氧气转炉“留渣+双渣”炼钢工艺技术131210王新华

1氧气转炉“留渣+双渣”炼钢工艺技术王新华2012年12月钢铁工业是重要基础产业，近十多年来发展迅速，其中尤以中国钢铁工业的崛起令人瞩目；钢铁生产在资源、能源消耗和炉渣等废弃物排放方面存在很大问题；氧气转炉炼钢(产钢比>91%)：为去除磷、硫杂质等需要，炼钢过程必须加入石灰、白云石等造渣；全国氧气转炉年产钢6.45亿吨以上，每年消耗4400万吨以上石灰石和1000万吨以上白云石，产生6200万吨以上炉渣。一、背景和意义2氧气转炉炼钢示意图石灰石资源3石灰石和白云石均为重要的不可再生资源，我国石灰石资源并不富裕；据北京市规划设计院2007年资料，已探明石灰石矿储量(750亿吨)，按目前石灰石耗量仅可用45年；此外，大量开采石灰石、白云石还会加剧植被破坏、水土流失，对生态环境造成不利影响。首钢石灰石矿山转炉脱磷预处理+转炉脱碳炼钢日本钢铁企业开发了“转炉脱磷预处理+转炉脱碳炼钢”工艺（LD-ORP，SRP，H炉）：高效经济生产洁净钢（包括低磷、超低磷钢）；缩短炼钢生产周期；降低40%以上石灰消耗和30%以上渣量(早期称为LessSlag炼钢法)。需要专门脱磷转炉(新建钢厂或炼钢能力有较大富余钢厂)。480年代日本开始开发少渣炼钢工艺5T.Shima,6thInternationalIronandSteelCongress,ISIJ,Oct.21-26,1990,Nagoya,Vol.3,1新日铁君津钢铁厂开发的ORP炼钢工艺90年代后期开发“转炉脱磷-转炉少渣炼钢”工艺6渣量比较7S.Kitamura,etal.,9thChina-JapanSymposiumonScienceandTechnologyofIronandSteel,2001,Xian工艺A：传统炼钢工艺；工艺B：铁水罐脱磷预处理；工艺C：转炉铁水脱磷预处理；工艺D：转炉铁水预处理，80%脱碳转炉渣返回脱磷转炉利用。新日铁开发“MURC”炼钢工艺8

小川雄司，転炉を用いた脱りん脱炭連続処理プロセスの開発，鉄と鋼，87(2001)，p21-28岩崎正樹，松尾充高，製鋼技術開発の歩みと今後の展望，新日鉄技報，2011，第391号，p88-93君津製鉄所(950万吨)：一炼钢厂：220t转炉×3二炼钢厂：300t转炉×2大分製鉄所(900万吨)：炼钢厂：380t转炉×3名古屋製鉄所(550万吨)：一炼钢厂：160t转炉×2(脱P、脱S)；二炼钢厂：270t转炉×3八幡製鉄所(350万吨)：一炼钢厂：170t转炉×2三炼钢厂：350t转炉×3室蘭製鉄所(特殊钢棒线材)。新日铁炼钢工厂9基本原理：温度对脱磷反应影响102[P]+5[O]=P2O5(l) △G0=-832384+632.65T前期温度(~4min)：

1320~1380℃。冶炼终点温度：1630~1680℃。冶炼前期温度较后期低300℃左右，脱磷反应平衡常数较后期高出4个数量级以上。新工艺基本原理11冶炼结束炉渣在高温下已基本不具备去磷能力。下炉吹炼前期，由于温度低，所留炉渣重新具备去磷能力。在温度升至对脱磷不利前尽量将炉渣倒出，加入渣料进行第二阶段吹炼。