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转炉炼钢粉尘的内循环利用研究

柯建祥

(福建三钢集团闽光股份有限公司，福建三明；365000)

摘 要：基于转炉炼钢过程的造渣和温度控制机理，利用污泥、除尘灰及粘结剂等原料加工成粉尘球团，在冶炼前期代替铝系化渣剂进行化渣、中后期代替矿石进行调温。研究发现：转炉炼钢过程内循环利用粉尘球团，与采用铝系化渣剂和矿石相比，脱磷率提高了4．9%，可达到80．7%，炉渣的发泡性能和流动性能良好，炉渣碱度和铁损基本相同。既可有效回收铁等有价资源，也可减少环境污染，实现炼钢副产品资源的内循环利用。

关 键 词：转炉炼钢；粉尘；循环利用；脱磷

转炉炼钢过程由于火点区高温蒸发和一氧化碳气泡带走部分铁产生粉尘^[1]，每冶炼1t钢将产生10～25kg粉尘^[2](主要成分为FeO和Fe₂O₃)。粉尘造成的铁损已成为炼钢过程较大的金属吹损。按国内年产6亿t转炉钢计算，不计其它元素损失量，每年仅粉尘排放造成的金属铁损达300万t以上。

转炉炼钢过程采用干法或湿法除尘，形成的干法除尘灰和污泥粒径较细，为5～15μm，铁品位约50%左右，并含有一定的金属铁，二次利用价值较高^[3]。2011年以前，福建三钢集团闽光股份有限公司(以下简称三钢)主要将转炉粉尘作为烧结工序的原料，烧结后供高炉炼铁使用。我国部分钢厂已经将少量粉尘压球用于炼钢化渣剂^[4-5]。转炉尘泥用于烧结配料时难以混匀而影响烧结透气性，而将其加工为球团内循环利用于转炉炼钢过程，促进化渣和回收部分铁损，既可有效回收铁等有价资源，也可减少环境污染。

三钢从2011年开始研究利用转炉干法除尘灰和OG污泥加工成T．Fe和CaO含量高的球团，代替铝系化渣剂作为炼钢化渣熔剂，代替矿石作为炼钢冷却剂，实现了炼钢副产品资源的自循环利用。

1  三钢转炉炼钢粉尘

三钢炼钢厂现有2座100t转炉和2座120t转炉，100t转炉采用OG法(湿法)回收转炉粉尘，收得为炼钢尘泥，吨钢产量28．5kg；120t转炉采用LT法(干法)回收炼钢粉尘，收得为炼钢除尘灰，其中细灰吨钢产量12kg。

选择污泥、除尘灰和氧化铁皮作为粉尘球团的原料，搭配一定比例的催化剂，经机械混辗后压制成球团，作为转炉炼钢化渣材料。并对3种原料成分分析(干基分析数据)化验结果如表1所示。

2  转炉炼钢利用粉尘球团化渣机理

2．1  脱磷机理

转炉脱磷反应为钢渣界面反应：

2[P]+5(FeO)+3(CaO)=(3CaO·P₂O₅)+5[Fe]    (1)

lgL_P=22350／T－24．0+ηlg(%CaO)+2．5lg(%∑FeO)    (2)

由反应式可知，增加碱度和氧化性有利于脱磷反应进行，降低熔池反应温度也是有利于提高脱磷分配系数。三钢早期采用萤石以及后来采用铁矾土和矿石化渣取得了一定效果。从2011年开始使用炼钢转炉除尘粉尘等原料制成粉尘球团造渣剂进行化渣造渣。粉尘球团造渣剂具有含T．Fe高、CaO高等特点，因此在转炉冶炼前、中期加入粉尘球团造渣剂取代大部分铁矾土和部分铁矿石，在炉渣中快速形成以CaO-FeO为主的脱磷渣系。由此炉渣氧化性迅速提高，因此有助于参加脱磷反应。同时炉渣中FeO、Fe₂O₃具有化渣作用，即帮助石灰中CaO和其它氧化物、化合物等高熔点物质熔化。因此，高氧化性炉渣有利于化渣造渣，快速形成流动性好的高碱度、高氧化性的炉渣，有利于提高脱磷反应速度，粉尘球团制作是采用活性高的低温结合剂，加入转炉内很快破碎成细小颗粒进入炉渣中，相对于铁矾土、矿石等块状加入炉内熔化速度快，快速成渣，加快反应速度。粉尘球团中的干法除尘超细灰中FeO、Fe₂O₃活性较高，反应强烈，入渣中后，与炉渣之间接触面积大，改善了石灰熔化的动力学条件。不仅促进渣中的石灰快速熔化，同时具有对形成的高熔点2CaO·SiO₂的石灰外壳的渗透破坏作用，提高炉渣碱度。粉尘球团中氧化铁主要是以Fe₂O₃形式存在，加入炉内分解成FeO同时，吸收一部分热量，也是有利于脱磷反应进行。众所周知，冶炼前期适合脱磷允许时间很短，必须快速化渣造渣，将适合脱磷的炉渣条件提前做好。三钢粉尘球团造渣剂在冶炼前期加入熔池内就能快速化渣，造好具有一定碱度、氧化性的炉渣，有利于冶炼前期快速脱磷反应进行。

