CN113493868A - 一种基于熔融还原铁水的高废钢比转炉冶炼方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于熔融还原铁水的高废钢比转炉冶炼方法，是以熔融还原炼铁、转炉冶炼、板坯连铸为炼钢生产流程，充分利用熔融还原铁水的高温、高硅特性，分步骤大量加入废钢，提高转炉冶炼的废钢比，根据铁水中的碳、硅以及硫、磷等有害元素的含量，进行分段冶炼；将铁水脱硅、脱硫以及脱磷、脱碳分三个工序分开处理，提高处理效率，降低石灰、白云石、助溶剂等辅助原料消耗，减少钢渣排放量。

Description

一种基于熔融还原铁水的高废钢比转炉冶炼方法

技术领域

本发明涉及一种基于熔融还原铁水的高废钢比转炉冶炼方法，属于钢铁冶金领域。

背景技术

采用熔融还原法生产铁水是当今炼铁领域的前沿技术，其主要方法是采用铁料块矿(包括铁矿石、烧结矿、球团矿等)和煤随着炼铁技术的发展,COREX、 FINEX等熔融还原炼铁工艺以纯氧为介质,以非炼焦煤为主要燃料,将铁矿石中的氧化铁还原成熔融铁水。它的主要优势是对原料的要求灵活，高品位的块矿入炉可以直接冶炼，低品位、硫、磷、钛等杂质元素含量高铁矿经选矿、造块(球团)烧结后都满足冶炼要求，这种炼铁工艺由于省略了炼焦过程，以非焦煤为燃料的冶炼避免了对高品质焦煤的依赖，降低了对环境的污染，同时降低了对高品质铁矿石和优质焦煤的依赖。

采用熔融还原法生产铁水的温度在1480～1520℃(最高温度可以达到 1560℃)，由于采用的是全氧冶炼，炉内温度波动大，铁水中硅含量高，铁水硅含量最大值可以达到9％，正常情况下铁水硅含量在1.2～7.0％范围内波动。

随着钢铁工业的发展，国内废钢量增加，采用废钢为原料的低碳、绿色冶金成为行业首选。国内外的废钢冶炼主要采用以废钢为原料的电弧炉和转炉铁水加废钢两种冶炼工艺。电弧炉冶炼虽然省略了矿山开采、选矿、烧结(球团)、炼焦、高炉冶炼等环节，目前生产过程需要消耗大量的碳(火电和电极消耗)。

以铁水为主原料的转炉工艺是钢铁制造业采取的主要工艺，转炉冶炼通过不断改进方法，转炉添加废钢最大的优势是利用铁水的温度、碳、硅氧化反应释放的化学热。可以达到35％。进一步提高废钢比存在的问题是炉内热源不足，针对上述问题国内外开发的技术主要有如下4类：1、废钢预热，通过喷吹煤粉、煤气、天然气、氧气、或重油来预热废钢，废钢温度可达到800℃以上，之后加入炉内与铁水一起进行冶炼；2、转炉冶炼过程冶炼过程添加发热剂,将一定粒度的煤块或者焦粉从炉口通过加料料斗直接加入,增加炉内热源。3、从转炉炉顶或者炉底喷吹煤粉(焦粒),主要有炉顶喷煤粉和炉底喷煤粉两种方式喷吹至熔池深部来增加热源，加速废钢的熔化来提高废钢加入量；4、C0二次燃烧技术, 借助于二次燃烧氧枪,将转炉吹炼时炉内产生的C0燃烧成C0₂提高熔池钢水温度的热补偿方法来熔化废钢。

