CN116770013A

CN116770013A - 熔融废钢铁水成分调节剂、制备方法及应用

Info

Publication number: CN116770013A
Application number: CN202310757122.4A
Authority: CN
Inventors: 欧阳德刚; 孙伟; 赵元; 朱万军; 金彦明; 周利刚; 沈继胜; 刘婳
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2023-06-26
Filing date: 2023-06-26
Publication date: 2023-09-19

Abstract

本发明公开了一种熔融废钢铁水成分调节剂，按重量百分比包括5～15％的低成本硅铝钙碳合金、50～60％的晶硅切割三级砂、10～20％的碳质材料、2～5％的有机纤维、15～25％的钝化石灰及1～3％结合剂；还提供制备方法及应用。通过低成本硅铝钙碳合金的引入不仅实现了铁水中合金元素溶解补充，提高入炉铁水化学热，降低有害元素与难去除残余元素富集，而且还实现了铁水中Ca合金元素的深度脱硫，提高脱硫渣中硫化物的稳定性，抑制转炉回硫；采用本发明熔融废钢铁水成分调节剂与应用方法，实现了熔融废钢铁水脱硫扒渣后的在线成分调控，并通过铁水罐铁水液面调节剂的全量加入，实现了调节剂在转炉内的补热升温。

Description

熔融废钢铁水成分调节剂、制备方法及应用

技术领域

本发明属于铁合金技术领域，具体涉及一种熔融废钢铁水成分调节剂、制备方法及应用。

背景技术

随着我国钢铁业的快速发展，铁矿石消耗急剧上升，导致国内铁矿石资源日益紧张与大量铁矿石进口，矿石价格节节攀升，严重制约了钢铁联合企业的生产经营效益；同时，高污染、高能耗的高炉炼铁也不利于国家低碳绿色发展战略，制约了高炉炼铁产能的释放与进一步提升。对于钢铁联合企业，如何降低转炉铁水比、提高废钢比成为企业低碳绿色发展的迫切需求。由于转炉单工序废钢加入量受废钢槽容积的限制以及转炉热平衡和生产节奏的制约，导致转炉单一工序废钢加入量受限，阻碍了转炉冶炼废钢比的有效提升，为此，铁水加废钢技术应运而生，并成为钢铁企业提高转炉炼钢废钢比和生产经营效益的重要途径，通过向倒罐后铁水罐和鱼雷罐内加入废钢，利用空罐余热或废钢烘烤装置进行废钢预热，通过高炉受铁后的铁水加热与渗碳熔化，实现废钢在铁水中的熔化，降低铁水传搁热损失。然而，铁水传搁温降大、铁水温度低，导致废钢渗碳熔化速度慢，制约了铁水废钢量和规格大小，虽然废钢烘烤预热提高了受铁时废钢温度、缩短了废钢铁水加热和渗碳熔化时间，但实际生产中稍大规格废钢熔化不彻底现象时常发生，严重影响了铁水脱硫预处理的正常生产，为此，细小规格废钢破碎料和加入量控制成为铁水加废钢的主要方式。然而，在实际生产中发现，铁水罐或鱼雷罐空罐加入废钢破碎料后，铁水顶渣粘稠、碱度低、氧化铁含量高、铁水温降增加、铁水碳与硅含量下降，不仅导致熔融废钢铁水脱硫扒渣困难，严重影响了入炉铁水硫含量与带渣量、转炉出钢回硫量、品种钢冶炼生产计划的实施和全流程生产组织等，而且还使入炉铁水温度低与碳含量、硅含量不受控，导致转炉静态模型适应性差，影响冶炼过程温度制度、吹氧制度、造渣制度、配料制度的精准执行以及出钢碳氧积的温度控制，因而，如何克服铁水加废钢引起的系列问题成为当下转炉大废钢比冶炼急需突破的关键技术之一。

针对鱼雷罐或铁水罐加废钢带来的脱硫扒渣困难、转炉化学热与物理热降低、转炉冶炼工艺变动大等的问题，通过铁水罐或鱼雷罐空罐加破碎料高炉受铁运转过程的取样分析与理论研究发现，由于破碎料废钢规格小、表面积大、表面氧化严重、泥土杂物夹带量多，导致空罐加破碎料废钢的氧化铁与泥土杂物带入量大，若按照破碎料废钢中氧化铁含量和泥土杂物夹带量分别为3％、铁水中废钢加入重量百分比为3％以及高炉出铁带渣重量百分比为0.6％计算，则单吨铁水的废钢氧化铁带入量、废钢泥土杂物带入量和铁水渣量分别为0.9Kg、0.9Kg和6Kg，即单吨铁水因加废钢导致的总渣量增加1.8Kg，渣中氧化铁含量升高11％以上；由于在空罐加废钢后的高炉受铁过程中，废钢受到铁水的冲刷和搅拌，废钢与铁水发生界面反应，FeO将铁水中的Si氧化，生成大量SiO₂，从而降低了铁水渣的碱度，若按单吨增加的0.9KgFeO全部与铁水中的Si氧化反应，则使单吨铁水中硅合金量减少0.175Kg，铁水硅含量降低0.0175％，并生成0.4KgSiO₂，铁水渣SiO₂含量增加5.48％；同时，常规的泥土夹杂物主要为二氧化硅含量加高的酸性杂质，从而使加废钢后铁水渣碱度进一步降低，形成高氧化性粘稠性酸性铁水渣；同时，由于铁水中废钢加热升温，铁水温度降低，铁水饱和碳含量下降，鳞片石墨析出，铁水碳含量降低；由于铁水中废钢渗碳熔化，铁水碳含量进一步降低；由于渗碳熔化的碳浓度差驱动，致使熔融废钢铁水碳不饱和，铁水平均碳含量继续降低；最终导致熔融废钢铁水碳含量低。鱼雷罐或铁水罐一般采用Al₂O₃-SiC-C质耐火砖罐材，在鱼雷罐或铁水罐加废钢后，由于废钢FeO的带入，导致铁水渣中FeO含量上升，加剧了Al₂O₃-SiC-C质耐火砖的侵蚀与氧化损毁，其中，SiC与FeO反应，生成的SiO₂夹进入渣中，导致铁水渣W(CaO)/W(SiO₂)降低，同时，C与FeO反应，生产CO、CO2气体排出，破坏了Al₂O₃-SiC-C质耐火砖的C-C结合，引起耐火砖组织结构疏松与骨料脱落，导致刚玉或高铝质骨料浸入渣中，铁水渣W(CaO)/W(Al₂O₃)降低；由此可见，鱼雷罐或铁水罐加废钢，不仅加剧了Al₂O₃-SiC-C质耐火砖的损毁进程，而且还将使铁水碳含量、硅含量降低以及铁水渣碱度降低、熔点降低、氧化性升高、铁水温降增大，导致熔融废钢铁水脱硫扒渣困难、入炉铁水化学热与物理热降低、转炉造渣成渣困难、转炉废钢比受限、冶炼周期长以及转炉补吹频次高、出钢氧含量高等不足。

