CN101638708B - 一种消解转炉钢渣中游离氧化钙fCaO的造渣工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消解转炉钢渣中游离氧化钙fCaO的造渣工艺，其特点是对常规转炉冶炼工艺没有大的改变，其工艺改变是在吹炼后半期，用SiO₂材料或硅酸钙材料取代原工艺中部分石灰进行造渣冶炼。本工艺方法成本低廉，不增加渣量，炉渣碱度下降，流动性改善，炉渣脱磷能力提高，大幅降低渣中fCaO。

Description

一种消解转炉钢渣中游离氧化钙fCaO的造渣工艺

技术领域

本发明涉及一种转炉吹炼的造渣工艺，具体涉及一种在转炉内消解钢渣游离氧化钙(f-CaO)的造渣工艺。

背景技术

转炉钢渣是转炉炼钢的副产物，其发生量约在10-15％吨钢。按我国2008年钢产量约5亿吨计，年发生钢渣5000-7500万吨，其中绝大部分为转炉钢渣。钢渣成份研究表明(“低碱度钢渣的矿物组成、岩相特征与膨胀研究”《西南工学院学报》1997年Vol.12.No，1)，平炉渣、电炉渣碱度R1.6-2.3属硅酸二钙渣系，无论多年陈渣或新渣经检测，f-CaO均在0-0.5％范围内，不经预处理就可直接使用，而转炉钢渣碱度R＞2.4属硅酸三钙渣系，含有较高的游离氧化钙而使其利用受到限制。截止到2008年，我国钢渣利用率不足20％。目前钢渣的利用途径有：返回烧结、作铁水脱硅、脱磷剂、部分钢渣用作建材、道路路基填料等，但大部分钢渣都因含有较高f-CaO＞3％而无法使用，致使资源浪费、占地面积大、污染严重。长期以来，国内外的科研人员为此做过大量的试验研究工作，相继研发出许多渣处理工艺。目前在使用的工艺方法有：弃渣工艺、热泼工艺、水淬工艺、风淬工艺、粒化轮法、滚筒法、盘泼工艺、热闷工艺等。这些工艺要么污染重、占地多，如弃渣法、钢渣热泼法；要么对钢渣流动性要求较高，如钢渣水淬工艺、风淬工艺、粒化轮法，而且只能处理约50％；要么投资费用大，如盘泼工艺、热闷工艺。日本还开发了温水陈化、蒸汽陈化和蒸汽加压陈化以加速消解钢渣中f-CaO工艺方法。此外，国内外正在偿试开发转炉外向熔融炉渣添加石英沙、高炉渣等含SiO₂的材料，并加热或吹氧，用以消解钢渣中f-CaO的工艺方法，如国内的东北大学材料与冶金学院“提高转炉渣体积安定性的实验研究”《中国冶金》2007年第3期，德国炉渣研究所开发的“一种钢渣处理的新工艺”《中国冶金》2007年第10期；“转炉渣熔融改性的实验研究”《硅酸盐通报》2006年第6期，都是在转炉外的装置内向熔融转炉渣中添加SiO₂与转炉钢渣中fCaO结合生成2CaO·SiO₂以达到消解钢渣中f-CaO，提高钢渣稳定性的目的。但这些方法加入的SiO₂材料量大，约为待处理渣量的26-32％，需加热或吹氧，处理费用高。我国正处在实验探索中，德国尚未大面积推广，只在部分钢厂试用。同时，吹氧使转炉渣中的金属铁氧化，无法回收利用，损失大。

发明内容

本发明的目的旨在炼钢过程中并在炼钢结束时就消解钢渣中f-CaO的造渣工艺方法。

Oeters在对转炉渣的碱度研究中发现，当炉渣碱度(CaO/SiO₂)＞2时，炉渣中便产生了f-CaO。因此，转炉冶炼条件下借助控制石灰加入量来避免出现f-CaO是不可能的，也只有在加入一定数量的石灰形成满足冶炼要求的碱度之后，再通过添加f-CaO捕捉剂来消解渣中f-CaO。

表1为转炉渣中各化学元素之间的相互制约关系：从炼钢工艺原理和对49组渣料进行各元素之间的电算相关分析一致。由表1可见，渣中f-CaO与CaO和Fe₂O₃、FeO是显著正相关，而与SiO₂、Al₂O₃是负相关。即是说，f-CaO含量与渣中CaO和Fe₂O₃、FeO成正比关系，但随着酸性氧化物SiO₂、Al₂O₃的增加而减少。

