120t轉爐冶煉中CO濃度變化指導作用的探討

趙廣諳

（新疆八一鋼鐵股份有限公司）

1 前言

某煉鋼廠120t轉爐原工藝設計為恒槍變壓操作，供氧強度范圍在2.8～3.2 m3/（t·min），冶煉時間控制在800s以內。生產鋼種包括管線鋼、壓力容器鋼、汽車板用鋼等。在冶煉過程中煉鋼工憑經驗進行判斷，如對于火焰的判斷依舊以顏色、形狀以及特定的時間為依據，并以此確定轉爐爐內冶煉狀態。經驗煉鋼易受很多客觀因素的影響，如原材料、供氧設備、爐型，甚至還有個人的精神狀態等，經驗煉鋼穩定性差且波動大，對生產的順行、作業活動的標準化有不利的影響。煉鋼工的培養需要很長的時間，沒有標準化的操作參數，只能在實踐中依靠師傅的引導以及個人的悟性去學習，因此優秀的煉鋼工一直很缺乏。轉爐煉鋼工對于冶煉過程憑經驗控制，其所感知的內容都是轉爐爐內反應的結果。分析認為轉爐爐內冶煉過程發生了碳氧反應，CO濃度的變化就是爐內碳氧反應的具體表征，文章探索通過CO濃度的變化指導煉鋼工操作，以實現轉爐生產的穩定控制。

2 轉爐工藝特點

轉爐公稱容量120t。

供氧條件：氧氣射流速度2.0馬赫；供氧強度2.8～3.2 m3/（t·min）。

頂吹氣體的介質：氧氣純度99.99%。

除塵方式：濕法除塵、RD喉口/環縫調節。

CO濃度監測采用激光實時監測。

氧氣頂吹轉爐內存在著直接傳氧與間接傳氧兩種途徑[1]。直接傳氧是氧氣被鋼液直接吸收，其反應過程是：

間接傳氧是氧氣通過熔渣傳人金屬液中，氧氣頂吹轉爐傳氧以間接傳氧為主。其反應式為：(FeO)=[FeO]、[FeO]=[Fe]十[O]；

氧化物分解壓越小，元素越易氧化。在煉鋼溫度下，常見氧化物的分解壓排列順序：

從以上氧化物分解的順序可以看出，轉爐冶煉時分為前期硅錳氧化期、中期碳氧反應期、后期脫碳去夾雜期[2]。通過煉鋼工經驗控制氧槍槍位、供氧強度以及渣料量的加入時機逐步進行冶煉過程。因為轉爐內是多相反應，因此鐵水中元素的氧化順序還與其濃度有關，所以吹煉開始元素氧化順序為Fe、Si、Mn、P、C等。

轉爐冶煉過程槍位的控制是促使爐內反應的重要手段[3]。當采用硬吹時，氧氣流股對熔池的沖擊力大，形成的沖擊深度較深，沖擊面積相對較小，因而產生的金屬液滴和氧氣泡的數量也多，氣—熔渣—金屬乳化充分，爐內的化學反應由于硬吹加快爐內溫度升高促使反應速度快，特別是脫碳速度加快，大量的CO氣泡排出，熔池攪動強烈，并且伴有大量煙塵產出。

在軟吹時，氧氣流股對熔池的沖擊力減小，沖擊深度變淺，沖擊面積加大，反射流股的數量增多，對于熔池液面攪動有所增強，爐內升溫均勻，脫碳速度緩慢，因而對熔池內部的攪動相應減弱，爐內煙塵量降低[4]。

3 CO濃度變化的實際應用

轉爐煉鋼工對冶煉過程操作都是依據感官所能感知到的內容來調整，感知的內容都是爐內反應的結果。這種感知因人而異，現場多種因素疊加，造成轉爐煉鋼工對于冶煉控制不穩定。轉爐爐內冶煉過程伴隨著碳氧反應的過程，CO濃度的變化就是爐內碳氧反應的具體表征。

圖1 冶煉過程中爐內CO濃度曲線跟蹤畫面

由圖1可以看出“CO濃度”是隨著冶煉過程時間的推移而變化的，變化的原因是轉爐內化學反應在進行。通過“CO濃度”的變化指導煉鋼工冶煉過程操作，將真實的反應出冶煉過程爐內反應狀況，根據反應狀況，結合多年積累的經驗，通過調整供氧強度、氧槍槍位進行冶煉作業。煉鋼工可以通過CO濃度的變化及時調整轉爐冶煉操作，進一步提升冶煉操作水平。