对于鱼雷罐、铁水罐加废钢引起的脱硫扒渣困难的问题，文献“刘自康，郑毅，鱼雷罐加废钢对铁水渣及铁水脱硫的影响，炼钢，2021，No5”，通过大量的现场取样分析，在鱼雷罐加废钢38.5Kg/t铁的条件下，铁水传搁温降增加10℃，铁水温降对熔融废钢铁水脱硫影响较小，指出了减少进入鱼雷罐内的氧化铁量是降低SiO₂产生量、防止氧化性粘稠渣形成的重要手段，并制定了如下改进措施：一是调整废钢种类，由加破碎料或矽钢片调整为只加硅钢片；二是减少废钢加入量，由原来的10t/罐调整为4t/罐；三是加强废钢管理，规范外观质量要求，取消废钢打水，往鱼雷罐送料时遵循后进先出的原则，避免废钢生锈。通过上述三方面工作，氧化性粘稠渣发生率由40％降至15.6％。此外，针对鱼雷罐加废钢带来的脱硫困难的问题，通过现场取样分析，探明了鱼雷罐加废钢后铁水渣碱度低、氧化性高、粘稠的主要原因，导致熔融废钢铁水镁基喷吹脱硫过程中，大量金属镁与渣中的SiO₂反应、脱硫产物饱和溶解度低、回硫，抑制了脱硫反应的进行。为此，制定了脱硫前将进行铁水粘稠渣的去除改进措施，通过粘稠渣炉次“前扒渣+后扒渣”的双扒渣措施，喷吹终点硫含量达到预期目标硫含量要求，金属镁粉利用率提高至43.8％，比单后扒渣高2.8％，但仍比鱼雷罐加废钢前低1.2％；虽然双扒渣解决了鱼雷罐加废钢所产生的脱硫异常问题，但是给生产和成本也造成了不利影响，脱硫周期增加了6min，扒渣铁损增加了6.5Kg/t。

针对铁水包加废钢后引起的附有寿命缩短问题，文献“徐国涛，赵元，吴杰等，加废钢条件下铁水包的异常侵蚀与用材问题探讨，耐火材料，2022，No1”，通过铁水包加废钢后耐火材料衬的异常侵蚀进行了现场取样分析，探明了其主要破损原因与包衬耐火材料的质量、选材有关，分析结果表明：(1)对于包底采用铝碳化硅碳砖(体积密度为2.86g/cm³)和包壁用铝碳化硅碳砖(体积密度为2.54g/cm³)的铁水包，由于包壁工作衬砖密度低，叶蜡石含量高，虽然成本可以大幅度降低，但其主要成分是SiO₂，在以MnO、FeO为主要组成的挂渣相的侵蚀下，容易导致FeO与包衬的氧化还原反应，形成多孔疏松结构，烧后耐压强度较低；同时，在钢厂实行耐火材料总包后，由于承包价格的影响，耐火材料供应商往往被动地采用代用原料，导致包底包壁耐火材料的体积密度、显气孔率、耐压强度均低于行业标准的要求。因此，铁水包工作衬砖质量不能满足铁水包加废钢的工艺条件是破损的主要原因。(2)由于废钢装入高度约占包高三分之二，铁水入包不一定直对包底，沿空隙进入后，对包衬形成回旋冲击。含未熔钢粒的铁水对炉衬的回旋冲击磨损大，而铝碳化硅碳砖高温强度不高，碳容易氧化，碳化硅含量低，抗侵蚀性能差，冲击造成断砖、掉砖。对于铁水包中加废钢，有的厂家采用预热到800℃，甚至使用煤气氧枪加热，例如，铁水包包壁用铝碳化硅碳砖1000℃的氧化质量损失率为6.74％，包壁砖在使用过程中氧化形成多孔层，铁水通过多孔层渗透，在其中析碳并富集；氧化反应造成了砖衬的疏松，强度降低；包壁部分附渣熔点低，其材质在加废钢条件下需要考虑其高温性能；这种情况包衬的结构需要改变，如内部再套浇一层无碳浇注料，以提高包衬的抗冲刷和磨损能力。(3)铁水包保温层采用红硅石质保温砖，其密度大，强度高，保温性不好，铁水包温降大。如废钢没有烘烤加热，熔化不彻底，容易造成包口、包底黏钢、黏渣，加剧了铁水包的侵蚀，因而，铁水包衬用耐火材料必须结合工艺条件的变化加以改进来提高其技术的附加值，而不完全是靠原料替代来降低成本，如：黏土砖或轻质莫来石砖，虽然成本相对红硅石保温砖要高，但其密度小，保温性能好。