废钢预热、转炉加发热剂等技术措施，国内外转炉流程废钢比目前可达35％左右。但随着工业的发展和废钢的积累，废钢供应量在增加，深挖“高炉－转炉”流程吃废钢潜力已经达到了极限。近几年，国内在提高转炉废钢比方面已有大量实践。理论上，转炉在大废钢比冶炼时，脱碳、脱磷任务少，氧气、辅料消耗少，渣量、铁损、烟气排放均有所降低，是一种高效低耗的炼钢技术。在提高转炉高废钢比的技术开发过程中，各生产厂是基于高炉——转炉生产流程的局部性技术开发和设备改造，缺乏系统性考虑，这使得很多方案在转炉废钢比增加到一定量时出现瓶颈，很多方案甚至在安全、环保、碳减排等方面存在缺陷。

高硅铁水的转炉冶炼是一大难题，铁水沟脱硅需要大量的铁氧化物渣料，环境污染严重，需要庞大的除尘设施来保障；传统的转炉冶炼需要消耗的大量氧气氧化脱硅，并加入大量的石灰、白云石造渣脱磷，因此开发了双渣、双联等各种生产工艺。生产过程中由于铁水硅含量大，转炉冶炼初期升温快，炉渣碱度低等因素铁水中磷不易去除，转炉冶炼过程极容易出现冒烟粉尘、泡沫渣、大喷溅等严重影响环境和安全的各种非稳态状况。最主要的是高温、高硅铁水中的的热能(化学能)并没有充分利用，绝大部分通过钢水冷却、造渣浪费掉了。

另外，LF精炼还原渣的资源化利用在冶金行业是大难题，干渣粉化污染环境，采用闷罐、滚筒等湿法处理的精炼还原渣见水后全部成为泥浆随水流入下水道。对环境造成二次污染；本发明可以有效处理LF精炼还原渣，熔融态 LF精炼还原渣在生产过程中不但利用了炉渣潜热，还利用渣中高的CaO、Al₂O₃以及低FeO含量对脱硫铁水顶渣进行改质，可以快速脱硫，最终LF精炼还原渣全部转换为脱硫渣和转炉渣经闷罐法水淬处理，达到渣铁分离，使炼钢过程产出的钢渣全部高效再利用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于熔融还原铁水的高废钢比转炉冶炼方法，根据铁水中的碳、硅以及硫、磷等有害元素的含量，进行分段冶炼；将铁水脱硅、脱硫以及脱磷、脱碳分三个工序分开处理，提高处理效率，降低石灰、白云石、助溶剂等辅助原料消耗，减少钢渣排放量。

本发明是通过如下方法实现的：一种基于熔融还原铁水的高废钢比转炉冶炼方法，操作步骤如下：

(1)在受铁鱼雷罐内预先加入废钢，熔融还原炉除铁过程中在铁水沟加入废钢，两次废钢的加入量占铁水量的14％，在炼铁还原炉出铁过程中废钢熔化在鱼雷罐内与铁水混合；

(2)铁水脱硅：[1]脱硅炉设计为炉容比0.98m³t^-1的顶底复吹转炉：炉容比＝转炉的有效容积V/公称吨位T；[2]在铁水脱硅炉内提前加入所述废钢，加入废钢量占总铁料约38％以上，每炉45～48吨的废钢，然后兑入75～77吨的铁水，铁水指在出铁沟和鱼雷罐中加入废钢的铁钢混合液；[3]炉渣碱度控制在1.0～ 1.1％，R＝CaO/SiO₂，活性粒度控制在6～20mm；[4]在脱硅炉内顶吹氧气进行脱硅，控制脱硅炉内熔池温度不大于1530℃；其控制温度的方法一是控制顶吹氧气的流量，二是控制氧气吹入熔池的角度，三是在吹氧脱硅2分钟后，吹氧过程中分多次加入废钢和石灰进行降温，废钢作为降温剂对熔池熔体降温；石灰起造渣和钢水降温双重作用，根据铁水硅含量的不同和温度变化，废钢加入量控制在1～ 3吨，石灰加入量根据入炉铁水量、硅含量确定，炉渣碱度控制在1.0～1.1；[5] 铁水脱硅氧气流量控制在350～365Nm³/min，吹氧时间控制在5～9分钟，挡渣出铁，铁水出炉温度控制在1480～1530℃，铁水脱硅后必须保证铁水中硅含量为0.40～0.55％、碳含量为0.22～0.30％，脱硅出铁后的钢包渣量不大于150千克/炉；