MURC工艺能够显著降低石灰耗量12T.Matsumiya,etal,10thJapan-ChinaSymposiumonScienceandTechnologyofIronandSteel,2004,Chiba新日铁MURC工艺相关报道小川雄司，矢野正孝，北村信也，平田浩，転炉を用いた脱りん脱炭連続処理プロセスの開発，鉄と鋼，2001，Vol.87，No.1，p21-28K.Kume,K.Yonezawa,M.Yoshimi,H.HondoandM.Kumakura,CAMP-ISIJ,2003,Vol.16,p116T.MatsumiyaandM.Ichida,RecentProgressandTopicsinIron-andSteelmakingTechnologyinJapan,The10thJapan-ChinaSymposiumonScienceandTechnologyofIronandSteel,Nov.18-19,2004,Chiba,p1-11K.Morita,M.Kumakura,T.WashizuandK.Kume,EfficiencyPromotionofRefiningProcessinNipponSteelCorporation,The4thInternationalCongressontheScienceandTechnologyofSteelmaking,Oct.6-8,2008,Gifu,p253-256Y.UeshimaandK.Saito,RecentAdvancesandTopicsofIron-andSteel-makingTechnologyinJapan,The12thJapan-ChinaSymposiumonScienceandTechnologyofIronandSteel,Oct.17-19,2010,Nagoya,p11-18岩崎正樹，松尾充高，製鋼技術開発の歩みと今後の展望，新日鉄技報，2011，第391号，p88-9313新日铁8t转炉试验14小川雄司，転炉を用いた脱りん脱炭連続処理プロセスの開発，鉄と鋼，2001，Vol.87，No.1，p21-28石灰消耗随连续炉次变化（计算）15小川雄司，転炉を用いた脱りん脱炭連続処理プロセスの開発，鉄と鋼，2001，Vol.87，No.1，p21-28新日铁对LD-ORP和MURC工艺方法评价16新日铁对两种炼钢工艺方法评价17新日铁对两种炼钢工艺方法评价18国内“留渣+双渣”工艺应用情况上世纪60~70年代：小转炉、侧吹转炉；高磷含量铁水；目的：提高脱磷效率（早成渣，增加渣量）。近年来三明钢厂试验采用MURC工艺：目的：促进脱磷（厚板磷含量控制要求严）；未能解决倒渣量不足、倒渣含铁珠量多的难题；报道很少。19首钢转炉“留渣+双渣”工艺试验研究2010年开始，在迁钢五座210t复吹转炉和首秦公司三座100t复吹转炉，对“留渣+双渣”炼钢工艺开展试验研究；开发了终渣快速固化、炉渣物性控制、高效脱磷、快速足量倒渣、吹炼稳定控制、干法除尘与煤气回收、“转炉-精炼-连铸”生产组织与周期匹配等关键技术；根据该工艺能够大幅度减少炼钢渣量的特点，命名为SGRS工艺（SlagGenerationReducedSteelmaking）。20SGRS工艺21出钢留渣液态渣固化确认固化装入废钢脱碳阶段中间倒渣脱磷阶段装入铁水主要目的：降低石灰白云石消耗，减少渣量，绿色钢铁制造；大规模应用（迁钢、首秦）；不了解新日铁MURC工艺技术细节，主要依靠自主开发研究。与传统“双渣”、“留渣兑铁”工艺不同与传统“双渣”工艺不同：“双渣”工艺：主要目的：生产低磷钢；石灰消耗和渣量多于常规单渣工艺。SGRS工艺：主要目的：降低石灰、钢铁料等消耗，减少渣量；石灰消耗和渣量少于常规单渣工艺。与传统“留渣兑铁”工艺不同：传统留渣兑铁：液态渣条件下兑铁，安全隐患大。SGRS工艺：液态渣固化后兑铁，无安全隐患。SGRS工艺应用情况迁钢和首秦公司采用SGRS工艺产钢比率分别达到了79.1%和81.1%；吨钢石灰消耗分别降低了47.3%和41.1%(迁钢降低至22.0kg/t，首秦降低至37.2kg/t)；轻烧白云石消耗分别降低了55.2%和56.6%(迁钢降低至8.0kg/t，首秦降低至8.2kg/t)；转炉炼钢渣量减少30%以上；钢铁料消耗分别降低了6.07kg/t和6.31kg/t。