首钢转炉“留渣-双渣”炼钢工艺技术开发与应用
转炉终渣具有碱度高、温度高、FeO含量高的特点，出钢后将部分或全部炉渣留在炉内参与下一炉次的吹炼，有助于转炉吹炼前期快速成渣，促进脱磷的特点，而且能够节约石灰，降低金属铁损失。近年来，国内钢厂开始试验采用“留渣-双渣”转炉炼钢工艺，其中首钢总公司与北京科技大学合作进行技术开发，解决了“留渣-双渣”工艺的主要难点，在首钢迁钢公司和首秦公司进行大规模生产，并逐渐向首钢长钢、首钢水钢进行技术推广与应用。
1、首钢“留渣-双渣”工艺技术的开发
首钢总公司从2010年底开始在首钢迁钢公司和首钢首秦公司进行“留渣-双渣”的工艺技术开发与预试验。图1为该工艺的生产流程示意图，该工艺主要包括以下环节：转炉冶炼结束出钢后将炉渣留在炉内，对炉底液态渣进行充分固化后以及人工确认固化效果后，装入废钢和铁水，进行脱磷阶段吹炼，脱磷阶段结束后进行倒渣操作，然后进入脱碳阶段的吹炼，吹炼结束出钢、留渣，并以此循环往复。该工艺的基本原理为：利用低温有利于脱磷反应的热力学基本原理，在转炉吹炼终点，由于温度较高，钢水中磷含量较低，炉渣已经不具备脱磷能力，转炉终渣留在炉内，在下一炉吹炼前期由于温度较低，铁水中磷含量较高，炉渣重新具备脱磷能力；随着吹炼进行，在温度升高至对脱磷不利前倒出部分炉渣，之后进行再造渣进行脱碳阶段的吹炼。该工艺重复利用了上炉留渣，能够降低石灰、轻烧白云石消耗，因此产生的渣量降低；同时由于在转炉出钢结束后炉渣留在炉内，避免了常规工艺因倒渣而导致的转炉内残钢随炉渣倒出引起的钢铁料损失。根据该工艺能够显著减少炼钢渣量的特点，首钢将其简称为SGRS工艺：Slag Generation Reduced Steelmaking。
从2011年3月开始，在首钢迁钢和首秦公司转炉上进行生产，随着该工艺的逐渐成熟，采用该工艺生产的比例和覆盖钢种逐渐提高，截至2013年6月底，首钢迁钢和首秦公司采用该工艺生产的比例能够分别稳定在60%、80%以上，实现了良好的经济效益。
2、首钢“留渣-双渣”关键技术开发与应用
2.1、液态炉渣固化
由于转炉终渣中FeO含量较高，如果直接兑铁，会引起剧烈反应而导致喷溅，因此必须对炉渣固化。在常规生产过程中，出钢结束后进行倒渣，留在炉内的炉渣量较少，采用溅渣护炉工艺后，炉渣就能够完全固化，而采用SGRS工艺后，炉内渣量较高，炉渣固化困难。针对留渣为液相和FeO含量较高是导致兑铁过程反应剧烈的主要原因，首钢迁钢公司经过大量试验，开发了“溅渣护炉+石灰（轻烧白云石）固化+摇炉确认”的炉渣固化工艺，即转炉出钢结束后，向炉内加入镁碳球，在溅渣护炉过程促进碳氧反应，降低炉渣中FeO含量，采用溅渣护炉吹氮气冷却炉渣，在溅渣结束提枪时，加入少量石灰（轻烧白云石）固化炉渣，然后加入废钢摇炉对炉渣进一步冷却。采用该工艺后，在迁钢和首秦生产的6万炉次钢中，没有出现安全事故和安全隐患。
2.2、脱磷结束快速足量倒渣
采用SGRS工艺生产的循环炉次越多，转炉终渣重复使用的比例越大，原辅料消耗降低的幅度越大，而影响循环炉次的主要因素取决于脱磷结束的倒渣量，如倒渣量不足，会出现炉内渣量逐炉蓄积，碱度不断增加，倒渣愈加困难的情况，最后导致SGRS工艺无法接续，循环被迫停止；而且炉渣流动性会逐炉变差，渣中裹入金属铁珠量大，钢铁料消耗增加；同时倒渣困难会增加冶炼时间，炉内渣量波动也会对吹炼过程控制稳定性造成很大影响。因此，脱磷阶段结束后能否快速倒出足量炉渣具有非常重要的意义。
