铁水“三脱”的工艺特点及对转炉冶炼的影响

发表时间：[2007-11-03]　　作者：　　编辑录入：admin　　点击数：2422

　铁水预处理工艺兴起于20世纪70年代。欧美的钢厂由于原料中含磷比较低因此铁水预处理主要是围绕铁水的脱硫。而日本的钢厂铁水中磷含量相对较高，而且当时面临着高质量的废钢资源比较缺乏的问题，所以相继开发了铁水的“三脱”工艺，即铁水预处理脱硅、脱磷和脱硫。随着市场对高纯净度钢水的需求日益增长，铁水预处理得到了迅速的发展。目前日本的许多钢厂己做到铁水100%预脱硫、80%以上预脱磷。

　在铁水“三脱”的工艺条件下，铁水的脱硅、脱磷和脱硫从转炉冶炼负荷中分化出来，转炉的冶炼功能进一步简化为脱碳和升温。对于转炉炼钢工序，带来以下好处；①提高钢水纯净度，大批量生产低磷低硫钢成为可能；②降低全工序的成本，如合金和耐材的消耗；③由于转炉操作的简化和标准化，转炉产能提高；④成分命中率提高，工序更易于调度。

　宝由钢铁股份公司炼钢厂二转炉分厂(以下简称宝钢二转炉分厂)的铁水预处理装置投产于1998年3月，具有2个预处理工位，可以进行铁水的“三脱”或单脱硫处理。铁水“三脱”投产以来，为宝钢的纯净钢冶炼和降低成本，发挥了积极作用。

1 铁水“三脱”工艺简介

　宝钢二转炉分厂铁水预处理能力为335万t，其中“三脱”比设计为30%。配合铁水脱磷的要求，在高炉的出铁摆嘴处对铁水先行脱硅。脱硅后的铁水经鱼需型铁水罐运输至预处理站进行脱磷前扒渣。扒渣后的铁水相继喷吹入脱磷和脱硫粉剂。脱磷粉剂为烧结矿、石灰和萤石复合粉剂，脱硫则采用苏打粉。只预处理脱硫的铁水则无需高炉脱硅和前扒渣，粉剂为石灰或电石粉。表1为“三脱”处理的相关参数。

表1　铁水“三脱”处理参数

处理工位	2个
年处理能力	335万t，“三脱”比：30%（设计值）
鱼雷型铁水罐公称容量	320t
铁水装入量	平均275t（脱硫）；小于250t（三脱）
铁水温度	高于1400℃（三脱）
铁水包上部净空	1000mm（脱硫），大于1200mm（三脱）
脱硫剂	电石粉或石灰
“三脱”粉剂	石灰—烧结矿粉—萤石（脱磷），苏打（脱硫）
喷吹载气种类	氮气，流量：10～13m³/min
粉剂喷吹速度	脱磷剂：400kg/min；苏打：120～150kg/min
气氧（脱磷）	比例：20%～30%；流量：10～15m³/min

2 铁水“三脱”处理结果

2.1 铁水“三脱”处理量

　宝钢的炼钢铁水己接近100%预脱硫，但铁水脱磷的比例较低。图1为宝钢铁水“三脱”投产以来预脱磷的年度处理量，虽脱磷量逐年提高，但仍然没有达到脱磷比30%的设计值，这主要是由于在目前宝钢的生产条件下，高炉生产的铁水量相对于2个转炉分厂和1个电炉分厂产量不足，炼钢希望尽可能多地加入废钢，而预处理脱磷后铁水温降比较大，会降低废钢的加入量；另外低磷钢的产量比较低，对“三脱”铁水的需要较少。

图1　脱磷铁水的年度处理量

2.2 脱磷处理前后的铁水成分和温度

　由于硅远比磷容易氧化，铁水脱磷前必须进行预脱硅，w(Si)脱除至0.15%以下才能保证脱磷的正常进行。由于宝钢高炉采用了低硅冶炼，加之高炉脱硅工程的处理效果也日趋稳定，宝钢铁水脱磷前的硅含量逐年降低(图2)，保证了铁水脱磷的正常进行。但与此同时，由于低硅冶炼造成铁水脱磷前的温度有所降低，铁水温度由1999年的1398℃降至2003年的1375℃。