(3)铁水预处理脱硫：

[1]为了有利于脱硫，对脱硅后的钢包顶渣进行改质，方法是经LF处理过的连铸铸余钢水、钢包渣全部留在包内，采用这种钢包盛脱硅后的铁水；

[2]出铁后铁水运送到脱硫站进行KR法脱硫处理，由于LF精炼渣中FeO 含量低，高碱度、高的Al₂O₃含量，其组成为CaO：50～58％；SiO₂：5～15％； Al₂O₃：25～30％；MgO：0.5～3.0％；FeO≤1.0％，S≤0.075％；

[3]降低铁水脱硫剂消耗：脱硫剂质量百分比组成：活性石灰占85％，粒度控制在8～20mm；液态的LF精炼渣15％，当铁水硫含量为0.07～0.085％，脱硫后铁水硫含量不大于0.003％，LF还原渣经过脱硫使用，预处理脱硫过程再不适用萤石，LF精炼终渣转化为脱硫渣，采用闷罐法处理；

[4]脱硫后铁水成分为：硅含量0.40～0.55％、碳含量为1.8～2.5％，硫含量≤0.003％，脱硫后铁水进行扒渣处理，然后兑入转炉进行脱磷、脱碳冶炼；

(4)转炉冶炼：

[1]转炉内加入废钢，加入的废钢量根据脱硫后金属溶液的硅含量、碳含量以及温度确定，转炉首先加入约占脱硫金属熔液15～18％的废钢，然后兑入脱硫后金属液，顶吹氧气进行脱磷、脱碳。转炉脱磷温度控制在1450℃以下，当转炉温度达到1420℃以上时向炉内加入废钢冷却，要求废钢规格为直径10～40mm的圆棒切头，长度不大于40mm，各类板材、管材、异形材废钢最大外部最大规格：长、宽、高分别不大于40mm；

[2]转炉不增加热源，利用硅、碳的氧化反应放出的热量提高熔池温度，废钢加入量为1～2吨、造渣料调节转炉钢水温度满足脱磷、去碳条件，炉渣碱度控制在2.7～3.0，保证转炉出钢温度符合下工序要求要求，氧气流量控制在450～470Nm³/min，吹氧时间不大于10min，转炉出钢温度控制在 1630～1670℃，钢水[P]≤0.018％、[S]≤0.008％，[C]含量控制在0.03～0.06％，钢水的成分、温度满足下工序生产优质品种钢的制备要求后挡渣出钢，出钢过程根据品种要求加入合金和脱氧剂，再进入下工序进行处理，然后浇铸成合格板坯。

采用本方法制备了X70管线钢,碳素结构钢Q235C、低合金高强度结构钢Q355B、Q355C、Q355D等品种超过10万吨。

每个鱼雷罐装入量不大于260吨，铁水约200吨，铁水沟废钢15～ 18吨，鱼雷罐加入废钢15吨。铁水经鱼雷罐运送到炼钢厂后，分装为3罐铁水，分三次兑入托硅炉进行脱硅，脱硅炉内每次预先加入废钢45～48吨，吹炼脱硅过程加入冷却剂废钢1～2吨；铁水脱碳、脱磷在转炉内预先加入15～18吨废钢，然后兑入脱硫后的铁水，吹氧脱磷过程可根据液体熔池温度控制需要，加入废钢冷却剂1～2吨。

本方法的冶炼效果：本方法采用熔融还原铁水，利用该铁水高温、高硅的特点，通过在熔融还原炉出铁过程的铁沟、鱼雷罐加入废钢；利用硅的放热反应，在脱硅炉内大量加入废钢(包括兑铁水前炉内加入废钢和吹炼过程的冷却废钢)，脱磷、脱碳炉加入废钢(包括兑铁水前炉内加入废钢和吹炼过程的冷却废钢)，在KR法铁水脱硫过程中加入熔态LF精炼还原渣，实现了转炉高废钢比冶炼和LF精炼还原渣的循环使用和无害化处理，使用本生产流程，废钢占整个入炉铁料的52-55％，铁水占入炉铁料的45～48％。

