YJ0418-烧结返矿替代废钢炼钢生产案例分析
案例简要说明:依据国家职业标准和冶金技术专业教学要求，归纳提炼出所包含的知识和技能点，弱化与教学目标无关的内容，使之与课程学习目标、学习内容一致，成为一个承载了教学目标所要求知识和技能的教学案例。该案例是炼钢原料优化案例，体现了烧结返矿特点、炼钢冶炼过程温度控制、终渣渣系组成、控制返矿加入方式与数量、防止渣层冷凝等知识点和岗位技能，与本专业转炉炼钢课程炼钢主原料与装入单元的教学目标相对应。
案例名称 适用说明 的综合性课程教学中使用，更适合在炼铁烧结工、转炉炼钢工工种的职工培训中使用。 某中型转炉炼钢厂，受废钢价格高和资源缺乏的条件限制，废钢合理搭配无法实现。同时该公司烧结返矿比例高，二次烧结又增加成本，为消化返矿、同时解决废钢不足的现案例背景 状。提出用烧结返矿取代部分废钢的思路，直接将烧结矿加入转炉冶炼就是其中一种较为可行的降低成本的方法，该方法可以最大程度的利用含铁辅料，提高炼钢效率，减少废钢使用量。 案例所涉及的知识点 案例所涉及配矿量添加方案以及冶炼操作 的技能点 案例工作任务的分解 烧结返矿特性分析、烧结返矿冷却能力估算、制约返矿加入量原因与控制措施、烧结返矿配加方案、转炉炼钢工艺制度选择及工艺参数制定。 (1)利用所学文献检索知识，查找烧结返矿应用的相关文献； (2)掌握烧结返矿的特性、添加量的计算以及冶炼配加时的操作要点； 教学目标 (3)联系生产实际，学会能源的综合利用，具有创新精神； (4)全面复习所学知识，并将知识转化为能力。 案例建议的6~8学时 教学时间 案例的操作现场调研、问题讨论、点评、案例分析、讲授、仿真模拟、课堂练习、大作业。 演示 案例教学可实现现场案例与所学理论知识的有机结合，将书本知识转化为现实工作能案例点评 力，培养了学生的分析问题、解决问题的能力。本案例可迁移为其他物料代替废钢添加的炼钢教学，学生通过本案例学习，具有举一反三解决实际问题的能力。 烧结返矿特性——物理特性、冶金特性、返矿特点； 烧结、转炉炼钢。 烧结返矿替代废钢炼钢案例分析 本案例适合中职、高职、职业本科等院校冶金技术专业，在炼铁烧结、转炉炼钢或相似1. 背景介绍
某中型转炉炼钢厂，受废钢价格高和资源缺乏的条件限制，废钢合理搭配
无法实现。同时该公司烧结返矿比例高，二次烧结又增加成本，为消化返矿、同时解决废钢不足的现状。提出用烧结返矿取代部分废钢的思路，直接将烧结矿加入转炉冶炼就是其中一种较为可行的降低成本的方法，该方法可以最大程度的利用含铁辅料，提高炼钢效率，减少废钢使用量。
1. 主要内容
2.1. 烧结返矿的特性分析
烧结返矿是一种反应性良好且具有一定碱度的低熔点含铁熟料，其硫磷含量低，物理化学成分稳定，粒度均匀，而且熔点较低。在返矿矿相中占相当比例的液相组成熔点是1100~1500℃，在1300~1700℃的炼钢温度下，其液相很容易熔化成渣；被低熔点液相包裹熔蚀的磁铁矿、赤铁矿在液相熔化后，可迅速参与转炉造渣反应并向熔池供氧。如果能够成功在转炉使用，其综合效益应该是相当可观的。 （一）物理特性
烧结返矿主要是由含铁矿物及脉石两大类组成的液相粘接在一起的多种矿物的复合体，其中含铁矿物有磁铁矿(Fe3O4)、方铁矿(FexO)和赤铁矿(Fe2O3)，粘结相主要是铁橄榄石(熔点为1205℃)、钙铁橄榄石(熔点为1093℃)、硅灰石(熔点为1540℃)、硅酸二钙和铁酸钙(熔点为1449℃)等，此外还有少量反应不完全的游离石英(SiO2)和游离石灰(CaO)等。
