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生铁块加入量对转炉吹炼过程的影响
来源：杨文远 王明林 邹节忠 肖时遵 |浏览：次|评论：0条 [收藏] [评论]
生铁块加入量对转炉吹炼过程的影响
杨文远 王明林 邹节忠 肖时遵
(钢铁研究总院) (萍乡钢铁(集团)公司)
摘要：中小转炉钢厂为了增加钢产量，往转炉内过量加入生铁块。在生产中出现熔池温度低、石灰不易熔化、炉口溢渣、金属消耗增加、脱磷困难、终点命中率低等问题。中小型转炉内生铁块的加入量不应超过10％。
关键词：转炉铁水废钢生铁块
1前言
氧气转炉炼钢过程中多余的化学热通常是加入废钢和铁矿石来平衡。使吹炼过程有正常的熔池升温制度和所需的出钢温度。有时在废钢中也加入一部分生铁块。一般情况下，生铁块的加入量在5％以下。近年来国内一些中、小型转炉钢厂为了增加钢产量，在铁水量不足时，往转炉内加入小高炉生铁块。当生铁块加入过多时，转炉炼钢出现熔池温度低、石灰不易熔化、炉口溢渣、金属消耗增加、脱磷困难、终点命中率降低等问题。转炉炼钢大量加生铁块为小高炉生铁提供了市场，不利于淘汰落后设备。
2 转炉炼钢中加入生铁块与铁水、废钢的热量差别
2．1．生铁块与铁水及废钢化学成分的差别
铁水成份为萍钢二炼的铁水平均成份。生铁块和废钢平均成份为估计值。
生铁块与铁水、废钢杂质含量差值(kg/l00kg)
C Si Mn P S
铁块．废钢 3．95 0．90 0 0．12 0．05
铁块．铁水 0 0．60 0 0．035 0．04
2．2铁块与废钢、铁水的热焓差值[1]
按照生铁块与废钢、铁水的化学成份差别，计算出转炉炼钢过程中元素氧化及成渣热量的差别，列于表2。
生铁块的熔点低于废钢，比热大于废钢，两者的熔化热大致相等(1．35Mj／kg)。l00kg生铁块的物理热较铁水少135Mj,100kg铁水的总热焓较生铁块多110．47Mj。
2．3转炉炼钢的钢铁料组成
转炉炼钢的钢铁料组成由钢铁厂内炼铁与炼钢能力比、铁水成分、转炉容量、所炼钢种、废钢价格等多种因素所决定。我国100吨以上的大型转炉铁水比为8肛85％(其中生铁块含量小于5％)。80吨以下的，J型转炉铁水比为71．7~90．7％。小转炉厂的铁水比波动大，主要是这些钢厂在炼钢过程中大量加入小高炉
生铁块，增加了炉料的化学热，使冷料比明显提高。表3是几个转炉钢厂的钢铁料组成。
表3中序号l～4的4个钢厂，炼铁与炼钢能力相适应，铁水比平均为90％。序号5～14的11个钢厂，除酒泉钢厂、威远钢厂外，其余各厂的铁水产量都不同程度地低于炼钢的需要。这10个钢厂的铁水比平均81．8%，废钢平均18．2％(其中生铁块11％)。很多地方所属的小转炉钢厂，生铁块加入量大于表3中所列举的数字。
由于各厂的生铁块用量不同，对于炼钢过程冶金反应的影响程度也有差别。现以萍乡钢厂为例进行分析。萍钢二炼钢的钢铁料组成：铁水比76．2％，废钢铁料23．8％(其中生铁块17．3％)。假定小转炉正常铁水比88％，萍钢转炉的废钢铁料的比例高11．8％。萍钢转炉钢铁料消耗为1080kg／t钢，相当于每吨钢少用铁水127．44埏。铁水与生铁块的热焓差值为110．47Mj／100kg，相当于每吨钢减少热量收入140．74Mj。
3生铁块加入量对转炉炼钢冶金过程的影响
3．1吹炼过程熔池温度低
萍钢二炼钢的计算渣量平均为145kg／t钢。炉渣热容取0．2Mj／100℃kg，钢水热容取0．75Mj／100℃kg。每吨钢水及145kg炉渣的热容为1．04Mj／℃。对于中、小型转炉，假定钢水与炉渣占热支出的75％，由于铁水比降低而造成的钢水温降为140．74×75％／1．04=101．5℃。不同生铁块用量与熔池降温的关系如图l所示。