表1渣中各元素之间的相关关系

本发明的原理是这样的：将SiO₂材料添加到转炉内熔融的转炉渣中，用以捕捉并消解渣中f-CaO，其反应式是：

2f-CaO+SiO₂→2CaO·SiO₂

由以上反应式可以看出，用SiO₂材料使渣中f-CaO消解，其反应产物转而使渣中(2CaO·SiO₂)数量增加。由“转炉钢渣中磷元素的分布”《中国冶金》(2007年第1期)和“氧气转炉炼钢中炉渣内不同MgO及Al₂O₃含量对钢水脱磷的影响”《中国钢铁技术网》(2006.6-25)等大量研究资料表明，钢渣中(2CaO·SiO₂)尤其是终点渣中的(2CaO·SiO₂)是吸收P的主要矿物相，最多可达的98％的P进入(2CaO·SiO₂)中，终渣中(2CaO·SiO₂)含量提高，钢渣吸收P的容量增加，炉渣脱P效果提高。

由此，本发明旨在开发一种既能消解转炉渣中f-CaO，同时又能提高转炉渣脱P效果而不致渣量增加的造渣工艺方法。

本发明造渣工艺方法是这样的：首先按常规冶炼工艺向转炉内兑铁水加废钢，下枪吹氧点火后加入石灰和轻烧镁球，其石灰加入量不低于原冶炼工艺石灰用量的70％，吹炼至后半期，用SiO₂材料或硅酸钙材料取代部分石灰加入炉内继续吹炼至结束，SiO₂材料取代石灰的量不超过原冶炼工艺石灰用量的20％，约每炉渣量的6％以下；硅酸钙材料取代石灰的量不超过原冶炼工艺用量的30％。本工艺方法对原转炉冶炼工艺改变主要是在吹炼后半期，用SiO₂材料或硅酸钙材料取代部分石灰进行吹炼造渣。用SiO₂材料代替石灰的具体数量依据铁水成份、原工艺转炉渣中碱度R和游离氧化钙f-CaO、钢种等诸因素来确定，其用量应在保证理想碱度的前提下，足以使炉渣中游离氧化钙f-CaO形成2CaO·SiO₂以消解f-CaO，使终点渣中游离氧化钙f-CaO趋于零。

在转炉吹炼后半期，用SiO₂材料或硅酸钙材料取代部分石灰，一方面加入炉内的石灰(CaO)用量减少，SiO₂含量增加，渣的碱度R下降，渣中f-CaO减少(见表1)；另一方面加入的SiO₂又起到了石灰稀释剂的作用，即SiO₂+2f-CaO→2CaO·SiO₂。两方面的作用，使终点渣中f-CaO大幅下降，甚至全部消解，渣的流动性改善，渣中吸收P的2CaO·SiO₂物相增加。SiO₂材料或硅酸钙材料取代部分石灰，用量少，渣量未增加，而炉渣吸收P能力提高。

图1是新、旧工艺终点P含量的积累频度图

图2是碱度和工艺对终点P含量影响的关系图

具体实施方式

转炉公积容量：120t。平均出钢能力120吨钢。铁水成份Si：0.3-0.77％，平均0.446％；Mn0.3-0.65％，平均0.48％；P：0.09-0.119％，平均0.098％；S：0.011-0.018％，平均0.013％。铁水温度1263-1399℃。冶炼钢种Q235B、25Mn、SPHC、X52、X60等钢种。旧造渣冶炼工艺石灰用量每吨钢平均44kg，轻烧镁球每吨钢平均15kg，吹炼开始一次加入。一般铁水Si≥0.5％时，采用双渣操作，终点钢水P0.009-0.015％，平均0.013％，平均出钢温度1665℃。炉渣碱度2.45-7.08，通常在3.5-4.5之间，炉渣游离氧化钙f-CaO＞5％。

为大幅降低炉渣中f-CaO，新造渣工艺采用单渣法操作，吨钢用约5kg石英砂或约10kg硅灰石取代同样数量的石灰在吹炼后半期加入转炉内进行造渣吹炼。

为便于对比，“新工艺”与“旧工艺”的造渣剂的加入量保持在同一水平上。将“新工艺”41炉次结果与“旧工艺”79次炉结果进行了对比，结果如图1所示。由图1可以看出，“新工艺”(图中为A线)的终点P含量明显低于“旧工艺”(图中为B线)的P含量，新工艺的终点P几乎分布在0.009％上下，而旧工艺的终点钢水P却在0.013％上下。新工艺的终点P分布较窄，因而吹炼命中率更高。

图2为新、旧造渣工艺炉渣碱度与终点钢水P的关系。由图2可见，不加SiO₂材料的旧造渣工艺，在加入大量石灰、炉渣碱度≥4的条件下，也只有不到一半的炉次终点钢水P≤0.010％；而用SiO₂材料取代部分石灰在吹炼后半期加入炉内造渣，即使炉渣碱度≤3时，也可使大部分炉次终点钢水P≤0.010％，石灰量减少，渣量未增加。

表2列出了新、旧造渣工艺炉渣碱度R和f-CaO的含量。由表2可见，旧工艺终渣碱度在3.1-4.8范围内时，f-CaO为5.1-11.5％，而新造渣工艺的炉渣R≤3.3，f-CaO≤2.0％。

