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氧气转炉“留渣+双渣”炼钢工艺技术研究探讨

王新华1，朱国森2，李海波2，吕延春2

(1.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083；2.首钢技术研究院，北京100043)

摘 要：首钢迁钢公司和首秦公司大规模采用了“留渣+双渣”转炉炼钢新工艺，大幅度减少了炼钢渣量和石灰、白云石消耗。文章介绍了其中所开发的3项重要技术：①脱磷阶段采用低碱度(w(CaO)/w(SiO2)∶1.3～1.5)和低MgO质量分数(≤7.5%)渣系，形成流动性良好和适度泡沫化炉渣，解决了脱磷阶段结束难以快速足量倒渣和渣中金属铁质量分数高这两大问题；②针对脱磷阶段底吹搅拌弱问题，采用了低枪位和高供氧强度吹炼方法，利用顶吹氧气流加强金属熔池搅拌，获得了良好脱磷效果；③通过加快生产速度，特别是对“炼钢-精炼-连铸”生产合理组织调配，在转炉冶炼时间增加大约4min情况下，钢产量并没有减少。

关 键 词：转炉炼钢；少渣；石灰消耗；脱磷；炉渣

中国钢铁工业近20年来发展迅速，对国民经济快速增长发挥了重要作用，但在节省资源、能源和减少炉渣等固体废弃物排放等方面，目前面临着巨大的压力和挑战。以占中国产钢量90%以上氧气转炉炼钢为例，每年生产约6.2亿t粗钢，要产生6000万t以上炉渣，消耗3100万t以上石灰和700万t以上轻烧白云石，而用于生产炼钢石灰和轻烧白云石的石灰石与生白云石矿产均为重要的不可再生资源。

2001年Ogawa等[1]报道了新日铁开发的MURC转炉炼钢新工艺及其在8t转炉的试验情况，该工艺将转炉冶炼分为2个阶段，在第1阶段主要进行脱硅、脱磷，结束后倒出部分炉渣，然后进行第2阶段吹炼，吹炼结束后出钢但将炉渣保持在炉内，下一炉在炉内留渣情况下装入废钢、铁水，然后进行第1和第2阶段吹炼，并以此循环往复。近年来，新日铁陆续报道了MUCR工艺相关情况[2-10]，新日铁公司的大分、八幡、室兰、君津等钢厂采用了该工艺，产钢占新日铁总产钢量55%左右，转炉炼钢石灰消耗减少40%以上，但对其中许多关键技术，如液态渣固化、脱磷阶段炉渣碱度、供氧参数、脱磷工艺、倒渣控制等基本没有报道。

20世纪50～70年代，中国一些转炉钢厂在铁水硅、磷质量分数高时，为了降低石灰消耗，减少吹炼过程喷溅，改善脱磷效果，曾采用过出钢后留渣或“留渣+双渣”炼钢工艺。后来，随着高炉生产水平提高(铁水硅质量分数降低)，高磷铁矿石用量减少(铁水磷质量分数降低)，以及顾忌留渣造成铁水喷溅安全隐患，留渣或“留渣+双渣”炼钢工艺没有在更大规模推广采用。

近年来中国国内钢厂开始试验采用“留渣+双渣”转炉炼钢工艺，其中首钢在其迁钢公司5座210t复吹转炉和首秦公司3座100t复吹转炉大规模采用了该工艺方法，取得了炼钢石灰消耗减少47%以上，轻烧白云石消耗减少55%以上，渣量降低30%以上的效果。

1 首钢采用“留渣+双渣”炼钢工艺情况

首钢迁钢公司第一和第二炼钢分厂共拥有5座210t顶底复吹转炉，氧枪采用5孔喷头，马赫数为2.0，供氧强度在3.3～3.4m3/(min·t)范围，年产钢810万t，主要产品包括汽车、家电用冷轧钢板、电工钢板、管线钢板、容器板、造船板等。首秦公司拥有3座100t顶底复吹转炉，氧枪采用4孔喷头，马赫数为2.0，供氧强度在3.6～3.8m3/(min·t)范围，年产钢260万t，主要生产优质中厚板(管线、造船、桥梁、高层建筑、海洋平台用钢板等)。如图1所示，迁钢公司和首秦公司采用的氧气转炉“留渣+双渣”炼钢工艺主要包括以下环节：

