高热装铁水比冶炼工艺的优化_邓叙燕

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钢 铁 研 究 学 报 第 ２５ 卷
含量。所以多次 换 渣 操 作 是 脱 磷 的 有 效 措 施，但 流 渣量大会使金 属 铁 和 热 量 的 损 失 增 大，因 此 在 满 足 脱磷的条件下尽可能减少流渣量。 从 图 ３ 可 见 ，在 电 弧 炉 吹 炼 过 程 中 ，随 着 低 碱 度 渣的流出和多 批 次 石 灰 的 加 入，炉 渣 的 碱 度 逐 渐 升 高。冶炼前期渣中的 Ｐ２Ｏ５ 含量较低，这主要是由于 炉 渣 的 碱 度 较 低 ，并 且 熔 池 的 温 度 较 低 、传 质 条 件 较 差 ，脱 磷 反 应 进 行 不 充 分 。 所 以 ，推 迟 留 渣 可 提 高 炉 渣的脱磷 效 率、减 少 渣 量。 冶 炼 后 期，随 着 高 Ｐ２Ｏ５ 含量的炉渣的流出和石灰的加入，渣中的 Ｐ２Ｏ５ 含量 逐 渐 降 低 ，有 利 于 降 低 熔 池 中 的 磷 含 量 。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｒｅｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｉｓｓｕｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｌｉｍｅ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｉｇｈ ＦｅＯ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｓｌａｇ ｄｕｒｉｎｇ ＥＡＦ ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｓｌａｇ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｓｌａｇ ａｍｏｕｎｔ，ａｎｄ ｄｅｓｌａｇｇｉｎｇ ｔｉｍｅ ｏｎ ｄｅｐｈｏｓｐｈｏｒｉ－ ｚａｔｉｏｎ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｅｎｄ ｐｏｉｎｔ，ｓｌａｇ ｂａｓｉｃｉｔｙ，ａｎｄ ｏｘｙｇｅｎ ｂｌｏｗｉｎｇ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｎ ＦｅＯ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｅｎｄ ｐｏｉｎｔ ｗａｓ ａｌｓｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ，ｏｘｙｇｅｎ ｂｌｏｗｉｎｇ ｓｃｈｅｍａ ａｎｄ ｓｌａｇ ｆｏｒｍｉｎｇ ｓｃｈｅｍａ ｗｅｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ． Ｔｈｅ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｌｉｍｅ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｆｒｏｍ ３４．３ｔｏ ２５．２ｋｇ／ｔ，ｏｘｙｇｅｎ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｄｅ－ ｃｒｅａｓｅｓ ｆｒｏｍ ４８．２ｔｏ ４２．５ｍ３／ｔ，ＦｅＯ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｆｉｎａｌ ｓｌａｇ ｉｓ ｒｅｄｕｃｅｄ ｆｒｏｍ ３３．４％ ｔｏ ２５．