针对熔融废钢铁水脱硫扒渣困难以及入炉铁水质量波动大的问题，中国专利“欧阳德刚,孙伟,朱万军等，熔融废钢铁水改质剂及其制备方法与应用，专利申请号：202210313316.0”，公开了一种熔融废钢铁水改质剂及其制备方法与应用，所述改质剂包括以下重量百分比的原料：低成本硅铝钙碳合金55～75％、烧结铝酸钙10～20％、工业纯碱5～15％、萤石5～15％。所述低成本硅铝钙碳合金主要由Si、Al、Ca、C合金元素和金属Fe组成，主要杂质元素为P和S，Si、Al、Ca、C合金元素的重量百分比含量范围为：Si:35～45％，Al:5～10％，Ca:9～19％，C:4～12％；金属Fe的重量百分比含量范围为1.5～2.5％；杂质元素P、S的重量百分比含量范围为P≤0.05％，S≤0.1％；所述烧结铝酸钙的主要成分12CaO·7Al₂O₃含量≥85％，所述萤石的主要成分CaF₂含量≥85％。通过熔融废钢铁水改质剂中低成本硅铝钙碳合金的引入及其高含量的Si、Al、Ca、C合金元素，不仅实现了铁水中合金元素的补充与铁水的深度脱氧，同时完成铁水顶渣的还原改质，改善铁水脱硫反应热力学条件，此外，还实现了Ca合金元素的铁水高效脱硫，并使脱硫渣中MgS转化为CaS，提高脱硫渣中硫化物的稳定性；通过以主要成分为12CaO·7Al₂O₃烧结铝酸钙、工业级纯碱的引入，提高脱硫渣的容硫能力和硫分配系数，抑制脱硫残渣回硫；通过工业级纯碱、萤石的加入，降低脱硫渣熔点，促进渣金界面反应，提高脱硫效率，抑制残渣回硫。并在工业性试验中，实现了熔融废钢铁水的在线改质，取得了熔融废钢铁水合金成分控制合理、铁水深脱硫高效稳定、铁水扒渣执行顺利的预期效果，达到了稳定入炉铁水质量、降低出钢回硫量的综合目标。然而，所述的熔融废钢铁水改质剂是在铁水扒前渣后脱硫前加入，通过脱硫过程中，改质剂中的低成本硅铝钙碳合金的熔化与脱氧反应，改善了熔融废钢铁水脱硫的还原性热力学条件，达到顶渣与铁水的还原改质目的，但因改质剂加入量少、合金元素液面空气二次氧化、有限脱硫时间内铁水溶解不充分、脱硫后渣扒除损失等因素，导致铁水中合金溶解量少，对脱硫后入炉铁水化学热补偿不足，制约了转炉废钢比的提升。

针对铁水罐中加废钢后引起的铁水温度、铁水中碳和硅含量等对转炉冶炼废钢比的制约问题，文献“刘林，张德荣，任涛等，利用发热废钢提高转炉废钢比工艺实践，山西冶金，2022，No6”，如：在铁水中加入50kg/t废钢条件下，铁水温度变化范围为213～1337℃，铁水碳含量变化范围为3.61～14.97％，铁水硅含量变化范围为0.09～10.68％，铁水锰含量变化范围为0.22～10.66％，铁水磷含量变化范围为0.080～10.160％，铁水硫含量变化范围为0.007～10.099％，由此可见，该铁水热量将使250kg/t废钢比转炉冶炼热量不足，导致转炉过氧化严重、炉衬侵蚀加剧、转炉经济技术指标劣化。为此，提出了转炉采用发热废钢到提高废钢比的改进措施。然而，转炉加入发热废钢后，转炉过程升温发生变化，在吹炼中后期发热废钢熔化，带入大量Si、Mn、P元素，导致中后期返干，不利于P元素的去除。为了提高入炉废钢比，达到节铁增钢、P成分受控的转炉冶炼目的，特对发热废钢加入后对转炉操作的影响，后期返干，钢水回磷等进行了现场跟踪记录，并开展了不同铁水条件下发热废钢加入量、转炉吹炼枪位及加料时机的工艺优化研究。转炉使用发热废钢主要为机械生铁，发热废钢中C、Si、Mn元素含量高，几种机械生铁重量百分比成分平均含量为：w(TFe)91.23％、w(C)5.12％、w(Si)2.06％、w(Mn)0.78％、w(P)0.10％、W(S)0.10％。研究结果表明，机械生铁块度不均匀，大部分属重废范畴，在吹炼前期不能快速熔化，机械生铁在吹炼中期熔化，随着熔池温度逐渐升高，机械生铁快速熔化，会释放大量的C、Si、Mn，此时钢水中突然增加Si、Mn元素，并会快速氧化，与渣中的FeO反应，导致渣中FeO消耗过快，出现返干现象。通过调整废钢配比，控制机械生铁加入量为20％，转炉热量明显好转。根据机械生铁加入前后入炉废钢比数据对比分析，机械生铁的温降为3.7℃/t，较正常废钢降低1.3℃/t，废钢单耗增加7kg/t，终点氧质量分数降低68×10^-6。通过枪位优化，控制发热废钢加入量、控制过程温度、渣料加入，可有效解决发热废钢加入后返干磷高的问题，保证产品质量。然而，机械生铁尺度大、熔化速度慢，有害元素含量高，不利于高品质钢的转炉冶炼钢水质量保障，制约了其规模化应用。