①转炉冶炼结束出钢后将炉渣留在炉内；②采用溅渣护炉将部分炉渣溅至炉衬表面加以固化，再补加一定量石灰、白云石对炉底液态渣进行固化；③对炉渣固化加以确认，然后装入废钢、铁水；④进行第1阶段吹炼(脱磷阶段)，结束后倒出炉内60%左右炉渣；⑤进行第2阶段(脱碳阶段)吹炼，结束后出钢，但将炉渣留在炉内，进入下炉次冶炼并以此循环往复。

 

炼钢脱磷反应可由(1)式表示，图2为根据(2)式[10-11]计算得到的脱磷反应平衡常数与温度的关系。可以看到，温度对脱磷反应的影响非常显著，当温度由1680℃降低至1350℃时，脱磷反应平衡常数可大幅度增加6个数量级以上。

“留渣+双渣”炼钢工艺的基本原理便是利用转炉冶炼前期温度低这一有利于脱磷反应热力学条件，将上炉终渣(由于温度高已基本不具备脱磷能力)，用于下炉吹炼初期(由于温度低，炉渣重新具备脱磷能力)进行脱磷，并在温度上升至对脱磷不利之前，将炉渣部分倒出，然后加入少量渣料造渣进行第2阶段吹炼(可进一步脱磷)。由于上炉炉渣可以被下炉再利用，因而能够大幅度减少炼钢石灰、轻烧白云石等原材料消耗和炼钢渣量。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(SlagGenerationReducedSteelmaking)。

SGRS炼钢工艺除能够减少石灰、轻烧白云石等原材料消耗和炼钢渣量之外，还具有以下优点：①炼钢炉渣通常含14%～25%氧化铁，渣量减少因而可以降低钢铁料消耗；②常规炼钢工艺外排炉渣碱度高(大于3.0)，渣中自由CaO质量分数多。采用41SGRS工艺，外排炉渣主要为脱磷阶段的低碱度渣，因此可以简化炉渣处理；③常规工艺炼钢，出钢后留在炉内部分钢水随炉渣倒出，采用新工艺吹炼终点不倒渣，因而可以提高钢水收得率。

至2012年底，首钢迁钢公司和首秦公司采用SGRS工艺产钢比率分别达到了63.8%和81.5%，与常规转炉炼钢工艺相比，转炉炼钢石灰消耗分别降低了47.3%和48.5%(迁钢公司降低至22.0kg/t，首秦公司降低至32.1kg/t)，轻烧白云石消耗分别降低了55.2%和70.0%(迁钢公司降低至8.0kg/t，首秦公司降低至5.7kg/t)，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6.517kg/t和8.250kg/t，取得了显著经济效益。

2 关键工艺技术

2.1 脱磷阶段炉渣流动性控制与足量倒渣

采用SGRS炼钢工艺，脱磷阶段结束后能否快速倒出足量炉渣具有重要意义。如倒渣量不足，会出现：

①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；②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；③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。

能否快速倒出足量脱磷炉渣，主要取决于炉渣流动性控制，为此须做到：①炉渣充分熔化，不含未溶石灰颗粒以及MgO、2CaO·SiO2等高熔点析出相；②炉渣具有较低黏度；③适当提高脱磷阶段温度。

由图3所示CaO-SiO2-FeO系相图[11]可以看到，在SGRS工艺脱磷阶段炉渣氧化铁质量分数范围(9%～15%)，为使炉渣全部熔化(均匀液相)，炉渣碱度w(CaO)/w(SiO2)须控制在1.3以下。考虑到渣中还含少量Al2O3、MnO等，能够适当扩大该三元系液相区范围，因此为使炉渣充分熔化，炉渣碱度不应超过1.5。

 

图4[11]为1400℃下CaO-SiO2-FeO系黏度值(Pa·s)，可以看到，在脱磷阶段炉渣氧化铁质量分数9%～15%范围，当碱度在0.82～1.5范围时，炉渣具有较低的黏度(0.2～0.4Pa·s)，而当碱度超过1.5时，等黏度线变得密集，黏度值随碱度增加而快速提高，炉渣流动性显著变差。

图5为迁钢公司210t转炉和首秦公司100t转炉采用SGRS炼钢工艺，脱磷阶段结束后倒渣量与炉渣碱度的关系。可以看到，倒渣量随碱度降低而增加，当脱磷阶段炉渣碱度控制在1.5左右时，迁钢210t转炉倒渣量可大于8.0t，首秦100t转炉倒渣量可多于5.0t，保证了SGRS工艺顺利稳定运行。