23技术难度：冶炼周期延长(影响“转炉-精炼-连铸”工序间匹配；降低钢产量）；难以快速、足量倒渣(炉内渣量蓄积导致循环中断；倒出炉渣含大量金属铁珠)；脱磷难度增大(初始渣P2O5含量高；国内转炉底吹弱)；过程控制精度降低(改为两阶段吹炼；炉内渣量变化)；留渣装铁水存在安全隐患(所留炉渣-铁水剧烈反应)。二、关键工艺技术24采用“留渣+双渣”工艺，冶炼周期增加4~5min，产量是否因此降低？拉速是否降低？连浇炉数是否减少？新日铁大分厂：缩短炼钢辅助时间；增大转炉容量至（320t380t）。对炼钢产能影响？25脱磷阶段采用1.3~1.5低碱度渣系(足量稳定倒渣技术)：渣中不熔物与粘度控制；炉渣合适泡沫化控制；快速倒渣。弱底搅、低碱度渣条件下高效脱磷工艺技术（脱磷阶段）：低碱度渣(1.3~1.5)脱磷技术；低枪位、高供氧强度脱磷工艺技术。液态终渣快速固化技术：结合溅渣护炉对液渣快速冷却技术；渣中残余“RO”相快速固化技术。开发关键工艺技术26高效快速炼钢生产工艺技术：脱磷阶段高供氧强度吹炼工艺；快速倒渣技术；新炼钢工艺下高效生产组织、调度技术。“留渣+双渣”炼钢工艺过程控制模型：脱磷与脱碳阶段炉渣控制模型；新炼钢工艺热平衡、氧平衡计算模型；动态终点控制模型；新炼钢工艺专家知识库。脱磷阶段煤气回收与干法除尘防“泄爆”技术：脱磷阶段煤气回收技术；干法除尘防“泄爆”技术。开发关键工艺技术271、脱磷阶段低碱度渣系开发与炉渣物性控制采用SGRS炼钢工艺，脱磷阶段结束后能否快速倒出足够量炉渣具有非常重要的意义；如倒渣量不足：（1）炉内渣量逐炉蓄积，碱度不断增加，倒渣愈加困难，最后导致SGRS工艺无法接续，循环被迫停止；（2）炉渣流动性逐炉变差，渣中裹入金属铁珠量大，钢铁料消耗增加；（3）倒渣增加冶炼时间，渣量波动对吹炼过程控制稳定性造成很大影响。迁钢和首秦公司采用SGRS工艺后相当长时间里，遇到了脱磷阶段倒渣量不足和渣中裹入铁珠量大(15~20%)造成的严重困难。28倒渣量影响计算29210t转炉铁水[Si]：0.35%脱磷阶段碱度：1.5脱碳阶段碱度：3.5迁钢在铁水[Si]含量0.22-0.40%范围，脱磷结束倒渣量应达到6.0-12.5吨；首秦公司在铁水[Si]在0.40-0.60%条件下，倒渣量应达到4.0-8.0吨。炉渣流动性控制能否快速倒出足量脱磷炉渣，主要取决于对炉渣流动性的控制，为此必须做到：炉渣充分熔化，不含未溶石灰颗粒以及方镁石(MgO)、2CaOSiO2等高熔点析出相；控制炉渣组成使其具有较低粘度值；采用较低枪位，加强搅拌促进化渣；适当提高脱磷阶段温度(对脱磷会造成一定不利影响)。3031CaO-SiO2-FeO系相图CaO/SiO2：1.3CaO-SiO2-FeO系粘度32碱度：1.2左右；较低FeO含量下，较低炉渣粘度。碱度超过1.5，炉渣粘度急剧升高。脱磷炉渣碱度对倒渣量影响33严格控制MgO含量34210t转炉脱磷阶段熔池温度对倒渣量影响35实际倒渣效果通过控制炉渣物性，基本解决了倒渣这一影响SGRS工艺稳定运行的关键难题；迁钢210t转炉脱磷阶段倒渣量在6.0~11.0t(铁水[Si]含量变化影响)，倒渣时间在4.0~5.0min；首秦公司100t转炉脱磷阶段倒渣量在4.0~7.0t，倒渣时间在3.0~4.5min；脱磷渣“铁珠”含量大幅度降低（<1.5%）。