在大多數時間處于微利甚至虧損的狀態，行業形勢倒逼煉鋼廠不得加快技術創新改革，三廢利用、廉價尾渣原輔料使用等工藝手段^[3-6]。這些研究成果為煉鋼廠提出了一個非常好的降低物料消耗的方法，為鋼鐵企業降本增效提供了一個新思路，鞍鋼很早就探索相關經濟物料在轉爐中的使用可能性，一直在探索尾渣、脫硫渣等固廢的使用實踐。

2理論分析

對于石灰石替代白灰、尾渣造渣、脫硫渣鐵三種物料使用前，對相關的理論分析。

2.1 石灰石替代白灰的分析

石灰石替代白灰造渣反應需要經歷幾個過程：預加熱、升溫、分解，反應生成石灰等5個階段，然后參與煉鋼的一些反應，根據化學計算，整個反應為吸熱過程，主要的反應反應方程式為^[5]:

CaCO_3(s)=CaO_(s)+CO_2(g)                                               (1)

△G^θ=169120-144.6 T J·mol^-1                                        (2)

[C]+CO_2(g)=2CO_(g)                                                    (3)

根據式(2)，當△G^θ小于0時，反應向右側進行，石灰石分解為CaO和CO₂，目前本廠鐵水溫度一般在1250℃到l 400℃，我們都知道轉爐內反應溫度一般都在1150℃以上，生石灰投入熔池后會經歷極高的溫度預熱，通過預熱、升溫以及裂解，相關研究者^[6]提出，當爐內反應一旦高于1400℃左右，生石灰裂解速度將會比1000℃快的多，幾分鐘內裂解率可以達到73.6％，而1150℃左右時的4-5 min煅燒分解速度為16％左右，可見生石灰裂解需要巨大的溫差，溫差越大瞬間的反應越劇烈，也更迅速。

生石灰裂解的CaO與反應熔池內的SiO₂在石灰表面形成2CaO·SiO₂外殼，通過調整供氧制度，來增加渣中FeO/SiO₂的比值或使用化渣劑化渣，降低2CaO·SiO₂熔點，阻止2CaO·SiO₂殼的形成，有利于石灰的溶解，促進化好過程渣，達到良好的脫磷效果。另外，石灰石分解放出的CO₂，提高了熔池的攪拌，更有利于去除夾雜物。由反應方程式(3)可以看得出來，產生的二氧化碳會與熔池的碳反應，生成一定量的一氧化碳，顯然這也會提高煤氣回收量。

2.2 脫硫渣鐵相關分析

脫硫扒渣中主要需要可回收利用的元素為Fe，經化學檢驗后含量為51％以上，主要有害元素為S，含量為1％左右。渣中主要的鐵相為磁鐵礦、金屬鐵、硅酸鐵，其中磁鐵礦、金屬鐵中的鐵占總鐵的2/3左右，脫硫渣鐵主要組成包括金屬鐵、鐵酸鹽等。

由于硫含量較高，需要在生產鋼種走LF精煉的鋼種使用，避免產生質量事故，由于含有部分CaO，會在吹煉中產生較好的化渣成渣效果，但考慮到硫含量較高，也應避免過多減少活性白灰加入量，避免終點硫過高。

2.3 尾渣使用的分析

2.3.1尾渣的物理化性質

鋼渣熱悶生產線處理的鋼渣經磁選后，產生金屬鐵含量在2%以下的尾渣，尾渣中含有水硬性礦物硅酸二鈣和硅酸三鈣，具有較高的水硬性。

表1 鋼尾渣化學成分表

Table 1 The chemical composition table of wasting slag

2.3.2 尾渣的化渣機理

由于尾渣中含有大量的FeO、Fe₂O₃，使轉爐前期爐渣中的FeO迅速提高，促進了石灰的熔化，對成渣非常有利，可促使初期渣的形成，有利于脫磷反應的進行，吹煉中期隨著溫度的升高，碳開始大量氧化，碳的氧化使FeO還原進入鋼水中，有利于鋼鐵料的降低。尾渣中含有高的CaO、MgO、SiO₂，有足夠的堿度，有利于濺渣護爐，吹煉前期的脫磷反應如下：

5（FeO）+2[P]+4(CaO)=(4CaO.P₂O₅)+Fe

3生產實踐

根據前期的理論分析，制定了相對應的生產方案，并對相關重點指標進行了整理統計。

3.1 石灰石替代白灰生產實踐

表2為本廠基本情況，根據熱平衡和物料平衡測試，爐平均加入量不能大于3噸，選取某SPHC類鋼種進行實驗，分別對3t石灰石替代石灰使用前與使用后的30爐次數據進行統計，分別對白灰消耗，終點溫度，終點磷含量以及對煤氣回收量進行了分析。

表2  本廠生產基本情況表

Table 2 The basic production information of the factory

從表3、表4可以看出：添加3t石灰石替代后，終點溫度1688.7℃降到1684.1℃，在廢鋼加入量無明顯變化情況下，石灰石溫降較大，終點溫度降低也是合理的結果。

根據石灰石融化的機理和溫度變化規律，通過優化供氧制度和加料制度，使石灰石替代石灰的工藝順利開展，加入石灰石之后經化驗結果反映，轉爐的終點渣堿度無明顯變化，基本在3.6左右，加入石灰石后，噸鋼活性石灰消耗降低0.7t，少加活性石灰可降低噸鋼成本0.753元。

