淺談中小轉(zhuǎn)爐鋼結(jié)晶器的工藝優(yōu)化

在氧氣轉(zhuǎn)爐的過(guò)程中，多余的化學(xué)熱通常添加過(guò)量的廢鋼和鑄鐵，從而平衡吹掃過(guò)程中所需的冷卻系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。有時(shí)在廢鋼中也加入一部分生鐵塊。一般情況下,生鐵塊的加入量在5%以下。近年來(lái)國(guó)內(nèi)一些中、小型轉(zhuǎn)爐鋼廠為了增加鋼產(chǎn)量,在鐵水量不足時(shí),往轉(zhuǎn)爐內(nèi)加入小高爐生鐵塊。當(dāng)生鐵塊加入過(guò)多時(shí),轉(zhuǎn)爐煉鋼出現(xiàn)熔池溫度低、石灰不易熔化、爐口溢渣、金屬消耗增加、脫磷困難、終點(diǎn)命中率降低等問(wèn)題。轉(zhuǎn)爐煉鋼大量加生鐵塊為小高爐生鐵提供了市場(chǎng),不利于淘汰落后設(shè)備。1在轉(zhuǎn)爐中，增加鑄鐵棒的熱量、鐵水和報(bào)廢鋼之間的差異1.1相關(guān)分散劑成分鐵水成分為萍鋼二煉鋼廠的鐵水平均成分,生鐵塊和廢鋼平均成分為估計(jì)值(表1)。生鐵塊與鐵水、廢鋼雜質(zhì)含量差值(kg/(100kg)):1.2渣熱量的差別按照生鐵塊與廢鋼、鐵水的化學(xué)成分差別,計(jì)算出轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中元素氧化及成渣熱量的差別,列于表2。生鐵塊的熔點(diǎn)低于廢鋼,比熱容大于廢鋼,兩者的熔化熱大致相等(1.35MJ/kg)。100kg生鐵塊的物理熱較鐵水少135MJ,100kg鐵水的總熱焓較生鐵塊多110.47MJ。1.3常見(jiàn)的鋼鐵料組成轉(zhuǎn)爐煉鋼的鋼鐵料組成由鋼鐵廠內(nèi)煉鐵與煉鋼能力比、鐵水成分、轉(zhuǎn)爐容量、所煉鋼種、廢鋼價(jià)格等多種因素所決定。我國(guó)100t以上的大型轉(zhuǎn)爐鐵水比為80%～85%(其中生鐵塊含量小于5%)。80t以下的中、小型轉(zhuǎn)爐鐵水比為71.7%～90.7%。中、小轉(zhuǎn)爐廠的鐵水比波動(dòng)大,主要是這些鋼廠在煉鋼過(guò)程中大量加入小高爐生鐵塊,增加了爐料的化學(xué)熱,使冷料比明顯提高。表3是部分轉(zhuǎn)爐鋼廠的鋼鐵料組成。表3中序號(hào)1～4的4個(gè)鋼廠,煉鐵與煉鋼能力相適應(yīng),鐵水比平均為90%。序號(hào)5～14的11個(gè)鋼廠,除酒泉鋼廠、威遠(yuǎn)鋼廠外,其余各廠的鐵水產(chǎn)量都不同程度地低于煉鋼的需要。這10個(gè)鋼廠的鐵水比平均81.8%,廢鋼平均18.2%(其中生鐵塊11%)。很多地方所屬的中、小轉(zhuǎn)爐鋼廠,生鐵塊加入量大于表3中所列舉的數(shù)字。由于各廠的生鐵塊用量不同,對(duì)于煉鋼過(guò)程冶金反應(yīng)的影響程度也有差別?，F(xiàn)以萍鄉(xiāng)鋼鐵集團(tuán)公司為例進(jìn)行分析。萍鋼二煉鋼廠的鋼鐵料組成:鐵水比76.2%,廢鋼鐵料23.8%(其中生鐵塊17.3%)。假定中、小轉(zhuǎn)爐正常鐵水比88%,萍鋼轉(zhuǎn)爐的廢鋼鐵料的比例高11.8%。萍鋼轉(zhuǎn)爐鋼鐵料消耗為1080kg/t,相當(dāng)于每噸鋼少用鐵水127.44kg。鐵水與生鐵塊的熱焓差值為110.47MJ/(100kg),相當(dāng)于每噸鋼減少熱量收入140.74MJ。2鋼粉的加入量對(duì)轉(zhuǎn)爐的精煉過(guò)程的影響2.1有效降低鋼水溫降壓技術(shù)萍鋼二煉鋼廠的計(jì)算渣量平均為145kg/t。爐渣熱容取0.2MJ/(100℃·kg),鋼水熱容取0.75MJ/(100℃·kg)。每噸鋼水及145kg爐渣的熱容為1.04MJ/℃。對(duì)于中、小型轉(zhuǎn)爐,假定鋼水與爐渣占熱支出的75%,由于鐵水比降低而造成的鋼水溫降為140.74×75%/1.04=101.5℃。