针对熔融废钢铁水转炉大废钢比冶炼热量不足的问题以及转炉常规金属硅、金属铝质和碳质复合发热剂补热效率低的不足，中国专利“欧阳德刚，孙伟，周甫等，转炉复合发热剂及制备方法，授权公告号：CN113005260B”，公开了一种原料包括补热剂、调节剂、催化剂、增重剂、增热剂及结合剂的转炉复合发热剂，各组份的质量百分比为：补热剂50～60％、调节剂10～15％、催化剂1～3％、增重剂10～20％、增热剂5～10％、结合剂2～4％。其中，所述补热剂由废石墨电极粉、生物炭粉、兰炭粉中至少两种复配组成，废石墨电极粉、生物炭粉、兰炭粉的粒度均≤0.150mm；所述调节剂由活性石灰粉与轻烧白云石粉按照质量比为2:1复配组成，活性石灰粉、轻烧白云石粉粒度均≤0.150mm；所述催化剂由粒度≤0.150mm的软锰矿粉组成；所述增重剂为炼钢转炉一次除尘灰中磁选获得的钢粒，粒度≤5mm，TFe质量百分比含量≥85％；所述增热剂由粒度≤0.150mm的晶硅切割三级砂和粒度≤1mm二次铝灰复配组成，晶硅切割三级砂和二次铝灰的质量比为4:1～9:1；所述结合剂为酚醛树脂与煤焦油中的一种或两种复合组成。该发明通过采用由粒度≤0.150mm的废石墨电极粉、生物炭粉、兰炭粉中至少两种复配组成的补热剂，利用兰炭粉和生物炭粉固定碳含量较高，磷硫有害元素含量低、燃烧特性优等特点，提高燃烧速度与燃烧温度，降低有害元素带入量，提高转炉冶炼钢水质量，进一步通过废石墨电极粉的复配，提高补热剂中的固定碳含量和发热值，提高补热热量，减少有害元素带入量，并通过生物炭粉或兰炭粉的燃烧促进协同作用，克服常规石墨碳球燃烧速度慢、燃尽时间长、补热效率低等不足；通过转炉复合发热剂的压制成球与增重剂的加入，提高发热剂压制球的强度与体积密度，防止转炉高速气流抽走，提高发热剂有效利用率；通过增热剂的加入，提高发热剂对低[Si]铁水转炉冶炼的适应能力，促进转炉化渣成渣。通过由粒度≤0.150mm的活性石灰粉与轻烧白云石粉按照质量比为2:1复配组成的调节剂加入，提高转炉复合发热剂燃烧灰分碱度与成渣速度，避免灰分量波动引起的转炉造渣控制困难的不足，稳定转炉冶炼操作。通过粒度≤0.150mm软锰矿粉的催化剂配加和MnO₂对碳燃烧的催化作用，进一步提高补热剂中固定碳的燃烧性能，提高燃烧效率与补热效果，并促进转炉化渣。通过炼钢一次除尘灰中磁选获得的粒度≤5mm钢粒为增重剂，提高转炉复合发热剂的体积密度，保持炉内燃烧补热过程中与炉内钢水的充分接触，降低补热传热热阻，扩大传热面积，提高补热传热效率，同时，利用钢粒表面形成的铁氧化物对固定碳燃烧的催化作用，进一步提高补热剂燃烧特性，提高转炉补热效率，缩短转炉化渣成渣时间。通过由粒度≤0.150mm的晶硅切割三级砂和粒度≤1mm二次铝灰复配组成的增热剂加入，一方面降低转炉复合发热剂制造成本，提高废弃资源利用率，防止固废环境污染，另一方面充分利用晶硅切割三级砂中高热值的金属硅、碳化硅和二次铝灰中高热值金属铝，提高转炉复合发热剂的化学热与补热热量，并利用二次铝灰中的氟化物，促进转炉渣的熔化与成渣速度，缩短转炉冶炼时间，并通过增热剂加入比例的优化，避免硅质发热剂过高酸性氧化物产物对炉渣碱度的不利影响，同时，避免了铝制发热剂成本高的不足，保持了硅质、铝质发热剂高效补热功能，并通过少量铝质发热剂成分的引入，促进转炉冶炼化渣，缩短冶炼周期；通过采用酚醛树脂与煤焦油中的一种或两种为结合剂，保证转炉复合发热剂压制球的结合强度，避免制备、运输和转炉投加过程的破碎、粉尘污染以及转炉风机高速气流抽吸逃逸，同时，利用酚醛树脂与煤焦油的燃烧发热成分，进一步提高转炉复合发热剂的发热量，并避免了常规水溶性结合剂的水分带入及其引起的补热量下降、炉衬镁碳砖破损、汽化吸热等系列不足。

针对常规焦丁和无烟煤等碳质组份为主的发热剂存在的酸性灰分碱度低与有害元素含量高的问题以及高热值金属硅、金属铝、碳化硅等组份渣量大的不足，中国专利“欧阳德刚，沈继胜，孙伟等，转炉大废钢比冶炼复合造渣补热剂及其制备和使用方法，专利申请号：202210306139.3”，公开了一种转炉大废钢比冶炼复合造渣补热剂，由如下重量百分比的原料制备而成：硅铝钙碳合金55～60％，烧结铝酸钙10～15％，木质炭5～10％，烧结返矿5～10％，锰矿10～15％，轻烧白云石5～10％，硬脂酸钠0.3～0.5％。通过硅铝钙碳合金中的高热值Si、Al、Ca合金元素，在转炉补热过程中形成相应合金元素氧化物，避免高温烟气的形成与外排热损失，提高发热剂补热过程中的传热速度和转炉补热效率，同时，多种合金元素吹氧燃烧形成的多种高活性氧化物，不仅增加了转炉造渣材料的物质组成和低熔点复合氧化物的形成条件，而且高活性氧化产物促进了复合氧化物的形成速度与转炉造渣成渣速度。通过硅铝钙碳合金中适量的C合金元素以及木质炭的复配，延缓硅铝钙碳合金在转炉内的氧化燃烧速度和补热时效，改善转炉冶炼温度制度，提高脱磷效率。通过以低熔点12CaO·7Al₂O₃为主要成分的烧结铝酸钙和轻烧白云石的复合加入，不仅提高了转炉造渣成渣速度，而且提高了成渣的碱度，促进转炉冶炼的渣金反应，同时，提高炉渣碱度与MgO含量，降低熔剂消耗与炉衬侵蚀速度。通过烧结返矿、锰矿的配加，降低了转炉造渣熔点，缩短了造渣成渣时间，改善了转炉脱磷热力学与动力学条件，提高了脱磷效率，同时，通过烧结返矿和锰矿中的氧化铁与氧化锰对碳素材料燃烧的催化作用，提高了补热剂中碳素材料的燃烧速度和燃烧效率，增进了补热剂补热效果。通过硬脂酸钠的引入，提高了转炉大废钢比冶炼复合造渣补热剂的防水性，避免了补热剂存储与运途中的吸湿受潮，同时通过硬脂酸钠的中温分解与搅拌，改善了转炉造渣成渣热力学与动力学行为，提高了成渣速度。