为了使炉渣具有良好流动性，还须对MgO质量分数进行严格控制。图6为210t转炉脱磷阶段结束倒渣量与渣中MgO质量分数关系，当将MgO控制在7.5%以下时，倒渣量可在8t以上，能够满足SGRS稳定运行要求，为此规定对脱磷阶段炉渣MgO质量分数按低于7.5%控制。这一MgO质量分数控制目标低于常规工艺初期渣MgO控制目标值，采用后并未发现对炉龄有不利影响。

采用了以上所述较低碱度和MgO质量分数渣系后，基本上解决了倒渣这一影响SGRS工艺稳定运行的关键难题。目前，迁钢210t转炉脱磷阶段倒渣量在6.0～12.5t(铁水[Si]质量分数变化影响)，倒渣时间在4.0～5.0min；首秦100t转炉脱磷阶段倒渣量在4.0～8.0t，倒渣时间在3.0～4.5min。

2.2 脱磷阶段高效脱磷工艺技术

采用SGRS炼钢工艺，由于所留炉渣中已含1.5%以上P2O5，而且为使炉渣流动性良好以快速足量倒渣，脱磷阶段必须采用较低碱度渣系，脱磷阶段脱磷难度显著加大。而如果在脱磷阶段不能够充分脱磷，势必加重脱碳阶段的负担，严重时会造成终点钢水[P]不合格而必须进行后吹、补吹。由(2)式给出的脱磷反应平衡常数式和高碳铁液中[P]的活度相互作用系数[12]、渣中P2O5活度系数[10]，可得到磷在渣/铁间分配比的计算式(3)，式中N(P2O5)为渣中P2O5克分子浓度，a[O]为铁液中氧活度。

在SGRS炼钢工艺的脱磷阶段，由于[C]质量分数高(3.3～3.8%)，铁液中氧的活度a[O]由[C]控制。由(4)和(5)式[2]给出的[C]-[O]反应平衡常数计算式和相关的活度相互作用系数eCC[11]，计算得到的1330～1380℃范围铁液中氧的活度仅为0.00010～0.00015，将其代入(3)式计算得到的磷分配比(N(P2O5)/w([P])2)在10-5数量级，表明脱磷阶段在金属熔池内部脱磷反应基本不能进行。

但是，氧气转炉由于采用顶吹氧，即便铁液碳质量分数高，也可通过调整枪位、供氧速率等将渣中氧化铁控制在较高质量分数范围(8%～15%)，进而将渣/铁界面氧活度控制在较高水平。

(7)式[2]和(8)式为(6)式所示Fe-O反应的标准自由能和铁液中氧活度与温度和炉渣氧化铁活度的关系，将(8)式代入(3)式，并取脱磷阶段铁水和炉渣的组成以及相关组元的活度数据[11](f[C]、a(FeO))等，可计算出在炉渣氧化铁含量为8%～15%情况下，磷的分配比(N(P2O5)/w([P])2)在165左右，表明在渣/铁界面脱磷反应可以进行。

由上述分析可知，采用SGRS工艺在脱磷阶段高效脱磷的关键是：

①加强金属熔池搅拌，促进熔池内部[P]向渣/铁界面传输；

②通过调整供氧或加入铁矿石、氧化铁皮等提高渣中氧化铁活度。

为保证较长的底吹元件寿命，国内顶底复吹转炉大多采用较低的底吹搅拌强度，迁钢公司、首秦公司炼钢转炉实际底吹强度在0.03～0.06m3/(min·t)。针对底吹搅拌弱的问题，为了提高SGRS工艺脱磷效率，开发了脱磷阶段高效脱磷技术，主要特点如下：

1)采用了低枪位、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。

2)针对低枪位、高供氧速率吹炼引起的渣中氧化铁质量分数降低问题，增加了铁矿石加入量和加入批次，以在加强熔池搅拌同时，使渣中能够保持足够氧化铁质量分数。

3)采用添加小粒石灰，合理控制炉渣碱度和MgO质量分数(防止碱度、MgO质量分数过高)等方法，加快脱磷阶段渣料熔化，促进脱磷反应。

图7和图8分别为氧枪枪位和炉渣FetO质量分数对脱磷阶段结束[P]质量分数的影响，可以看到，采用较低枪位和高强度供氧，由于熔池搅拌显著加强，尽管炉渣FetO质量分数降低至9.5%附近，脱磷效率非但没有降低，反而有较大幅度提高。

采用上述高效脱磷工艺，在铁水磷质量分数为0.075%左右情况下，脱磷阶段结束可将[P]平均降低至0.029%左右，脱碳阶段终点钢水[P]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外绝大多数钢种对磷质量分数的控制要求。