不同生鐵塊用量與熔池降溫的關(guān)系如圖1所示。吹煉過(guò)程不同時(shí)刻熔池實(shí)測(cè)溫度如圖2中A、B、C、D所示。為了比較,圖2也給出了國(guó)內(nèi)其它4個(gè)鋼廠的轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程實(shí)測(cè)熔池溫度曲線。由圖2可見(jiàn),萍鋼二煉鋼廠轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程比其它鋼廠平均要低80～100℃,與前面熱焓計(jì)算的結(jié)果相近。吹煉過(guò)程熔池金屬過(guò)熱度如圖3所示。萍鋼二煉鋼廠的金屬過(guò)熱度僅為20℃。吹煉5min時(shí)測(cè)得的金屬溫度為1283℃,呈很粘稠的液體狀。在轉(zhuǎn)爐內(nèi)熔化生鐵塊并不合理,轉(zhuǎn)爐熔化鐵塊的熱效率低于沖天爐化鐵。轉(zhuǎn)爐內(nèi)的熱量為高溫?zé)?其價(jià)格高于沖天爐內(nèi)溫度相對(duì)較低的熱量。轉(zhuǎn)爐內(nèi)過(guò)量加生鐵塊比沖天爐化鐵煉鋼更不合理,不應(yīng)當(dāng)加以提倡。2.2廢鋼凝結(jié)試驗(yàn)熔池液體溫度與廢鋼(或生鐵塊)表面的溫度差Δt是熔池?zé)崃苛飨驈U鋼的動(dòng)力。一部分熱量用于廢鋼的熔化,另一部分用于殘余廢鋼的加熱。在轉(zhuǎn)爐生鐵塊用量過(guò)大時(shí),熔池溫度低,Δt值減小,向廢鋼傳遞的熱量減少,廢鋼的熔化速度降低。由于熔池溫度低,金屬的粘度加大,吹氧反應(yīng)區(qū)的熱量向熔池其它部分的傳遞速度降低,根據(jù)LucasG所作的鐵-碳系金屬粘度與溫度的關(guān)系圖,熔池溫度降低100℃,金屬的粘度增加0.18Pa·s。金屬粘度高降低了熔池傳熱、傳質(zhì)速度。吹煉過(guò)程中表達(dá)熔池內(nèi)物質(zhì)擴(kuò)散與熱量傳遞的公式如下。對(duì)流擴(kuò)散的表達(dá)式:J=?D?2C?X2+uxC(1)J=-D?2C?X2+uxC(1)式中,右邊第一項(xiàng)為分子不穩(wěn)定態(tài)擴(kuò)散通量,第二項(xiàng)為流體流動(dòng)所產(chǎn)生的質(zhì)量通量,它是單位時(shí)間內(nèi)單位面積上流過(guò)該種物質(zhì)的通量。H.Gaye提出一個(gè)計(jì)算液體內(nèi)熱流、傳熱、傳質(zhì)系數(shù)的公式:kh=Sc1/3?Pr0.3?DK(2)h=5000?ε0.2(3)kh=Sc1/3?Ρr0.3?DΚ(2)h=5000?ε0.2(3)施密特?cái)?shù)和普朗特?cái)?shù)都是表征對(duì)流傳熱的相似準(zhǔn)數(shù)。這兩個(gè)相似準(zhǔn)數(shù)都與流體的粘度有密切關(guān)系。過(guò)多加生鐵塊使熔池溫度降低,減緩廢鋼的熔化速度,在一次拉碳時(shí)有時(shí)有未熔廢鋼。H.Gaye用其所提出的數(shù)學(xué)模型計(jì)算了多種情況下廢鋼的熔化過(guò)程。對(duì)于16cm厚的鋼板,在純氧底吹條件下,10min之內(nèi)可以化完。對(duì)于復(fù)吹約在吹氧后13min化完;頂吹法在14min才能化完,在副槍測(cè)溫時(shí)熔池中還有未化完的廢鋼。影響廢鋼熔化時(shí)間的主要參數(shù)有:(1)料塊的尺寸和幾何形狀,其特征參數(shù)是它的當(dāng)量厚度,也就是它的最小尺寸,再加一個(gè)矯正系數(shù)。對(duì)于一個(gè)尺寸為a<b<c的平行六面體的料塊,其當(dāng)量厚度可用式(4)估算:e=a(1?0.13ab?0.07ac)(4)e=a(1-0.13ab-0.07ac)(4)(2)固體料塊的成分(廢鋼或生鐵);(3)吹煉過(guò)程相對(duì)于Fe-C平衡圖的過(guò)熱溫度;(4)液體中熱量和碳的傳遞系數(shù),主要由攪拌條件所決定。