１％ ，ａｎｄ ｃａｒｂｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｅｎｄ ｐｏｉｎｔ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｆｒｏｍ ０．０７％ ｔｏ ０．１５％． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｒｃ ｆｕｒｎａｃｅ；ｈｉｇｈ ｈｏｔ ｍｅｔａｌ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｒａｔｉｏ；ｄｅｐｈｏｓｐｈｏｒｉｚａｔｉｏｎ；ＦｅＯ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｓｌａｇ
数 的 主 要 因 素 有 ：温 度 、炉 渣 成 分 、渣 量 。
２．１ 熔 池 温 度 脱 磷 是 强 放 热 反 应 ，所 以 低 温 有 利 于 脱 磷 反 应 。 从 热 力 学 角 度 考 虑 ，高 温 对 脱 磷 反 应 不 利 ，但 熔 池 中
碳 氧 反 应 剧 烈 ，对 熔 池 的 搅 拌 作 用 较 强 ，钢 水 的 流 动
近 年 来 ，随 着 中 国 废 钢 价 格 和 电 价 的 持 续 上 升 ， 国内很多电弧炉车间都通过大量配加铁水来加快生 产节奏和 降 低 生 产 成 本 。 ［１－４］ 在 高 热 装 铁 水 比 条 件 下 ，熔 池 中 的 碳 含 量 和 磷 含 量 较 高 ，因 此 脱 碳 和 脱 磷 任务相对较重；并 且 冶 炼 过 程 中 熔 池 的 温 度 主 要 受 化 学 热 的 控 制 ，导 致 脱 磷 反 应 不 易 控 制 ，不 容 易 冶 炼 低磷钢（成品 ｗＰ≤０．０１％）［５］。 沙钢集团有限公 司 润 忠 炼 钢 厂 的 Ｃｏｎｃａｓｔ电 弧 炉于２００７年建成 投 产，主 要 用 于 生 产 冷 镦 钢 （成 品 ｗＰ≤０．０１５％）。通过加 大 热 装 铁 水 的 比 例 （占 总 装 入量的７０％～７５％），冶 炼 过 程 中 不 需 要 通 电，生 产 成 本 显 著 降 低 。 但 是 ，为 了 保 证 脱 磷 效 果 ，渣 料 的 消
第 ２５ 卷 第 ５ 期
钢铁研究学报
２０１３ 年 ５ 月
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ
Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．５ Ｍａｙ ２０１３
高热装铁水比冶炼工艺的优化
邓 叙 燕１， 马 建 超１， 赵 伟 杰１， 曹 斌２， 金 红 军２， 李 森２
Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｈｏｔ Ｍｅｔａｌ Ｃｈａｒｇｉｎｇ Ｒａｔｉｏ ｆｏｒ ＥＡＦ Ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ
ＤＥＮＧ Ｘｕ－ｙａｎ１， ＭＡ Ｊｉａｎ－ｃｈａｏ１， ＺＨＡＯ Ｗｅｉ－ｊｉｅ１， ＣＡＯ Ｂｉｎ２， ＪＩＮ Ｈｏｎｇ－ｊｕｎ２， ＬＩ Ｓｅｎ２
［１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ ｏｆ Ｊｉａｎｇｓｕ （Ｓｈａｓｔｅｅｌ），Ｚｈａｎｇｊｉａｇａｎｇ ２１５６２５，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｒｕｎｚｈｏｎｇ Ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ Ｐｌａｎｔ，Ｓｈａｓｔｅｅｌ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ Ｌｔｄ，Ｚｈａｎｇｊｉａｇａｎｇ ２１５６２５，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ］