采用本工艺的优势：若用电炉冶炼(如使用的是火电，每度电可消耗 0.4千克标煤)，废钢熔化及冶炼耗电量约430kw.h，吨钢电极消耗1.2kg，年产量按500万吨计算，每年消耗原煤86.6万吨；排放二氧化碳318万吨。因此，如果从炼铁工序开始使用非高炉炼铁(熔融还原炼铁)，生产过程产生的高热值煤气经净化回喷到还原炉内再次利用可以降低碳消耗。与高炉炼铁相比可省去了炼焦工序，有利于环境保护；利用铁水高硅的特点，通过硅氧化放热熔化废钢可以大幅度提高炉内冶炼的废钢比，可精准稳定、高效低成本地进行高品质钢的稳定生产，生产的钢的牌号610L、Q355ND等。

表1本方法冶炼过程废钢和LF还原熔渣加入点及加入量

备注：铁水^[1]是指在出铁沟和鱼雷罐内加入的废钢熔化后与还原炉铁水的混合物，其中钢含量约14％。

铁水^[2]是指在出铁沟、鱼雷罐以及脱硅炉内加入废钢的铁水与熔化后钢液的混合物，其中钢含量约45～47％。

具体实施方式

一种基于熔融还原铁水的高废钢比转炉冶炼方法，操作步骤如下：

1、在受铁鱼雷罐内预先加入废钢，熔融还原炉除铁过程中在铁水沟加入废钢，两次加入量占铁水量的14％。在炼铁还原炉出铁过程中废钢熔化在鱼雷罐内与铁水混合。

2、铁水脱硅：

[1]脱硅炉设计为炉容比0.98m³t^-1的顶底复吹转炉(炉容比＝转炉的有效容积V/公称吨位T)。

[2]在铁水脱硅炉内提前加入废钢，加入废钢量占总铁料约38％以上，每炉45～48吨的废钢，然后兑入75～77吨的铁水^[1]。

[3]炉渣碱度的控制，为了保护脱硅炉炉衬，提高脱硅炉使用寿命，确定炉渣碱度控制在1.0～1.1％(R＝CaO/SiO₂)，活性粒度控制在6～20mm。

[4]在脱硅炉内顶吹氧气进行脱硅，由于炉内氧化脱硅过程是强放热反应，每脱去铁水中0.1％的硅，转炉金属熔池温度升高约28℃，当熔池温度大于1540℃，碳氧开始剧烈反应，泡沫渣快速形成可发生大喷溅，为了防止转炉吹氧冶炼过程中出现喷溅事故，严格控制脱硅炉内熔池温度，要求不大于1530℃。其控制温度的方法一是控制顶吹氧气的流量，二是控制氧气吹入熔池的角度，三是在吹氧脱硅2分钟后，吹氧过程中分多次加入废钢和石灰进行降温，废钢作为降温剂对熔池熔体降温；石灰起造渣和钢水降温双重作用，根据铁水硅含量的不同和温度变化，废钢加入量控制在1～3吨，石灰加入量根据入炉铁水量、硅含量确定，炉渣碱度控制在1.0～1.1。

[5]铁水脱硅氧气流量控制在350～365Nm³/min，吹氧时间控制在5～9分钟，挡渣出铁，铁水出炉温度控制在1480～1530℃。为了保证下工序转炉冶炼化渣及废钢熔化，铁水脱硅后必须保证铁水中硅含量为0.40～0.55％、碳含量为 0.22～0.30％。脱硅出铁后的钢包渣量不大于150千克/炉。