362、弱底搅、低碱度渣条件下高效脱磷技术采用SGRS工艺，脱磷阶段难度增加：初渣中已含1.5%以上P2O5(上炉留渣所致)；为了快速足量倒渣，必须采用较低碱度渣系（1.3~1.5）。如脱磷阶段不能够充分脱磷，势必加重脱碳阶段脱磷负担，严重时会造成终点[P]不达标而后吹、补吹；脱磷阶段能否高效脱磷对SGRS工艺具有非常大的影响。37脱磷阶段脱磷反应机理金属熔池内部：a[O]为[C]所控制：温度：1330~1380℃；[C]：3.3~4.5%；a[O]：0.0001~0.00015。熔池内部脱磷反应基本不能进行。渣/铁界面：可通过氧枪枪位、供氧速率等将渣中FetO控制在8~18%；脱磷反应能够进行：

382[P]+5(FeO)=(P2O5)+5Fe脱磷阶段脱磷反应机理脱磷反应机理：熔池内部[P]向渣/铁界面运动传输；在渣/铁界面发生脱磷反应：

2[P]+5(FeO)=(P2O5)+5Fe高效脱磷的关键：加强铁液熔池搅拌，促进熔池内部[P]向渣/铁界面传输；通过调整供氧或加入铁矿石提高渣中FetO活度。39国内转炉底吹搅拌弱目前尚不得知新日铁MURC工艺的底吹搅拌参数，但日本钢厂转炉脱磷预处理冶炼均采用强搅拌工艺(0.25~0.4Nm3/min/t)；国内复吹转炉底吹搅拌强度较低，迁钢、首秦公司转炉实际底吹强度在0.03~0.06Nm3/min/t。40住友和歌山钢厂脱磷转炉终点[P]41Fig.8.Therelationshipbetweenbasicityand[P]aftertreatmentT.Ueki,etal.,ToshiyukiUeki,etal.,9thChina-JapanSymposiumonScienceandTechnologyofIronandSteelMaking,2004,Chiba高效脱磷技术采用低枪位、高供氧强度吹炼，通过加强顶吹氧气流对熔池搅拌，促进[P]向渣/铁界面传输：氧枪较常规转炉前期枪位降低100~200mm；供氧强度保持在3.0Nm3/min/t以上。增加铁矿石加入量和加入批次，在加强熔池搅拌同时使渣中含足够FetO含量(9%以上)；采用添加小粒石灰，合理控制炉渣碱度和MgO合量(防止碱度、MgO含量过高)等方法，加快脱磷阶段渣料熔化，促进脱磷反应。42氧枪枪位对脱磷阶段[P]含量影响43炉渣FetO对脱磷阶段[P]含量影响4445210t转炉采用SGRS工艺不同阶段[P]含量分布脱磷阶段结束[P]降低至0.0293%，脱磷率平均为59.6%，超过了常规转炉吹炼前期脱磷率;由于脱磷阶段脱磷效率高，脱碳阶段终点[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(如抗酸管线钢)外绝大多数钢种磷含量控制要求。3、液态终渣快速固化技术采用SGRS工艺，对炉内所留的上炉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；新日铁对MURC工艺的报道提及到液渣固化问题，但对技术细节未有介绍；日本的钢厂不采用溅渣护炉工艺，新日铁很可能采用了向炉内加入多量石灰或直接用废钢冷却固化炉渣的方法；本研究对加入多量石灰或利用废钢对液态渣固化的方法进行了试验，发现存在以下问题：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含量过高，导致倒渣困难；如通过装入废钢对液态渣进行冷却固化，由于国内废钢尺寸不均衡，会发生炉内废钢“搭棚”情况(炉底液渣不能固化)，存在重大安全隐患。