表3  使用石灰石后白灰用量變化

Table 3 The change of limedosage after using limestone

表4  使用石灰石后終點溫度變化

Table 4 The end point temperature change wusing limestone

從表5、表6可以看出：添加3t石灰石替代后，由于在前期石灰石加入，使得轉爐冶煉時溫度相對較低，這有利于前期的磷去除，符合冶煉中前期早去磷的熱力學條件，同時終點渣也無明顯堿度變化，所以終點磷從0.021%降到0.0202這是符合理論相關邏輯的。煤氣回收由104.1m³/t提高到105.2m³/t，根據（1）（3）反應式可以知道，由于石灰石在轉爐進行分解為CO₂，之后反應為CO，這能有效提高煤氣回收量。

3.2 脫硫渣鐵使用實踐

生產的工藝路線為：轉爐冶煉→LF精煉→（RH精煉）→連鑄，由轉爐區域根據鋼種及精煉位（LF或LF+RH）組織加入脫硫渣鐵。煉鋼廢鋼區域人員根據脫硫渣鐵加入標準提前準備好脫硫渣鐵數量，脫硫渣鐵分級加入標準見表7：

表7 脫硫渣鐵加入標準

Table 7 The Standard for desulfurization slag iron using

根據生產實踐統計數據，轉爐按照脫硫渣鐵收得率為70%左右控制裝入量和計算出鋼量；脫硫渣鐵降溫系數按1.5計算（8～9℃/噸）。加脫硫渣鐵爐次不得進行其它特殊脫氧操作，保證氬站Al_S在一定范圍，根據終點硫含量加入石灰小粒，使頂渣堿度保持在合理范圍，同時保證鋼包吹氬時間和強度，提高渣洗脫硫率。

3.2.1對爐內回硫的影響

由上表8可知：未加入脫硫渣鐵爐次，爐內回硫量為-0.002%，這是因為轉爐吹煉過程具備一定脫硫能力，加入脫硫渣鐵爐次不考慮轉爐脫硫，每噸脫硫渣鐵爐內回硫量約為0.001%。

表8 脫硫渣鐵對爐內回硫、LF處理周期影響及渣洗脫硫應用效果

Table 8 The influence of desulfurization slag iron on sulfur recovery and LF treatment cycle and application effect of slag washing desulfurization

3.2.2對LF處理周期的影響

由上表8可知：隨著脫硫渣鐵使用量增加，轉爐終點硫增加， LF處理周期也隨之增加，但由于連鑄澆鋼周期為45min，所以LF處理周期增加并不會不影響生產節奏控制；加入脫硫渣鐵爐次成品硫可以控制在0.010%以內，根據脫硫渣鐵分級加入標準統計，未出現硫超出標準情況。

3.2.3渣洗脫硫應用效果

由上表8可知：采用氬站渣洗脫硫工藝，氬站渣洗脫硫率增加10.5%，一定程度上緩解了LF脫硫壓力。

3.3尾渣使用實踐

尾渣的實際加入情況：加入尾渣的爐次，成渣時間比正常爐次縮短了0.3min，提高了轉爐脫磷率，有效降低轉爐熔劑消耗。

表9 使用尾渣后脫磷率和磷分配比變化

Table 9 The Change in dephosphorization rate and phosphorus distribution ratio after the use of wasting slag

使用尾渣的磷分配比、脫磷效率統計具體情況如表9，采用尾渣，脫磷效果明顯，渣、鋼間的（P）/[P]分配比以及脫磷效率均高于對比爐次水平，由于尾渣中還有18%含量的TFe,尾渣中的TFe主要是以鐵的氧化物形式存在，尾渣的加入，一方面能夠迅速為爐渣提供脫磷所需的FeO，滿足脫磷的熱力學條件，能夠提高脫磷效果；另一方面尾渣的加入，能夠助熔，加速了石灰的熔解，既能快速提高爐渣的堿度，又能增強爐渣的流動性，綜合情況表明，尾渣用于造渣劑對轉爐鋼渣系的脫磷更為有利，起到了替代部分渣量作用，減少了白灰、輕燒加入量，降低了轉爐熔劑成本。

4結論

（1）采用3t石灰石替代石灰造渣煉鋼，終點溫度1688.7℃降到1684.1℃，白灰消耗降低0.7t，終點磷由0.021%降到0.0202，煤氣回收由104.1m³/t提高到105.2m³/t，可降低生產中噸鋼成本降低。

（2）脫硫渣鐵在轉爐應用后，每噸脫硫渣鐵爐內回硫量0.001%，使用脫硫渣鐵LF處理周期無明顯變化，未影響成品S的控制。

（3）尾渣的實際加入情況：加入尾渣的爐次，成渣時間比正常爐次縮短了0.3min，提高了轉爐脫磷率3.35%，提高了磷的分配比，有效降低轉爐熔劑消耗。

參考文獻

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