针对硅铁、碳化硅高热值补热剂存在的成本高、渣量大、转炉石灰消耗多等不足，中国专利“欧阳德刚，李领军，佟岗等，一种低成本硅铝钙碳合金及其制备方法、在转炉冶金补热上的应用，专利申请号：202210440479.5”，公开了一种一种转炉补热用低成本硅铝钙碳合金，其化学成分重量百分比为：Si：35～45％、Al：5～10％、Ca：9～19％、C：4～12％、Fe：1.5～2.5％、P≤0.05％、S≤0.1％，及其不可避免的杂质。通过高热值Si、Al、Ca合金元素的合金化复合，在转炉补热过程中形成相应合金元素氧化物，避免高温烟气的形成与外排热损失，提高发热剂补热过程传热速度和转炉补热效率，降低发热剂加入量与转炉补热成本，此外，多种合金元素吹氧燃烧形成的多种高活性氧化物，不仅增加了转炉造渣材料的物质组成和低熔点复合氧化物的形成条件，而且高活性氧化产物促进了复合氧化物的形成速度与转炉造渣成渣速度。通过低成本硅铝钙碳合金中C合金元素的适量复合，延缓低成本硅铝钙碳合金在转炉内的氧化燃烧速度和补热时效，改善转炉冶炼温度制度，提高脱磷效率；通过不同合金元素氧化燃烧特性的耦合优化，提高本发明的一种低成本硅铝钙碳合金的转炉综合补热效果，达到降低补热剂消耗与熔剂消耗、提高转炉废钢比与金属收得率、缩短冶炼周期等综合目的。

综上所述可见，对于铁水罐或鱼雷罐空罐加废钢条件下的转炉大废钢比冶炼工艺流程，由于破碎料废钢表面氧化与杂物裹挟，导致铁水罐或鱼雷罐加废钢后铁水渣氧化性高、碱度低、顶渣粘稠以及铁水易氧化合金元素氧化损失、铁水传搁温降增大，虽然以低成本硅铝钙碳合金为主要组份的熔融废钢铁水改质剂的发明，改善了铁水脱硫热动力学条件与扒渣动力学，提高了融废钢铁水脱硫扒渣效率与预处理技术经济指标，但在铁水脱硫过程中添加改质剂，导致还原性合金成分铁水溶解量少、氧化损失量大，同时，进入脱硫渣中的合金组份也将在脱硫渣扒渣过程中扒除，导致改质剂合金成分有效利用率低，对入炉铁水化学热的提升作用有限，制约了转炉冶炼废钢比的提升和钢水质量的稳定控制，此外，虽然低成本硅铝钙碳合金与钢水合金用合金纯度要求低、价格低廉，但与含合金元素的工业二次固废相比，价格仍然很高，制约了经济性的充分发挥；针对熔融废钢铁水转炉大废钢比冶炼热量不足的问题，转炉补热剂的使用和发热废钢的应用，提高了转炉化学热效应，但补热剂与发热废钢的转炉投加及其炉内升温熔化与氧化反应耗时，延长了转炉冶炼周期，导致转炉生产效率降低；同时，常规的碳质补热剂和发热废钢带入的大量残余元素和有害元素去除困难的问题，制约了高品质钢的成分命中率，而纯度高的合金补热剂价格昂贵，转炉补热经济性差，甚至为负效益。如何有效地克服现有技术存在的不足，实现铁水加废钢条件下的转炉大废钢比高效优质低成本冶炼，仍需进一步开展系统的研究。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种熔融废钢铁水成分调节剂、制备方法及应用，其中，熔融废钢铁水成分调节剂有害元素含量少、成本低、制备简单的优点，同时，铁水脱硫扒渣后炉外铁水罐液面投加方式，具有使用方便、合金收得率高、熔融废钢铁水合金含量控制精准、入炉铁水化学热稳定，提高了转炉热效率、促进了转炉造渣成渣、缩短了转炉冶炼周期、抑制了钢水残余元素和有害元素富集、降低出钢氧含量等特点，最终达到提高熔融废钢铁水转炉高效低成本优质冶炼的综合目的。

为实现上述目的，本发明提供一种熔融废钢铁水成分调节剂，包括低成本硅铝钙碳合金，晶硅切割三级砂、碳质材料、有机纤维、钝化石灰及结合剂；各组分的重量百分比为：低成本硅铝钙碳合金5～15％，粒径≤5mm；晶硅切割三级砂50～60％，粒径≤0.10mm；碳质材料10～20％，由生物炭、兰炭中的一种或两种组成，粒径≤0.15mm；有机纤维2～5％，由废纸纤维、植物纤维中的一种或两种组成，纤维长度≤10mm，纤维直径≤1mm；钝化石灰15～25％，由冶金石灰窑除尘灰和冶金石灰筛下料按照重量比1:1搅拌混合组成，并在搅拌混合过程中喷洒总量百分比为0.5～1％的有机硅油进行钝化，CaO重量百分比含量≥80％，粒径≤1mm；结合剂1～3％，由玉米淀粉与聚乙烯醇中的一种或两种混合组成。

进一步地，所述晶硅切割三级砂为晶硅切割过程中产生的砂浆经固液分离和大颗粒SiC回收后产生的固体废弃物，其中，金属硅的质量百分比含量为50～70％，SiC的质量百分比含量为20～30％。

进一步地，所述低成本硅铝钙碳合金为中国专利“欧阳德刚，李领军，佟岗等，一种低成本硅铝钙碳合金及其制备方法、在转炉冶金补热上的应用，专利申请号：202210440479.5”公开的低成本硅铝钙碳。

进一步地，所述生物炭为由农林生物质资源在低氧环境下进行高温裂解制备的生物炭粉末，固定碳含量≥70％。

进一步地，所述兰炭为兰炭生产运输过程中产生的兰炭粉末，固定碳含量≥80％。

进一步地，所述废纸纤维由回收废纸经碎纸机破碎后再粉碎机粉碎获得；所述的植物纤维由麦秆、稻草经粉碎机粉碎获得。

本发明的熔融废钢铁水调节剂制备方法具体步骤如下：

1)按照上述调节剂的原料组成，进行低成本硅铝钙碳合金、晶硅切割三级砂、碳质材料、有机纤维、钝化石灰及结合剂原材料的备料；

2)将低成本硅铝钙碳合金进行破碎，选取5mm网孔筛网筛分筛下料，获得粒径≤5mm自然级配的颗粒料；选取晶硅切割三级砂0.10mm网孔筛网筛分筛下料，获得粒径≤0.10mm粉料；选取0.15mm网孔筛网筛分的生物炭、兰炭筛下料的一种或两种混合，获得粒径≤0.15mm的碳质材料；选择回收废纸，采用碎纸机破碎后再粉碎机粉碎，获得纤维长度≤10mm、纤维直径≤1mm的废纸纤维，选择麦秆、稻草，采用粉碎机粉碎，获得纤维长度≤10mm、纤维直径≤1mm的植物纤维；采用冶金石灰窑除尘灰和冶金石灰筛下料，选取1mm网孔筛网筛分筛下料，并按照冶金石灰窑除尘灰和冶金石灰重量比1:1，投加到密闭的立式搅拌混合机进行搅拌混合，并在搅拌混合过程中喷洒冶金石灰窑除尘灰和冶金石灰总量的0.5～1％的有机硅油进行钝化，获得CaO重量百分比含量≥80％、粒度≤1mm的钝化石灰；选取玉米淀粉与聚乙烯醇中的一种或两种混合，获得结合剂；

