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马钢转炉冶炼深脱硫铁水的冶金效果分析

来源:2017高效、低成本、智能化炼钢共性技术研讨会论文集|浏览:|评论:0条   [收藏] [评论]

马钢转炉冶炼深脱硫铁水的冶金效果分析杨 芳 吴 明(马钢股份有限公司第一钢轧总厂,中国马鞍山 243000) 摘 要:对马钢转炉冶炼深脱硫铁水的工艺效果进行了阐述;采用深脱硫铁水冶炼,…

马钢转炉冶炼深脱硫铁水的冶金效果分析

杨  芳  吴  

(马钢股份有限公司第一钢轧总厂,中国马鞍山 243000

摘  要:对马钢转炉冶炼深脱硫铁水的工艺效果进行了阐述;采用深脱硫铁水冶炼,虽冷料比下降,但转炉可少渣冶炼、实现终点ws≤0.008%C-T命中率提高, 终点钢水活度氧含量稳定在556×10-6左右,吹损喷溅下降,石灰等散状料和钢铁料消耗控制在90kg/t钢及1104kg/t钢以下,解决了转炉脱硫需采用的高温、高碱度、大渣量、多次倒炉操作。

关健词:铁水深脱硫,转炉冶炼,冶金效果分析

Analysis on metrallurgical effect of refine deep desulphurization hot metal at converter in Masteel

WU  Ming

(NO.1 Steel makingRolling Plant of Maanshan IronSteel Co.,Ltd, Maanshan 243000, China)

Abstract: The present paper analyzes the process effect of refine deep desulphurization hot metal at converter in Masteel.Although the rate of cold material reduced,use this process can reduce converter slag amountachieve end point ws≤0.008%double hit rate for C-T  is heightenedend point oxygen content level off about 556×10-6、blowing and splash are reducedslag-making matieials such as lime and matallic material consumption are controlled below 90kg/t and 1104kg/t, the problem of converter desulphurization required high temperature high basicity great quantities of slag and muti tapping operation is solved.

Keywords: hot metal deep desulphurization, converter refineanalysis on metrallurgical effect

马钢第一钢轧总厂在开发汽车板、家电板、硅钢、管线钢等洁净钢种时, 要求转炉出钢硫含量必须小于0.008%以下,试验初期为实现此目标,主要依赖转炉脱硫而被迫采用多加石灰大渣量高温操作法,反复倒炉来倒渣测温取样,导致消耗增加,炉衬侵蚀严重, 吹损加大,钢水过氧化严重,质量难以保证及命中率低等一系列问题;为解决转炉脱硫率不高而产生上述问题,首先采取铁水深脱硫工艺,既利用镁粉将铁水中硫脱至0.002%以下,关键操作是将脱硫渣彻底扒除干净,要求铁水亮面大于95%;其次提高散状料质量,使用低硫活性石灰,冷料选用内部自循环低硫优质废钢,不加生铁;第三,通过静态模型计算最佳原料配比,确定适合的深脱硫铁水加全废钢的装入制度,转炉应用烟气分析动态控制,采用少渣冶炼,提高终点碳温命中率,实现不倒炉直接出钢摸式,以此达到转炉出钢终点ws≤0.008%,终点钢水氧含量低而稳定,吹损喷溅减少,石灰等散状料和钢铁料消耗降低,钢水洁净度高等冶金效果。

1 铁水深脱硫工艺效果

根据冶炼洁净钢要求转炉出钢终点ws≤0.008%,马钢采用铁水深脱工艺,即深脱后铁水终点w(s≤0.002% (“浅脱后铁水终点w(s≤0.008% ),使用单喷颗粒镁和复合喷吹二种铁水脱硫方式,处理工艺为高炉出铁高炉鱼雷罐转炉铁水罐扒渣喷吹脱硫扒渣转炉 。