2．2  吹炼中期加入粉尘球团的化渣机理

转炉冶炼中期，熔池温度升高，加快C-O反应进行，熔池中碳大量被氧化，由于脱碳反应限制性环节来自供氧强度，因此炉渣中T．Fe大量被消耗，炉渣中ω(FeO)、ω(Fe₂O₃)迅速从初期16%～18%降低至85左右，反之炉渣中高熔点物质(如CaO、2CaO·SiO₂、MgO)等析出，造成炉渣熔点升高，黏度增加，流动性差的缺点，即称为“返干”。返干的炉渣不仅易发生喷溅事故，同时影响炉渣与熔池之间的化学反应进行。通过向炉内加入T．Fe含量高的粉尘球团，迅速调整增加渣中FeO、Fe₂O₃含量，避免中期炉渣返干形成，改善冶炼中期炉渣熔化条件，同时也避免中期回磷的倾向发生。

3  粉尘球团制作及试验应用

3．1  粉尘球团制作工艺

3．1．1  粉尘球团制作原则

1)采取仅炼钢厂内循环回收粉尘中铁的方法。此方法制作简单，成本低，控制成分更适用转炉化渣造渣工艺。

2)粉尘球团成分采用双高原则，即T．Fe、CaO含量高的配方。

3)采用低温烧结粘合剂，有利于加入炉内迅速破碎而熔化。

4)采取机械压球制作几何尺寸小的粉尘球团，即Φ30mm球体，受力强度可达到600N以上。

3．1．2  粉尘球团成分

为制作满足冶炼要求的粉尘球团，原料配比采用49%(污泥+除尘灰)+31%氧化铁皮+10%粘结剂+10%石灰。根据以上配比和方法，采用化学分析取样分析，得到实际的粉尘球团成分如表2。

3．2  试验条件

利用粉尘球团进行炼钢试验在120t顶底复吹转炉上进行，冶炼钢种HPB235、HRB335，氧枪采用4孔喷头，夹角13°，供氧强度3．6m³／(t·min)，工作压力0．85Pa，铁水中ω(P)=0．08%～0．10%。炼钢过程加入铁水、废钢及生铁，由于采用干法除尘，冶炼前期供氧流量逐渐增大，在2min左右调整为28000m³／h。并保持流量基本不变，通过恒压变枪的操作模式进行控制，冶炼过程采用“高→低→高→低”的操作枪位。

试验过程中保证底吹流量与原有底吹流量相同，吹炼前期，大流量底吹有利于造渣脱磷；吹炼中期，较小流量底吹有利于控制碳氧反应平稳进行，降低炉渣返干；吹炼后期，增大底吹流量加强熔池搅拌，降低炉渣铁损。

3．3  粉尘球团试验应用工艺

试验采用三钢现有冶炼工艺和粉尘球团作为化渣剂的试验工艺进行比较，其中：常规工艺是以铝系化渣剂和矿石以及石灰、镁球作为转炉造渣材料，完成转炉冶炼过程化渣和脱磷等冶金任务；试验工艺是利用粉尘球团代替部分铝系化渣剂和矿石，以粉尘球团和铝系化渣剂以及矿石、石灰、镁球作为转炉造渣材料。试验过程的数据分别采集同期本炉座两种工艺的冶炼数据的平均值进行对比。

常规工艺：铝系化渣剂作为转炉常规化渣材料，随着转炉第1批炉料在点火成功后加入，用量约为3～4kg／t。矿石作为转炉的冷却剂，在冶炼的中后期根据化渣情况和炉内温度情况调整加入量，平均用量约为6～8kg／t。

试验工艺：前期采用粉尘球团作为化渣剂，替代铝系化渣剂，随第1批料加入粉尘球团4～6kg／t和铝系化渣剂1kg／t；中期代替矿石化渣，即在吹炼6～9min时加入粉尘球团，加入量为2～3kg／t；后期不加粉尘球团，而使用矿石(用量在1～2kg／t)化渣及调温。