3)按照上述调节剂中的重量百分比，采用步骤2)处理后的各种原材料，称取各组份，加入立式搅拌机中，搅拌混合10～15分钟，获得熔融废钢铁水成分调节剂混合料；

4)将上述获得的混合料加入到对辊压球机，进行干压成球状体，球状体直径为20～35mm，并采取密封包装方式进行包装入库，获得本发明的熔融废钢铁水成分调节剂成品，并取样分析成品中的固定碳含量、单质硅含量、碳化硅含量。

本发明还提供一种熔融废钢铁水成分调节剂应用方法，具体步骤如下：

1)根据生产记录数据，确认鱼雷罐或铁水罐废钢加入量；采用中国专利“欧阳德刚,孙伟,朱万军等，熔融废钢铁水改质剂及其制备方法与应用，专利申请号：202210313316.0”公开的改质剂进行熔融废钢铁水的在线改质和铁水脱硫扒渣，根据脱硫扒渣后的测温取样分析结果，确认脱硫后熔融废钢铁水重量、温度、成分；

2)根据脱硫后熔融废钢铁水成分与高炉铁水入炉成分差异以及熔融废钢铁水成分调节剂成品中的固定碳含量、单质硅含量、碳化硅含量取样分析结果，按照单质硅和碳化硅化合硅收得率为50％以及熔融废钢铁水硅含量与高炉铁水入炉硅含量要求的差值，计算铁水硅含量调节所需的熔融废钢铁水成分调节剂投加量W1，

3)根据熔融废钢铁水成分调节剂投加量W1，计算熔融废钢铁水成分调节剂相应投加量条件下固定碳和碳化硅化合碳带入量。

4)根据转炉废钢加入量、熔融废钢铁水脱硫后温度以及熔融废钢铁水成分调节剂投加后固定碳和碳化硅化合碳带入量、铁水硅含量计算值，采用转炉静态热平衡模型，计算相应转炉废钢加入量条件下所需补热量；并根据补热量和熔融废钢铁水成分调节剂成分，计算熔融废钢铁水成分调节剂的补热加入量W2。

5)根据计算获得的铁水硅成分调节与转炉大废钢比冶炼补热所需的熔融废钢铁水成分调节剂加入量W1和补热加入量W2，计算合计所需的熔融废钢铁水成分调节剂总加入量W＝W1+W2.

6)按照计算所得的熔融废钢铁水成分调节剂总加入量W，向脱硫扒渣后铁水罐液面铺撒加入重量为W的熔融废钢铁水成分调节剂，加入完毕后，转运至转炉兑铁，并按正常铁水转炉冶炼热平衡条件下的大废钢比冶炼工艺进行冶炼，完成熔融废钢铁水转炉大废钢比优质高效低成本冶炼。

本发明的有益效果：

在目前大废钢比冶炼背景下，由于转炉单工序废钢加入量受废钢槽容积的限制以及转炉热平衡和生产节奏的制约，导致转炉单一工序废钢加入量受限，阻碍了转炉冶炼废钢比的有效提升，为此，铁水加废钢技术应运而生。但在实际生产中，存在熔融废钢铁水脱硫扒渣困难、入炉铁水质量波动大、化学热与物理热低，导致转炉大废钢比冶炼条件下热量严重不足，转炉补吹致使出钢碳氧积与出钢回硫高等；虽然中国专利“欧阳德刚,孙伟,朱万军等，熔融废钢铁水改质剂及其制备方法与应用，专利申请号：202210313316.0”，有效地解决了熔融废钢铁水脱硫扒渣困难的难题，但未能解决铁水合金元素氧化损失带来的铁水成分波动大、化学热降低的问题。针对熔融废钢铁水转炉冶炼热量不足的问题，虽然转炉炉内发热剂补热和发热废钢的应用，弥补了一定的炉内热量不足问题，但廉价发热剂与常规发热废钢残余元素与有害元素的富集，导致钢水成分控制困难，同时炉内发热剂与发热废钢的投加、加热升温、熔化与发热元素氧化燃烧等过程的耗时，导致转炉冶炼周期延长，制约了转炉高效冶炼生产。

本发明通过熔融废钢铁水成分调节剂中低成本硅铝钙碳合金的引入及其高含量的Si、Al、Ca、C合金元素以及有害元素、难氧化去除合金元素含量的限制，不仅实现了铁水中合金元素溶解补充，提高入炉铁水化学热，降低有害元素与难去除残余元素富集，而且还实现了铁水中Ca合金元素的深度脱硫，提高脱硫渣中硫化物的稳定性，抑制转炉回硫；通过调节剂中晶硅切割三级砂的选择，降低调节剂中有害元素与难去除残余元素含量，提高转炉冶炼钢水纯净度，通过晶硅切割三级砂中高含量的单质硅、碳化硅的铁水增硅、增碳效应，实现熔融废钢铁水硅含量、碳含量的可控调节，进一步提高转炉入炉铁水化学热，并利用调节剂中溶解残留的单质硅、碳化硅等高热值发热成分，实现转炉炉内高效高能量密度的补热；通过调节剂中生物炭、兰炭的碳质材料选择，降低碳质材料有害元素带入量和有害元素化和键能，促进有害元素的分解，提高有害元素的去除率，同时降低碳质材料成本，提高绿色碳资源利用率；通过调节剂中废纸纤维和麦秆、稻草植物纤维为有机纤维，提高废弃纸张、麦秆、稻草的再利用率，降低成本与环境污染，同时，通过有机纤维的增强增韧作用，提高熔融废钢铁水成分调节剂产品球体常温强度、运输破碎与铁水液面投加的抗高温爆裂性能，降低熔融废钢铁水成分调节剂运输与使用过程中的粉化扬尘污染。通过调节剂中选择冶金石灰窑除尘灰和冶金石灰筛下料混合、有机硅油钝化获得的钝化石灰的加入，降低钝化石灰成本，避免石灰受潮粉化破碎，提高钝化石灰活性度，控制调节剂碱度，提高调节剂成渣速度，防止铁水液面调节剂中合金元素的空气氧化，提高合金溶解量和合金利用率，实现冶金石灰生产过程中二次资源高质量利用；通过选取玉米淀粉与聚乙烯醇中的一种或两种混合物为调节剂的造球结合剂，提高调节剂干压成球结合强度，防止调节剂运输粉化扬尘污染。