不论单喷、复喷,都是主要利用Mg脱硫:Mg(s)→Mg(l)→Mg(g)→[Mg] [Mg]+[S]→MgS(s)  Mg(g)+[S]→MgS(s)。实践中,不论铁水中原始硫含量多少,只要喷入足够量镁粉,均可将铁水中硫脱至0.002%以下,马钢铁水成分和温度范围见表1,关键操作一是喷吹前尽量将高炉渣扒除,高炉渣中含硫量很高,同时还含有SiO2、AI2O3、TiO2等不利于脱硫的组分,特别是钛的氧化物降低炉渣碱度,从而减少炉渣硫容量使脱硫效率降低,脱硫时,钛还会与氮气反应生成钛的碳氮化物,其熔点很高,渣子变稠,使渣铁不易分离;二是喷吹脱硫后一定要将脱硫渣要彻底扒除干净并要求铁水亮面大于95%以上,脱硫渣扒除干净是稳定脱硫最终效果的关键,直接影响到转炉终点出钢硫,因为高硫渣兑入转炉必将产生回硫效应,在吹氧冶炼时,发生如下反应:MgS+[O]=(MgO)+[S],硫又重新回到钢中,即使少量未扒除的脱硫渣进入转炉都会造成转炉回硫”, 特别是在转炉冶炼洁净钢时这种回硫更为明显。[文献1] 马钢高炉渣和脱硫渣主要成分见表2、表3。深脱硫和扒渣彻底干净必将导致铁水温降大于35以上,这些对转炉冶炼带来一系列影响。


2 转炉冶金效果分析

马钢冶炼洁净钢工艺为铁水深脱硫→转炉→RH+LF→薄板连铸,经过深脱硫铁水兑入转炉冶炼,具有三个最显著特点,一是铁水含硫量小于0.002%;二是铁水温度较低在1260~1310;三是几乎不含任何高炉渣和脱硫渣。由此对转炉冶炼产生如下控制效果:

2.1对冷料比的控制

马钢120t转炉自2004年就采用了烟气分析动态控制炼钢技术,该系统主要由静态模型和动态模型两部分组成:静态控制模型(一次、二次加料计算)的主要任务是依据原料条件,利用模型热平衡计算,寻找最佳原料配比,既确定合适的装入制度,并根据铁水、废钢以及加入炉内造渣料的信息计算终点钢水温度。根据所炼洁净钢的终点要求,确定终渣碱度为3.23.5FeO17%28%, 终点温度16601680 ,终点碳0.02%0.05%,磷≤0.012%,将铁水成份和温度、废钢、生铁、以及所用造渣料石灰、轻烧白云石、镁球、矿石等成份输入静态控制模型,计算出确保达到终点要求所需要铁水、废钢配比及散状料加入量,经过一定炉数实践,确定正常情况下洁净钢的装入制度,铁水:115t,废钢:20t,总装入量135t,冷料比为17 %,比未深脱硫铁水平均下降11%

2.2对终点硫的控制

脱硫的原理:[FeS]+(CaO)= (CaS)+(FeO),可见渣中氧化钙高、氧化铁低和较高熔池温度有利于脱硫。但在氧气转炉炼钢时,因熔池供氧则炉内呈氧化气氛,渣中氧化铁较高,使转炉脱硫能力受到限制,实践也证明转炉脱硫能力在30%左右。[文献2]

分析铁水深脱硫后,钢中硫的来源分布比例,铁水深脱硫后ws≤0.002%,扒渣后残余渣量150kg,含硫为0.9%,铁水、废钢、及加入转炉造渣料各自含硫量如表4


由表4,钢中硫主要来源:废钢、铁水、铁水渣及石灰,占总硫量76.48%

为此,应采取如下脱硫措施:

充分发挥铁水脱硫功能,优化喷吹参数,减少喷溅,镁粉速率控制在68kg/min,终点硫目标设定在ws≤0.002%

强调扒渣重要性,要求扒渣→喷吹脱硫再扒渣,并使用凝渣剂提高扒渣效果,要求扒渣干净铁水亮面大于95%,控制扒损小于28kg/t铁,温降小于35,时间小于28min

选用内部自循环低硫优质废钢(ws≤0.020%),不加生铁, 提高造渣料质量标准,为确保脱硫磷效果,石灰质量要达到二级以上,CaO≥90%MgO≤2% SiO2≤2% S≤0.020% IL≤5% ,活性度达到360ml ,粒度40-80mm大于85%,粒度≤40mm不超过15%,粒度≤10mm不超过10%,造渣料符合标准且稳定,减少造渣料带入硫含量。

(4) 应用烟气分析,利用脱硫的热力学条件,实现高温状况下化好渣,利用吹炼过程中后期高温、高碱度、低氧化性的有利条件脱硫。

(5) 转炉终渣要求R为3.23.5,出钢温度16601680,出钢过程加入活性石灰600kg,起到部分渣洗脱硫作用。

按装入量135t,出钢量在125t,就算总硫量11.52 kg全部进入钢中,钢中硫含量为0.0092%,经过转炉正常脱硫30,终点出钢硫为0.0065%,按此控制标准组织生产,3876炉终点出钢硫全部达到小于0.008%要求,其中小于0.006%87%