4  冶金效果

进行了287炉转炉内循环利用粉尘球团的试生产，并对比了常规工艺616炉的相关数据，分析了采用两种冶炼工艺条件下的钢水脱磷情况、造渣剂消耗以及炉渣成分变化。

4．1  倒炉脱磷分析

通过统计铁水磷含量大致相同的炉次，进行脱磷效果的分析得出，倒炉ω(C)分别为0．09%和0．094%，倒炉磷含量基本相同。采用常规工艺冶炼时，铁水平均ω(P)为0．0977%，倒炉ω(P)为0．0236%，脱磷率为75．8%；当采用粉尘球团进行造渣冶炼时，铁水平均ω(P)为0．114%，倒炉ω(P)为0．0219%，脱磷率为80．7%，脱磷率提高了4．9%。试验过程中前期加入粉尘球团，可有效提高炉渣中FeO含量，降低炉渣熔点和黏度。同时，粉尘球团中含有的CaO和SiO₂可迅速溶解，不会形成致密的2CaO·SiO₂保护层，加速钢渣反应界面的传质过程，有利于冶炼过程化渣，保证冶炼过程平稳进行，促进脱磷。

4．2  炉渣成分分析

试验过程中对其中的70炉常规工艺炉渣和41炉试验工艺炉渣进行化学分析，常规炉次和试验炉次炉渣碱度分别为3．04和3．02，表明铝系化渣剂和粉尘球团均可保证化渣效果，在倒炉时石灰等造渣剂均已完全溶解于炉渣中，因此，两种工艺的终点碱度基本相同。由于铝系化渣剂用量减少，试验炉次的炉渣中Al₂O₃含量降低，炉渣中ω(P₂O₅)分别为1．77%和1．71%，均能保证炼钢脱磷效果，这说明：1)炉渣发泡性能和流动性良好，扩大反应界面，加强渣钢之间传送速度，促进脱磷反应进行。2)对比常规工艺和试验工艺的倒炉炉渣成分可知，试验炉次的炉渣碱度，T．Fe含量等略比常规工艺高，但是脱磷率却提高了4．9%，说明了粉尘球团造渣剂比铁矾土、矿石等熔化快，在前期加入炉内迅速熔化成渣作用时间长，因此脱磷效果好。

4．3  辅料消耗及经济效益分析

采用粉尘球团代替铝系化渣剂进行造渣，铝系化渣剂消耗从3．04kg／t降至0．86kg／t，减少了2．18kg／t；矿石消耗从6．99kg／t降至3．60kg／t，减少了3．39kg／t。

采用粉尘球团代替铝系化渣剂进行造渣，可节约生产成本0．53元／t，具体成本核算价格如下表3。

4．4  推广应用效果

三钢从2011年底开始在一炼钢100t和二炼钢120t转炉上全面推广使用粉尘球团，经过近一年的工艺优化和探索研究，干法回收的粉尘在转炉内循环利用率可达到70%以上，矿石消耗可降至2．39kg／t，使用粉尘量可达到约6kg／t，吨钢成本降低约0．78元。转炉炼钢炉渣碱度高、流动性良好，脱磷效果更加稳定。

5  结论

1)炼钢厂内循环使用粉尘球团为主制作造渣剂具有高T．Fe、高CaO含量，且熔化快，快速成渣且炉渣发泡流动性能好的效果。

2)转炉炼钢过程内循环利用粉尘球团进行造渣和调温，化渣良好且能有效调整熔池温度，转炉炼钢脱磷率为80．7%，脱磷率提高了4．9%。

3)转炉炼钢过程内循环使用粉尘球团，在转炉冶炼过程中前期可代替铝系化渣剂使用，铝系化渣剂减少了2．18kg／t；中期可代替矿石使用，矿石消耗减少了3．39kg／t。试验炉次与常规炉次冶炼终点控制相当，能满足各钢种生产要求，吨钢节约生产成本0．53元，实现炼钢副产品资源的循环利用。

4)经过近1年的工艺优化和探索研究，三钢转炉炼钢干法回收的粉尘在转炉内循环利用率可达到70%以上，矿石消耗可降至2．39kg／t，使用粉尘量可达到约6kg／t，吨钢成本降低约0．78元。转炉炼钢炉渣碱度高、流动性良好，脱磷效果更加稳定。

[参考文献]

[1]   毕秀荣，刘润藻，朱荣，等．转炉炼钢烟尘形成机理研究[J]．工业加热，2010，39(6)：13．

[2]   王令福．炼钢粉尘处理工艺的最新发展[J]．冶金能源，2006，25(4)：46．

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[5]   王涛，王英钧，陈幼禄，等．宝钢含锌粉尘用于转炉前期化渣的工艺实践[J]．炼钢，2004，20(5)：14．