实施例1：

转炉公积容量：120t。冶炼钢种X60管线钢。初炼成份要求：C≤0.05％，Si≤0.10％，Mn0.8-1.0％，P≤0.010％，S≤0.012％。按常规冶炼工艺先向炉内加入铁水106t和废钢18.3吨下枪吹氧点火约1分钟后，向炉内加入4365kg石灰(约为石灰原用量的87.5％)和轻烧镁球1825kg，下枪吹氧11分钟后加入600kg石英沙(约为原石灰用量12％)，继续吹炼3分钟37秒提枪、倒炉、测温、取样、倒渣、出钢。本炉出钢116吨。

本炉铁水成份及温度为：

[Si％]    [P％]     [Mn％]    [S％]    温度

0.52      0.101     0.36      0.012    1316℃

本炉终点钢水成份及温度为：

[C％]     [P％]     [Mn％]    [S％]    温度

0.04      0.0086    0.049     0.011    1660℃

炉渣碱度R＝2.78    fCaO＝1.50％。

实施例2：

转炉公积容量：120t。冶炼钢种：Q235B。初炼成份要求：C≤0.05％，Si≤0.03％，Mn0.25-0.35％，P≤0.015％，S≤0.015％。按常规冶炼工艺先向炉内加入铁水110吨和废钢20.3吨，吹氧点火约1分钟提枪向炉内加入石灰4456kg(约为原石灰用量的87.5％)和轻烧镁球1903kg，下枪吹氧10分钟后加600kg石英砂(约为原石灰用量11.7％)继续吹炼4分钟35秒结束，提枪、倒炉、测温、取样、倒渣、出钢。本炉出钢为118吨。

本炉铁水成份及温度为：

[Si％]  [P％]    [Mn％]    [S％]    温度

0.59    0.102    0.48      0.013    1299℃

本炉终点钢水成份及温度为：

[C％]   [P％]    [Mn％]    [S％]    温度

0.06    0.009    0.086     0.013    1680℃

炉渣碱度R＝2.66 fCaO＝1.30％。

实施例3：

转炉公积容量：120t。冶炼钢种Q235B。初炼成份要求：C≤0.05％，Si≤0.03％，Mn0.25-0.35％，P≤0.015％，S≤0.015％。按常规冶炼工艺先向炉内加入铁水116吨和废钢19.8吨，吹氧点火约1分钟提枪向炉内加入石灰4536kg(约为原石灰用量的80％)和轻烧镁球1588kg，下枪吹氧约12分钟后加入硅灰石1136吨(约为原石灰用量20％)继续吹炼4分7秒钟后结束，提枪、倒炉、测温、取样、倒渣、出钢。本炉出钢量119.5吨。

本炉铁水成份及温度为：

[ i％]    [P％]    [Mn％]    [S％]    温度

0.63      0.102    0.52      0.014    1340℃

本炉终点钢水成份及温度为：

[C％]    [P％]    [Mn％]     [S％]    温度

0.06      0.010    0.099     0.013    1670℃

炉渣碱度R＝2.46 f-CaO＝1.1％。

表2旧、新造渣工艺渣碱度R与f-CaO含量

本消解转炉渣中游离氧化钙的造渣工艺方法简单，成本低廉，不增加渣量，炉渣碱度下降，流动性改善，炉渣脱磷能力提高，渣中(FeO)降低，渣中金属铁下降，钢水收得率提高，大幅降低炉渣中f-CaO。

Claims (4)

1.一种消解转炉钢渣中游离氧化钙fCaO的造渣工艺，其特征在于：对转炉炼钢工艺的改变是在吹炼后半期，用SiO₂材料或硅酸钙材料取代原冶炼工艺中部分石灰进行造渣冶炼，SiO₂材料取代石灰的量不超过原冶炼工艺石灰用量的20％，每炉渣量的6％以下；硅酸钙材料取代石灰的量不超过原冶炼工艺用量的30％。

2.如权利要求1所述的一种消解转炉钢渣中游离氧化钙fCaO的造渣工艺，其特征在于：SiO₂材料或硅酸钙材料取代石灰的量依据铁水成份、转炉渣的碱度R和游离氧化钙fCaO、钢种诸因素来确定，其加入量应在保证理想碱度的前提下，足以使炉渣中游离氧化钙形成2CaO·SiO₂，以消解fCaO，使终点渣中游离氧化钙fCaO趋于零。

3.如权利要求1所述的一种消解转炉钢渣中游离氧化钙fCaO的造渣工艺，其特征在于：在炼钢吹炼后半期所添加SiO₂材料是石英砂、碎玻璃、废旧铸砂之一种，其取代原冶炼工艺的石灰用量不超过20％。

4.如权利要求1所述的一种消解转炉钢渣中游离氧化钙fCaO的造渣工艺，其特征在于：在炼钢吹炼后半期所添加的硅酸钙材料是硅灰石、含P低的氧化铝赤泥，或者含S低的高炉渣之一种，其取代原冶炼工艺的石灰用量不超过30％。

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