2.3对终点磷和碳温命中率的控制

转炉动态控制模型(DYNACON)是烟气分析整个系统的核心部分,动态控制模型主要在吹炼末期2分钟,炉内[C][O]反应趋于平衡后,通过取样系统和质谱仪连续采集、分析(1.5秒周期)转炉炉口逸出的炉气成分,根据炉气成分的变化,动态控制模型计算脱碳速率,为操作人员提供吹炼结束前2分钟钢中碳含量的变化情况,根据动态模型计算的终点[C]T并结合转炉烟气变化曲线由模型自行确定吹炼终点。图1[文献3]

由于经过深脱硫后铁水成分、温度相对稳定,同时在脱硫站测温、取样后直接兑入转炉,

数据传递及时准确,特别是将含SiO2、Al2O3高炉渣扒除干净,转炉使用低硫高氧化钙活性石灰,为终点碳温命中和终点磷要≤0.012%创造了条件,根据转炉脱磷原理:2[P]5(FeO)4(CaO)(Ca4P2O9)5[Fe],需炉渣有较高的氧化铁、碱度及较低熔池温度,转炉具有很好地脱磷热力学和动力学条件。冶炼洁净钢时造渣制度实行铁质成渣路线,即保证吹炼过程和吹炼终点渣中有较高的氧化铁,为此,要求一是根据热平衡计算冶炼前期配加矿石0.81.5t帮助化渣;二是留渣操作, 根据上一炉溅渣后的渣量多少,实行全部或部分留渣操作,起到早化渣、化好渣的效果;三是根据碳-氧反应特点,吹炼前期为了加速化渣和脱磷,渣中保持较高氧化铁含量,采用高枪位1.8±0.1米,中等供氧强度2200023000m3/h,底吹强度采用大气量0.06Nm3/t.min,;吹炼中期脱碳反应激烈, 采用低枪位1.5±0.1米,大供氧强度24000-25000m3/h,底吹强度采用中供气量0.04Nm3/t.min; 吹炼后期,碳氧反应减弱,为保证渣中有一定氧化铁,进一步均匀熔池成份和温度,采用中枪位1.7±0.1米,低供氧强度21000-22000m3/h,底吹强度采用大供气量0.06Nm3/t.min;吹炼终点前一分钟,采用压枪操作枪位1.3米。经过实践,转炉脱磷率达到90%以上。经638炉实验,98%达到终点wP≤0.012%,86%炉次达到终点wP≤0.010%,48%炉次达到终点wP≤0.006%,12炉次终点wP)=0.012%~0.015%。另外,采用出钢双挡渣,吹炼前用挡渣帽堵出钢口,防止摇炉出钢时下渣,出钢快结束时用挡渣塞挡渣,控制每吨钢下渣量小于3 kg,满足不倒炉直接出钢对磷的要求。

对洁净钢冶炼过程和终点采用烟气分析动态控制,终点wC)均设定在0.02%~0.05%,进行了3876炉终点碳和温度预报准确性的统计分析,其中终点碳预报值命中(±0.01%偏差)3722炉,终点温度预报值(±16 偏差)命中3618炉,碳(±0.01%)合格率为96.02%,温度(±16 )合格率为93.34%,碳和温度同时命中合格率为91.86%。比未深脱硫碳温同时命中合格率提高5.36%


2.4 对散状料消耗的控制

首先,经过深脱硫后铁水扒渣干净,避免了脱硫后高炉渣中SiO2、AI2O3、TiO2等酸性物质需要增加石灰用量来保证碱度,为降低散状料消耗提供了条件;其次,采用深脱硫铁水冶炼洁净钢,终渣碱度只需要达到3.23.5,终点温度16601680,而不需要象冶炼未深脱硫的铁水,迫使转炉脱硫采用多加石灰大渣量高温操作法,要求终渣碱度和出钢温度达到3.61690以上,为降低散状料消耗创造了前提;第三,对深脱硫后铁水温度偏低,烟气分析静态模型可根据洁净钢终点温度和碳磷要求确定合理装入制度和吹炼制度;最后,烟气分析动态控制模型可根据炉气成分的变化,计算的终点[C]T并结合转炉烟气变化曲线由模型准确预报钢水终点碳和温度自行确定吹炼终点,确保转炉终点命中率, 实现不倒炉直接出钢模式,使散状料和合金消耗明显下降,实现最佳冶炼效果。见表5,采用深脱硫铁水与未采用深脱硫铁水冶炼洁净钢相比,终点钢水氧含量平均为556×10-6,降低316×10-6,渣中w(FeO)19%,降低8%,通过统计采用深脱硫铁水比未采用深脱硫铁水冶炼洁净钢渣料和合金消耗要降低5.71/ t