能否快速足量的倒出脱磷炉渣，主要取决于炉渣的流动性控制，影响炉渣流动性的主要因素包括：炉渣的化学组成和温度，以及炉渣熔化程度。
炉渣碱度和MgO含量是影响炉渣流动性的最主要原因之一。炉渣半球点温度随碱度、MgO含量增加而增加，采用低碱度、低MgO含量操作是保证SGRS工艺顺利倒出脱磷渣的必要条件。因此应当综合考虑炉渣碱度、MgO含量与温度对脱磷阶段结束快速足量倒渣的影响。
倒渣量随碱度、MgO含量降低而增加，当脱磷阶段炉渣碱度控制在1.3-1.5，MgO含量≤7.5%时，迁钢和首秦转炉的倒渣量分别可以大于8.0t、5.0t，保证了SGRS工艺顺利稳定运行。
此外，为了保证炉渣良好流动性，还需要适当控制合适的脱磷阶段铁水温度。对于快速、足量倒渣，存在一最佳温度范围。在1330-1400℃范围，倒渣量随温度提高而增加。当温度超过1400℃后，随着温度进一步提高，由于脱碳反应加强造成炉渣FetO含量降低，倒渣量反而随温度提高而减少。
在倒渣过程后期，渣流量逐渐减小，在实际生产过程中，在快速足量倒渣的基础上，为了提高生产效率，不过分追求每炉次的倒渣量，可以根据实际情况，连续生产若干炉次后，在出钢后倒出部分炉渣维持炉内渣量的相对稳定；或者根据钢种变化、转炉修补等实际情况终止SGRS循环，在转炉出钢后全部倒出炉渣。而且通过上述工艺后，脱磷结束炉渣金属铁含量得到有效控制。图2为迁钢公司和首秦公司采用SGRS工艺一个循环内的倒渣量，在循环生产6、7炉次之后，在转炉出钢结束倒渣，重新进行下一个SGRS工艺循环。
2.3、SGRS工艺磷含量的控制
与常规工艺相比，采用SGRS工艺脱磷的难度增大，由于上炉所留炉渣中已含1.5%以上P2O5，而且为了快速足量倒渣必须在脱磷阶段采用低碱度炉渣，不利于脱磷。SGRS工艺磷含量控制的关键在于脱磷阶段使磷尽量进入炉渣并倒出，才能够保证转炉终点磷含量的控制。
为了解决迁钢和首秦转炉底吹强度弱对脱磷动力学不利的条件，开发了低枪位、高供氧强度吹炼工艺，氧枪枪位较常规工艺吹炼前期枪位降低100-200mm，供氧强度控制在3.0m3/min·t以上。通过加强顶吹氧气流对熔池搅拌促进磷向渣—铁界面传输。采用低枪位操作，脱磷结束磷含量明显低于高枪位操作。
由于采用低枪位、高供氧强度吹炼工艺后，在脱磷阶段，炉渣的FeO含量较低，为此，采用增加铁矿石提高炉渣FeO含量，促进脱磷。在整体降低枪位的基础上，针对铁水不同硅含量开发了脱磷阶段枪位曲线：当铁水硅含量较高时，采用前低后高的枪位曲线操作，前期低枪位操作快速脱硅，快速提高温度达到快速成渣，后期高枪位操作，配合矿石加入，提高炉渣FeO含量；当铁水硅含量较低时，采用前高后低的枪位曲线操作，前期采用较高枪位，弥补热量，减少矿石加入量，脱磷后期采用低枪位操作，加强搅拌，促进脱磷反应。除此之外，降低脱磷阶段加入石灰的粒度，促进在脱磷阶段较短的时间内石灰快速熔化、快速成渣。
迁钢LCAK钢采用SGRS后，测量铁水、脱磷阶段结束、脱碳阶段终点钢水磷含量以及脱磷结束、转炉终点炉渣P2O5含量并比较分布情况。可以得出，脱磷结束炉渣中P2O5含量明显高于转炉终点炉渣中P2O5含量；脱磷阶段结束（吹炼4.5min左右）金属熔池降低至平均0.0293%，脱磷率平均为59.6%，脱碳阶段终点钢水最低可脱除至0.0060%，平均为0.0096%，能够满足除少数超低磷钢种（如抗酸管线钢）外绝大多数钢种磷含量控制要求。
2.4、SGRS快速生产
与常规工艺相比，由于增加了炉渣固化和脱磷结束倒渣的时间，采用SGRS工艺后转炉生产周期延长，为了不降低产能，迁钢公司和首秦公司进行了一系列技术改造和工艺优化。