图2　脱磷前铁水硅的质量分数和铁水温度

　脱磷处理后铁水的磷硫含量和铁水温度如图3所示。铁水脱磷后w(P)在0.025%左右，处理后的铁水w(S)则稳定在0.005%以内，表明苏打同时脱磷脱硫，有很强的脱硫能力。铁水温度则为1260~1270℃。处理温度降约为1.30℃左右，需要进一步降低处理温降。“三脱”处理过程中取样分析表明，在喷吹脱磷剂和苏打脱硫剂两个阶段，都同时进行脱磷脱硫反应，处理温度降主要来自脱了磷阶段(图4)。

图3　 “三脱”处理后铁水的磷、硫质量分数和温度

图4　不同的喷吹阶段铁水温度和磷、硫质量分数的变化

2.3 影响铁水脱磷的因素

　宝钢铁水预处理脱硫的能力很强，目前己经全量脱硫。而铁水脱磷还不尽如人意。主要的问题在于：脱磷粉剂单耗较高，粉剂利用率却比较低，造成处理温降大，处理时间长。

　图5至图7为几个相关指标对铁水脱磷的影响。由图5可见，处理前铁水的硅含量对脱磷的影响是很显著的。硅的质量分数较高时(＞0.15%)，根据选择氧化原理硅先行氧化，氧化产物二氧化硅降低了熔渣碱度，对于脱磷是不利的。而w(Si)小于0.10%时，脱磷率增大。图6表明，增加粉剂单耗可以提高脱磷的效率，但单耗提高则会使铁水温降和铁损增大。

图5　处理前硅质量分数对脱磷率的影响

图6　粉剂总单耗和脱磷率的关系

图7　铁水“三脱”处理后温度与脱磷率的关系

　在粉剂单耗中，以脱磷粉剂单耗为主，每吨铁约为40kg，因此提高脱磷粉剂的利用率是问题的关键。从化渣角度，由于铁水中的硅含量逐年降低(图2)，所以可以适当降低脱磷剂中石灰的用量，使渣中保持适中的碱度，而提高渣中氧化性，对改善成渣，提高脱磷效率是有好处的。按照NKK的经验，脱磷渣中碱度以4~5最佳，碱度高于5时，脱磷则恶化。

　温度对脱磷的影响如图7所示。低温有利于脱磷率的提高，这和热力学原理是一致的。这看来是一个矛盾：一方面要求铁水保持较高的温度，以便有足够热量来熔化废钢，另一方面较低的温度可以提高铁水的脱磷率。从生产实绩来看，缩小温降不仅对后步工序带来好处，对于提高反应的动力学条件也是有利的。因此，必须采取措施减少处理温降。2.4 铁水温降的控制脱磷过程的温降主要来自喷吹的粉剂的物理吸热理论计算值见表2。图8示出了铁水温降随粉剂单耗的增加而升高的情况。减少温度降的主要措施是提高喷吹的气体氧比例，每吨铁水喷吹1m³/min的气体氧(标准状态下)，铁水温度约提高27℃。但气体氧比例过大，主要的问题是熔渣容易产生泡沫，使脱磷无法进行。尽管可以通过提高熔渣碱度以抑止泡沫的产生，但碱度过高对脱磷反应很不利，在实际生产中是很难控制的。所以气氧比一般控制在30%左右。图9是气体氧比和铁水处理温降的关系。

表2　脱磷粉剂的物理吸热计算值

粉剂组成	每吨铁用1kg粉剂的温降/℃	每吨铁粉剂单耗/kg	温降/℃
烧结矿	1.63	24.4	41.2
石灰	1.63	15.5	25.3
萤石	2.46	1.6	3.9
苏打	3.13	8.5	26.6