Ｐ２Ｏ５ 与 Ｐ２Ｏ５的摩尔分数相同，４ＣａＯ·Ｐ２Ｏ５ 的 活 度
可以用 Ｐ２Ｏ５ 的 摩 尔 分 数 来 代 替。 因 此，渣－金 间 磷
的分配系数可按下式ຫໍສະໝຸດ Baidu算：
ＬＰ＝ （ｘｗ（Ｐ［２ＰＯ］５））２ ＝Ｋθ·ａ５ＦｅＯ·ａ４ＣａＯ
（２）
由式（１）和式（２）可 知，影 响 渣－金 间 磷 的 分 配 系
２ 电弧炉脱磷的影响因素
脱磷反应主要在渣－金界面进行，反应式为 ： ［６］ ２［Ｐ］＋５（ＦｅＯ）＋４（ＣａＯ）＝ （４ＣａＯ·Ｐ２Ｏ５）＋
５［Ｆｅ］
ｌｇＫθ
＝ｌｎ
ａ４ＣａＯ·Ｐ２Ｏ５ （ｗ［Ｐ］）２ ·ａ５ＦｅＯ ·ａ４ＣａＯ
＝４０ Ｔ０６７－
１５．０６
（１）
由于炉渣中４ＣａＯ·Ｐ２Ｏ５ 的浓度很低，且４ＣａＯ·
图２ 渣中自由 ＣａＯ 含量与炉渣碱度的关系 Ｆｉｇ．２ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆｒｅｅ ＣａＯ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｓｌａｇ ｂａｓｉｃｉｔｙ
２．３ 流 渣 量 和 流 渣 时 机 电弧炉冶 炼 过 程 中，流 渣 量 的 增 加 意 味 着 渣 中 Ｐ２Ｏ５ 浓度的稀释，在 ＬＰ 一 定 时 可 降 低 熔 池 中 磷 的
１ 工艺技术参数
润忠炼钢厂电 弧 炉 的 公 称 容 量 １１０ｔ，变 压 器 容 量８０ＭＷ，炉 壳 直 径 ６ ５００ｍｍ，电 极 直 径 ５５０ｍｍ， ＥＢＴ 出钢。在炉壁上 安 装 了 ５ 支 超 音 速 集 束 氧 枪， 每支枪的 最 大 氧 气 流 量 为 ２ ２５０ｍ３／ｈ，可 分 ４ 档 控 制 ；每 支 集 束 氧 枪 上 集 成 了 一 支 氧 燃 烧 嘴 ，每 支 烧 嘴
性好，炉渣的 泡 沫 化 程 度 较 高，可 增 加 渣－金 间 的 接 触面积，有利于 熔 池 中 的 磷 和 炉 渣 中 的 Ｐ２Ｏ５ 传 质。 同时，熔池的温 度 是 影 响 碳 与 磷 竞 争 氧 化 的 一 个 主
要 因 素 ，在 一 定 的 温 度 下 ，脱 碳 反 应 可 能 会 抑 制 脱 磷
可知：要使选 择 性 氧 化 转 变 温 度 大 于 １ ４００℃，渣 中
Ｐ２Ｏ５ 的活度应小于１０－２７。 因 此，要 提 高 转 变 温 度，
使 碳 与 磷 同 时 被 氧 化 ，必 须 形 成 碱 性 氧 化 渣 ，降 低 渣
中 Ｐ２Ｏ５ 的活度。 电弧炉炼 钢 过 程 中，炉 渣 和 熔 池 中 的 磷 含 量 随 熔池温 度 的 变 化 情 况 如 图 １ 所 示。当 温 度 小 于 １ ４００℃ 时 ，炉 渣 中 的 Ｐ２Ｏ５ 含 量 较 低 ；当 温 度 达 到
耗较高，钢 水 的 过 氧 化 较 严 重，终 点 渣 中 的 ＦｅＯ 含 量过高，导 致 金 属 收 得 率 较 低 ，热 量 损 失 较 严 重 。 为 进 一 步 降 低 生 产 成 本 、提 高 钢 水 的 质 量 ，润 忠 炼 钢 厂 于２０１２年２ 月 开 始 对 电 弧 炉 的 炼 钢 工 艺 进 行了优化。
图 １ 炉 渣 的 ｗ 和 （Ｐ２Ｏ５） 熔 池 的 ｗ［Ｐ］随 温 度 的 变 化 Ｆｉｇ．１ Ｐ２Ｏ５ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｓｌａｇ ａｎｄ Ｐ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｍｅｌｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