表1 该厂2月份烧结返矿具体成分
构成 SiO2 CaO TFe FeO MnO MgO AL2O3 TiO2 2.24 2.36 S P R 含量 6.16 11.14 53.98 7.98 0.55 0.56 0.036 0.086 1.81 （二）冶金特性
烧结矿的冶金特性主要包括还原性和软熔性，其中还原性代表其含铁氧化
物供氧能力的强弱；而软熔性则体现其在高温下液化软熔温度的高低和熔化时间的长短。在同等条件下烧结矿粒度越小，其比表面积越大，还原性越高，软熔性越好。一般情况下，高碱度烧结矿在1200℃~1500℃之间发生软化熔融。另外，经过烧结和筛分工艺后的烧结矿化学成分和物理性能稳定，粒度均匀，气孔率高，有利于各类冶金反应的顺利进行。 （三）烧结返矿的特点
烧结返矿作为转炉冷却剂及造渣剂具有以下几个优点： （1）冷却效应大
冷却剂吸收的热量包括物理热和化学热两个部分，冷却剂的物理冷却吸热是从常温加热至熔化后直至出钢温度吸收的热量，化学冷却吸热是冷却剂分解被还原吸收的热量。在1200~1600℃时，烧结返矿的冷却效应为4300~4750kJ./kg，而废钢一般在1110~1430kJ/kg，烧结返矿的冷却效应是废钢的3~4倍。 （2）降低钢铁料耗
烧结返矿中的铁元素被还原进入钢液，约2.5t烧结返矿回收1.0t铁，可降低钢铁料耗；烧结返矿氧化亚铁的含量可折合氧约为22%，考虑氧气利用率等因素，可降低吨钢氧气4m3/t~10m3/t，使用烧结返矿具有降低氧气用量效益。 （3）作为助熔剂
冶炼过程加入烧结返矿可增加渣中氧化铁的含量，有利于化渣，因此烧结返矿等可代替萤石作为助熔剂。
2.2. 烧结返矿冷却能力估算
根据转炉热平衡计算方法，简要的估算出目前的铁水与废钢条件下，采用
不同的精炼工艺，所需的烧结返矿加入量。
铁水装入量t 铁水温度℃
表2 热平衡计算 110 项目 1375 铁水物理热 单位：KJ 1254.70008
铁水C% 终点C% 铁水Si% 放钢温度℃ 废钢t 压球t 烧结矿t 钢水量t 富余热(相当废钢t) 4.5 0.1 0.42 1650 3 3 0 102.84 19.0 放热 放热 铁水其他成分放热 烟尘放热 总热收入 钢水耗热 废钢耗热 烧结矿耗热 压球耗热 烟尘耗热 炉气耗热 渣中铁耗热 喷溅耗热 炉渣耗热 热损失 热富余 665.7376 118.9188 140 53.5 2232.85648 1425.29292 4275878.76 0 10933478.76 3126336 23486781.6 1026210.902 855175.752 26826900 3.0% 27124131.01 通过热平衡估算，精炼的钢种出钢温度在1650℃，需配加19t废钢平衡掉多余热量，以返矿冷却效应与废钢比值在3.0左右，因此需补加6t左右返矿，能平衡掉多余热量。
2.3. 冶炼各阶制约返矿加入量的原因与控制措施
(一) 前期制约返矿加入因素与控制措施