46SGRS工艺炉内液渣快速固化技术出钢结束后立即开始溅渣护炉操作，将部分炉渣溅至炉衬表面直接固化；由于吹入大量氮气，炉底液态渣温度快速下降，大量高熔点相由液态渣中析出(3CaOSiO2、2CaOSiO2等)，形成固态高熔点析出相与残余“RO”液相共存的炉渣体系；溅渣结束后向炉内加入少量石灰，如炉渣MgO低于目标值，也可添加少量轻烧白云石；添加少量石灰和白云石的目的主要是与渣中残余液态“RO”相作用，提高残余液渣CaO、MgO含量而使其快速固化；加入石灰、白云石后，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。47固化处理后炉渣能谱面扫描分析48采用以上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（包括溅渣护炉）控制在5.5min以内；在采用SGRS工艺生产的6万多炉次中，未发生任何铁水喷溅事故。4、SGRS工艺快速生产技术采用SGRS炼钢工艺，增加了液态渣固化和脱磷阶段结束倒渣操作，炼钢时间因此增加5~6min；为了不降低炼钢产能，影响“转炉-精炼-连铸”周期匹配，必须加快SGRS工艺过程；SGRS工艺快速生产技术主要包括：脱磷阶段高供氧强度吹炼工艺；快速倒渣技术；SGRS炼钢生产组织、调度技术。49脱磷阶段高供氧强度吹炼工艺日本钢铁企业在转炉脱磷预处理冶炼中采用较低供氧强度，脱磷转炉吹炼时间控制在8min左右，以获得良好脱磷效果；SGRS工艺脱磷阶段采用高供氧强度吹炼工艺，氧枪喷头、供氧强度均与常规转炉相同(马赫数2.0，供氧强度3.0~3.4Nm3/min/t）；为了减轻高速供氧对脱磷不利影响，开发了“先低后高”氧枪枪位控制模式，以加强熔池搅拌、快速成渣。采用小粒石灰、分批多量加入铁矿石等促进化渣、有利于脱磷措施；脱磷阶段时间缩短至4~5min范围，转炉炼钢总供氧吹炼时间控制在15min以内，与常规转炉吹炼时间基本相当。50快速倒渣技术采用“先低后高”氧枪枪位控制模式，在脱磷阶段临近结束时提高枪位，增加渣中表面活性组元FeO含量，提高炉渣泡沫化程度；研究开发快速倒炉倒渣模式：倒渣开始后一步即将炉体倾动至75~80位置；保持3~5秒后，再缓慢摇炉至近乎水平位置。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；为防止泡沫化炉渣从渣罐中溢出，开发了以C+SiO2为主要成分的专用抑渣剂。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。51“转炉-精炼-连铸”生产组织52转炉转炉转炉精炼炉铸机精炼炉铸机国内某钢厂转炉作业时间53“转炉-精炼-连铸”生产组织54转炉转炉转炉精炼炉铸机精炼炉铸机转炉“转炉-精炼-连铸”工序生产周期匹配缩短炼钢辅助作业时间；对“转炉-精炼-连铸”生产进行合理组织、调度：将转炉补炉、设备维修等安排在连铸浇次空隙时间；迁钢4台板坯铸机:浇铸窄断面铸坯时，采用“单炉对单机”模式；浇铸宽断面铸坯，采用“一座以上转炉对一台铸机”模式。首秦公司3台板坯铸机：原来即存在转炉容量偏小，必须采用3座转炉对2台铸机模式。采用SGRS工艺后，继续采用原生产组织模式。SGRS工艺总冶炼周期较常规转炉多大约4min。5556迁钢一炼钢厂与首秦炼钢厂的设备配置“3座转炉-2座精炼炉-2台铸机”生产匹配模式3座转炉能够满足两台铸机供钢，不影响拉速和连浇炉数，钢产率没有降低。57迁钢二炼钢厂设备配置“2座转炉-2座精炼炉-2台铸机”生产匹配模式迁钢二炼钢厂主要生产窄断面铸坯，2座转炉能够满足两台铸机供钢，不影响拉速和连浇炉数，钢产率也没有降低。