采用本发明的熔融废钢铁水成分调节剂制备方法，通过各种原材料的合理选择，降低调节剂中有害元素与难氧化去除残余元素的富集，通过各种原材料的预处理技术，保证了本发明调节剂中各种原材料的粒度与技术性能要求，通过搅拌混合工艺与干压造球，保证了本发明调节剂的成品性能均匀性、球体结合强度和球体直径要求，防止调节剂成品包装运输与使用过程的粉化扬尘，提高调节剂有效利用率；在本发明的熔融废钢铁水成分调节剂应用方法中，采用中国专利“欧阳德刚,孙伟,朱万军等，熔融废钢铁水改质剂及其制备方法与应用，专利申请号：202210313316.0”公开的改质剂进行熔融废钢在线铁水改质和脱硫扒渣，保证了熔融废钢铁水的脱硫扒渣质量；通过调节剂合理加入量的精准计算与铁水罐液面投加方式，保证了铁水罐液面调节剂投加后调节剂的加热升温熔化与合金溶解成分调节功能，促进调节剂的炉外成渣和有害元素的气化去除，避免转炉投加、加热升温熔化、合金溶解与氧化耗时，缩短转炉冶炼周期，实现了本发明调节剂的高效低成本应用，达到提高转炉废钢比、冶炼效率与炉内溶解合金氧化放热补热效率以及改善转炉出钢钢水质量等综合目的。

采用本发明的熔融废钢铁水成分调节剂与应用方法，进行了多工序加废钢转炉大废钢比冶炼工业性试验，通过严格按照应用方法中的使用步骤操作，实现了熔融废钢铁水脱硫扒渣后的在线成分调控，并通过铁水罐铁水液面调节剂的全量加入，实现了调节剂在转炉内的补热升温，取得了熔融废钢铁水脱硫扒渣后合金成分合理控制及其转炉大废钢比高效优质低成本冶炼的预期目标。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

本发明熔融废钢铁水成分调节剂，包括低成本硅铝钙碳合金，晶硅切割三级砂、碳质材料、有机纤维、钝化石灰、结合剂等组成。各组分的重量百分比为：低成本硅铝钙碳合金5～15％，粒径≤5mm；晶硅切割三级砂50～60％，粒径≤0.10mm；碳质材料10～20％，由生物炭、兰炭中的一种或两种组成，粒径≤0.15mm；有机纤维2～5％，由废纸纤维、植物纤维中的一种或两种组成，纤维长度≤10mm，纤维直径≤1mm；钝化石灰15～25％，由冶金石灰窑除尘灰和冶金石灰筛下料按照重量比1:1搅拌混合组成，并在搅拌混合过程中喷洒总量百分比为0.5～1％的有机硅油进行钝化，CaO重量百分比含量≥80％，粒径≤1mm；结合剂1～3％，由玉米淀粉与聚乙烯醇中的一种或两种混合组成。所述晶硅切割三级砂为晶硅切割过程中产生的砂浆经固液分离和大颗粒SiC回收后产生的固体废弃物，其中，金属硅的质量百分比含量为50～70％，SiC的质量百分比含量为20～30％。所述的低成本硅铝钙碳合金为中国专利“欧阳德刚，李领军，佟岗等，一种低成本硅铝钙碳合金及其制备方法、在转炉冶金补热上的应用，专利申请号：202210440479.5”公开的低成本硅铝钙碳。所述的生物炭为由农林生物质资源在低氧环境下进行高温裂解制备的生物炭粉末，固定碳含量≥70％。所述的兰炭为兰炭生产运输过程中会产生大量兰炭粉末，其中固定碳含量≥80％。所述的废纸纤维由回收废纸经碎纸机破碎后再粉碎机粉碎获得；所述的植物纤维由麦秆、稻草经粉碎机粉碎获得。

本发明的熔融废钢铁水改质剂制备方法的具体步骤如下：

1)按照本发明的熔融废钢铁水成分调节剂的原料组成，进行低成本硅铝钙碳合金、晶硅切割三级砂、碳质材料、有机纤维、钝化石灰、结合剂等原材料的备料；

2)将低成本硅铝钙碳合金进行破碎，选取5mm网孔筛网筛分筛下料，获得粒径≤5mm自然级配的颗粒料；选取晶硅切割三级砂0.10mm网孔筛网筛分筛下料，获得粒径≤0.10mm粉料；选取0.15mm网孔筛网筛分的生物炭、兰炭筛下料的一种或两种混合，获得粒径≤0.15mm的碳质材料；选择回收废纸，采用碎纸机破碎后再粉碎机粉碎，获得纤维长度≤10mm、纤维直径≤1mm的废纸纤维，选择麦秆、稻草，采用粉碎机粉碎，获得纤维长度≤10mm、纤维直径≤1mm的植物纤维；采用冶金石灰窑除尘灰和冶金石灰筛下料，选取1mm网孔筛网筛分筛下料，并按照冶金石灰窑除尘灰和冶金石灰重量比1:1，投加到密闭的立式搅拌混合机进行搅拌混合，并在搅拌混合过程中喷洒冶金石灰窑除尘灰和冶金石灰总量的0.5～1％的有机硅油进行钝化，获得CaO重量百分比含量≥80％、粒度≤1mm的钝化石灰；选取玉米淀粉与聚乙烯醇中的一种或两种混合，获得结合剂。