转炉吹炼前期是返矿加入较理想的时期，但是返矿加入量太大，烧结返矿分解吸收大量热，使周围熔池温度会骤然降低，导致周围熔渣粘度升高，甚至产生暂时“结坨”现象，限制反应生成的(FeO)向外扩散传质，进而影响成渣速率。不能达到C-O大量氧化的温度，造成渣中(FeO)积累，引起低温喷溅。 控制措施：
（1）前期返矿加入量根据铁水温度和铁水Si含量进行调整。
（2）前期单批次加入返矿数量不易大于1.5t，且加入返矿间隔不易小于1min。
(二) 中期制约返矿加入因素与预防措施
烧结返矿如果加入时机、加入数量不当，烧结返矿分解反应为强吸热反应，周围熔池温度会骤然降低，导致周围熔渣粘度升高，甚至产生暂时“结坨”现象，限制反应生成的(FeO)向外扩散传质，结合上述共性原因的限制，中期如果返矿加入制度存在问题更易加剧返干现象。 预防措施：
（1）开吹6min后，根据出钢温度的要求，多批次少批量加入烧结返矿，加入量一般在300～500kg，同时按返矿：石灰=3:1~4：1配加石灰，石灰随返矿一起入炉。
（2）中期返矿完全受热分解需时0.5min左右，因此各批次时间间隔大于0.5min，避免因渣层温度降低过快，导致熔渣粘度增大，加剧返干控制难度，且限制下一批次返矿等化渣剂的分解，造成返干现象更为严重，因此必须严格确保返矿的化渣效果，避免因控制不当，出现没有缓解反而更加剧了返干的严重现象。
（3）当返干较为严重时，枪位可控高些，氧压调低些，减缓C-O反应速度，在结合返矿的控制，使炉渣保持一定的FeO含量 (三) 后期制约返矿加入因素与控制措施 （1）熔渣成分
溅渣用熔渣的成分关键是碱度、FeO和MgO含量，终点碱度一般在3以上，FeO含量的多少决定渣中低熔点向数量，对熔渣的熔化温度有明显的影响，当渣中低熔点相数量达30%时，熔渣的黏度急剧下降；随温度的升高，低熔点相数量也会增加只是熔渣粘度变化较为缓慢。终渣FeO含量高低取决于终点碳含量及是否后吹。终点碳含量低，渣中FeO含量相应较高，尤其是出钢温度高于1700℃时，影响溅渣效果。熔渣成分不同，MgO的饱和溶解度也不一样，研究表明，随着碱度的提高，MgO的饱和溶解度有所下降。 （2）炉渣黏度
溅渣护炉对终点熔渣粘度有特殊的要求，粘度不能过高，以利于熔渣在高
压氮气的冲击下，渣滴能够飞溅起来并粘附到炉衬表面；粘度也不能过低，否则溅射到炉衬表面的熔渣易滴淌，不能很好与炉衬粘附形成溅渣层。正常熔渣的粘度是熔池金属粘度的10倍左右。 控制措施：
通过以上分析可知，影响最大的因素是渣中FeO含量。主要措施是：终点前尽量减少含铁物质的加入以及尽可能减少终渣中FeO含量，并根据渣中FeO含量变化，适度调整MgO含量。
1）溅渣前熔渣中MgO含量调整到合适范围，FeO含量高低都可以取得溅渣护炉的效果。见表3
见表3 终渣FeO和MgO含量调控范围
终渣FeO/% 终渣MgO/% 8~11 7~8 15~22 9~10 23~30 11~13 2）终点前3min不加入返矿，终点压枪时间不小于2min，补吹过程不加烧矿 3）终点前3min，根据过程预判以及终渣碱度，适当增加轻烧300～800kg，此时加入轻烧具有终渣易做粘与可做粘的条件，并能确保轻烧的渣中的均匀分布，达到最优化的溅渣效果。
2.4. 烧结返矿配加方案
（一）垫料操作
（1）垫料数量：
Si≥0.40%垫料数量：石灰1.5t~2t+压球2t+返矿1t Si＜0.40%垫料数量：轻烧2t+压球2t+返矿1t