2.5对吹损喷溅的控制

转炉喷溅主要发生在碳氧激列反应期,短时间生成大量的一氧化碳急剧排出,加之炉渣泡沫化严重,随气流带动钢渣喷出炉口,[文献4],从上述分析和表5可得出,转炉采用深脱硫铁水与未采用深脱硫铁水冶炼洁净钢相比,首先总渣量从96 kg/t钢下降到91 kg/t,出钢温度从1692下降到1666,渣中w(FeO)27下降到19,由于溶池内总渣量降低,渣子氧化性减弱,导致炉渣泡沫性减弱, 转炉钢液面之上自由空间增加,大大减少喷溅发生几率;其次,烟气分析动态控制模型提高转炉终点命中率, 实现不倒炉直接出钢模式,钢水氧化性降低,终点钢水氧含量由872×10-6降低到556×10-6 ,也减少了吹损;第三,通过对烟气分析曲线变化趋势的研究, 掌握了喷溅发生与曲线变化的对应关系,开发了对可能出现喷溅的预报模式,炼钢工可以直观地了解到炉内的冶金反应情况,见图2,提醒操作者及时采取措施制止喷溅发生,由此转炉喷溅发生率明显下降,由原来的18%降低到现在的5.9%。吹损下降由此使吹炼的金属料消耗由原来的9.1%降低到8.6, 提高钢水收得率。钢铁料消耗由1113kg/t钢降为1104kg/t钢以下。

2.6对炉况的控制

正如上述,转炉采用深脱硫铁水冶炼,使用烟气分析动态控制,终点碳温命中率提高4.36%,实现了不倒炉直接出钢模式,冶炼时间40min由缩短32min,总渣量从96 kg/t钢下降91 kg/t钢,出钢温度从1692下降1666,渣中w(FeO)27下降到19%,钢水温度和炉渣氧化性降低及渣量减少,有利于减轻对炉衬侵蚀, 特别是深脱硫后铁水扒渣干净,基本消除了转炉冶炼前期脱硫后铁水中高炉渣SiO2、AI2O3、TiO2等酸性物质对炉衬侵蚀,值得注意的是,深脱硫铁水中含有一定量溶解Mg和未完全上浮镁离子,在转炉开吹初期迅速与氧反应生成氧化镁进入渣中即起到化渣效果,也起到保护炉衬作用. 避免了冶炼未深脱硫铁水需转炉脱硫被迫采用的高温(≥1690)、高碱度(≥3.6)、大渣量、多次倒炉操作,对炉体维护极为有利,现每月洁净钢产量达10万吨左右,转炉炉龄超过2万炉,炉况良好。

3 结论

马钢120t转炉通过采用深脱硫铁水冶炼洁净钢,要求扒渣干净、使用低硫原材料、应用烟气分析动态控制等技术,不仅确保了终点出钢ws≤0.008%,提高了碳-温命中率,实现不倒直接出钢摸式,而且经济合理效果好,钢水质量优良,钢水中活度氧为556×106、散状料90 kg/t钢,钢铁料消耗1104kg/t钢,冶炼时间短,每月洁净钢产量达10.8万吨,达到大批量生产洁净钢的目标。

参考文献

[1] 吴 明 ,SiO2-Al2O3-Fe2O3渣系在铁水预处理生产中的应用[J]. 炼钢,  2007,(3): 1819 (wu ming,Application of the Slag of iO2-Al2O3-Fe2O3 in the Process of Hot Metal Pretreatment) [J] 2007,(3): 1819.

[2]  曲  英.炼钢学原理[M].北京:冶金工业出版社,1987.

[3] 吴 明,梅 忠, 转炉烟气分析动态控制炼钢技术[J],冶金设备.2006(4):7172.WU Ming, MEI ZhongApplacation Effect of the Offgas Analysis Dynamic Control Steelmaking Technology on MAANSHAN 120T BOF,Metallurgical Equipment[J], 2006(4):7172.

[4]  郑沛然.炼钢学[M].北京:冶金工业出版社,1994.


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