在轉(zhuǎn)爐的煙氣中放一個(gè)檢測(cè)器,把一個(gè)裝有放射性氙的軟鐵元件放在料塊的中心,當(dāng)廢鋼熔化完畢時(shí)軟鐵元件所放出的氙可由檢測(cè)器蓋革計(jì)數(shù)器測(cè)出。在工廠所進(jìn)行的試驗(yàn),每爐可應(yīng)用兩個(gè)元件,分別含有30和60微居里的氙。試驗(yàn)分3種煉鋼方法進(jìn)行。頂吹在索里梅廠310t轉(zhuǎn)爐上進(jìn)行,研究了廢鋼和鐵塊的熔化,裝料中液體生鐵的比例為88%。復(fù)吹試驗(yàn)在索里梅廠310t轉(zhuǎn)爐上進(jìn)行(底部吹氧0.05m3/(t·min)),裝料中鐵水比為79%。氧氣底吹的廢鋼熔化試驗(yàn)在索拉克的240t轉(zhuǎn)爐上進(jìn)行,吹煉高磷鐵時(shí)的鐵水比為71%。廢鋼的當(dāng)量厚度大于15cm時(shí),吹煉終點(diǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)未熔廢鋼。對(duì)于生鐵塊,其當(dāng)量厚度小于20cm時(shí),吹煉終點(diǎn)前都可以化完。2.3酸渣的溢渣在吹煉前期和中期熔池處于溫度較低狀態(tài),石灰的熔化速度慢,爐渣較長(zhǎng)時(shí)間處于低堿度狀態(tài),不利于脫磷和爐體維護(hù)。在吹煉到10min時(shí)(相當(dāng)于總供氧時(shí)間的80%),爐渣堿度僅為1.47。爐渣礦相主要是鎂硅鈣石和橄欖石,這種酸性渣粘度很大(類似于玻璃),在熔池脫碳反應(yīng)開(kāi)始后極易“捕獲”大量氣泡,使?fàn)t渣體積膨脹,大量酸性爐渣由爐口溢出。當(dāng)爐溫和爐渣堿度升高,泡沫渣消失后爐渣又容易返干,產(chǎn)生金屬噴濺。石灰加入轉(zhuǎn)爐之后如果不能較快地熔化,其表層CaO與SiO2作用生成高熔點(diǎn)的2CaO·SiO2,這層2CaO·SiO2殼會(huì)阻止石灰的進(jìn)一步熔化。熔池液體金屬對(duì)石灰加熱,使其繼續(xù)煅燒,石灰細(xì)晶變細(xì),更難熔化。轉(zhuǎn)爐熔池溫度高于石灰窯內(nèi)的溫度,石灰過(guò)燒進(jìn)行得很快,使正常石灰變成過(guò)燒石灰。巖相檢驗(yàn)中多次發(fā)現(xiàn)渣中有未熔石灰。由于吹煉前期溢渣嚴(yán)重,為了防止溢渣和噴濺,渣中氧化鐵控制在較低范圍,也造成石灰不易熔化。第507815爐吹氧10min時(shí)所取渣樣w((TFe))僅為4.35%。2.4降低基礎(chǔ)含水率過(guò)多地加入生鐵塊使吹煉終點(diǎn)(或一次倒?fàn)t時(shí))溫度不易控制,對(duì)轉(zhuǎn)爐成渣過(guò)程有不利影響,吹煉終點(diǎn)鋼中磷、硫含量波動(dòng)大。由于終點(diǎn)命中率不高,只能采取“高拉補(bǔ)吹”操作方式,這種方法增加倒?fàn)t次數(shù),延長(zhǎng)冶煉時(shí)間,降低鋼的質(zhì)量。中、小型轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)命中率一般為30%～35%。加入生鐵塊比例過(guò)高時(shí),終點(diǎn)命中率會(huì)降低到30%以下。外購(gòu)生鐵塊中磷、硫含量都較高,如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn),會(huì)因此出現(xiàn)廢品。3加鐵渣吹煉(1)100kg生鐵塊代替100kg鐵水使轉(zhuǎn)爐的熱收入減少110.47MJ,石灰消耗增加2.67kg。100kg生鐵塊代替100kg廢鋼使轉(zhuǎn)爐熱收入增加69.516MJ,元素氧化損失增加5.97kg,渣量增加9.18kg,石灰消耗增加4.33kg,氧耗增加4.866m3,吹氧時(shí)間延長(zhǎng)1.2min。(2)當(dāng)生鐵塊用量較正常情況多用11.8%時(shí),吹煉過(guò)程中熔池溫度降低101.5℃。這對(duì)于成渣和廢鋼