3)按照本发明的熔融废钢铁水成分调节剂中低成本硅铝钙碳合金、晶硅切割三级砂、碳质材料、有机纤维、钝化石灰、结合剂的质量百分比，采用第二步处理后的各种原材料，称取各组份，加入立式搅拌机中，搅拌混合10～15分钟，获得熔融废钢铁水成分调节剂混合料。

4)将上述获得的混合料加入到大强度对辊压球机，进行干压成球状体，球状体直径为20～35mm，并采取密封包装方式进行包装入库，获得本发明的熔融废钢铁水成分调节剂成品，并取样分析成品中的固定碳含量、单质硅含量、碳化硅含量。

本发明的熔融废钢铁水成分调节剂应用方法的具体步骤如下：

采用本发明的熔融废钢铁水成分调节剂与应用方法，先后在100吨、150吨、200吨、250吨转炉，进行了多工序加废钢转炉大废钢比冶炼工业性试验，采用中国专利“欧阳德刚,孙伟,朱万军等，熔融废钢铁水改质剂及其制备方法与应用，专利申请号：202210313316.0”公开的改质剂进行熔融废钢铁水的在线改质和铁水脱硫扒渣，扒渣了熔融废钢铁水脱硫扒渣质量；通过本发明调节剂加入量的精准计算和严格按照应用方法中的使用步骤操作，不仅实现了熔融废钢铁水脱硫扒渣后的在线成分调控，而且，通过铁水罐铁水液面调节剂的全量加入，实现了调节剂在转炉内的补热升温，取得了熔融废钢铁水脱硫扒渣后合金成分合理控制及其转炉大废钢比高效优质低成本冶炼的预期目标。

Claims

1.一种熔融废钢铁水成分调节剂，其特征在于：按重量百分比包括5～15％的低成本硅铝钙碳合金、50～60％的晶硅切割三级砂、10～20％的碳质材料、2～5％的有机纤维、15～25％的钝化石灰及1～3％结合剂；

其中，碳质材料，由生物炭、兰炭中的一种或两种组成，粒径≤0.15mm；

有机纤维，由废纸纤维、植物纤维中的一种或两种组成，纤维长度≤10mm，纤维直径≤1mm；

钝化石灰，由冶金石灰窑除尘灰和冶金石灰筛下料按照重量比1:1搅拌混合组成，并在搅拌混合过程中喷洒总量百分比为0.5～1％的有机硅油进行钝化，CaO重量百分比含量≥80％，粒径≤1mm；

结合剂，由玉米淀粉与聚乙烯醇中的一种或两种混合组成。

2.根据权利要求1所述熔融废钢铁水成分调节剂，其特征在于：所述晶硅切割三级砂为晶硅切割过程中产生的砂浆经固液分离和大颗粒SiC回收后产生的固体废弃物，其中，金属硅的质量百分比含量为50～70％，SiC的质量百分比含量为20～30％。

3.根据权利要求1所述熔融废钢铁水成分调节剂，其特征在于：所述生物炭为由农林生物质资源在低氧环境下进行高温裂解制备的生物炭粉末，固定碳含量≥70％。

4.根据权利要求1所述熔融废钢铁水成分调节剂，其特征在于：所述兰炭为兰炭生产运输过程中产生的兰炭粉末，固定碳含量≥80％。

5.根据权利要求1所述熔融废钢铁水成分调节剂，其特征在于：所述废纸纤维由回收废纸经碎纸机破碎后再粉碎机粉碎获得；所述的植物纤维由麦秆、稻草经粉碎机粉碎获得。

6.一种熔融废钢铁水成分调节剂的制备方法，其特征在于：所述制备方法的具体过程如下：

1)按照权利要求1熔融废钢铁水成分调节剂的原料组成，进行低成本硅铝钙碳合金、晶硅切割三级砂、碳质材料、有机纤维、钝化石灰和结合剂备料；

3)按照权利要求1熔融废钢铁水成分调节剂中的重量百分比，对步骤2)处理后的原材料称取各组份，加入立式搅拌机中，搅拌混合10～15分钟，获得混合料；

4)将步骤3)获得混合料加入到对辊压球机中，进行干压成球状体，球状体直径为20～35mm，并采取密封包装方式进行包装入库，获得熔融废钢铁水成分调节剂。

7.一种如权利要求1所述熔融废钢铁水成分调节剂应用方法，其特征在于：所述应用方法的具体步骤如下：

1)根据生产记录数据，确认鱼雷罐或铁水罐废钢加入量；采用改质剂进行熔融废钢铁水的在线改质和铁水脱硫扒渣，根据脱硫扒渣后的测温取样分析结果，确认脱硫后熔融废钢铁水重量、温度、成分；

2)根据脱硫后熔融废钢铁水成分与高炉铁水入炉成分差异以及熔融废钢铁水成分调节剂成品中的固定碳含量、单质硅含量、碳化硅含量取样分析结果，按照单质硅和碳化硅化合硅收得率为50％以及熔融废钢铁水硅含量与高炉铁水入炉硅含量要求的差值，计算铁水硅含量调节所需的熔融废钢铁水成分调节剂投加量W1；

3)根据熔融废钢铁水成分调节剂投加量W1，计算熔融废钢铁水成分调节剂相应投加量条件下固定碳和碳化硅化合碳带入量；

4)根据转炉废钢加入量、熔融废钢铁水脱硫后温度以及熔融废钢铁水成分调节剂投加后固定碳和碳化硅化合碳带入量、铁水硅含量计算值，采用转炉静态热平衡模型，计算相应转炉废钢加入量条件下所需补热量；并根据补热量和熔融废钢铁水成分调节剂成分，计算熔融废钢铁水成分调节剂的补热加入量W2；

5)根据计算获得的铁水硅成分调节与转炉大废钢比冶炼补热所需的熔融废钢铁水成分调节剂加入量W1和补热加入量W2，计算合计所需的熔融废钢铁水成分调节剂总加入量W＝W1+W2；

6)按照计算所得的熔融废钢铁水成分调节剂总加入量W，向脱硫扒渣后铁水罐液面铺撒加入重量为W的熔融废钢铁水成分调节剂，加入完毕后，转运至转炉兑铁，并按铁水转炉冶炼热平衡条件下的大废钢比冶炼工艺进行冶炼。