2.3 液态终渣快速固化技术

采用“留渣+双渣”炼钢工艺，对上炉留在炉内的液态渣必须加以固化，才能确保装入铁水时不发生激烈喷溅，引发重大安全事故。迁钢公司在采用SGRS工艺后，曾采用加入多量石灰、白云石或废钢直接冷却对液态炉渣进行固化的方法，但发现存在以下问题：

①如固化炉渣用石灰加入量多(包括白云石)，会造成脱磷阶段炉渣碱度和MgO质量分数过高，导致倒渣困难；

②如采用废钢对液态渣进行冷却固化，由于废钢尺寸不均衡，常发生炉内废钢“搭棚”情况，炉底液态渣不能被充分固化，存在安全隐患。

通过大量试验，开发了将溅渣护炉与炉渣固化相结合的液态终渣快速固化工艺，其主要特点为：①上炉出钢后立即向炉内液态渣吹入氮气，将部分炉渣溅至炉衬表面直接固化；②吹入大量氮气使炉底液态渣快速降温，渣中析出大量高熔点相(3CaO·SiO2、2CaO·SiO2等)，形成固态高熔点相与残余液态“RO相”(FeO-MnO-CaO系固溶体)共存的炉渣体系(图9)；③溅渣结束后向炉内加入少量石灰、白云石，目的是与残余液态“RO相”作用使其快速固化。为此在加入石灰、白云石后，还须前后倾动转炉使加入的石灰、白云石与残余液态渣快速混合。

采用上述液态终渣快速固化技术后，绝大多数炉次炉渣固化操作时间控制在5.5min以内，在采用SGRS炼钢工艺生产的6万多炉次中，未发生任何铁水喷溅事故。

2.4 SGRS工艺快速生产技术

采用SGRS炼钢工艺，与常规冶炼工艺相比，增加了液渣固化和脱磷阶段结束倒渣操作时间。为了不降低产能，不影响“转炉—精炼—连铸”工序周期匹配，必须加快SGRS工艺过程，对此采取了以下主要对策：

①采用高供氧强度吹炼，将脱磷阶段吹炼时间控制在4～5min；②为了加快倒渣，在脱磷阶段临近结束时提高枪位，增加渣中表面活性组元氧化铁含量，以加强炉渣泡沫化程度；③开发了SiO2+C为主要成分的抑渣剂，用于抑制泡沫渣从渣罐中溢出；④采用了计算机生产组织调度辅助系统，利用“甘特图”对“转炉―精炼―连铸”生产进行组织调度。

迁钢公司一炼钢分厂和首秦公司炼钢厂均拥有3座转炉，常用2台板坯连铸机，“炼钢―精炼―连铸”生产周期匹配采取图10所示模式，即3座转炉向2座精炼炉和2台铸机供钢。由于转炉炼钢能力富余，在采用SGRS炼钢工艺后，尽管转炉炼钢生产周期有所增加，但由于连铸生产并未受到影响，钢产量没有减少。

迁钢公司二炼钢分厂拥有2座转炉和2台板坯主机，“炼钢―精炼―连铸”生产周期的匹配采用图11所示模式。根据迁钢公司产品分工，二炼钢分厂主要生产窄断面铸坯，采用SGRS炼钢工艺后，转炉炼钢周期有所延长，但仍能按时向2台窄断面铸机供应钢水，钢产量也没有降低。

表1为迁钢公司210t转炉常规工艺炼钢与SGRS工艺炼钢的作业时间对比，可以看到，采用SGRS炼钢工艺，总冶炼周期较常规工艺增加了大约4min。

3 结论

1)首钢迁钢公司5座210t复吹转炉和首秦公司3座100t复吹转炉采用了“留渣+双渣”转炉炼钢新工艺，转炉炼钢石灰消耗减少了47%以上，轻烧白云石消耗减少了55%以上，渣量降低30%以上，获得了显著经济效益。

2)脱磷阶段通过采用低碱度(w(CaO)/w(SiO2)∶1.3～1.5)和低MgO质量分数(≤7.5%)渣系，形成流动性良好和适度泡沫化炉渣，解决了“留渣+双渣”炼钢工艺快速足量倒渣和渣中金属铁质量分数高这两大难题。

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，利用顶吹氧气流加强金属熔池搅拌以促进脱磷，脱磷阶段结束时[P]平均降低至0.029%左右，脱碳阶段终点[P]降低至0.0096%左右，满足了绝大多数钢种对磷质量分数控制要求。

4)通过加快生产速度，尤其是对“炼钢—精炼—连铸”生产进行合理组织调配，采用“留渣+双渣”炼钢工艺后，钢产量没有减少。

参 考 文 献：

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