吹炼过程不同时刻(以吹氧时间％表示)熔池实测温度如图2中A、B、C、D所示。为了比较图翻中也给出了国内其它4个钢厂的转炉吹炼过程实测熔池温度曲线。由图2可见，萍钢二炼钢转炉吹炼过褐中比其它钢厂平均要低80~100~C左右，与前面热焓计算的结果相近。吹炼过程熔池金属过热度如图3所示习左下角的三角形符号为萍钢二炼钢的金属过热度，其值仅为20℃。吹炼5min时测得的金属温度为1283℃呈很粘稠的液体状。
在转炉内熔化生铁块并不合理，转炉熔化铁块的热效率低于冲天炉化铁。转炉内的热量为高温热，其价格高于冲天炉内温度相对较低的热量。转炉内过量加生铁块比冲天炉化铁炼钢更不合理，不应当加以提倡。 |
3.2对废钢熔化的影响
熔池液体温度与废钢(或生铁块)表面的温度差△t是熔池热量流向废钢的动力。一部分热量用于废钢的熔化，另一部分用于残余废钢的加热。在转炉生铁块用量过大时，熔池温度低，△t值减小，向废钢传递的热量减少，废钢的熔化速度降低。
由于熔池温度低，金属的粘度加大，吹氧反应区的热量向熔池其它部分的传递速度降低，根据Lucas．G R所做的铁．碳系金属粘度与温度的关系图【2】，熔池温度降低100℃，金属的粘度由6泊增加到7．8泊。
金属粘度高降低了熔池传热、传质速度。
吹炼过程中表达熔池内物质扩散与热量传递的公式如下：
体的粘度有密切关系。D为分子扩散系数也与温度有关。过多加生铁块使熔池温度降低，减缓废钢的熔化速度，在一次拉碳时有时有未熔废钢。
H．Gaye用其所提出的数学模型计算了多种情况下废钢的熔化过程。图4是不同的吹炼条件对16cm厚钢板熔化状况的影响。
由图4可见，对于16cm厚的钢板，在纯氧底吹条件下，10min之内可以化完。对于复吹约在吹氧后13min化完；顶吹法在14min才能化完，在副枪测温时熔池中还有未化完的废钢。
矿石加入条件对16cm厚钢板熔化的影响见图5。
25kg矿石／t钢，副枪测试前lmin加完，10kg／t．min
在所有情况均有5k卧矿石在副枪测试后加入。
由图5可见，矿石加入条件应严格限制。在炉内有大量未熔废钢时，矿石加入速度应严格限制，以防止金属过热度急剧降低。合理地加入矿石可以改善废钢的熔化条件。最大钢板厚度允许达到15cm，在副枪测试时可以全部化完。
影响废钢熔化时间的主要参数有：
(1)料块的尺寸和几何形状，其特征参数是它的当量厚度。也就是它的最小尺寸，再加一个矫正系数。对于一个尺寸为a<b<c的平行六面体的料块，其当量厚度可用式(4)估算：
(2)固体料块的成分(废钢或生铁)。
(3)吹炼过程相对于Fe-C平衡图的过热温度。
(4)液体中热量和碳的传递系数，主要由搅拌条件所决定。
转炉内废钢熔化时间的试验结果：
在转炉的烟气中放一个检测器，把一个装有放射性氙的软铁元件放在料块的中心，当废钢熔化完毕时软铁元件所放出的氙可由检测器盖革计数器测出。
在工厂所进行的试验，每炉可应用两个元件，分别含有30和60微居里的氙。
试验分三种炼钢方法进行。顶吹在索里梅厂310吨转炉上进行，研究了废钢和铁块的熔化，装料中液体生铁的比例为0．88。复吹试验在索里梅厂310吨L,EF转炉上进行(底部吹氧0．05m3／t．min)，装料中铁水比为0．79。
氧气底吹的废钢熔化试验在索拉克的240tLws转炉上进行，吹炼高磷铁时的铁水比为0．7l。
全部试验结果示于图6，废钢的厚度是用当量厚度标记的，时间座标的原点是主吹氧期的终站，时间座标的负值是熔化终点在吹炼过程中，时间的正值表示熔化终点在主吹氧期之后(在冶金搅拌或后吹期)。
由图6可见，废钢的当量厚度大于15cm时，吹炼终点时会出现未熔废钢。对于生铁块，其当量厚度小于20cm时，吹炼终点前都可以化完。
3. 3降低石灰的熔化速度