3.1 冶煉過程爐渣“返干”的判斷

在轉爐吹煉中，造成爐渣“返干”現象的主要原因是供氧量小于碳氧反應所耗氧量，由于冶煉過程槍位及供氧強度的變化造成爐渣大量結坨，鋼水表面部分裸露在氧槍流股范圍內，使得“CO濃度”急劇上升。首先爐渣“返干”在冶煉過程中經常發生，爐渣“返干”不但造成冶煉化渣困難，去除有害雜質能力大幅度下降，還會造成氧槍結冷鋼，嚴重時造成惡性生產事故；其次長時間“返干”會造成轉爐大噴濺、燒搶等安全事故[5]。目前轉爐操作中爐渣“返干”都是通過火焰形狀、亮度、聲音等判斷，不但判斷不準確而且延遲效應嚴重[5]。CO濃度趨勢反饋見圖2。

圖2 爐渣“返干”時爐內CO濃度變化曲線

通過圖2可以發現，由于爐渣“返干”造成爐渣結坨部分鋼水直接暴露在氧槍流股范圍內，氧氣流股直接與鋼水中的碳發生反應，CO濃度急劇上升[6]。此時煉鋼工發現曲線異常后只需要提高槍位，加入化渣材料即可迅速解決爐渣“返干”問題，從CO濃度曲線觀測在達到峰值后提高槍位緩解了爐渣“返干”。

3.2 開吹槍位的確定

轉爐冶煉開始前需進行量槍作業，目的是確定轉爐氧槍在爐內有合適的槍位，槍位一旦確定后對于轉爐冶煉過程操作有極大的幫助，合適的化渣時間、碳氧反應對于冶煉過程都有極大幫助，見圖3。

通過前期“CO濃度”產生速度判斷開吹槍位是否合適。轉爐冶煉前期為硅錳氧化期，硅錳氧化期伴隨著溫度的升高逐步進入碳氧反應期，因此通過判斷碳氧反應期的開始時間確定開吹槍位高或低[6]。開吹槍位低碳氧反應提前，開吹槍位高碳氧反應開始滯后。根據跟蹤數據150～180s的碳氧反應發生時間滿足工藝需要。合適的碳氧反應發生時間能幫助冶煉過程化渣、中期爐渣化透不產生噴濺、后期終渣做粘確保終點穩定。

圖3 冶煉周期內爐內CO濃度變化曲線

3.3 冶煉周期的確定

轉爐冶煉過程是個化學反應的過程，通過碳氧反應的進行不斷產生CO氣泡，并伴隨著去除鐵水中的有害雜質，冶煉過程需要時間，合適的冶煉時間不但對于生產組織有很大幫助，而且對于冶煉過程鋼水終點控制的穩定有極大助力。

冶煉過程的平穩需要通過對供氧強度及氧槍槍位的控制，達到爐內反應平穩，且脫碳速度有節奏、有序，平均脫碳速率0.30～0.32%/min，CO濃度曲線平滑。冶煉較為平穩狀態下CO濃度變化見圖4。

圖4 冶煉較為平穩情況下爐內CO濃度變化曲線

3.4 半自動曲線模型

轉爐冶煉過程以往通過火焰判斷爐內狀況的冶煉方式，完全由煉鋼工通過碳氧反應觀察的，由于感官認知的能力不盡相同，使得每位關鍵崗位人員通過經驗判斷爐內狀況的能力有高低，造成轉爐冶煉作業無標準參考。為此通過長時間的觀測“CO濃度”曲線變化規律，并解讀經驗煉鋼“可意會不可言傳”的技能，幫助煉鋼過程平穩。

結合標準化操作，前期收集優秀的“CO濃度”曲線變化樣本，并建立數據庫，對于相同類型或相近類型的爐次進行曲線參考冶煉，越趨于優秀樣本冶煉過程便越平穩，并根據實際情況每周對優秀樣本的選擇進行調整，確保“CO濃度”曲線是最佳操作參考曲線（見圖5），優秀樣本采集標準見表1。

4 結束語

采用“CO濃度”曲線實時監控轉爐冶煉過程化學反應，并對轉爐煉鋼工操作提供參考，不但使得冶煉過程平穩，轉爐噴濺降低而且轉爐終點命中率顯著提高達15%。由于終點命中率提高轉爐吹損降低1%，鋼鐵料消耗降低2kg/t，預計全年可降低成本一千萬以上。

[1]黃希祜.鋼鐵冶金原理[M].北京：冶金工業出版社,2006,371.

[2]魏壽昆.冶金過程熱力學[M].上海：上海科技出版社,1980,37～40.

[3]李文超.冶金熱力學[M].北京：冶金工業出版社,1985,28～37.

[4]梁連科.冶金熱力學和動力學[M].沈陽：東北大學出版社,1996,42～58.

[5]陳家祥.鋼鐵冶金學（煉鋼部分）[M].北京：冶金工業出版社,1990.

[6]王莜留.鋼鐵冶金學（煉鋼部分）[M]..北京：冶金工業出版社,1991.