１ ５００℃左 右 时，渣 中 的 Ｐ２Ｏ５ 含 量 最 高，熔 池 中 的 ｗ［Ｐ］能 脱 至 ０．０２％ 以 下。 因 此，电 弧 炉 脱 磷 的 最 佳 温 度 区 间 为 １ ４００～１ ５００℃ ，在 该 温 度 区 间 应 加 强 换 渣脱磷操 作。 在 １ ５００～１ ６５０℃ 温 度 区 间，渣－金 间 磷的分配系数较小，但通过 换 渣 操 作 减 少 渣 中 Ｐ２Ｏ５ 的含量可进一步脱磷。 ２．２ 炉 渣 的 成 分 由式（２）可知，增 加 渣 中 ＦｅＯ 含 量，炉 渣 的 氧 势 增加，使 ＬＰ 增加，有利于 脱 磷。 但 随 着 ＦｅＯ 含 量 的 增加，渣中 Ｐ２Ｏ５ 的活度将会增加，不利于反应（１）的 进行。增加炉 渣 的 碱 度 可 提 高 渣 中 ＣａＯ 的 活 度 并 降低 Ｐ２Ｏ５ 的活度，从 而 有 利 于 脱 磷 反 应 的 进 行；然 而，碱度过高将使炉 渣 变 黏，不 利 于 渣－金 间 的 传 质； 并且碱度越 高，渣 中 未 熔 化 的 ＣａＯ 就 越 多，导 致 石 灰的利用率越低，如图２所示。 生产数据证实，当渣 中 ｗ（ＦｅＯ）＝２０％～２５％，碱度控制在１．５～２．０时，炉 渣的脱磷效率较高。
作 者 简 介 ：邓 叙 燕 （１９８３— ），男 ，硕 士 ，工 程 师 ； Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｅｎｇｘｙ－ｉｒｉｓ＠ｓｈａｓｔｅｅｌ．ｃｎ； 收 稿 日 期 ：２０１２－０８－２２
第５期 邓叙燕等：高热装铁水比冶炼工艺的优化
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的功 率 为 １．５ＭＷ。 炉 门 氧 枪 的 最 大 供 氧 强 度 为 ２ ８００ｍ３／ｈ。废钢的装入量 为 ３５～４０ｔ、铁 水 的 装 入 量为７６～８４ｔ；装 料 顺 序 为 废 钢 料 、一 次 铁 水 、二 次 铁 水 ，其 中 装 入 废 钢 后 立 即 装 入 一 次 铁 水 ，装 入 量 为３８～４２ｔ，６～８ｍｉｎ 后装入二次铁水，装入量 为 ３８～４２ｔ。
（１．江苏省沙钢钢铁研究院，江苏 张家港 ２１５６２５； ２．江苏沙钢集团有限公司润忠炼钢厂，江苏 张家港 ２１５６２５）
摘 要：针对电弧炉炼钢过程中石灰消耗较高、炉 渣 中 ＦｅＯ 含 量 过 高 的 问 题，研 究 了 温 度、炉 渣 成 分、渣 量、流 渣 时机对脱磷的影响以及终点碳含量、炉渣的碱度、吹 氧 强 度 对 终 点 渣 中 ＦｅＯ 含 量 的 影 响，并 对 吹 氧 制 度、造 渣 制 度进行 了 优 化。 工 业 应 用 表 明：石 灰 的 消 耗 从 每 吨 铁 ３４．３ｋｇ 降 到 ２５．２ｋｇ，氧 气 的 消 耗 从 每 吨 铁 ４８．２ｍ３ 降 到 ４２．５ｍ３，终 渣 中 ｗ（ＦｅＯ）从 ３３．４％ 降 到 ２５．１％ ，终 点 ｗ［Ｃ］从 ０．０７％ 提 高 到 ０．１５％ 。 关键词：电弧炉；高热装铁水比；脱磷；渣中 ＦｅＯ 含量 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００１－０９６３（２０１３）０５－００１４－０５
反应的发生。碳与磷发生选择性氧化的热力学条件 可表示为 ： ［７］
２［Ｐ］＋５ＣＯ＝（Ｐ２Ｏ５）＋ ５［Ｃ］
ｌｇａｐ５Ｃ５Ｃ·Ｏａ·Ｐａ２Ｏ２Ｐ５ ＝３１ Ｔ０５２－３９
（３）
若取 ｗ［Ｃ］＝２．５％、ｗ［Ｐ］＝０．０５％、ｐＣＯ ＝１，并 考
虑 熔 池 中 碳 与 磷 的 活 度 相 互 作 用 系 数 ，由 式 （３）计 算