迁钢SGRS工艺连续生产“甘特图”58SGRS工艺操作时间对比59常规转炉时间SGRS工艺时间溅渣护炉3'12"溅渣护炉4'25"装废钢1'29"装废钢1'30"装铁水2'31"装铁水2'32"吹炼14'28"脱磷阶段吹炼4'10"脱磷结束倒渣4'31"脱碳阶段吹炼10'8"副枪测定56"副枪测定57"出钢6'48"出钢6'48"倒渣30"倒渣－其它8'29"其它7'21"总计38'23"总计42'22"5、SGRS炼钢工艺数学模型在SGRS工艺试验研究初期，即高度重视工艺控制模型的研发工作；在渣罐车配置了称量装置，通过大量试验得到了影响炉内渣量的经验公式，并在此基础上开发了SGRS工艺控制模型；模型已在实际生产中以离线模式运行(指导操作)，吹炼终点控制一次成功率达到了90%左右；与首钢自动化信息技术公司合作，研究开发SGRS炼钢工艺全自动控制系统，预计在一年内可全面投入运行。60工艺模型构成脱磷阶段炉渣控制模型脱碳阶段炉渣控制模型SGRS工艺热平衡、氧平衡计算模型动态终点控制模型SGRS工艺专家知识库61SGRS工艺模型控制界面62难点：炉内渣量波动63脱磷结束倒渣60%脱磷结束倒渣40%第二阶段正常渣量： 12t（57kg/t）非正常炉次第二阶段最大渣量： 18t（85.7kg/t）计算选用：炉渣比热： 1250J/kg/℃钢水比热： 840J/kg/℃第二阶段炉渣升温： 13201680℃炉渣FetO含量：第一阶段： 12%第二阶段： 18%渣量波动对终点温度影响： -16.2℃渣量波动对氧气用量影响： +0.36Nm3/t炉内渣量波动造成影响646、脱磷阶段煤气回收与干法除尘防“泄爆”技术采用SGRS工艺，脱磷阶段吹炼时间在4.5min左右，由于必须保证煤气安全回收所需要的“前烧期”和“后烧期”，如采用常规转炉煤气回收工艺，脱磷阶段煤气回收时间很短；尚不知新日铁MURC工艺在脱磷阶段是否回收煤气，但日本的钢铁厂在转炉铁水脱磷预处理时（吹炼时间8min左右），不回收煤气；为了进一步提高SGRS工艺经济效益，首秦公司开发了SGRS工艺脱磷阶段煤气回收技术。65脱磷阶段回收煤气技术缩短“后烧期”时间：转炉烟气从炉口运行至煤气换向阀需要20~30s时间，为了多回收煤气，将后烧期时间从60s减少至30s，增加了30s回收煤气的时间。取消延迟响应时间：转炉煤气成分达标后，延时30s后才开始回收煤气。通过大量分析发现煤气CO浓度达标后，其含量总是呈上升趋势。据此取消了回收煤气延迟响应30s规定，增加了煤气回收时间。三通阀、水逆阀控制操作：为了保证SGRS工艺增加煤气时间后的安全性，对脱磷阶段煤气管路三通阀、水逆阀控制做了更严格规定。66首秦公司实现了SGRS工艺脱磷阶段回收煤气目标，脱磷阶段煤气回收时间平均为1.86min，可多回收14.9m3/t煤气。干法除尘防“泄爆”技术迁钢二炼钢厂采用干法除尘，采用SGRS工艺后遇到以下困难：脱磷阶段开吹时，由于熔池表面渣层厚，容易引起点火滞后而发生“泄爆”；脱磷阶段结束时炉气CO含量高，提枪后易发生“泄爆”报警；脱碳阶段开吹后立即生成大量CO易造成系统“泄爆”，因此必须降低氧气流量以控制炉气量；脱碳阶段开始时已有较厚渣层，采用低流量供氧容易发生点火不畅，大量O2进入管路造成“泄爆”；脱碳阶段由于渣料加入量减少，炉气温度升高，易发生蒸发冷却器出口温度报警而提枪的故障。67干法除尘防“泄爆”技术开发了蒸发冷却器事故喷水模式程序，实现了二次下枪蒸发冷却器喷水自动控制，消除了蒸发冷却器出口温度高报警；延长蒸发冷却器氮气吹扫时间，解决了脱磷阶段提枪后易形成爆炸性混合气体问题；氧气流量阀开度由30%调整为35%，解决开吹点火不畅问题；氧枪开氧点枪位由15.5m降低至13.73m；脱磷阶段供氧速率由700Nm3/min调整为吹炼1~3min时为700Nm