图8　粉剂单耗和铁水“三脱”处理温降的关系

图9　宝钢铁水“三脱”温降与气氧比的关系

3 “三脱”铁水的冶炼

3.1 转炉少渣冶炼

　经“三脱”处理后铁水中硅含量降至痕迹，磷含量也大幅度下降，大大减轻了转炉冶炼的负荷，转炉的渣量因此可以大为降低。由于脱磷负荷很小，前期化渣脱磷的时间可以缩短，尽快进入脱碳升温阶段，转炉的产能将因此提高。主要的问题在于“三脱”铁水中硅含量为痕迹，对转炉吹炼化渣作业而言，开吹后势必前期碱度过高导致起渣慢、成渣难，转炉必增加额外硅源和助熔剂化渣。表3对转炉少渣吹炼的试验数据与普通单脱硫铁水常规吹炼实绩(同期生产实绩数据)进行了分类比较。由此可见，渣量、铁损和氧气单耗均有不同程度的降低。

表3　少渣吹炼与常规吹炼的部分指标对比（吨钢用量kg）

项目	生石灰	轻烧白云石	铁矿石	硅石	萤石	渣量	铁损量	氧气单耗*/m³
常规吹炼	31.0	20.0	29.0	0	0.03	90	19.0	50.7
少渣吹炼	11.3	6.3	12.8	0.9	1.03	30	6.3	48.9

* 在标准状态下

3.2 锰矿还原

　锰的氧化及还原是钢铁冶炼过程的基本反应之一，氧气转炉内氧化锰的还原反应为：

　　　 (MnO)＋Fe(l)＝(Mn)＋(FeO)

　在于渣冶炼的条件下，由于脱磷负荷较轻，对于含碳量较高的钢种可以进行抓碳法冶炼，炉渣的氧化性为此大为降低，对于锰矿的还原是极为有利的。此外，由于渣量较少，在锰矿加入量一定的条件下，与常规冶炼相比，可以获得较高的锰矿收得率。

　在300 t转炉于渣条件下进行了锰矿还原试验，试验用锰矿的品位为34%~36%。从试验结果来看，转炉在于渣条件下吨钢加锰矿己经可以做到最大加入量达8.7kg，最好的锰矿收得率可达到67%，在转炉吹止w(C)大于0.10%的情况下，锰的收得率大于50%。

3.3 纯净钢的生产

　图10为在铁水“三脱”的条件下，宝钢铁水温度和成分在高炉至转炉过程中的变化。由于宝钢的铁水预处理装置可以根据冶炼钢种的需要进行脱磷脱硫处理，加之炉外精炼装置，使得宝钢可以对特定杂质元素进行全工序控制，具备了大批量生产纯净钢的能力。以管线钢和IF钢为例，2个钢种均对钢水纯净度有很高要求，IF钢要求钢水有极低的碳、氮含量，管线钢则对硫、磷、氧、氮均有要求。由于宝钢铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼和连铸工序不同的冶金功能，对杂质元素的控制被合理分配在不同的工序进行重点控制。以管线钢的硫元素为例，分别在铁水预处理和钢包炉内进行脱硫处理，成品中的硫的质量分数可以稳定地控制在20×10^-6以内。IF钢的碳元素则从转炉吹炼控制停吹碳和钢中自由氧开始，利用RH真空脱碳将w(C)脱至20×10^-6以内，并在随后的连铸工序采用超低碳中间包覆盖剂和保护渣以及耐材以减少钢液增碳。表4列出了上述2个钢种的杂质成分。

图10　宝钢铁水成分和温度在高炉和转炉之间的变化

表4　宝钢管线钢和IF钢杂质成分

钢种	w_B/10^-6
钢种	[C]	[P]	[S]	T.[O]	[N]
管线钢		≤90	≤20	≤25	≤35
IF钢	≤25			≤30	≤20

4 结论

　 (1)宝钢铁水“三脱”的工艺实绩表明，降低脱磷处理前硅含量有利于脱磷。提高粉剂单耗，脱磷效果随之改善。但粉剂单耗过高则会引起较高的铁水温降。减少温降主要提高控制气氧比进行调节。

　 (2)采用“三脱”铁水可以显著降低转炉吹炼的渣量，提高锰矿的还原收得率。由于铁水“三脱”，宝钢己经具备了大批量生产纯净钢的能力。　　　

　 (3)通过控制处理后渣碱度对脱磷剂配比组成进行优化，将是今后的重点研究内容。