（2）兑完废钢兑铁水前，需前后大角度（150～180°）摇炉，次数不小于2次。 （二）冶炼操作
（1）前期
1）开吹点火后根据垫料量，一批料加入剩余石灰总量的2/3～3/4与全部轻烧，（试验阶段建议普碳钢终渣碱度按3.3，品种钢终渣碱度按3.5控制）。 2）前期采用低枪位高氧压操作，枪位控制在1.2m左右，氧压0.85～0.95Mpa， 3）开吹30s后根据铁水Si含量与温度加入返矿，加入上限不超过1.5t。 （2）中期
1）4～6min不加入任何含铁物料，加强对炉内泡沫溢渣的预判，可提前加入适量轻烧和石灰，如果条件允许建议加入适量石灰石压渣，降低炉渣泡沫化。
2）开吹6min后，根据钢水温度预判情况，多批次少批量加入烧结返矿，加入量一般在300～800kg，同时按返矿：石灰=3：1～4：1配加石灰，石灰随返矿一起入炉；各批次返矿加入间隔不小于0.5min。
3）优化枪位进行低枪位操作，保证吹炼中期碳氧剧烈反应渣中氧化铁的还原速度和加入铁氧化物的生成速度相当，既防止中期返干又预防过程枪位的大幅度波动造成的大喷。 （3）后期
1）终点前3min不加入返矿；终点压枪时间不小于2.5min；补吹过程不加返矿。
2）一次拉碳的炉次。终点前3min，可根据过程预判渣的粘稠度，适当补加轻烧300～800kg。
3）多次拉碳的炉次，需根据终点C含量以及终渣中(FeO)含量，优化终渣中MgO含量，对应关系见表4。
终渣FeO/% 终渣MgO/% 表4 建议实施 8~11 15~22 7~8 9~10 23~30 11~13 4） 如果后期温高可加轻烧与石灰调温，条件允许建议采用石灰石调温。
3.分析路径
该案例是生产案例，本生产案例体现了烧结返矿特点、炼钢冶炼过程温度
控制、终渣渣系组成、控制返矿加入方式与数量、防止渣层冷凝等知识点和岗位技能，与冶金技术专业炼钢课程炼钢主原料与装入单元的教学目标相对应。
根据国家职业标准关于转炉炼钢工种要求，对应教学目标，从此生产案例归纳提炼出所包含的知识和技能点，弱化与教学目标无关的内容，使之与课程学习目标、学习内容一致，成为一个承载了教学目标所要求知识和技能的教学案例。
采用视频、图片、计算机仿真和现场教学等手段，引导学生通过自学、讲授、讨论、对比等方式解决钢厂真实问题-废钢资源少、烧结返矿多，掌握制定烧结返矿代替废钢添加工艺的技能，达到教学目标要求。
4. 教学目标
(1)利用所学文献检索知识，查找烧结返矿应用的相关文献； (2)掌握烧结返矿的特性、添加量的计算以及冶炼配加时的操作要点； (3)联系生产实际，学会能源的综合利用，具有创新精神； (4)全面复习所学知识，并将知识转化为能力。
5. 教学方式方法
现场调研、问题讨论、点评、案例分析、讲授、课堂练习、大作业。具体教学过程设计如下：
5.1. 课前计划
(1)学生掌握知识：转炉炼钢热量平衡计算、文献检索、烧结返矿的特性、转炉炼钢的基本工艺、设备；
(2)学生分组，指定组长；
(3)与现场联系，进行现场教学准备，包括安全教育、劳保用品、行走路线，现场兼职教师，现场教室等；
(4)安全教育，教师带领学生下厂调研，记录该厂烧结返矿的成分、转炉炼
钢一些工艺参数，收集生产相关资料；
(5)学生根据所学知识和实习、调研中获得的资料，总结该厂烧结返矿特性、冶炼时配加烧结返矿的操作要点；