[6]在脱硅炉不增加热源(焦炭粒、油、天然气等质发热剂)的前提下，利用硅的氧化放热熔化大量的废钢，每炉钢可以加入45～50t废钢，兑入铁水^[1]75～ 77t([1]铁水指在出铁沟和鱼雷罐中加入废钢的铁钢混合液)，本方法降低了石化能源消耗，减少了CO₂排放。

3、铁水预处理脱硫：

A、为了有利于脱硫，对脱硅后的钢包顶渣进行改质，方法是经LF处理过的连铸铸余钢水、钢包渣全部留在包内，采用这种钢包盛脱硅后的铁水。

B、出铁后铁水运送到脱硫站进行KR法脱硫处理。由于LF精炼渣中FeO含量低，高碱度、高的Al₂O₃含量，其组成为CaO：50～58％；SiO₂：5～15％；Al₂O₃： 25～30％；MgO：0.5～3.0％；FeO≤1.0％，S≤0.075％。LF精炼终渣具有强的脱硫能力，与铁水脱硫剂一起使用，有利于脱硫剂的快速熔化、铁水脱硫，利于减缓铁水脱硫过程熔体温降，高温熔体为后工序脱碳脱磷多加废钢创造了条件。

C、降低铁水脱硫剂消耗(脱硫剂质量百分比组成：活性石灰占85％，粒度控制在8～20mm；液态的LF精炼渣15％)，当铁水硫含量为0.07～0.085％，脱硫后铁水硫含量不大于0.003％，脱硫剂的使用量从原来的每吨铁35kg降低到了 25kg，每吨铁脱硫剂减少10kg，LF还原渣经过脱硫使用，预处理脱硫过程再不适用萤石，利于环境保护和绿色冶金。LF精炼终渣转化为脱硫渣，可以采用闷罐法处理，达到了绿色冶金的目的。

D、脱硫后铁水成分为：硅含量0.40～0.55％、碳含量为1.8～2.5％，硫含量≤0.003％。脱硫后铁水进行扒渣(捞渣)处理。然后兑入转炉进行脱磷、脱碳冶炼。

4、转炉冶炼：转炉内加入废钢，加入的废钢量根据脱硫后金属溶液的硅含量、碳含量以及温度确定，转炉首先加入约占脱硫金属熔液15～18％的废钢，然后兑入脱硫后金属液，顶吹氧气进行脱磷、脱碳。转炉脱磷温度控制在1450℃以下，当转炉温度达到1420℃以上时向炉内加入废钢冷却，要求废钢规格为直径10～40mm的圆棒切头，长度不大于40mm，各类板材、管材、异形材废钢最大外部最大规格(长、宽、高)不大于40mm。

由于经脱磷挡渣、脱硫扒渣(捞渣)，加入炉内的脱硫溶液硅含量降低，再次冶炼时可以大幅度降低石灰消耗。

转炉不增加热源，利用硅、碳的氧化反应放出的热量提高熔池温度，采用废钢(废钢加入量为1～2吨)、造渣料调节转炉钢水温度满足脱磷、去碳条件，炉渣碱度控制在2.7～3.0，保证转炉出钢温度符合下工序要求要求。氧气流量控制在 450～470Nm³/min，吹氧时间不大于10min，转炉出钢温度控制在1630～1670℃，钢水[P]≤0.018％、[S]≤0.008％，[C]含量控制在0.03～0.06％，钢水的成分、温度满足下工序生产优质品种钢的制备要求后挡渣出钢，出钢过程根据品种要求加入合金和脱氧剂，再进入下工序进行处理，然后浇铸成合格板坯。

Claims (2)