在吹炼前期和中期熔池处于温度较低状态，石灰的熔化速度慢，炉渣较长时间处于低碱度状态，不利于脱磷和炉体维护。在吹炼到l0min时(相当于总供氧时间的80％)，炉渣碱度仅为1．47。炉渣矿相主要是镁硅钙石和橄榄石，这种酸性渣粘度很大(类似于玻璃)，在熔池脱碳反应开始后极易“捕获”大量气泡，使炉渣体积膨胀，大量酸性炉渣由炉口溢出。当炉温和炉渣碱度升高，泡沫渣消失后炉渣又容易返干，产生金属唢溅。
石灰加入转炉之后如果不能较快的熔化，其表层CaO与Si02作用生成高熔点的2CaO·Si02，浏2CaO·Si02壳会阻止石灰的进一步熔化。熔池液体金属对石灰加热，使其继续煅烧，石灰细晶变细，更难熔化【5】。转炉熔池温度高于石灰窑内的温度，石灰过烧进行的很快，使正常石灰变成过烧石灰。岩相检验中多次发现渣中有未熔石灰。
由于吹炼前期溢渣严重，为了防止溢渣和喷溅，渣中氧化铁控制在较低范围，也造成石灰不易熔化。第507815炉吹氧10min时所取渣样(TFe)仅为4．35％。
3．4降低吹炼终点命中率
过多地加入生铁块使吹炼终点(或一次倒炉时)温度不易控制，，对转炉成渣过程有不利影响，吹终点钢中磷、硫含量波动大。
由于终点命中率不高，只能采取“高拉补吹”操作方式，这种方法增加倒炉次数，延长冶炼时间，低钢的质量。
小型转炉吹炼终点命中率一般为3帖35％(c±O．02％，仕12℃)。加入生铁块比例过高时，终点命中：会降低到30％以下。外购生铁块中磷、硫含量都较高，如不能及时发现，会因此出现废品。
此外，转炉钢厂大量使用冷铁块炼钢，给社会上的小高炉生铁提供了销路。不利于淘汰落后设备。内一些中、小钢厂在公路上用普通盛铁桶运铁水，与一般客货车辆混杂行驶，这种运输方式很危险，容易产生重大的安全事故.
4 结论
(1)100kg生铁块代替100kg铁水使转炉的热收入减少110．47Mj，石灰消耗增加2．67kg，氧耗增加0．5lNm3。100kg生铁块代替100kg废钢使转炉热收入增加69．516Mj，元素氧化损失增加5．97kg，渣量增加9．18kg，石灰消耗增加4．33kg，氧耗增加4．866Nm3，吹氧时间延长1．2min。
(2)当生铁块用量较正常情况多用11．8％时，吹炼过程中熔池温度降低101．5℃。这对于成渣和麽滋熔化都不利。
(3)应适当限制转炉炼钢中生铁块的加入量，一般不要超过钢铁料的10％。如生铁块用量减少5％可使转炉吹炼过程熔池温度提高50℃。
(4)对外购生铁块的成份要进行控制，Si、P、S含量过高的生铁块不得入厂。对于购入的生铁块要严格管理，做好不同Si、P、S含量的生铁块搭配使用，减小入炉钢铁料的成份波动范围。
(5)根据转炉使用高比例生铁块时熔池温度和成分的特点，调整转炉的吹炼制度。例如用轻烧白云石代替生白云石或菱镁矿，适当减少第一批渣料加入量，控制渣中适量的氧化铁等。
(6)如果钢铁厂内铁水产量与转炉炼钢的需要相差较大，应增加高炉生产能力。
参考文献
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【2】I~UCa$．G Viscosite du fer pur et du systeme Fe一．jusqua 4．8％en poids．．Acrd，sci，Paris，1964，259
【3】黄希祜．钢铁冶金原理．北京：冶金工业出版社，1997：234．
【4】Gaye．H·Vitesse de Fusion des Ferrailles au Convertiseer．Revue de Metallurgie-CIT,1986，ll：793
【5】Jon．M，Riboud．P．V Misc au Point d'um Essai de Reactivite de la Chaux Dans Un Scorie Fon~e．CIT，1972,6：1497
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