1）炉渣快速固化
针对大渣量下的溅渣护炉，采用“高—低—高—低”的枪位模式，使炉渣尽快挂在炉壁上，然后采用高枪位对炉底炉渣进行降温，在溅渣护炉末期采用低枪位，使炉渣与石灰充分混合，采用该工艺后，溅渣时间能够控制在5.5min以内，较常规工艺溅渣护炉时间延长1min。
2）脱磷快速倒渣
为了实现快速足量倒渣，在脱磷结束时，提高枪位以增加渣中表面活性组元FeO含量，加强炉渣泡沫化程度有利于快速倒渣，在倒渣过程中，加快摇炉速度，倒渣开始后一步即将炉体倾动至75-80°位置，在该角度保持3-5s后，再缓慢摇炉至近乎水平位置。采用该方式摇炉，不仅能够在炉渣泡沫化状态下倒渣，而且有意识的停顿增加了渣铁分离的机会，避免快速倒渣的时候炉渣裹挟铁珠。为了适应此快速倒渣模式，首秦公司对炼钢平台做了改动，将平台与炉口间隙增加至1400mm。此外，为防止泡沫化炉渣从渣罐中溢出，还开发了以C+SiO2为主要成分的专用压渣剂，对快速倒渣起到了重要作用。采用以上快速倒渣技术后，脱磷阶段结束后倒渣时间由SGRS工艺初期的5-6min缩短至4.5min左右。
3）合理的进行调度组织生产
采用SGRS工艺单炉冶炼时间较常规工艺增加约4min。为了不影响“转炉-精炼-连铸”生产周期匹配，采用了以下组织调度策略：①尽量将转炉补炉、设备维修等安排在连铸浇次空隙时间；②迁钢4台板坯铸机，浇铸窄断面铸坯时（宽度<1200mm），采用“单炉对单机”模式。对宽断面铸坯，则采用“多座转炉交叉供钢”模式；③首秦公司原来即存在转炉容量偏小，必须采用三座转炉对两台铸机的生产模式，采用SGRS工艺后，可以继续采用原生产组织模式。
3、SGRS工艺的经济效益
迁钢公司和首秦公司采用SGRS后，吨钢石灰消耗分别降低了47.3%和48.4%，轻烧白云石消耗分别降低了55.2%和70.0%，转炉炼钢渣量分别减少了32.6%和30.7%，钢铁料消耗分别降低了6.51kg/t和8.25kg/t。
迁钢公司拥有3座套筒窑（1座500m3、1座550m3和1座600m3），采用SGRS工艺前，采用1.0系数满负荷生产可满足石灰需求量。采用SGRS工艺后，2座套筒窑（550m3和600m3），系数达到0.8左右即可满足石灰需求量。另1座500m3的套筒窑改烧轻烧白云石，实现自产轻烧白云石供转炉使用。首秦公司使用SGRS工艺以前，采用1座套筒窑（800m3）1.0系数满负荷生产，外加每月使用4%左右的外购石灰，可以满足石灰需求量。采用SGRS工艺后，1座套筒窑（800m3）采用0.85系数生产即可满足石灰需求量的要求，因此取消新建一座500m3套筒窑计划，同时避免了外购石灰质量的波动。
4、结论
1）SGRS工艺采用转炉终渣在下一炉脱磷阶段重复使用的特点，能够达到降低原辅料消耗的目的，迁钢公司和首秦公司采用SGRS后，吨钢石灰和轻烧白云石消耗降低幅度达到47%以上，渣量降低30%以上，获得了显著经济效益。
2）在脱磷阶段炉渣采用低碱度（R：1.3-1.5）、低MgO含量（≤7.5%）渣系，保证了脱磷结束炉渣的流动性，解决了“留渣-双渣”工艺快速足量倒渣的难题。
3）针对转炉底吹搅拌弱的问题，在脱磷阶段采用低枪位和高强度供氧方法，实现高效脱磷的目标，满足了绝大多数钢种对磷含量的控制要求。
4）通过操作优化以及合理的调度组织生产，采用SGRS工艺没有影响钢产量。
(来源：炼钢)
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