1.一种基于熔融还原铁水的高废钢比转炉冶炼方法，其特征在于操作步骤如下：

（1）在受铁鱼雷罐内预先加入废钢，熔融还原炉除铁过程中在铁水沟加入废钢，两次废钢的加入量占铁水量的14%，在炼铁还原炉出铁过程中废钢熔化在鱼雷罐内与铁水混合；

（2）铁水脱硅：[1]脱硅炉设计为炉容比0.98m3t-1的顶底复吹转炉：炉容比=转炉的有效容积V/公称吨位T；[2]在铁水脱硅炉内提前加入所述废钢，加入废钢量占总铁料约38%以上，每炉45～48吨的废钢，然后兑入75～77吨的铁水，铁水指在出铁沟和鱼雷罐中加入废钢的铁钢混合液；[3]炉渣碱度控制在1.0～1.1%，R=CaO/SiO2，活性粒度控制在6～20mm；[4]在脱硅炉内顶吹氧气进行脱硅，控制脱硅炉内熔池温度不大于1530℃；其控制温度的方法一是控制顶吹氧气的流量，二是控制氧气吹入熔池的角度，三是在吹氧脱硅2分钟后，吹氧过程中分多次加入废钢和石灰进行降温，废钢作为降温剂对熔池熔体降温；石灰起造渣和钢水降温双重作用，根据铁水硅含量的不同和温度变化，废钢加入量控制在1～3吨，石灰加入量根据入炉铁水量、硅含量确定，炉渣碱度控制在1.0～1.1；[5]铁水脱硅氧气流量控制在350～365 Nm3/min，吹氧时间控制在5～9分钟，挡渣出铁，铁水出炉温度控制在1480～1530℃，铁水脱硅后必须保证铁水中硅含量为0.40～0.55%、碳含量为0.22～0.30%，脱硅出铁后的钢包渣量不大于150千克/炉；

（3）铁水预处理脱硫：

[1] 为了有利于脱硫，对脱硅后的钢包顶渣进行改质，方法是经LF处理过的连铸铸余钢水、钢包渣全部留在包内，采用这种钢包盛脱硅后的铁水；

[2] 出铁后铁水运送到脱硫站进行KR法脱硫处理，由于LF精炼渣中FeO含量低，高碱度、高的Al2O3含量，其组成为CaO：50～58%；SiO2：5～15%；Al2O3：25～30%；MgO：0.5～3.0%；FeO≤1.0%，S≤0.075%；

[3] 降低铁水脱硫剂消耗：脱硫剂质量百分比组成：活性石灰占85%，粒度控制在8～20mm；液态的LF精炼渣15%，当铁水硫含量为0.07～0.085%，脱硫后铁水硫含量不大于0.003%， LF还原渣经过脱硫使用，预处理脱硫过程再不适用萤石，LF精炼终渣转化为脱硫渣，采用闷罐法处理；

[4] 脱硫后铁水成分为：硅含量0.40～0.55%、碳含量为1.8～2.5%，硫含量≤0.003%，脱硫后铁水进行扒渣处理，然后兑入转炉进行脱磷、脱碳冶炼；

（4）转炉冶炼：

[1] 转炉内加入废钢，加入的废钢量根据脱硫后金属溶液的硅含量、碳含量以及温度确定，转炉首先加入约占脱硫金属熔液15～18%的废钢，然后兑入脱硫后金属液，顶吹氧气进行脱磷、脱碳。

2.转炉脱磷温度控制在1450℃以下，当转炉温度达到1420℃以上时向炉内加入废钢冷却，要求废钢规格为直径10～40mm的圆棒切头，长度不大于40mm，各类板材、管材、异形材废钢最大外部最大规格：长、宽、高分别不大于40mm；

[2] 转炉不增加热源，利用硅、碳的氧化反应放出的热量提高熔池温度，废钢加入量为1～2吨、造渣料调节转炉钢水温度满足脱磷、去碳条件，炉渣碱度控制在2.7～3.0，保证转炉出钢温度符合下工序要求要求，氧气流量控制在450～470 Nm3/min，吹氧时间不大于10min，转炉出钢温度控制在1630～1670℃，钢水[P]≤0.018%、[S]≤0.008%，[C]含量控制在0.03～0.06%，钢水的成分、温度满足下工序生产优质品种钢的制备要求后挡渣出钢，出钢过程根据品种要求加入合金和脱氧剂，再进入下工序进行处理，然后浇铸成合格板坯。