(6)与技术人员交流，请技术人员讲授该方案在生产中可能出现的事故； (7)教室设置成学习岛，准备投影，为每组准备4张A0白纸，记号笔1支、A4作业纸每人2张。
5.2. 课中计划
(1)学生按小组就座学习岛周围，选举记录人、发言人。
(2)每人总结一条操作要点，记录人将操作要点在A0白纸上按转炉炼钢前期、中期、后期分工序记录。要求每人发言，直到所有人员无法补充为止，时间15～20分钟；
(3)整理完成后，小组发言人上台展示A0白纸上的记录，汇报交流配加烧结返矿时操作要点；发言学生汇报完成后，同组学生可以补充。现场技术人员对学生汇报的操作要点评价，指出优点和不足，每组时间8～10分钟；
(4)技术人员讲授实际生产该方案可能出现问题及对策，时间15分钟； (5)教师讲授该方案可行性分析、热量平衡计算，烧结返矿的配加方案，时间45分钟。
5.3. 课后计划
布置作业，见6.3。
6. 思考题及考评
6.1. 课前思考题
布置课前思考题，保证学生下厂调研知道找什么材料、看什么操作、思考
为什么如此操作。
(1)该厂烧结返矿的性能？ (2)该厂铁水装入量、废钢添加比？
(3)高炉铁水C含量、转炉炼钢生产钢水终点C含量？ (4)该厂转炉钢水出钢温度？
(5)转炉炼钢过程中前、中、后期枪位的操作特点？ (6)查找转炉炼钢的热平衡计算。
6.2. 课堂练习
课堂提问或者集体回答，目的：及时复习、巩固知识，检查教学效果。 练习题
1、转炉炼钢主原料是。( )。C
A. 铁水、氧化铁皮、矿石 B. 铁水、铁合金、脱氧剂 C. 铁水、废钢 D. 氧化铁皮、废钢 2、转炉炉渣粘度大时，炼钢化学反应速度。（ ）B A. 加快 B. 变慢 C. 无变化 D. 与粘度无关 3、氧枪粘钢的原因 ( ) 。 A
A. 化渣不良出现金属喷溅 B. 冶炼前期炉温低、枪位高 C. 冶炼前期炉温低、枪位低 D. 枪位高、产生泡沫喷溅 4、合理的转炉出钢温度主要是 ( ) 。B
A. 提高转炉寿命 B. 保证浇钢顺利 C. 保证钢液不吸气 5、烧结返矿作为转炉冷却剂及造渣剂具有优点（ ）。ABC A．冷却效应大 B. 降低钢铁料耗 C. 作为助熔剂
6、冶炼低碳钢时，随渣中氧化铁合量的增加，钢中溶解氧。（ ）A A．增加 B. 降低 C. 无变化 D. 与钢中氧无关
6.3. 课后作业
课后作业，复习巩固知识、提升能力。
(1)每人记录6炉以上烧结返矿配加后的冶炼操作数据(包括转炉脱磷、转炉脱碳、炉外精炼LF)。
(2)每人结合自己调研结果，总结使用烧结返矿炼钢的生产操作要点。
6.4. 评价
表5 学生考核评价实施表
评价方式 评价内容 请假一次 学生出勤 (10%) 迟到一次及以下 迟到三次 缺勤（请假两次及以上） 小组合作融洽，讨论能达到预定的目标 小组评价 小组合作比较融洽，讨论基(20%) 本达到预定的目标 小组合作相对融洽或不融课堂参与 洽，讨论未达到预定的目标 (60%) 展示评价 展示内容全面，条理清楚、(20%) 语言流畅 现场教学 遵守现场规章制度，有良好评价 的安全意识。 (20%) 完成作业 思路清晰，格式规范，内容(20%) 正确 自我评价 (10%) 评价结果 8~9 8~10 5~7 0 15~20 10~18 0~5 4~20 0~20 0~20 0~10 得分 过程性 评价 (100%)
烧结返矿替代废钢炼钢生产案例分析.doc
